【導(dǎo)讀】periodictemperatur

　　

【正文】 害防治，基于“主動(dòng)冷卻地基”的思路，對(duì)于塊碎石路基與管道通風(fēng)路基這兩種新型結(jié)構(gòu)的研究就顯得尤為重要。由于這兩種路基都是通過(guò)調(diào)節(jié)大氣與路基間的對(duì)流換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路基自身及其下部地基土的冷卻降溫作用，因此將這兩種路基統(tǒng)稱為“氣冷路基”。 本文緊密結(jié)合凍土工程領(lǐng)域的國(guó)際前沿問題，以青藏鐵路工程為依托，對(duì)多年凍土區(qū)塊碎石路基和管道通風(fēng)路基這兩種氣冷路基的降溫機(jī)理及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，研究成果具有突出的創(chuàng)新性和重要性。在理論上，揭示了氣冷路基的降溫機(jī)理，提出了新的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型；在應(yīng)用上，針對(duì)寒區(qū)重大工程中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，提出了有效的解決方法，成果已在青藏鐵路工程中得到應(yīng)用并取得良好效果。這些成果對(duì)我國(guó)凍土區(qū)筑路關(guān)鍵技術(shù)起到了重要的推動(dòng)作用。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果如下： 1. 揭示了塊碎石路基的降溫機(jī)理，確定了塊碎石路基結(jié)構(gòu)的最佳降溫粒徑。 為了查明在風(fēng)的作用下塊碎石路基的傳熱特性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同形狀的塊碎石層在封閉和開放 邊界條件下的降溫效果、降溫機(jī)理和降溫粒徑進(jìn)行了研究。 研究結(jié)果表明，在風(fēng)的作用下，邊界狀態(tài)對(duì)塊碎石層降溫效果和降溫機(jī)理有著決定性的影響：封閉邊界的塊碎石層，當(dāng)滿足一定條件時(shí)內(nèi)部有自然對(duì)流發(fā)生，具有明顯的熱半導(dǎo)體特性；而開放塊碎石層的熱量傳遞主要是依靠強(qiáng)迫對(duì)流，熱半導(dǎo)體特性不顯著。研究還發(fā)現(xiàn)，頂部封閉方形塊碎石層底部溫度周期較差很小，最佳降溫粒徑范圍約為 20～30 cm；而對(duì)于頂部開放方形塊碎石層，隨著粒徑的增大，底部溫度周期較差增大，但周期平均溫度降低。用于護(hù)坡的開放傾斜塊碎石層在考慮太陽(yáng)輻射增溫的條件下 ，粒徑在 6～ 30 cm 范圍內(nèi)，迎風(fēng)條件下主要以強(qiáng)迫對(duì)流換熱與接觸熱傳導(dǎo)為主，降溫效果隨粒徑的增大而加強(qiáng)；而背風(fēng)條件下，在環(huán)境溫度較低時(shí)自然對(duì)流降溫效應(yīng)也不容忽視，粒徑為 21～ 23 cm 時(shí)降溫效果最好。 2. 考慮外界風(fēng)的作用，提出了多年凍土區(qū)開放邊界塊碎石路堤速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算方法，解決了青藏鐵路塊碎石路堤流體 固體耦 合傳熱的計(jì)算難題。 多年凍土區(qū)路堤中的塊碎石層多處于開放狀態(tài)，其內(nèi)部對(duì)流換熱模式直接受到外界風(fēng)的作用。因此，運(yùn)用多孔介質(zhì)中不可壓縮流體對(duì)流換熱的連續(xù)性方程，非達(dá)西流動(dòng)量方程及能量方程，考 慮外界風(fēng)的作用，建立了多年凍土區(qū)開放塊碎石路堤對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了模型是合理可靠的，從而解決了達(dá)西定律在空氣流速較大時(shí)，計(jì)算誤差增大的問題與不足。 采用本模型對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)開放塊碎石路堤速度場(chǎng)及未來(lái) 50 年的溫度變化特征進(jìn)行了數(shù)值研究。研究結(jié)果表明：開放塊碎石路堤以強(qiáng)迫對(duì)流換熱為主；在年平均氣溫為 ℃，考慮未來(lái) 50 年青藏高原氣溫升高 ℃條件下，開放塊碎石路堤對(duì)下部多年凍土具有積極的保護(hù)作用，但不同的結(jié)構(gòu)形式長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性不同： 1) 傳統(tǒng)道碴路堤的修筑將會(huì)引起下部多年凍 土的嚴(yán)重退化； 2) 開放塊碎石夾層路堤降溫效果及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性較好，并且較高路堤的降溫效果好于較低路堤。但由于主導(dǎo)風(fēng)向的影響，較高路堤下溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的橫向不對(duì)稱問題，而較低路堤則無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生； 3) 開放塊碎石護(hù)坡路堤降溫效果主要集中在坡腳，路堤中部相對(duì)較弱，長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性相對(duì)較差。 3. 建立了多年凍土區(qū)封閉邊界塊碎石路堤對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型，研究了塊碎石路堤在特殊封閉條件下的傳熱特性和降溫效果。 由于復(fù)雜的野外條件，開放塊碎石路堤往往會(huì)被風(fēng)沙、積雪等覆蓋或人為封堵，在塊碎石層內(nèi)形成一個(gè)特殊封閉系統(tǒng) ，其內(nèi)部對(duì)流換熱模式與開放系統(tǒng)截然不同。因此，為研究在這種特殊封閉條件下塊碎石路堤的傳熱特性，基于多孔介質(zhì)非達(dá)西流滲流理論建立了多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的對(duì)流換熱模型，并以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果證明了模型是合理可靠的。 運(yùn)用本模型對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的速度場(chǎng)及未來(lái) 50 年的溫度場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。研究結(jié)果表明，封閉塊碎石路堤內(nèi)部空氣以自然對(duì)流換熱為主；未來(lái) 50 年氣溫升高 ℃條件下，封閉塊碎石路堤仍對(duì)下部?jī)鐾辆哂蟹e極的保護(hù)作用，但不同的結(jié)構(gòu)形式降溫效果和長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性存在明顯差異： 1) 封閉塊碎石夾層路 堤隨著塊碎石層上部填土厚度的增大，內(nèi)部空氣自然對(duì)流減弱，降溫效果變差，當(dāng)填土過(guò)厚時(shí)其長(zhǎng)期熱穩(wěn)定 性不易得到保證； 2) 封閉塊碎石護(hù)坡路堤的降溫特點(diǎn)為坡腳處降溫效果較好，中部相對(duì)較弱，長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性不理想； 3) 封閉 U 形塊碎石路堤能夠有效保護(hù)下部多年凍土，確保道路的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。 4. 建立了多年凍土區(qū)管道通風(fēng)路堤氣－固耦合傳熱模型，解決了在外界風(fēng)作用下通風(fēng)管內(nèi)空氣對(duì)流換熱的計(jì)算問題。根據(jù)管道通風(fēng)路堤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)流換熱方式，運(yùn)用對(duì)流、傳導(dǎo)及流－固耦合傳熱理論，建立了管道通風(fēng)路堤三維非線性氣－固耦合傳熱模型 ，并以野外實(shí)測(cè)資料證明了模型是合理可靠的。本模型解決了通風(fēng)管內(nèi)外空氣的對(duì)流換熱以及管內(nèi)空氣與管壁間的耦合傳熱計(jì)算問題。 根據(jù)青藏高原多年凍土區(qū)氣象和地質(zhì)條件，采用本模型對(duì)青藏鐵路管道通風(fēng)路堤未來(lái)溫度場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明：管道通風(fēng)路堤 (通風(fēng)管軸線距天然地面 m，內(nèi)徑 m，管軸線間距 m)在初始年平均氣溫為 ℃，未來(lái) 50 年氣溫升高 ℃條件下，在修筑完成后的短期內(nèi)不能有效消除路堤填筑對(duì)下部多年凍土產(chǎn)生的熱擾動(dòng)，但從其長(zhǎng)期效果來(lái)看，通風(fēng)管總體處于放熱狀態(tài)，有利于降低周圍土體溫 度，因此，這種管道通風(fēng)路堤能夠有效地保護(hù)下部多年凍土，確保道路的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定。 5. 提出了在高溫多年凍土區(qū)能有效保護(hù)下部多年凍土的“ U 形塊碎石路堤”結(jié)構(gòu)，消除了氣候變暖對(duì)青藏鐵路的影響問題。 多年凍土區(qū)高塊碎石路堤經(jīng)常出現(xiàn)兩個(gè)問題：一個(gè)是開放條件下路堤溫度場(chǎng)不對(duì)稱，造成路堤的橫向不均勻變形；另一個(gè)是封閉條件下路堤降溫效果不理想。為此，提出了一種“ U 形塊碎石路堤”結(jié)構(gòu)。數(shù)值研究結(jié)果表明：在青藏鐵路高溫多年凍土區(qū)，考慮未來(lái) 50 年氣溫上升 ℃的情況下，該路堤仍可以在其下部土層中形成低溫凍土核，將凍土上限 抬升至塊碎石層底部。因此，在高溫多年凍土區(qū)，如按保護(hù)多年凍土的設(shè)計(jì)原則，這種“ U 形塊碎石路堤”是一種長(zhǎng)期、安全、可靠的結(jié)構(gòu)形式。這種路堤結(jié)構(gòu)既可有效降低土體溫度，消除氣候變暖的影響，又可解決路堤下溫度場(chǎng)不對(duì)稱問題，為保持高溫多年凍土區(qū)路堤的穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)保障。 6. 提出了在路塹基底換填塊碎石的新方法，為確保高溫、高含冰量多年凍土區(qū)路塹的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性提供了新的技術(shù)措施。 路塹結(jié)構(gòu)也是青藏鐵路多年凍土區(qū)一種重要的路基結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)對(duì)青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路塹溫度場(chǎng)及病 害的分析發(fā)現(xiàn)，在高溫多年凍土區(qū)修 筑路塹，用低含水量粗顆粒土換填，并在基底換填土層中增設(shè)保溫材料的結(jié)構(gòu)形式，會(huì)造成其下部?jī)鐾恋纳郎兀茈y保證道路的安全穩(wěn)定。因此，提出了保溫路塹和塊碎石換填路塹兩種結(jié)構(gòu)形式：保溫路塹是在邊坡與基底的換填土層中均鋪設(shè)保溫材料，為被動(dòng)保溫措施；塊碎石換填路塹是在邊坡?lián)Q填土層中鋪設(shè)保溫層，基底以塊碎石換填，是一種主動(dòng)冷卻措施。數(shù)值研究結(jié)果表明，在高溫多年凍土區(qū)或退化型低溫多年凍土區(qū)進(jìn)行挖方，當(dāng)下部多年凍土含冰量較低時(shí)，可以考慮使用保溫路塹結(jié)構(gòu)，但當(dāng)含冰量較高時(shí)，塊碎石換填路塹可以作為一種能夠有效保護(hù)下部多年凍土的結(jié) 構(gòu)形式，并具有較好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：氣冷路基；對(duì)流換熱；流－固耦合傳熱；熱穩(wěn)定性；多年凍土 作者姓名：張明義 論文題目：多年凍土區(qū)氣冷路基長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性研究 作者簡(jiǎn)介：張明義，男， 1974 年 10 月出生， 2021 年 9 月師從于中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所賴遠(yuǎn)明研究員，于 2021 年 7 月獲博士學(xué)位。