中国科学 E辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期: 16~22 16 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS青藏铁路主动冷却路基的工程效果程国栋*, 吴青柏, 马巍中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 冻土工程国家重点实验室, 兰州 730000* E-mail: gdcheng@收稿日期: 2007-12-13; 接受日期: 2008-06-20中国科学院知识创新工程重大项目(批准号: KZCX1-SW-04)和国家杰出青年基金(批准号: 40625004)资助项目摘要在全球变暖的背景下, 高温冻土区的建筑必须改变单纯依靠热阻(增加路堤高度、采用保温材料)的消极“保”温方法, 而采用“冷却路基”的积极“降”温措施. 通过局地因素对多年冻土分布影响的分析得到如下启示: 可以通过改变路基的结构和填料调控传热, 以达到冷却路基的目的. 青藏铁路的实践表明: 通过遮阳板调控辐射, 通过块石层、通风管、热管调控对流, 通过“热半导体”材料调控传导, 通过这些调控方式的组合, 均可有效地降低路基下多年冻土的地温, 保证路基的稳定. 冷却路基方法是高温冻土区工程建筑应对全球转暖的有效措施.关键词高温冻土全球转暖青藏铁路冷却路基青藏铁路全长1142 km, 穿越632 km的多年冻土. 其中高温冻土(0~−1℃)段长275 km, 高含冰量(>20%)冻土段长221 km, 高温且高含冰量冻土段长134 km[1]. 在考虑全球转暖的情况下, 如何修建这条铁路, 面临着十分严峻的挑战[2]. 对青藏公路的调查研究发现: 公路在改建沥青路面后, 60%的路段形成融化夹层, 这些路段大多位于高温冻土区; 青藏公路路基病害的85%是由融化下沉造成的[1]. 青藏公路及冻土区其它工程建筑的实践表明: 青藏铁路的设计思想必须由单纯依靠增加热阻(增加路堤高度、采用保温材料)的消极“保”温思路, 改变为“冷却路基”的积极“降”温思路, 特别在高温冻土区, 非如此难以确保路基的稳定[3,4]. 通过局地因素对多年冻土分布影响的分析得到如下启示: 可以通过改变路基的结构和填料来调控辐射、调控对流、调控传导, 以达到冷却路基的目的[5,6].1调控辐射低的纬度和高海拔的结合, 使青藏高原成为地球上大阳辐射最强烈的地区之一. 因此, 在高原上遮挡太阳辐射能有效地降低地温[7]. 对青藏高原风火山设置的遮阳棚内和遮阳棚外14:00时地表温度的观测表明, 一年中棚内地表温度比棚外地表温度低8~15,℃最大差值达24℃[8]. 由于高原多大风, 不适合使用遮阳棚, 因此, 在北麓河路堤边坡上设置了遮阳板试验. 观测表明: 遮阳板下的坡面平均温度比遮阳板外的坡面低3.2℃, 最大可以相差4.2℃(图1), 比天然地表低1.5℃[9]. 同时, 路基填土在反复冻融作用下会变得疏松. 遮阳板既挡风, 又挡雨, 能有效地减少路堤坡面的风蚀和水蚀.2 调控对流青藏铁路使用了块石层、热管和通风管等措施调控对流, 如图2所示.2.1 块石层在青藏高原上, 设置在冻土上的块石层能起到“热半导体”的作用: 冷季时, 外界空气温度低于冻土温度, 块石层中的空气发生R-B对流, 冻土的放热加强; 暖季时, 外界空气温度高于冻土温度, 通过块石中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期17图1 遮阳板下部土体温度变化图2 调控对流的工程措施层的传热以热传导为主, 冻土的吸热减少. 年循环的结果是通过碎石层的放热大于吸热, 使下卧土体得以冷却[10~13]. 当块石层倾斜设置的倾角大于一定值时, 块石层中将产生“烟囱效应”, 同样能起到降低地温的作用[13].青藏高原上冷季的风速和大风日数明显高于暖季, 75%的大风发生在冷季, 且平均风速高于暖季. 由此造成冷季时块石层中致冷的强迫对流明显强于暖季时致暖的强迫对流. 块石层中这种致冷和致暖强迫对流的不对称, 能明显地降低块石层下的地温[14].块石层在路堤上的应用可以有多种结构, 如块石路堤、块石基底路堤、块石护坡和U 型块石层路堤等, 如图3所示.2.1.1 块石基底路堤. 由于铁路设计要求块石层上至少要有2.5 m 的土层, 所以, 块石路堤变成了块石基底路堤(图3(b)). 青藏铁路约有130 km 的路段采用了这种块石基底路堤. 块石基底由20~30 cm 的块石组成, 厚1.0~1.2 m, 直接置于地面上, 块石基层上覆程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果18图3 各种型式块石路堤结构(a) 块石路堤; (b) 块石基底路堤; (c) 块石护坡路堤; (d) U 型块石路堤2.5~10 m 不等的土层.对不同地温带上的块石基底路堤进行了监测, 发现所监测的7个路段的块石基底路堤下的多年冻土上限均有抬升, 幅度达1.8~2.6 m. 路堤内多年冻土上限处的温度也显示了逐年下降的趋势. 但位于年平均地温高于−0.5℃的乌丽盆地和布曲河地段的块石基底路堤下多年冻土上限处地温逐年下降的趋势不明显 (图4所示)[15]. 上述事实表明: 块石基底路堤起到了降低地温的作用. 但由于上覆土层的影响, 其冷却作用受到削弱. 因此在高温冻土区, 仅仅依靠块石基底路堤还不足以保证路堤的稳定, 需要增补其它的冷却路基措施.在北麓河对开放和封闭的块石基底路堤进行了对比观测. 所谓的封闭块石基底路堤, 是在碎石基层暴露于空气中的两个坡面上用20 cm 厚的填土覆盖, 以隔断块石基层中的空气与外界空气的联系. 坡面无填土覆盖的则为开放的块石基底路堤. 块石基层由20~30 cm 的块石组成, 厚1.2 m, 上覆2.5 m 的粗颗粒土. 北麓河冷季的主导风向为东偏北, 基本垂直于路堤走向, 平均风速5~8 m/s; 暖季主导风向基本为北偏西, 平均风速约2~3 m/s. 观测表明, 由于上覆土层的影响, 封闭的块石基层中自然对流微弱; 而开放的碎石基层中, 由于风的作用, 强迫对流占了主导. 仅在冷季风小时, 坡脚处的碎石层中才发生自然对流. 总的结果是, 开放的块石基底路堤对下部土体的冷却作用要明显好于封闭系统, 其降温的差值可达2~4℃[16,17].2.1.2 块石护坡. 将块石任意堆放到路堤边坡上即形成块石护坡(图3(c)). 青藏铁路使用块石护坡的路段约长37 km, 所采用的块石粒径有8~10和20~30 cm 两种, 块石护坡厚度一般为80~100 cm.在北麓河进行了块石护坡的试验研究. 该处年平均气温−3.8℃, 年平均地温−1.4~ −1.6℃. 块石(5~8 cm)护坡路堤高4.1 m, 护坡厚度80 cm; 块石(40~50 cm)护坡路堤高4.8 m, 护坡厚度80 cm; 用于对比的普通路堤高4.5 m. 坡面温度观测点位于坡面下10 cm,图4 高温多年冻土区块石路基下部土体温度变化(a) 乌丽盆地; (b) 布曲中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期19观测结果表明: 无论是路堤阳坡还是阴坡, 暖季碎石(5~8 cm)护坡面温度低于普通路堤坡面温度, 起到了隔热作用; 而冷季碎石(5~8 cm)护坡面温度高于普通路堤坡面温度, 说明碎石(5~8 cm)护坡中发生了对流作用[18]. 从碎石(5~8 cm)护坡和普通路堤中心孔的地温曲线可看出, 碎石(5~8 cm)护坡路堤下的地温降低幅度要大于普通路堤, 地表以下2 m 范围内的地温仍在逐步降低, 显示了较强的冷却作用(图5所示). 路堤建成3年后, 普通路堤下的冻土上限仅在路堤中心部位抬升到路堤基底以上, 而块石(40~50 cm)护坡路堤下的冻土上限己大部分进入路堤本体. 且其地温, 整体上要低于普通路堤下的地温, 说明块石(40~50 cm)护坡路堤起到了降低地温的作用[19].实验室模型试验和野外对实体工程的观测也表明, 在路堤的阴、阳坡设置不同厚度的碎石护坡, 可减少阴、阳坡融化深度的差异, 防止不均匀沉降和路面纵向裂缝的产生[20].2.1.3 U 型块石层路堤. 由于块石基底路堤的上覆土层降低了块石层的冷却作用, 所以在青藏铁路的若干块石基底路堤的两侧坡面增设了块石护坡, 形成U 型块石层路堤(图3(d)), 以期提高路堤的热稳定性. 到目前为止, 对U 型块石层路堤的观测时间尚短, 但总体显示这类路堤较之块石基底路堤和块石护坡有更强的冷却作用[21].在年平均气温为−4.0℃, 末来50年气温上升2.6℃的情景下, 对普通带道碴的路堤、块石基底路堤和U 型块石层路堤下部土体的热状况进行了数值模拟[22]. 模拟的路堤总高度为5 m, 碎石直径10 cm, 块石基层厚1.5 m, 上覆3.5 m 沙砾层, 块石护坡厚1.6 m. 模拟结果表明: 50年后, 普通带道碴路堤下多年冻土上限明显下降至7.4 m 的深度, 路基不稳定; 块石基底路堤下的冻土上限己接近天然地表, 但整体地温偏高, 接近0℃; 而U 型块石层路堤下的冻土上限己进入块石基底底部, 且整体地温比块石基底路堤下地温低了0.25~0.3℃, 有较高的稳定性.观测表明: 青藏铁路所采用的块石层起到了冷却路基的作用, 但其冷却效果比理论上预期的要低. 原因可能是在施工过程中将一些岩屑填入了块石层中, 减少了块石层的孔隙率, 降低了冷却能力. 另外,图5 一般路基和碎石护坡路基下土体温度场比较程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果20青藏高原多风, 很可能发生沙尘逐渐进入块石层, 从而降低块石层的冷却能力的情况. 对此, 应采取必要措施预防之.2.2 通风管通风管试验是在北麓河进行的(图2(b)). 采用的通风管有PVC 管和混凝土管两种, 直径30或40 cm, 管间间隔为两个管径的距离, 一般横向埋设在高于原地面0.5~0.7 m 的路堤中.青藏高原年平均气温与地表温度之间的差值平均在3℃左右. 因此, 在路堤中设置通风管能有效地降低其下的地温. 观测结果表明: 通风管能有效地降低地温; 埋置高度接近地表的通风管, 其冷却效应要好于埋置位置高的通风管[23]. 图6说明通风管的埋置高度接近地表的路堤, 在建成3年后, 多年冻土上限己上升到了原地表, −1℃地温等温线也随着抬升, 地温逐年都有明显下降的趋势(图6所示). 观测资料亦表明: 与年平均气温相比, 路堤表面温度要高4℃,天然地表温度要高 2.5℃, 而通风管内的气温仅比外界气温高1.6~1.8℃[24].通风管加强了其下土体冷季的放热, 但在暖季也增加了其下土体的吸热. 为了提高冷却效率, 在北麓河进行了自动控温通风管的实体工程试验. 所谓自控通风管, 是在通风管一端, 或两端安装可以根据气温变化自动开启或关闭的风门. 该风门带有温度感应和控制单元, 在外界温度高于设定温度时会自动关闭. 观测结果表明: 自动控温通风管壁的温度要比一般通风管壁低1℃. 自动通风管路堤基底下3.5 m 处的年平均地温, 也比一般通风管下的低0.45℃[25].为了进一步提高通风管的冷却效果, 在北麓河进行了透璧通风管路堤的试验. 透壁通风管是一种管壁开孔, 可以透气的通风管, 用来加强通风管内空气与周围土体之间的热交換, 以提高通风管路堤的冷却效率[26].2.3 热管青藏铁路使用热管的路段有34 km. 依据路堤高度, 热管长分别为7, 9, 12 m, 垂直或倾斜插于路肩或坡脚. 插入深度一般为上限以下2~3 m.在清水河进行的热管实体工程试验结果表明: 热管能显著降低地温, 抬升冻土上限. 清水河所使用的热管影响半径<1.8 m [27], 建议热管之间的间距以3 m 为宜. 数值模拟的结果表明: 热管在坡脚处埋设的倾角为25~30°时, 对于路堤中心、路肩及坡脚下多年冻土上限抬升的效果最佳[28].图6 通风管路基和一般路基下土体温度场对比中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第1期213 调控传导水在结成冰后, 导热系数由0.45变为2.2 W/m ·k, 为原来的4倍. 利用这一性质, 可制作冻结时的导热系数远大于融化时导热系数的材料, 用于使路堤在冷季加强放热, 而在暖季减少吸热, 从而冷却路基, 起到“热半导体”的作用. 在实验室进行了层叠结构热半导体的试验[20]: 在密闭的容器中放置与空气互层的吸水材料, 并在底部注入一定厚度的水层. 对该“热半导体”的测试结果表明, 其在融化时的导热系数为0.11 W/m ·k, 冻结时的导热系数为1.2 W/m ·k,冻、融状态下导热系数的比值达到10.9. 这一研究, 目前尚未找到工程应用的途径.4 综合调控调控辐射、调控对流和调控传导这3种方法如能综合使用, 可以大大提高冷却效果.4.1 旱桥青藏铁路在高含冰量、极不稳定的冻土段使用了总长125 km 的旱桥. 旱桥桥桩直径1.2 m, 埋入地下25~30 m. 运行以来, 平均变形<2 mm, 最大变形< 5 mm. 旱桥既遮阳、又通风, 而且有很高的力学稳定性, 是保证高含冰量、极不稳定冻土地段路堤稳定的有效措施. 旱桥的设置也为野生动物的迁徙提供了通道. 对清水河旱桥所作的数值模拟表明, 旱桥下多年冻土的平均温度要低于天然状态下的冻土温度, 具有一定的冷却作用[29].4.2 遮阳板+碎石护坡李宁等人[30]提出了一种将遮阳板和碎石护坡相结合的路堤型式. 其特点是既能遮阳, 又能利用碎石护坡中的自然对流降温, 且能阻止风沙进入碎石层的孔隙. 对这种复合结构中遮阳板的高度、碎石护板的厚度、碎石粒度和路堤高度等的合理取值进行了数值仿真试验, 提出了遮阳板+碎石护坡的优化设计方法.4.3 热管+保温板在热管路堤基底, 原地面以上0.5 m 处增设保温板, 以提高冷却路基的效果[31]. 数值模拟结果显示: 在青藏高原50年升温2℃的情景下, 位于年平均气温为−3.5℃地区的普通路堤、设置保温板的路堤, 以及热管路堤均不能保证路堤的稳定; 而热管+保温板复合结构的路堤则可以抵消气候转暖的影响, 保证路堤的稳定.4.4 碎石护坡+保温板在碎石护坡路堤顶面下0.8 m 处增设保温板可以有效地加强碎石护坡的作用[31]. 数值模拟表明, 这种碎石护坡+保温板的复合结构路堤, 较之无保温板的碎石护坡路堤, 其路堤中部的地温有明显的降低.5 工程技术适应性评价主动冷却路基是高温冻土区工程建筑应对全球转暖的有效措施, 但主动冷却路基措施在工程实际应用效果上和工程造价存在着较大的差异, 工程造价有时往往制约着主动冷却路基工程措施的实施方案. 主动冷却路基措施的选择可根据气候变化和工程热扰动影响对多年冻土变化的影响[32], 以及工程造价和应用效果综合比较来确定. 对于极高温高含冰量路段(冻土年平均地温高于−0.5℃), 可采用旱桥和热管路基, 利用旱桥的综合调控性能来确保高温高含冰量路段工程处于稳定状态. 然而, 由于旱桥和热管路基具有较高的工程造价, 对于高温高含冰量路段(冻土年平均地温在−1~ −0.5℃), 在风向垂直路基走向的路段, 可采用通风管路基来降低路基下部多年冻土温度; 在风向与路基走向不垂直的路段, 可选用块石底基路基或者U 型块石路基, 这样可较大幅度地降低工程造价. 对于低温高含冰量多年冻土路段(冻土年平均地温在−1~ −2℃), 可供选择的工程技术措施较多, 应根据实际情况综合选择较为经济的工程措施. 然而, 由于多年冻土路基具有较强的“阴阳坡效应”[33], 工程技术措施中需要考虑减弱“阴阳坡效应”的复合措施.6 结论(1) 在全球转暖的背景下, 高温、高含冰量地段的道路工程, 必须采用冷却路基的原则, 变消极“保”温为积极“降”温, 以应对全球转暖.(2) 通过调控辐射、调控对流、调控传导和综合调控, 可以达到冷却路基的目的. 遮阳板、碎石层、通风管、热管和旱桥等调控措施已在青藏铁路上成功程国栋等: 青藏铁路主动冷却路基的工程效果22应用, 达到了冷却路基, 保证路基稳定的目的.(3) 目前在青藏铁路上应用的冷却路基的各项具体措施, 还需进一步量化、强化和优化. 同时须根据工程造价来确定其应用范围.参考文献1 Wu Q B, Liu Y Z, Zhang J M. A review of recent frozen soil engineering in permafrost regions along Qinghai-Tibet highway, China. Permafrost Periglacial Processes, 2002, 13(3): 199—2052 Cheng G D, Wu T H. Responses of permafrost to climate change and their environmental significance, Qinghai-Tibet Plateau. J Geophys Res, 2007, 112(F2): F02S03.1—F02S03.103 Cheng G D. Principle of thermal insulation for permafrost protection. Cold Regions Sci Tech, 2004, 40(1): 71—794 Cheng G D. Permafrost studies in the Qinghai-Tibet Plateau for road construction. J Cold Regions Eng, 2005, 19(1): 19—295 Cheng G D. Influences of local factors on permafrost occurrence and their implications for Qinghai-Tibet railway design. Sci China Ser D-Earth Sci, 2004, 47(8): 704—7096 Cheng G D. A roadbed cooling approach for the construction of Qinghai-Tibet railway. Cold Regions Sci Tech, 2005, 42(2): 169—1767 Kondratyev V G. Strengthening railroad base constructed on icy permafrost soil. In: Proceedings of 8th International Conference on Cold Regions Engineering. Fairbanks: ASCE, 1996. 688—6998 Feng W J, Ma W, Li D Q, et al. Application investigation of awning to roadway engineering on the Qinghai-Tibet Plateau. Cold Re-gions Sci Tech, 2006, 45(1): 51—589 Yu Q H, Niu F J, Pan X C, et al. Investigation of embankment with temperature-controlled ventilation along the Qinghai-Tibet rail-way. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(2): 193—19910 Cheng G D, Tong B L. Experimental research on an embankment in an area with massive ground ice at the lower limit of alpine perma-frost. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Permafrost. Ottawa: National Research Council of Canada, 1978. 199—222 11 Georing D J, Kumar P. Winter-time convection in open graded embankments. Cold Regions Sci Tech, 1996, 24(1): 57—74 12 Georing D J. Passively cooled railway embankments for use in permafrost areas. J Cold Regions Eng, 2003, 17(3): 119—13313 Cheng G D, Lai Y M, Sun Z Z, et al. The “thermal semi-conductor ” effect of crushed rocks. Permafrost Periglacial Processes, 2007, 18(2): 151—16014 Cheng G D, Sun Z Z, Niu F J. Application of the roadbed cooling approach in Qinghai-Tibet railway engineering. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(3): 241—25815 Wu Q B, Cheng G D, Ma W, et al. Technical approaches on permafrost thermal stability for Qinghai-Tibet railway. Geomech Geoeng Int J, 2006, 1(2): 119—12716 吴青柏, 董献付, 蒋观利. 开放和封闭条件下块石结构路基下部土体降温效果差异. 岩石力学与工程学报, 2006, 27(12): 1386—139017 吴青柏, 程红彬, 蒋观利, 等. 青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理. 中国科学E 辑: 技术科学, 2007, 37(5): 613—620 18 Saboundjian S, Georing D J. Air convection embankment for roadway: A field experimental study in Alaska. In: Proceedings of the 82nd Annual Meeting of the Transportation Research. Washington D C: Board, 200319 孙志忠. 青藏铁路多年冻土区碎石护坡路基研究. 博士学位论文. 北京: 中国科学院研究生院, 200620 俞祁浩. 多年冻土区路基热传导过程和新调控方法研究. 博士学位论文. 北京: 中国科学院研究生院, 200621 Ma W, Feng G L, Wu Q B, et al. Analyses of temperature fields under the embankment with crushed-rock structures along the Qing-hai-Tibet railway. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(3): 259—27022 Zhang M Y, Lai Y M, Liu Z Q, et al. Nonlinear analysis for the cooling effect of Qinghai-Tibet railway embankments with different structures in permafrost regions. Cold Regions Sci Tech, 2005, 42(3): 237—24923 Niu F J, Cheng G D, Xia H M, et al. Field experiment study on effects of duct-ventilated railway embankment on protecting the un-derlying permafrost. Cold Regions Sci Tech, 2006, 45(3): 178—19224 Niu F J, Liu X F, Ma W, et al. Monitoring study on the boundary thermal conditions of duct-ventilated embankment in permafrost re-gions. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(3): 305—31625 Yu Q H, Pan X C, Cheng G D, et al. An experimental study on the cooling mechanism of a shading board in permafrost engineering. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(3): 298—30426 胡明鉴, 汪稔, 葛修润, 等. 青藏铁路路基透壁通风管冷却效果试验研究. 岩石力学与工程学报. 2004, 23(24): 4195—4199 27 潘卫东, 赵肃菖, 徐伟泽, 等. 热棒技术加强高原冻土区路基热稳定性的应用研究. 冰川冻土, 2003, 25(4): 433—43828 杨永平, 周顺华, 魏庆朝. 青藏铁路斜插式热管路基在不同倾斜角度下冷却效果的数值模拟研究. 土木工程学报, 2006, 39(3): 108—11329 肖建章, 赖远明, 张学富, 等. 青藏铁路旱桥的三维温度特性分析. 冰川冻土, 2004, 26(4): 426—43430 李宁, 康佳梅, 全晓娟. 高温冻土区一种新型路基护坡的冷却机理研究. 岩土工程杂志, 2007, 29(3): 425—42931 Wen Z, Sheng Y, Ma W, et al. Analysis on effect of permafrost protection by two-phase closed thermosyphon and insulation jointly in permafrost regions. Cold Regions Sci Tech, 2005, 43(3): 150—16332 Wu Q B, Dong X F, Liu Y Z, et al. Responses of permafrost on the Qinghai-Tibet plateau to climate change and engineering action. Arctic Antarctic Alpine Res, 2007, 39(4): 682—68733Chou Y L, Sheng Y, Ma W. Study on the effect of the thermal regime differences in roadbed slopes on their thawing features in per-mafrost regions of Qinghai-Tibetan Plateau. Cold Regions Sci Tech, 2008, 53(3): 334—345。