晋北地区气温的降尺度特征及其对隧道防冻的影响研究

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1、公路隧道2014年第2期(总第86期)晋北地区气温的降尺度特征及其对隧道防冻的影响研究王保生张庆宁。伍毅敏。(1．大同公路分局大同037000；2．中南大学土木工程学院长沙410075)摘要本文对寒区隧道衬砌表面温度的动态监测以每小时变化为记录基准，对晋北地区气温变化特征进行了分析，揭示了寒区隧道在年度周期内经历的多频次短周期冻融循环特征，并探讨了其对寒区隧道混凝土材料和衬砌结构防冻的影响。关键词寒区隧道温度特征冻融循环冻害防治冻害防治问题是高纬度或高海拔严寒地区隧年极端最高气温)。逐年变化数据分别如图所示。上道建设和运营必须面对的重要难题。长期以来，

2、国述指标的57年均值、极大和极小值见表1。内外对隧道防冻理论、技术和材料进行了大量研、__．·^_一_＼＼一撮靖最低气温究，形成了目前以保温隔热防冻为主、结构加强和一极端量高气温防排水优化为辅的较为完善的防冻技术体系l1]。～一一一一一●^_■-_～～一^然而，采取上述措施后，不少隧道在运营几年后出现大面积的隧道冻害，有的甚至经过处治后又出现严重冻害。在采取全方位防冻措施后仍不能§垂g垂Sl垂g垂§§i目§§§i取得令人满意的效果，表明寒区隧道冻害防治的基年份本理论可能存在不完善之处。目前我国公路和铁图1大同站1955~2011年逐年气温指标路隧道设计

3、规范对寒区隧道的主要设防依据有月表i晋北地区(大同站)1955～2Ou年主要气象指标分析表平均最低气温、岩土最大冻深和冻结指数等[u-12]，指标平均平均最平均最极端最极端最平均这些指标反映的是隧址区气温的平均或累计特征，气温低气温高气温低气温高气温风速因而不能体现冻害的渐进发展过程，不能很好地解释隧道冻害在运营几年后逐步显现的问题。为此，单位℃℃℃℃℃m／s本文将观测尺度缩小，试图从气温微观动态波动的平均7．81．814．6—23．936．32．8角度阐释隧道冻害发展的问题。最大8．42．315．4—2O．239．22．9最小7．21．114．O一2

4、7．233．42．71常规尺度下晋北地区的气温特征晋北指位于山西最北部的大同、朔州等地区。通过上述图表以及搜集到的数据可以看出，从该地区属温带大陆性季风气候，温度和降水时空分年变化尺度看，晋北地区温度变化具有如下特征：布变差大，四季分明，各季长短和气候差异较大，冬(1)多年来年平均气温比较稳定。无论是年平季寒冷干燥，夏季温热多雨，日照长，降水集中。为均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年极端了研究该地区寒区隧道的防冻设防问题，笔者向中最低气温和年极端最高气温，有记录的57年间，变国气象局国家气象信息中心气象资料室下属中国化幅度都很小。气象科学数据共

5、享服务网申请调取了中国地面气(2)对气温产生的影响的风速和降水方面，年候资料国际交换站大同站，1955年至2011年共57平均风速保持稳定，偶然大风现象逐年减少，多年年的观测数据，并按照常规方法对年平均和月平均来年降水量保持稳定。特征值进行了分析。1．2月尺度下晋北地区气温特征1．1晋北地区长年气温特征(1)月尺度下的气温季节性变化通过对大同站1955年~2011年共57年气象数图2是1971年、1991年和2011年三年的月平均据的分析，获得了本地区的气温特征(年平均气温、年气温变化曲线以及1955～2011年共57年来的月平平均最低气温、年平均最高

6、气温、年极端最低气温和均气温变化曲线。图3是1971年、1991年和2011年·16。王保生等晋北地区气温的降尺度特征及其对隧道防冻的影响三年的月平均温差变化曲线以及1955~20J1年共57年来的月平均温差变化曲线。从图中可以看出：①月平均气温随季节变化的规律性较强、离散性较小，低温季节(12月、1月、2月和3月)和高温季节(6月、7月和8月)离散性大于其他月份。廿廿廿母廿廿廿廿．廿苷乎廿甘廿廿廿'廿廿廿廿廿哥哥廿廿_廿苷廿②月平均温差随季节变化的规律性较差，离散塞星塞量基§垂塞至薹§§§§§§i年份性较大。图51955～2Ol1年2月温度特征变化曲

7、线2s加⋯15．2降尺度下晋北地区的气温特征l0V＼2．1日变化尺度下晋北地区历史气温特征s＼。(1)与月尺度下气温变化比较特征一s图6是在月尺度下2011年的月平均气温、月平‘三一一，1O⋯谁2口n年月平均气温卜历史平均月平均气沮_—iS均最低气温、月平均最高气温和月平均温差曲线。1月2月3月4月s舟5月7月8月9月1o月11月12月月份将上述变化曲线与历史多年的平均变化曲线相比^p蟑颦礴辜ErN图2∞代表性o年份∞的月柏平巧均气温变化曲线及其离散性较，可以看出，在月尺度下，月平均气温、月平均温差与历史多年的平均变化非常接近，因此，用历史16多年数据

8、来描述某一年的月尺度特征可行。15l4^P13榭娶n1O图3代表性年份的月平均温差变化曲线及其