斜坡渗流对青藏公路多年冻土路基温度场的影响_张明礼

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1、公路２０１６年７月第７期ＨＩＧＨＷＡＹＪｕｌｙ２０１６Ｎｏ．７文章编号：０４５１－０７１２（２０１６）０７－００１３－０６中图分类号：Ｕ４１６．１文献标识码：Ａ斜坡渗流对青藏公路多年冻土路基温度场的影响张明礼１，２，温智１，薛珂１，２，陈良致１，２（１．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市７３００００；２．中国科学院大学北京市１０００４９）摘要：为了定量研究斜坡渗流对冻土区公路路基温度场的影响，建立了考虑相变和水分对流传热的冻土导热数值模型，对青藏公路斜坡路基温度场进行了数值模拟，研究了不同土

2、质、不同斜坡坡度水分对流对冻土路基温度场的影响。结果表明：活动层水分渗流对冻土路基的影响主要表现为人为上限下降以及深部冻土的升温，水分渗流对路基下坡脚、路基中心的影响最为显著；浅地表导水系数越高、坡度越大，水分流动对温度场影响越大；对于浅层地表渗透性高（Ｋ－７－１）、含水量接近饱和且坡度较大（＞１０％）的斜坡路段路基，水分渗流对冻土路基稳定性ｓ＞４×１０ｍ·ｓ影响不可忽略。关键词：多年冻土；斜坡路基；数值模拟；斜坡渗流；青藏公路在多年冻土地区修筑路基，显著改变了多年冻间增加而逐年降低，影响斜坡路基的稳定性。土与外界环境

3、的热交换条件和水热输运过程，容易但是，过去的研究主要集中在天然场地水热分导致较多路基冻胀和融沉病害的发生，尤其是冻土析或斜坡现场监测，在数值模拟斜坡路基稳定性方［１］区斜坡路基，病害率更高。针对冻土区斜坡路基面未考虑水分对流热效应。本文根据青藏公路多年病害，众多学者开展了天然斜坡失稳分析、斜坡路基冻土段复杂的地质状况，开展了不同活动层土质、不［２－３］［４］监测和数值模拟工作。姜龙等通过现场监测同斜坡坡度渗流比较研究，定量分析活动层水分渗认为，冻土区斜坡路基不同于平坦地段普通路基在流作用对路基温度场的影响，为寒区既有公

4、路和后于路基横向几何不对称和阴阳坡效应引起多年冻土期高速公路建设和养护提供理论指导和借鉴。［５］温度场重分布和路基横向不均匀沉降；李明永对青藏铁路现场监测表明，斜坡渗流增大了路基上限１数学模型深度并加剧了路基的不均匀变形。在冻土斜坡路基忽略冻土路基和地基土在冻融循环作用下的水［６］数值模拟方面，令锋等通过数值模拟认为，侧向积分迁移，考虑土体介质的热传导、冰水原位相变和水水的渗流作用加深了路堤的季节融化深度；李东庆分对流传热，此时非稳态温度场可表示为：［７］等认为夏季路基边坡积水入渗将引起路基基底之ＴＴＴθｉ

5、下的多年冻土上限下降，并使路基下形成凹型融化Ｃ＝（λ）＋（λ）＋Ｌρｉ－ｔｘｘｙｙｔ核或扩大已有融化核的深度和范围，造成路基稳定ＴＴＣｗρｗ（νｘ＋νｙ）（１）［８－９］ｘｙ性程度明显下降；毛卫南、刘建坤对青藏铁路风火山Ｋ１１３９试验段斜坡路基的温度水分分布变化其中：进行模拟分析，认为冻土斜坡路基的融化界面与水Ｃ＝Ｃｆ＋Ｈ（Ｔ）（Ｃｕ－Ｃｆ）｛（２））分富集层均沿斜坡发展，斜坡路基的融化界面随时λ＝λｆ＋Ｈ（Ｔ）（λｕ－λｆ基金项目：国家重点基础研究发展计划项目，项目编号２０１２ＣＢ０２６１０１；国

6、家自然科学基金项目，项目编号４１４７１０６１；中科院“百人计划”项目，项目编号Ｙ２５１５６１００１；冻土工程国家重点实验室自主课题，项目编号ＳＫＬＦＳＥ－ＺＹ－１２收稿日期：２０１５－１０－０４—１４—公路２０１６年第７期烄０Ｔ＞Ｔ０冻土导水能力降低，因此引入阻抗系数Ｉ以考虑冰θｉ＝烅ρｗθｕｍａｘ（３）的存在对冻土水分迁移的阻抗作用。对于冰的阻抗ｔ－Ｔ≤Ｔ０ｔ［１３－１４］烆ρｉ系数Ｉ的取值也展开了较多研究，但主要以经烄１Ｔ＞Ｔ０验取值为主。阻抗系数取决于冻土中体积含冰量３Ｈ（Ｔ）＝烅３Ｔ－Ｔ＋１Ｔ０－ΔＴ≤

7、Ｔ≤Ｔ０（４）θｉ，取：３４ΔＴ４ΔＴ２１０θＩ＝１０ｉ（１１）烆０Ｔ＜Ｔ０－ΔＴ对于不考虑水分对流传热的模型，将公式（１）右－ｂ（５）θｕｍａｘ＝ａ｜Ｔ－２７３．１５｜端对流项去掉即可。ｈｈνｘ＝－Ｋνｙ＝－（Ｋ＋Ｋ）（６）ｘｙ２斜坡渗流对路基影响的数值模拟式中：ｆ、ｕ分别代表完全冻结和完全融化状态；２．１模型建立－３·Ｋ－１；λ为土体导热系数，Ｃ为土体比热，Ｊ·ｍ本文以青藏高原北麓河多年冻土地区某处路基－１·Ｋ－１；Ｌ为冰的融化潜热，Ｊ·ｋｇ－１；、Ｗ·ｍρｗρｉ为计算模型，场地内沉积地层主要为上第三系湖相

8、分别为水和冰的密度，ｋｇ·ｍ－３；θ为土体总含水沉积及第四系全新统冲洪积层。该段为厚层地下冰量，％；θｉ为体积含冰量，％；θｕｍａｘ为负温Ｔ下最大液地段，天然冻土上限为２．０～３．０ｍ，年平均地温为态水体积含量，％；Ｔ０为初始冻结温度，℃；!Ｔ是相［１５］－１．４～－１．６℃。地表层０～２．５ｍ为黄褐色细变区间，设为０．５℃；ｔ为