为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。

青藏公路多年冻土路段的阴阳坡现象会引发路基及下伏冻土地基热状况不对称分布,影响长期稳定性.为此,基于实测坡面温度数据,开展不同年平均气温和路基高度条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟.结果表明,年平均气温-3℃下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,融化指数约为阳坡的0.83倍.路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定抬升.此后,在气候变暖及沥青路面强烈吸热效应作用下,路基左右路肩下部人为上限不断下降,其中高填方路基人为上限下降速率相对较快.阴阳坡效应作用下,东西路基下部人为冻土上限呈左高右低的趋势,下伏土体温度同样为左高右低.高填方路基下伏冻土层地温分布的不对称较同期的普通填方路基显著.

收集了青藏高原多年冻土腹部地区风火山冻土定位观测站观测的1976—2014年的年平均气温、年平均地表温度、年降水量及天然冻土测温孔地温资料,对比分析了年平均气温、年平均地表温度、年降水量及多年冻土地温的变化规律及其之间的相互影响关系。结果表明:(1)对于青藏高原风火山地区,寒季降水对多年冻土的保温作用相对较弱,而暖季降水对多年冻土的降温作用相对较强,总体上降水对多年冻土起到了保护作用。(2)在气温和地表温度总体处于升高状态的影响下,青藏高原风火山地区多年冻土地温也在升高,处于退化状态,但降水量的增大降低地表温度,使得传入下部多年冻土的热量减小,从而降低多年冻土地温的升温速率,起到了减缓多年冻土退化的效果。

为了研究漠河到大庆输油管沿线冻土的变化情况,根据东北地区及周边117个气象站50 a(1965—2014年)的观测资料,从中选取47个具有地温观测项的站分析气温与地温间的关系。建立气温模型、地—气关系模型,结合有限元数值计算方法,得出了目前、10 a后和30 a后漠大输油管沿线冻土的分布情况。研究结果表明,目前年平均地表温度在1.5℃的地区可能存在有多年冻土(1.5 m);当气温以0.048℃/a的速率递增,10 a后,现在年平均地表温度在0.5℃的地区可能存在有多年冻土(11.5 m);30 a后,现在年平均地表温度低于0.5℃的地区将残留大量的多年冻土。

受气候变暖影响,青藏高原多年冻土目前处于退化状态,将会对多年冻土区的工程稳定性及生态环境产生显著影响。基于青藏铁路沿线多年冻土区4个气象站1955～2011年的气温及风火山冻土定位观测站阳坡侧15 m和阴坡侧35 m两个天然测温孔连续35年的实测地温资料,对年平均气温变化特征和多年冻土退化过程进行分析。结果表明:青藏铁路沿线多年冻土区的年平均气温从20世纪50年代后期开始逐渐升高,进入70年代后呈下降趋势,80年代中期又开始逐渐升高,2000年左右开始加剧上升,升温速率呈逐渐增大的特点;风火山地区阳坡侧多年冻土年平均地温在1978～2014年升高0.91℃,阴坡侧在1964～2014年升高0.58℃,多年冻土处于退化状态;在多年冻土的退化过程中,地温曲线类型发生着转变,阳坡侧地温曲线由最初的正梯度型转变为过渡的零梯度型,又转变为目前的负梯度型,阴坡侧地温曲线目前处于正梯度型向零梯度型过渡的阶段;阴坡侧多年冻土的退化程度远小于阳坡侧,阴阳坡冻土特征的差异主要是由寒季地温差异造成的;天然上限对年平均气温的变化较为敏感,其变化规律与气候变化规律呈显著的相关性。

青藏高原多年冻土区铁路路堤的修建,改变了原有天然地表的热平衡条件,从而引起了路堤下多年冻土上限位置的变化.为了确保铁路路堤完成后,在考虑全球气温升高的条件下,未来50a中多年冻土上限不发生下移,采用有限元的分析方法,对青藏高原多年冻土区粗颗粒填土路堤的临界高度进行了数值模拟计算.得到了不同年平均气温条件下路堤的上下临界高度值,并从中找到以铁路正常运营50a为限,路堤临界高度存在与否的年平均气温临界值为-3.5℃.分析发现,无论是修筑高路堤,还是低路堤,地温均呈上升趋势,冻土处于退化状态.

根据２１４国道沿线花石峡地区的气候变化特征和自然地理及地质水文条件，以该区长石头山连续多年冻土区４０ｍ深实测地温为基础，并以年平均气温升速率０．４℃／１０ａ为前提，对该区气候变化与多年冻土退化的关系等进行了模拟预测．

根据青藏公路和青藏铁路多年的研究实践 ,对青藏高原多年冻土区路堤的临界高度进行了分析和讨论 .在青藏高原多年冻土区 ,由于各地年平均气温不相同 ,因而各地空气的融化指数和冻结指数不相同 .在同一地区 ,路堤表面材料特性不同 ,其表面的融化指数和冻结指数也就不同 .如果在某一地区 ,路堤表面的融化指数和冻结指数相等 ,则该地路堤的融化深度和冻结深度也应相等 (忽略路堤及基底土体融化状态和冻结状态下导热系数的差异 ) .在这种情况下 ,该路堤临界高度等于路堤融化 (冻结 )深度减去天然上限埋深 ,该地区的年平均气温即该路堤临界高度的年平均气温临界值 .对于一定表面特性的路堤 ,当某地区年平均气温高于临界值时 ,则该地区不存在路堤临界高度 ;只有当年平均气温低于临界值时 ,路堤临界高度才存在 ,且随年平均气温的降低 ,临界路堤高度减小 .在此基础上 ,提出了无临界路堤高度地区路堤的设计原则 ,以及保持路堤下多年冻土上限不变的工程措施 .

根据214国道沿线花石峡地区的自然地理及地质水文条件,对该区长石头山连续多年冻土深度等进行了模拟与实测性对比.同时以年平均气温升温速率0.4℃/10 a为前题,对气候变暖条件下花石峡地区长石头山连续多年冻土的退化趋势做了模拟预测.

随着气候的逐渐转暖和人为等因素的影响,青藏高原东部的多年冻土退化趋势日趋严重。经近几年来的多次勘测表明,青康公路沿线连续多年冻土、不连续多年冻土及冻土岛均有明显的退化,其公路穿越的多年冻土区冻土总里程已由1992年的239.3km,退化为1998年的125.9km。本文根据青康公路沿线花石峡地区的气候变化特征和自然地理及地质水文条件,以该区连续多年冻土区40m深实测地温为基础,并以年平均气温上升速率0.4℃/10a为前提,对该区在气候变暖条件下多年冻土的退化规律等进行了模拟预测。