为研究春融期降雨工况下季节冻土边坡水热迁移规律及降雨入渗机理，选取季节冻土区高速公路路堤边坡为研究对象，基于非饱和冻土水热迁移耦合模型结合降雨入渗边界条件，提出了降雨入渗条件下冻土边坡水热耦合理论与数值计算方法，并通过COMSOL有限元仿真软件对冻土边坡降雨入渗过程进行计算，分析不同降雨强度、初始含水率对冻土边坡体积含水率、温度、入渗率、湿润锋变化影响规律，同时开展冻土边坡降雨入渗模型试验研究，并将试验结果与数值模拟结果对比分析，验证了数值方法合理性。研究结果表明：中雨、大雨强度降雨持续12 h后，降雨入渗深度可达50 cm,受非饱和状态及孔隙冰阻碍渗流通道影响，降雨初期冻土边坡入渗率极低，随着冻土逐渐融化，入渗率逐渐提高；水热迁移耦合模型可较好体现降雨强度、初始含水率对于冻土边坡水热状态变化的影响规律，降雨强度越大，冻土边坡含水率上升越快；初始含水率越高冻土边坡中体积冰含量越高，降雨前期边坡体积含水率变化较慢，后期变化速度加快，初始含水率越大，温度上升迟缓现象越明显；相较于常温边坡降雨入渗规律，冻土边坡湿润锋增长速度呈现明显的初期缓慢-加速-放缓三段式发展，湿润锋深度在10 cm以内...

为分析冻融过程、道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响,对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、温度、水分原位监测。结果表明:融化期导热系数波动均明显大于冻结期,天然场地导热系数在冻结期大于融化期,而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期,与通常的认知和温度场模拟取值相反;道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体,冻结期路基土体导热系数有减小趋势,道砟覆盖路基土体尤为显著;降雨入渗增大土体导热系数,低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时,应考虑水热变化对导热系数的影响,不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。

为研究寒区铁路路基水热动态过程,以北麓河地区路基试验段道砟覆盖路面、无道砟路面(砂砾路面)和天然场地的水分、温度、热通量和降水等数据为基础,分析铁路路基活动层水热宏观迁移规律、活动层水分累积情况及降水对路基热状况的影响。结果表明:路基活动层各深度地温随时间呈正弦规律变化,道砟层能够有效减少外部热量进入路基,道砟路面年平均地温和年较差明显低于砂砾路面;融化期间路基液态水和降水向下运移,冻结过程中水分向冻结锋面运移;夏季强降雨和持续降雨对浅层路基(高度<75cm)短期水热有明显影响,但路基长期水热受降雨影响不明显,也未出现明显水分累积;降雨入渗、地表蒸发伴随的液态水和水汽运移对铁路路基表层水热影响不可忽略。

为分析道砟层对路基水热状况的影响,在青藏铁路北麓河试验段南侧布置监测断面,分别对天然场地、无道砟覆盖路基、有道砟覆盖路基下部一定范围地温、水分、热通量进行监测。结果表明:道砟大空隙、灰白色碎石覆盖层能有效阻止外部热量进入路基;有道砟覆盖路基比无道砟覆盖路基融化期短20d,5cm深度处有道砟覆盖路基比无道砟覆盖路基年平均温度低2.3℃,道砟层起到良好保温隔热作用;道砟覆盖层对水分有润湿和蒸发作用,有效减少大气降水入渗,保持路基水分相对稳定;夏季短期、高频次降雨有降低地表温度的作用,短期内对道砟层下水分和热量有明显影响,但降水几乎全部蒸发,未能在路基内形成水分累积,有道砟覆盖路基下部50cm深度处温度和含水量基本不受降雨影响。

青藏高原降水变化直接影响多年冻土稳定性及高原生态环境的演变。为定量研究青藏高原降水对多年冻土活动层水热的影响,文中以北麓河冻土工程与环境综合观测站2013年降水资料和活动层水热数据为基础,定量分析了不同季节和不同时刻降水与活动层水热状态的关系。结果表明:1)北麓河地区暖季的高频率、小雨量降水对冻土活动层具有明显的冷却效果;2)冷季降水以少量降雪为主,雪盖厚度薄、持续时间短,不能起到保温层作用,快速融化的雪水反而升高活动层温度;3)不同时刻降雨对活动层的热影响差异明显,14点左右的降雨产生的能量变量最大。

青藏高原降水变化影响高原生态环境的演变、干旱区水资源利用及地表工程结构的稳定性。为研究青藏高原北麓河地区降雨特征及其对活动层能量平衡的影响,以北麓河冻土工程与环境综合观测站2003至2013气象监测数据和活动层水热数据为基础,分析了北麓河地区降水特征及降水与地表水热变化的关系。结果表明:1)北麓河地区降水以5月至9月降雨为主,近10a来降水和气温呈增加趋势;2)夏季高频率、小量降雨事件有减少地表净辐射、增加地表蒸发潜热、降低土壤表层温度的作用;3)在降雨增加背景下冻土活动层含水量并未出现明显的增加趋势,地表蒸发潜热和水汽运移对活动层能量平衡作用不可忽略。