第20卷第3期2005年3月
地球科学进展
ADVANCES I N E ART H SC I ENCE
Vol.20 No.3
Mar.,2005
文章编号:100128166(2005)0320275207
冻土地区风的作用分析
———以青藏铁路沿线多年冻土为例3
陈 继,程国栋,吴青柏,牛富俊,胡泽勇
(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,甘肃 兰州 730000)
摘 要:在广大的冻土地区,尤其是常年多风的冻土地区,空气与地面之间的热交换不仅仅表现为传导、自然对流和辐射。在风的作用下,地表上部空气的强制对流和表土层中的水分蒸发大大增强,对冻土层的热状况产生重要的影响。对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3～3.5℃以上;同时,对于表土层潮湿的冻土地区而言,水分的蒸发也将会带走土体中的大量热量。从冻土地区风作用的概念———冻土地区的风降低地表温度、促进下伏冻土发育的作用出发,分析了影响冻土地区风降温作用的诸多因素,给出在强风、表土含水量大的条件下,风作用表现得非常显著的结论。然后,通过对比、分析青藏铁路北麓河试验段的2个工程实例,验证了风的作用对冻土温度状况的重要影响。最后,给出了风作用在冻土地区若干基础工程实践中直接或间接的应用,以及利用风的降温作用来保护冻土的工程措施的使用条件和局限性。
关 键 词:冻土;风作用;感热;潜热
中图分类号:P642;P401 文献标识码:A
对于地气间相互作用的研究,在气象学里面已经做了大量的研究工作,并且形成了一个新的学科分支———陆面过程研究[1,2]。但是,以往的研究主要是针对解决大气科学中的有关问题而开展的,研究的主要问题也是陆面的各通量参数对大气的影响。目前,基本上还没有开展大气对地面的作用研究。随着我国寒区工程建设的不断增多,如青藏铁路、未来的南水北调西线工程等,地基基础稳定性问题在多年冻土地区显得日益突出,而要解决这个问题,一个重要的原则便是如何保护多年冻土。保护多年冻土就是要保持下伏土体处于放热或者热平衡的低温状态。由于大气对地面热状况的重要影响,因此,在寒区开展大气对地面作用的研究已经十分迫切和必要。风作为空气运动的产物,势必对地面产生更加显著的影响。本文结合青藏铁路北麓河试验段的观测资料对风的作用做了一个初步的研究。1 冻土地区风作用的概念和原理
1.1 风作用的概念
根据曾群柱等[3]的研究结果,虽然青藏高原上的辐射平衡值很高,但是仍然发育着多年冻土,这主要是因为蒸发耗热和湍流热交换消耗了98.8%的年辐射平衡总量。同时,有关资料表明,青藏高原上大部分地区的年平均风速在4.0m/s左右。青藏高原上之所以有这么大的蒸发耗热和湍流热交换,显然与青藏高原上这么大的年平均风速有关。为了综合研究风速与冻土地区地—气间热交换的关系,本文提出了风作用的概念。
对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3～3.5℃或更多[4～7];冻土地区的风由于其强制对流作用以及对潮湿表土层蒸发作用的增强
3 收稿日期:2004203226;修回日期:2004207220.
3基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”(编号:KZCX12S W204)资助.
作者简介:陈继(19772),男,河南永城人,助理研究员,博士研究生,主要从事寒区工程研究.E2ma il:chenji@https://www.doczj.com/doc/5213676825.html,
从而促进了地—气的热交换,有利于降低冻土温度,
是保护冻土的有利因素。因此冻土地区的风作用可以定义为:冻土地区的风降低冻土地区表土层温度、促进下伏冻土发育。1.2 冻土地区风作用的原理1.2.1 感热原理
从概念可以知道,冻土区的风作用是一种热效应,具体一点说,也就是降温效应。由于空气是一种流体,因此热量的传递方式不仅仅是传导和辐射,更为重要的是对流作用(这里面又包括自然对流和强制对流)。当地面上空有风时,地表空气的流动表现为湍流,湍流层内构成空气的分子发生强烈混合运动所引起的热量传输在总的热交换作用中起到了重要的作用,大大增强了地气间的感热热交换。
1.2.2 潜热原理
冻土本身是一种含水的材料,在冻土地区也存
在水分蒸发的问题。在土壤水分蒸发的过程中,由于水的潜热非常大,严重影响地表的热量平衡。因此要分析地表的热状况,就不能忽视土壤水蒸发的影响①②[8]
。王中隆等[9]
在祁连山东部冷龙岭北坡的观测结果表明,过湿地带的蒸发耗热占辐射平衡的69.1%。
根据1998年中日合作的G AME 2Tibet 青藏高原气象观测资料,在6月中旬至9月中旬期间,那曲地区的地面潜热要占该地区地面潜热与感热之和的60%以上(图1)。可见,在青藏高原多年冻土地区,潜热的影响在某些时段占据主要地位。
影响蒸发速率的因素有很多,
除了空气的温度
图1 那曲地区1998年5月1日～9月1日的潜热与感热变化曲线①
F i g .1 Changes of l a ten t hea t and sen si ble hea t i n Naqu fro m M ay 1to Septe m ber 1i n 1998
和湿度之外,流动的空气———风也会使蒸发作用大
大增强。对于水分蒸发方面的研究,国外已经做了
很多这方面的工作,如Cone [10]、Meyer [11]
、Jones 等[12]、H i m us 等[13]、Lurie [14]等。国内,贾玉彬等[15]经现场观测发现,风的存在可使表土层的水分蒸发量平均增大25%。为了给出更加准确的结果,
Charles 等[16]
在1992年7～8月间对一个闲置的游泳池的蒸发量做了大量的试验。结果表明,在不同的水汽压力下,风速与蒸发速率间都具有良好的线性关系。即使是最小的风作用系数,在3m /s 风速时它所对应的蒸发速率也几乎是无风时的3倍。
2 影响风作用的因素
2.1 表土层水分状况对风作用的影响
根据风作用的潜热原理,在土壤水分蒸发的过
程中要消耗大量的潜热。如果表土层非常干燥,那么,无论地面上部空气湿度多小、无论地面风速多大、无论气温多高,蒸发量都不会很大,表土中自然也不会有大量的潜热释放;相反,在表土层湿度较大的条件下,表土中也就自然具备了释放潜热的物质条件,此时如果空气干燥、风速又比较大,那么蒸发作用就会非常强烈,地表温度的降低幅度也会很大,有利于保护下部的多年冻土。
在图1的潜热变化曲线中,我们可以看出在6月中旬以后,那曲地区的潜热通量显著增加,这是因为在每年的6～7月份唐南高原进入了雨季,地面比较潮湿,其蒸发量大大增强,从而增强了表土层的热通量。根据文献[4]在青藏公路风火山地区的观测结果,对于不同的下垫面而言,其下附面层底的温度
672 地球科学进展 第20卷
①
Berge H F M ten .Heat and water transfer at the bare s oil surface .Ph .D.Thesis 1W ageningen,The Netherlands:Agricultural University,1986.
②Besse moulin J.A tlas cli m atique de la France .Paris:M inistre des Trans ports,1969.
相对于气温的增量具有显著的差异。对一般湿润性粘土而言,下附面层底温度对气温的增量为2.5℃,而对干燥砂砾土而言,其下附面层底温度对气温的增量为4.0℃,两者相差达1.5℃。在我国的青藏高原,往往存在相邻两地冻土发育程度不同、其中湿润的地方冻土比较发育的现象,关于这一现象完全可
以应用上述机制来解释。程国栋[17]
提出的冻土分布的三向地带性规律中,其中的一条规律便是干燥度地带性规律。在冬季降雪较少的大陆性气候区,湿度大的地方有利于冻土的发育。显然,上面提到的水分蒸发原理是符合这一规律的。2.2 风速对风作用的影响
根据文献[16],我们可以看出风速对蒸发速率有着显著的影响,由于蒸发量对整个地表热量平衡的显著影响,显然风速对地表的热量平衡也是重要的。根据1998年的Ga me 2Tibet 观测资料,在唐古拉山南侧的那曲地区,风速与气温呈现良好的正相关关系,风速越大气温越高;与此同时,空气的比湿却与风速和气温呈反相关关系,风速越大、气温越高,空气的比湿越低(图2)。下垫面作为大气层的热源,气温升高表明地面和大气之间的换热作用增强。由于地面温度高于气温,所以,这种换热作用越强,越有利于地面降温。同时,随着风速的增大,空气比湿降低,这也有利于增强地表土层的水分蒸发,促使地面降温
。
图2 那曲地区各气象要素随时间的变化曲线
F i g .2 Changes of three m eteorolog i c param eters
w ith ti m e i n Naqu area
在不同的冻土地区,由于地形、地貌、气候条件不同,譬如山区和平原、市区和旷野、弱风区和强风区,它们影响风作用的主要因素极为不同,并且影响程度也可能互不相同。除了上述自然条件以外,冻土地区的工程建筑物对风作用也有重要的影响。这些自然的、人为的因素在影响风作用的同时,更重要的是改变了地—气间的热交换强度,使得下部多年
冻土的热状况发生变化。
3 冻土地区的风作用在青藏铁路北麓
河试验段的具体体现
青藏铁路北麓河试验段位于青藏高原可可西里与风火山之间,该段年平均气温-5.2℃,年平均降雨量290mm ,年平均蒸发量在1300mm 左右,年平均风速4.1m /s,主导风向为西北,观测资料选在DK1141+175和DK1139+940两个断面,两断面相距不到1500m ,铁路走向203°05′44″,地形为西高东低,但是地形坡度较小。
在试验段DK1141+175位置处,路基结构为P VC 通风管路基,管径0.4m ,管间距0.8m ,路基高度为3m ,通风管埋设在天然地面上方0.7m 处。为了拦截上坡涌水,在路基坡脚西侧1.5m 处修筑了一道高1.5m 左右的挡水埝。该断面处的路基、通风管、挡水埝的相对位置如图3所示。为了观测温度场沿纵向的温度分布,在距2个管口1.5m 及管中央布设了2排6个温度探头,3个在通风管内部,3个在通风管下部0.5m 处(如图3所示)
。
图3 路基、通风管和挡水埝的相对位置
F i g .3 Rel a ti ve loca ti on of the roadbed,ven til a ti on
ducts and the little dam
在试验段DK1139+940位置处,路基结构为没
有采取任何措施的天然填土路基,路基高度4.5m 左右,在东西路肩分别布设了40和30个温度探头。同样为了拦截上坡涌水,也修筑了一道挡水埝,但是挡水埝距离西坡脚较远,约5m 。
图4为DK1141+175位置处西—东两管口不同水平位置处的温差曲线,所观测的时间区间为2001年10月30日到2003年8月29日,观测频率为10天1次。从该图中可以看出:①西侧通风管管口内的温度普遍低于东侧管口内的温度,只有少数几个观测日表现为西侧管口内温度高于东侧管口内温度;②对于管下0.5m 深度处,西坡测点温度普遍高于东坡测点温度,仅有极少数测点表现为西低东高。图5为DK1139+940位置处东—西路肩不同深度的温差曲线,所观测的时间段为2002年6月
7
72第3期 陈 继等:冻土地区风的作用分析———以青藏铁路沿线多年冻土为例
30日到2003年6月19日,观测频率亦为每10天1次。在图5中,东路肩绝大多数测点的年平均温度都要高于西路肩测点(仅出现6m处一个异常点,疑为设备误差)。根据以往在青藏公路、青藏铁路路基两侧边坡的地温观测资料[4]和路基冻害调查资料,路基东侧边坡的温度要高于西侧边坡的温度,就是在南北走向的路基两侧出现所谓的东西坡效应或者阴阳坡效应。
上面的结论①和DK1139+940位置的观测结果与以往的结论是一致的,但是结论②
却与以往的
图4 D K1141+175断面西—东坡脚不同深度的温差随时间的变化曲线
F i g.4 Changes of te m pera ture d i fference between west and ea st toe of slope w ith ti m e a t the secti on of D K1141+
175
图5 D K1139+940断面东西路肩不同位置的温差随深度的变化曲线
F i g.5 Changes of te m pera ture d i fference between ea st and west shoulder w ith depth a t the secti on of D K1139+940
结论相抵触。为了更加充分的说明这2个结论在该
观测断面的真实性,排除管内壁正温差测点给结论
①所带来的不利影响,我们选取了2002年9月9日
到2003年8月29日一个整周期的不同位置处的观
测期积温值进行比较,结果见表1。表中通风管管
内西口的积温低于东口,并且东口的积温比西口大
2倍多;而通风管下0.5m处,西侧的积温却高于东
侧的积温,通风管东口的负积温是西口负积温的2
倍多。同时,DK1141+175断面处东西坡脚下不同
深度的温度高低对比也发生了变化。在施工1年和
2年后,在天然地面下0.5～4m的深度范围内,西
测点的温度普遍高于同一水平处东测点的温度(见
图6)。
由此可见,上面的2个结论是正确的。从路基
自身的角度去解释2个看似矛盾的结论显然是行不
通的,还需要从路基外部环境的变化来分析。相对
以往的路基而言,对其环境影响比较大的只能是挡
水埝。挡水埝的存在改变了路基西侧边坡及其临近
地面的小环境,一方面改变了这里的辐射条件,尤其
是影响下午的太阳直接辐射;另一方面,改变了这里
的空气流动条件,风场大大改变。
图7为挡水埝对太阳辐射影响的示意图。通风
管西管口P M(p i pe mouth)点接受天阳直接辐射的
表1 不同测点的观测期积温(℃?d)
Table1 Accu m ul a ted te m pera ture of d i fferen t
observ i n g spot(℃?d)
水平位置
竖向位置
距通风管西口
1.5m
距通风管东口
1.5m
通风管内 3.377.84
通风管下0.5m-20.72-47.51 872 地球科学进展 第20卷
图6 西—东坡脚的温差随深度的分布
F i g .6 D istr i buti on of te m pera ture d i fference between
west and ea st toe of slope w ith the depth
范围为角A 所对应的时间,西管口下1.5m BP (be 2
l o w p i pe )点受直接辐射影响的范围为角B 所对应的时间。由图可以看出,角A 大于角B ,也就是说P M 点的太阳直接辐射值要大于或等于(当且仅当此时太阳直接辐射不能到达地面的情况下)BP 点的太阳直接辐射量。因此,在假定路基东侧条件不发生变化的情况下,挡水埝对太阳辐射影响的结果应该是相反的结果,而不是管口位置温度西低东高,而管下温度西高东低
。
图7 太阳辐射影响示意图
F i g .7 Sketch map of sol ar rad i a ti on a t
the west toe of slope
根据Meinders
[18]
对于流体经过一系列立方体
时流场变化的试验结果,绘制了当风向为西风时挡
水埝对路基西坡空气流通状况影响的示意图(图8)。依据前人对空气紊流研究的结果,在空气前进
的方向上,相邻2个障碍物之间的空气流动状况为:①在2个障碍物空地之间的较上部,空气呈湍流运动,存在气旋和扰流,但空气流动的速度要比迎风坡低很多;②在障碍物之间的空地地面上一定高度的
空间内存在一个无风区(根据htt p://www .bay wins .
com /ne w /siting .ht m l )。由于通风管西管口在地面以上0.7m ,处于空气湍流运动的影响之下,有利于增大管口附近的感热和潜热;而在通风管下0.5m 的位置处,坡面附近的空气基本上不受风的作用,仅仅在重力作用下发生相对很弱的自然对流交换,感热和潜热都很小,结果使坡面BP 处保持较高的温度
。
图8 风场影响示意图①
F i g .8 Sketch map of w i n d f i eld a t the
west toe of slope
从上面的分析,我们容易看出,挡水埝对西坡脚风场的影响合理地解释了我们在现场所观测到的2个看似矛盾的结论。从这个例子我们不难发现,在有些情况下,风的作用是不可忽视的。
4 利用风作用的措施在冻土工程中的
应用
在寒区工程建设中,为了保持建筑物在建造和使用期间的稳定性,保护冻土是一个重要的设计和施工原则。当采用保护冻土的施工原则时,由于风作用措施具有节能、环保、免维护的优点,很多工程措施都直接或间接地应用了冻土中的风作用原理。
(1)开敞式基础,或者称为架空基础[19]。建筑物或构筑物下部在各个方向都是敞开的,终年保持通风。与封闭式中空基础相比,此种类型的基础不但可以遮蔽太阳辐射,而且可以起到减少建筑物上部结构向基础传递热量的作用,从而实现大幅度降低基础温度、保护基底冻土的作用。
(2)道路工程中的通风管基础[20]①,这是直接利用风作用的一个典型例子。通风管一般埋设在地面0.3m 以上,并且其轴向与当地的主风向平行。在寒冷季节,冷风从管中经过,带走了管壁周围的热量。对于像青藏高原这样的多风地区而言,通风管
9
72第3期 陈 继等:冻土地区风的作用分析———以青藏铁路沿线多年冻土为例 ①牛富俊.青藏铁路通风路基试验研究(博士后研究工作报告).
兰州,2002.49263.
在冬季的降温作用非常明显。牛富俊在青藏铁路北麓河试验段采用不同管径施工的通风路基表明,随着管径的增大,管内通风作用增强,管周土体的降温效果更加明显。对于0.4m的通风管,其影响深度大于1.5m,径向影响范围大于0.4,并且具有冷季降温幅度大、降温速度快的特点。
(3)能够自我调节、季节性发挥作用的热桩[20～22]在阿拉斯加和西伯利亚[19]都得到了广泛的应用。在冷季,对液态的工质而言,在底部被加热的液体由于密度减小向上运动,在顶端它被冷却后由于密度增大便向下运动到底部,从而实现液态工质在热桩中的循环;对气—液工质而言,工质在热桩底部被加热成为气体之后向桩顶运动,在桩顶又因为被冷却成为液体而落到桩底,实现工质的封闭对流。由上可见,无论是液态还是气—液态工质都是因为热桩顶—底端的温差而实现封闭对流。如果地面没有风的作用,仅仅依靠空气自然对流和空气—桩体间的热传导来散热,显然无法保证桩顶处于较低的温度,从而严重削弱了热桩的工作效果。因此,风尤其是强风的存在是热桩高效工作的前提。
在有些情况下,仅仅采用风作用基础来保护冻土是不够的,这主要有以下几点原因:①空气的热容量很小,不能够像液体一样携带大量的热量;②在非低温冻土区,由于冻土的热状况非常容易扰动,风作用基础可能不能保证冻土总是处于冻结状态;③在暖季,虽然风作用也能在一定程度上降低冻土的温度,但是,在整个暖季由于气温高于零度,所以下伏上层冻土的升温是不可避免的。为了能够更加有效的保护冻土,在这些情况下还需要其它的措施[20],譬如强制通风法、人工冻结法、保温法、在热桩底部埋设储冷器等。
5 结 论
(1)冻土地区的风具有降低冻土地区表土层温度、促进下伏冻土发育的作用。
(2)潮湿的地表、较高的风速可以增强风作用,有利于降低表土层温度和保护下伏冻土。
(3)对青藏铁路北麓河地区2个实际观测资料的分析,青藏铁路沿线多年冻土地带存在风作用。
(4)风作用的存在是有条件的,需要加强对风作用产生条件及其影响因素的研究,以便于指导目前和将来的寒区工程建设。
(5)风对冻土的保护作用是有限的,在非低温冻土区利用风的降温作用来保护冻土时要进行必要的论证;对于重点工程而言,还需要认真研究其下伏土体在夏季的升温情况。
(6)冻土地区的风作为一种无污染的能源和资源,在保护冻土的施工原则下,如果采取合理的措施之后,风作用工程能够满足保护冻土的要求,采用风作用措施是一个理想的选择。
致谢:感谢美国能源部节能与可再生能源司丹佛地区办事处的Randy Jones,P.E.先生提供的蒸发速率—风速资料,感谢日本岡山大学塚本修教授提供的G AME2Tibet地面资料。
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(S tate Key L aboratory of F rozen Soil Engineering,Cold and A rid R egions Environm ent and Engineering
R esearch Institu te,Chinese A cade m y of S ciences,L anzhou 730000,China )
Abstract:I n wide cold regi ons,es pecially fr ozen s oil area with frequent wind,ther mal exchange mode be 2t w een Earth’s surface and air does not consist of ther mal conducti on,natural convecti on and radiati on .Under the acti on of wind,forced convecti on of air above gr ound and water evaporati on of t op s oil layer will be greatly en 2hanced .They will have i m portant effect on the gr ound te mperature regi m e .Taking exa mp le of fr ozen s oil area in Q inghai 2Tibet Plateau,annual average air te mperature of 1.5m above Earth ’s surface is 2.5℃,l ower than that of earth ’s surface .A t the sa me ti m e,water evaporati on brings a way a l ot of heat st ored in moist t op s oil layer .A t first,this paper f ocused on the concep t of wind’s cooling effect,which suggests that wind in fr ozen s oil area can l o wer the te mperature of earth surface and accelerate the gr owth of fr ozen s oil .Many fact ors that affect wind’s cool 2ing effect were als o analyzed briefly .Then,thr ough comparis on and analysis bet w een the t w o engineering exa mp les in the Beiluhe testing site of Q inghai 2Tibet Rail w ay,it was p r oved that wind has significant effect on the ther mal status .Finally,this paper p resented its direct and indirect app licati on t o engineering p ractice in cold regi ons,its app licability and li m itati on in the as pect of p r otecting per mafr ost .
Key words:Fr ozen s oil;W ind’s cooling effect;Sensible heat;Latent heat .
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82第3期 陈 继等:冻土地区风的作用分析———以青藏铁路沿线多年冻土为例
★青藏铁路的冻土问题★ 青藏铁路穿过冻土区有550公里，实际上真正的冻土地段不到400公里；而在这400公里中，属于较不稳定、不稳定多年冻土地区不会超过190公里，其中极不稳定高温冻土地段在100公里之内。 历史上对冻土开展过哪些研究 青藏铁路冻土研究涉及的内容之深、投入的人力物力之多、经历的时间之长在世界上都是罕见的 早在60年代，铁一院便与中科院原冰川冻土研究所、铁道部科学研究院西北研究所一道，在青藏高原以风火山地区为代表，开展了高原冻土的研究。这一研究已坚持开展了近40年，取得了丰硕的成果。现在可以肯定讲，青藏铁路沿线冻土的基本分布特征已基本搞清，在冻土地区修建铁路在技术上已没有大的问题，是科学的、完全可行的。 另外，1974年8月，根据中央指示和当时加快勘测设计工作的要求，曾成立了由中国科学院、铁道部、一机部、铁道兵、青海省、西藏自治区等有关领导同志组成的青藏铁路科研工作领导小组，下设盐湖冻土、高原机电设备、通信信号、施工等四个协作组；组织了全国9个部门与19个省、市、自治区的68家工厂、部队、研究所、设计院和大、专院校，共1700多名科技人员，开展了青藏铁路科研工作，进行了大量的研究与实践，并取得了卓有成效的成果，部分成果于1980年底通过了审查鉴定。 多年冻土区土建工程设计的主要原则 青藏铁路的成败决定于路基，而路基最大的问题就是多年冻土。根据不同的工程地质条件，土建工程应根据不同情况，采取相应的不同设计原则： 在年平均地温较低的稳定型多年冻土区应采取保持地基冻结状态的设计原则；在年平均地温较高、含冰量较少、基沉降量可以得到有效控制的地段，采用施工及运营期允许融化的原则；在极不稳定的冻土地段，可采用铺设保温层、通风路基、清除富冰冻土、热桩、以桥代路等综合技术措施；在不融沉或弱融沉的少冰冻土、多冰冻土地区可采取不考虑建筑物热力影响的常规设计方法；在各类冻土地区都必须加强对冻土的环境保护，对取弃土场、路基填筑方式等制定严格的技术要求。 多年冻土的解决办法与技术 目前有多种解决的办法与技术，一是适当提高路基填土高度，用天然土保温，这种方法价廉，可普遍采用。二是在路基埋设工业保温层（PU、EPS等），埋设5~10厘米保温板，在工程实践中均取得极佳工程效果。三是埋设通风管，就是在路堤中埋设直径30厘米左右的金属或混凝土横向通风管，可以有效降低路基温度。四是采用抛石路基，即用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，隔阻热空气下移，同时吸入冷量，起到保护冻土的作用。五是在少数极不稳定冻土地段修建低架旱桥，工程效果有保证，但造价高。青藏高原温度对冻土的影响非常大，一般情况地面温度比气温高3℃~4℃，没有太阳的直接照射，设置保温层地基或者通风地基可降低原地面温度2℃~3℃。而修筑这样的保温地基和通风地基，每公里增加造价为60~200多万元。 多年冻土地区的具体工程措施 （1）合理控制路基高度，是保护冻土最有效、最经济的方法。 （2）铺设保温层，1993年在昆仑山等地推广使用，效果良好。 （3）通风路基，能起到通风保温和保护冻土的作用。 （4）以桥代路，保证工程的可靠性。 （5）桥涵工程采用桩基础，满足防冻的要求。
冻土是一种特殊的、低温易变的自然体，会给各类工程造成冻胀和融沉的问题。在寒季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度的降低体积发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土顶得凸起；到了夏季，冻土融化体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁，其特殊性和复杂性在世界上独一无二。世界上几个冻土大国俄罗斯、美国、加拿大等都为解决冻土技术难题付出了艰辛的努力。中国在冻土研究方面起步较晚，在20世纪八十年代中期以前，中国的冻土研究基本上继承了前苏联在多年冻土方面研究的经验和理论。 青藏铁路创了两个世界之最：世界上海拔最高的铁路，全线经过海拔4000米以上地段有965公里；同时它也是世界铁路工程史上穿越多年冻土最长的铁路，达到了550公里。在冻土区修建铁路是一个世界性技术难题，对施工技术和施工能力是严峻的挑战 青藏铁路建设中的冻土难题 (2007-09-17 10:46:33) 转载 标签： 教育杂谈 多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱是青藏铁路建设中无法回避的三大难题，其中多年冻土尤为关键，是最难啃的一块骨头。如今，青藏铁路即将全线通车试运营，这无疑表明，中国已解决了铁路穿越多年冻土地带的工程技术难题。 据了解，冻土在寒季就像冰一样冻结，随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基和钢轨就会被“发胖”的冻土顶得凸起；到了夏季，融化的冻土体积缩小，路基和钢轨又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，路基就会翻浆、冒泥，钢轨会出现波浪形高低起伏，对铁路运营安全造成威胁。 据有关专家介绍，冻土虽然在加拿大、俄罗斯等国家也存在，但他们是属高纬度冻土，比较稳定。而青藏铁路纬度低，海拔高，日照强烈，加上青藏高原构造运动频繁，且这里的多年冻土具有地温高、厚度薄等特点，其复杂性和独特性举世无双。 针对这种情况，青藏铁路有111公里线路铺设了一种特殊的路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的片石层通风路基为国内首创。它是效果较佳的保护冻土措施，好似散热排风扇，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用，能降低地基土温度0.5 摄氏度以上。 全长11.7公里的青藏铁路清水河特大桥横架在可可西里冻土区，它是一种以桥代路的保护冻土措施，铁轨飞架而过可以不惊扰冻土。青藏铁路中这种以桥代路桥梁达156.7公里，占多年冻土地段的四分之一。据称，如此大规模采取以桥代路措施，在世界上也是首次。
第24卷 第6期 岩石力学与工程学报 V ol.24 No.6 2005年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2005 收稿日期：2004–03–30；修回日期：2004–05–20 作者简介：余绍水(1969–)，男，现为博士研究生，主要从事工程管理、冻土工程和土木工程方面的研究工作。E-mail ：wdpan@https://www.doczj.com/doc/5213676825.html, 。 青藏铁路沿线主要次生不良冻土现象的 调查和机理分析 余绍水1， 3，潘卫东2，史聪慧1， 3，王小军4，梁 波5 (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，甘肃 兰州 730000； 2. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096；3. 中铁12局集团有限公司，山西 太原 030024； 4. 中铁西北科学研究院，甘肃 兰州 730000；5. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730300) 摘要：经过野外调查发现，完成施工但尚未投入运营的青藏铁路沿线出现了一些次生不良冻土现象。通过讨论这些次生不良冻土现象的分布规律和危害，认为铁路路基对地下水条件和冻土热稳定性的破坏是导致产生次生不良冻土现象的根本原因，并初步探讨了针对这些现象的工程防治措施。 关键词：土力学；青藏铁路；次生不良冻土现象；机理；调查 中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)06–1082–04 INVESTIGATION AND MECHANISM ANALYSIS OF THE MAJOR SECONDARY HARMFUL FROZEN-SOIL PHENOMENA ALONG QINGHAI —TIBET RAILWAY YU Shao-shui 1，3 ，PAN Wei-dong 2，SHI Cong-hui 1 ，3 ，WANG Xiao-jun 4，LIANG Bo 5 (1. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering ，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ，The Chinese Academy of Sciences ，Lanzhou 730000，China ；2. School of Civil Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ；3. Twelve Bureau Group Ltd. Co.，China Railway Engineering Corporation ，Taiyuan 030024，China ；4. Northwest Research Institute of China Railway Engineering Corporation ，Lanzhou 730000，China ；5. School of Civil Engineering ，Lanzhou Jiaotong University ，Lanzhou 730300，China ) Abstract ：A number of secondary harmful frozen soil phenomena were found along Qinghai —Tibet railway which are being developed since the completion of construction of the railway. The distribution laws and danger of these phenomena are discussed. These are mainly caused by disturbance of ground water condition and thermal stability. Some key principles to control these disasters are also discussed. Key words ：soil mechanics ；Qinghai —Tibet railway ；secondary harmful frozen-soil phenomena ；mechanism ；investigation 1 引 言 不良冻土现象，是指土体在冻结和融化作用下产生的物理地质现象。在多年冻土区修筑铁路会遇到许多不良冻土现象[1]，反过来，铁路的修建又会 形成新的不良冻土现象即次生不良冻土现象，对铁路路基等建筑物产生种种危害。因此，调查和研究青藏铁路沿线多年冻土区主要不良冻土现象的类型、分布和发育特征，对避免和防治次生不良冻土现象的发生和发展，保证铁路工程的稳定和安全有着非常重要的现实意义。
浅析青藏铁路建设和冻土技术问题 [摘要]：本文主要分析了青藏铁路建设的冻土问题，青藏铁路建设三大技术难题的核心就是冻土问题. 我国多年对冻土的研究为青藏铁路建设打下坚实的技术基础, 但是大规模的铁路建设实践给施工建设提出了大量深层次的冻土技术问题. 以青藏铁路建设为背景, 结合冻土区科研、设计、施工和建设管理工作的实践, 对青藏铁路建设的冻土技术问题进行了分析,对高原多年冻土区的建设具有一定的参考价值. [关键词]: 青藏铁路; 多年冻土; 技术措施; 建设管理 1. 引言 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质。冬季，冻土在负温状态下就像冰块，随温度的降低体积发生剧烈膨胀，顶推上层的路基、路面。而在夏季，冻土随着温度升高而融化，体积缩小后使路基发生沉降，这种周期性变化往往很容易导致路基和路面塌陷、下沉、变形、破裂。青藏铁路的多年冻土, 分布在铁路通过地区延长近550 km 的围. 冻土问题, 实质上是冻土区筑路技术问题, 是青藏铁路建设的三大技术难题( 高原、冻土、生态环境保护) 的核心问题. 修建在多年冻土上面的铁路工程, 受多年冻土季节融化层的热学状态和力学性质周而复始变化的影响, 导致铁路建筑物发生冻胀融沉变形. 由于自然环境条件和冻土环境条件变化以及修建铁路的工程活动影响, 导致原来多年冻土季节融化层发生一系列复杂变化, 使这种冻胀融沉变形变得复杂化,因而使工程建筑物( 路基、桥梁涵洞基础) 的冻胀和融沉变形问题成为冻土区修建铁路的面临的主要技术难题. 我们所说的青藏铁路冻土区修建铁路的主要技术问题就在于此. 2. 青藏铁路冻土区工程建设的技术基础 20 世纪60 年代以来, 以中国科学院冰川冻土研究所( 现中国科学院寒区旱区环境与工程研究所) 、铁道部高原研究所( 现中铁西北科学研究院) 和铁第一勘察为主力的青藏高原冻土研究工作, 在野外地质调查工作基础上, 以风火
青藏铁路高原冻土施工技术及环境保护 --- 辛卫（主讲） 为贯彻铁道部党组提出的“高起点、高标准、高质量”修好青藏铁路，保护好每个青藏铁路参建员工的身体健康，预防和减少高原病发生，真正体现“以人为本、科技先导、环境保护、机械化快速施工” 的施工组织原则,作为我们每个参建员工来说，都必须对青藏铁路施工技术及青环境保护进行学习，并运用于施工生产过程中去。 下面就对青藏铁路高原冻土施工技术及环境保护作概括讲述：一、青藏铁路高原冻土施工技术 1、青藏铁路格拉段概况 青藏铁路由青海省省会西宁至西藏自治区首府拉萨，全长1963 公里，其中西宁至格尔木段（长845 公里）已于1984 年交付临管运营。 格尔木?拉萨简称格拉段，为新建单线I级铁路，全长1118公 里（青海省境内564 公里，西藏自治区境内554 公里），该段处在世界上海拔最高、气候条件恶劣的青藏高原腹地，线路北起青海省西部重镇格尔木市，基本沿青藏公路南行，途径纳赤台、五道梁、沱沱河沿、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内，经安多县、那曲地区、当雄县到拉萨市。沿线地质构造复杂，经过连续多年冻土地区553.758 公里（多年冻土北界位于西大滩断陷盆地，南界位于安多谷地），主要存在高原冻土、高地震烈度及活动断层等工程地质问题，在建设过程中将面临三大技术难题：高原缺氧、多年冻 土、环境保护。
2、冻土学基础理论 （ 1 ）基本概念 冻土是指处于o °c以下，并含有冰的岩石和土体。包括多年冻土（指冻结状态维持在二年或二年以上的冻土）和季节冻土（指冬季冻结，来年夏季融化，冻结状态维持在二年以下的土体）。 季节融化层是指每年暖季融化、寒季冻结的多年冻土上部覆盖层。 季节冻结层是指每年寒季冻结、暖季融化的土层。 多年冻土上限是指多年冻土顶面的埋藏深度。 多年冻土下限是指多年冻土底面的埋藏深度。 多年冻土人为上限是指工程建筑物修建和运营后，多年冻土新形成的上限。 （2）不良冻土地质现象： A、冰椎：多年冻土区地下水或河流封冻后地下（河水）流出地表形成的椎状或盾状冰体。 B、冻胀丘；多年冻土区地下水在冻结土层下聚集冻结，形成透镜状厚层冰体，将地表隆起形成丘状的土丘。 C、热融湖塘：由人为作用或自然作用引起高含冰量多年冻土融化下沉所形成的积蓄水的洼地。 D 、热融滑坍：高含冰量冻土分布在平缓山坡，由于人为破坏坡 脚，高含冰量冻土暴露融化，上覆土层失去支撑而坍塌，与融化泥水混合顺坡向下滑动的坡面坍滑现象。 E、沼泽湿地：多年冻土区某些植被覆盖良好的山前平缓低地或洼地，由
攻克青藏铁路的瓶颈——冻土 冻土，是指温度在0℃以下,并含有冰的各种岩土和土壤。是一种对温度极为敏感的土体介质,含有丰富的地下冰。一般可分为短时冻土、季节冻土以及多年冻土(数年至数万年以上)。冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特性,在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险:冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态,当水变成冰时体积增大,使土体膨胀,地表因此而拱起升高,这就是冻胀；当土中的冰转变为水时,体积收缩,地表便发生融化下沉,简称融沉。在这两种现象的反复作用下,道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷。 世界上多年冻土区的大量工程实践也证明：发生病害或破坏的工程建筑多数属高温冻土。而青藏高原是全球气候变化的“启动器”和“放大器”,其升温将高于全球平均值。如果以青藏高原未来50年气温升高2℃来预测,多年冻土将会退化乃至消失,从而引起路基塌陷、桥基失稳。因此,高温冻土加温室效应,使青藏铁路的修筑面临着双重挑战。 青藏铁路沿线的冻土现象主要有：冻胀丘、热融滑塌、热融洼地、石海、冻胀草丘、冰锥、冻拔、热融冲沟、石环、斑土等。青藏高原纷繁复杂的冻土环境，成为制约青藏铁路建设的瓶颈。 1961年，为了攻克青藏高原多年冻土区筑路技术难关，中国惟一的青藏高原冻土观测站在海拔4900多米的风火山诞生。几代科技工作者与高原冻土展开了艰苦卓绝的斗争。 *中国高原冻土筑路科学研究城 40多年来，风火山观测站开展了气象观测、太阳辐射比观测、地中热流观测、不同地表热对比观测、冻土力学观测、深孔地温观测、23个试验路基观测等工作。每一项观测内容，每一个基础数据，都直接关连着青藏高原生态环境的稳定，关连着青藏铁路的成败。西北院科技人员共测取了1200多万个涵盖高原冻土地区各种气象条件和地温变化的数据，积累了极为宝贵的第一手资料，为突破高原冻土筑路技术难关奠定了坚实的科技基础。 如今，风火山上已修筑厚层地下冰地段试验路基523米，包括路堑、半路堑、零断面、低路堤、高路堤和涵洞；建立气象观测达12个项目，地温观测建立80余孔，其中，在1960年钻成的35米深的冻土地温观测孔，已由人工观测变成自动观测系统；建立工程变形观测点10多个；建立公路黑色路面温度观测、桥涵变形、下沉地温观测和桩基试验观测10多个。这里被誉为“中国高原冻土筑路科学研究城”。 *解决冻土问题的三类方法 目前，青藏铁路现有的冻土工程措施可分为三类。一调控辐射，即在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚、遮阳板，减少到达地面的太阳辐射。二调控对流，即通过路基结构形式强制土体产生对流效应，有效利用自然冷能资源来保护多年冻土，如片石通风路基。三调控传导，路基铺设保温材料、热棒（桩）、加高路基高度等措施，改变土体热传导过程。在青藏铁路，有一种特殊的铁路路基，即在土路堤底部填筑一定厚度片石，上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的片石层通
关于青藏铁路冻土问题综述 摘要：冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时、数日以至半月、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续三年或三年以上的冻结不融的土层）。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。本文主要概述在修筑青藏铁路过程中的冻土问题和解决方法。 引言:青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原冻土铁路，建设中的青藏铁路格拉 段全长1142km，新建1110km，穿越连续多年冻土地区约550km，岛状冻土区82km，全 部在海拔4000m以上。受多年冻土的工程特性决定，青藏铁路建设面临的核心技术难题之一在于如何在高温、高含冰量多年冻土地基上修筑稳定的线路。 一、青藏铁路沿线的冻土特征 青藏高原冻土区是北半球中、低纬度地带海拔最高、分布面积最广、厚度最大的冻土区，北起昆仑山，南至喜马拉雅山，西抵国界，东达横断山脉西部、巴颜喀拉山和阿尼马卿山东南部，冻土面积为141万平方公里，我国领土面积的14.6%。青藏高原的腹部分布着大片多年冻土、周边为岛状多年冻土及季节冻土。青藏高原多年冻土的生存、发育和分布主要受到地势海拔的控制，导致青藏高原冻土发育的差异性，因而它不单一地服从纬度地带性的一般规律，而且随着地势向四周地区倾斜形成闭合的环状。马辉等人将青藏铁路沿线的冻土根据地形地貌及工程地质特点，自南向北划分为15个单元[1]： (1) 西大滩断陷谷地,冻土类型为少冰冻土及多冰冻土,融沉系数小,属于弱融沉 性。 (2) 昆仑山中高山区 ,冻土分布为整体状,厚度60 ~ 120m,年平均地温为- 2.0 ~- 4.0℃ ,天然上限1.5~ 2.5m。高含冰量地段占冻土段长的62.4% ,无厚层地下冰存在,大部地区也无层状冰。 (3) 楚玛尔河高平原,冻土分布以网状组构为主,厚度15 ~ 40m,年平均地温为–0.5 ~ -2.0℃ ,天然上限2.0 ~ 5.0m,在清水河地区发现有尚不衔接的多年冻土。 (4)可可西里区,冻土分布以层状、斑状组构为主,高含冰量地段占冻土段75.1% 。 (5) 北麓河盆地,冻土分布以层状、网状结构为主,高含冰量地段占冻土段全长的 15 .7%。 (6) 风火山山区,冻土分布以层状组构为主,冻土厚度变化幅度大,厚层地下冰发育, 高含冰量地段占冻土段全长的 42.8% 。 (7) 尺曲谷地,以低含冰量冻土为主,冻土不良地质现象分布较少。 (8) 乌丽盆地,该段地层以粗颗粒土为主,融区所占比重近90%,以高含冰量冻土为主。 （9）乌丽山区，该段主要为乌丽山低高山区,海拔4500 ~4700m,山坡沟壑发育,切 割较深,山顶平缓,岸坡陡, 基岩裸露, 植被稀疏。 (10) 沱沱河盆地，以岛状多年冻土与融区相间分布,多年冻土主要分布在沱沱河南北两岸低洼谷地内。
青藏铁路工程有关冻土问题及土工合成材料应用情况的介绍 铁道第一勘察设计院李成 摘要大量的工程实践表明,冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉,在季节冻土区主要问题是冻胀,而在多年冻土区主要问题是融沉。以保护多年冻土为原则,是多年冻土区工程措施中应用最为广泛的一种方法,它不但克服了冻土的融化下沉,而且充分利用了冻土强度高于融土的特性。本文在阐明对青藏高原多年冻土环境认识的基础上,简要地介绍了保护多年冻土的几种工程方法,并对土工合成材料在青藏铁路的应用情况作了简要的介绍。 关键词铁路工程多年冻土土工合成材料应用 1.概况 青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原,素有“世界屋脊”、“地球第三极”之称。青藏线格尔木至拉萨段铁路全长约1100km,其中要穿越550km的多年冻土地段,全线线路海拔高程大于4000m地段约965km,在唐古拉山越岭地段,铁路最高海拔为5072m,为世界铁路海拔之最高。“高原”和“冻土”问题是修建青藏铁路的两大难题。 铁路通过地区大部分为高原腹地,具有独特的冰缘干寒气候特征,寒冷、干旱,急风暴雨、雷电等变化剧烈无常,四季不明,空气稀薄、气压低,冻结期9月至次年4、5月。昆仑山、可可西里、风火山、唐古拉等山区,年平均气温在-6℃以下,青藏高原腹地高平原区,年平均气温为-4~-4.5℃。该地区具有年较差小,而日较差大的特点,年内日平均较差10~ 19℃,极端日较差35℃。 铁路沿线大气透明度良好,云量少,太阳直射强,总辐射量大,日照时数较大,为全国辐射量最大的地区,由于高原风大,地表所获辐射量的98.8%通过湍流交换以感热或潜热的形式向大气逸散,用于土壤增温和冻土融化的热量仅占 1.2%,使得高原上近地表气温并没有显著升高,而地下土层处于低温状态。
青藏铁路施工遇到的困难及解决办法 青藏铁路的建成极大地促进青藏地区经济的发展，加快西部大开发的步伐。但是，在这条世界上海拔最高的铁路建设工程中，却面临着多年冻土、生态脆弱、高寒缺氧等铁路建设史上的世界性难题，建设者们是怎样解决这三大难题的呢？ 一、多年冻土青藏铁路铺设在平均海拔4500 米的高原上，由于海拔高，终年气温很低，路基下是多年冻土层，有的地方冻土层厚达20 多米；这些冻土在温暖的季节会融化下降，寒冷的季节则冻结膨胀，这一起一降会严重影响铁路路基的稳定。而青藏铁路要经过这样的冻土地段长达550 千米，是铁路全长的一半！ 在工程建设中，对这一地带采用了因地制宜的方法：对相对稳定的冻土地段采取片石通风路基、片石护道、热棒技术、铺设保温板等方法，使路基通风，加快热量散发，降低温度，保持冻土的稳定性。对于极不稳定的冻土地段则采用“以桥代路”的方法，即以桥梁代替路基。桥梁工程采用桩基础，每座桥墩下面有四根桩基，每根桩基要深入地下20 米以上，浇筑桥墩的混凝土经过了点和不同的地质条件，采取衬砌防水保温层、泥浆护壁等有效措施，克服了一系列施工难题。 二、生态脆弱青藏高原气候寒冷，昼夜温差大，土层浅 薄贫瘠，生态十分脆弱，一旦遭受人为破坏，要恢复几乎不可能。为此，青藏铁路建设工程首次作出环保和施
工同等重要的承诺，并与当地政府签订环保协议；铁路建设工程用于环保方面的投资预计达20 多亿元，占工程总投资的10％左右，环保投资和所占比例如此之 大，在国内建设史上尚属首例。 环保意识和行动无处不在：在桩基施工中，工程人员创造性地应用旋挖钻机干法成孔这一新型环保施工工艺，它可以快速成孔，既不会过多干扰多年冻土层，又不会污染环境。可可西里是国家级自然保护区，铁路穿过这里时，修建了清水河特大桥，这是全线最长的“以桥代路”工程，也是青藏铁路专门为藏羚羊等野生动物迁徒而开辟的通道。对于在施工过程中不可避免的环境破坏，则采取人工种草和草皮移植的方法，最大限度地恢复植被。铁路沿线的冻土环境和江河湖泊的水质无明显改变，野生动物迁徙自由，对湿地生态的保护极为有效。 三、高寒缺氧高原上气温低，空气稀薄，这种特殊的气候条件对施工人员和施工设备都是一种严峻的考验。在施工中，工程师们用自己发明创造的技术，加强了电器系统的耐低温性能，提高了动力系统的供氧量，把这些设备变成了世界上最先进的高原工程设备。在施工人员方面，原国家铁道部、卫生部第一次联合下文，对医疗卫生保障专门做出详细而具体的规定，投资达两亿元，建成覆盖全线的三级医疗保障体系，使出现严重高原反应和患高原病的人员得到及时治疗，实现高原病零死亡，非典疫情零发生，鼠疫零传播的“三无”目标。
青藏铁路冻土施工问题 新浪网：1984年，青藏铁路工程历时10年，从西宁穿越高山、戈壁、盐湖、沼泽修到了700公里外的格尔木，但工程却嘎然而止。是不是因为那时冻土问题还没有得到破解？ 吴青柏：是。当时科研者对冻土已有深入研究，但思路还是属于被动解决。打个比方，夏天卖冰棍都装在木箱子里，怕化了拿棉被捂上，原来修路大概就是这个思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。直到中国科学院兰州分院院长、冻土专家程国栋院士提出了“冷却路基”的思路，冻土难题才最终得到破解。 新浪网：能解释一下什么是“冷却路基”吗？ 吴青柏：所谓冷却路基的思路，就是变被动为主动，将“棉被”换成“冰箱”，通过技术手段将冻土层的温度降下来，青藏铁路才敢最终拍板决定上马。
二 新浪网：冻土问题大家都很好奇和关注。冷却路基的思路听起来非常神奇，能具体讲讲吗？ 吴青柏：其实说起来很简单，中学物理我们都学过热有三种方式：辐射、对流和传导，我们也就是通过材料、结构等很简单的办法调控这三种传热方式，最终达到降温的目的。 新浪网：在青藏铁路中，解决冻土运用最多的是什么方法？ 吴青柏：块抛石路基，俗称“土空调”。青藏铁路的路基与传统的土方路基有所不同，是一种“肉夹馍”的结构??在土层路基中间，填筑了一定厚度的块碎石。目前青藏铁路已经建成的路基中，有80%以上采取了以块抛石路基和块、碎石抛石护坡为主的路基新结构。 新浪网：块抛石路基这种特殊的“肉夹馍”结构如何降温？ 吴青柏：抛石路基的新技术来自一次野外的无意发现。在青藏高
原冻土区考察中，科研人员无意间扒开了一片碎石堆，在下面发现了冰雪，而附近的地面因阳光照射升温都已翻了浆。科研人员把这个意外发现模拟进了铁路施工，实验证明：块碎石间因有空隙，相当于一个半导体，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用。 新浪网：块抛石路基的降温效果如何？ 吴青柏：块抛石路基的成本较很低廉，但它却很有效，能有效地降低将路基下部土体的温度降低0.5℃以上。。 新浪网：青藏铁路沿线，路基两旁插有一排排碗口粗细、高约2米的铁棒。这种铁棒也是一种降温设施吗？ 吴青柏：是的，我们叫它热棒，但很多旅客误以为是雷达测速。热棒在路基下还埋有5米，整个棒体是中空的，里面灌有液氨。热棒的工作原理很简单，当大气温度低于路基内部的受外界影响温度上升时，液状氨受热发生气化，气化的氨上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却变成了液态氨，靠重力作用又沉入了棒底。而热棒最独特的性能是单向传热，热量只能从地下向上端传输，反向则不能传热。热棒就相当于一个天然制冷机，而且还不需动力。
新浪网：中国科研者研究冻土已有半个世纪了吧？吴青柏：上世纪50年代初期，中国政府最初提出修建青藏铁路。当时成立了冻土大队，奔赴高原研究冻土问题，这其实也就是现在中国科学院寒旱所的前身。虽然后来青藏铁路工程上马一波三折，但中国科研者对青藏高原冻土的研究却没有停止过。新浪网：青藏公路也是修建在冻土层之上，怎么解决冻土问题？吴青柏：青藏公路修建于上世纪50年代，那时对冻土的认识还非常浅，也没有什么新方法、新技术。当时只是采用了将路基加高到一定的合理高度，以减少路面热扰动对冻土层的影响这一最简单的方法。新浪网：现在的青藏公路有些路段坑坑洼洼，受到冻土影响还是较为严重。吴青柏：相比铁路，公路的使用年限较短，要求也不高，一般经历12-15年就要进行大修。实际上，青藏公路的整修工作从没有停止过，近年来也加入了很多解决冻土问题的新技术，路况已大为改善。新浪网：1984年，青藏铁路工程历时10年，从西宁穿越高山、戈壁、盐湖、沼泽修到了700公里外的格尔木，但工程却嘎然而止。是不是因为那时冻土问题还没有得到破解？吴青柏：是。当时科研者对冻土已有深入研究，但思路还是属于被动解决。打个比方，夏天卖冰棍都装在木箱子里，怕化了拿棉被捂上，原来修路大概就是这个思路，但拿棉被捂冰棍早晚要化。直到中国科学院兰州分院院长、冻土专家程国栋院士提出了“冷却路基”的思路，冻土难题才最终得到破解。新浪网：能解释一下什么是“冷却路基”吗？吴青柏：所谓冷却路基的思路，就是变被动为主动，将“棉被”换成“冰箱”，通过技术手段将冻土层的温度降下来，青藏铁路才敢最终拍板决定上马。二新浪网：冻土问题大家都很好奇和关注。冷却路基的思路听起来非常神奇，能具体讲讲吗？吴青柏：其实说起来很简单，中学物理我们都学过热有三种方式：辐射、对流和传导，我们也就是通过材料、结构等很简单的办法调控这三种传热方式，最终达到降温的目的。新浪网：在青藏铁路中，解决冻土运用最多的是什么方法？吴青柏：块抛石路基，俗称“土空调”。青藏铁路的路基与传统的土方路基有所不同，是一种“肉夹馍”的结构??在土层路基中间，填筑了一定厚度的块碎石。目前青藏铁路已经建成的路基中，有80%以上采取了以块抛石路基和块、碎石抛石护坡为主的路基新结构。新浪网：块抛石路基这种特殊的“肉夹馍”结构如何降温？吴青柏：抛石路基的新技术来自一次野外的无意发现。在青藏高原冻土区考察中，科研人员无意间扒开了一片碎石堆，在下面发现了冰雪，而附近的地面因阳光照射升温都已翻了浆。科研人员把这个意外发现模拟进了铁路施工，实验证明：块碎石间因有空隙，相当于一个半导体，冬季从路堤及地基中排除热量，夏季较少吸收热量，起到冷却作用。新浪网：块抛石路基的降温效果如何？吴青柏：块抛石路基的成本较很低廉，但它却很有效，能有效地降低将路基下部土体的温度降低0.5℃以上。。 新浪网：青藏铁路沿线，路基两旁插有一排排碗口粗细、高约2米的铁棒。这种铁棒也是一种降温设施吗？吴青柏：是的，我们叫它热棒，但很多旅客误以为是雷达测速。热棒在路基下还埋有5米，整个棒体是中空的，里面灌有液氨。热棒的工作原理很简单，当大气温度低于路基内部的受外界影响温度上升时，液状氨受热发生气化，气化的氨上升到热棒的上端，通过散热片将热量传导给空气，气态氨由此冷却变成了液态氨，靠重力作用又沉入了棒底。而热棒最独特的性能是单向传热，热量只能从地下向上端传输，反向则不能传热。热棒就相当于一个天然制冷机，而且还不需动力。新浪网：青藏铁路沿线，路基护坡两端露出一排排空心塑料管，这是用来作什么的？吴青柏：这叫通风管，与热棒的垂直插设相反，通风管则是水平插入路基里。路基受外界影响温度会发生变化，而通风管利用对流原理及时将这些热量进行交换，从而将零点幕的位置有效地抬升多年冻土上限了上来，保证了下部界冻土的热稳定性。 新浪网：青藏高原因此被誉为中国太阳能最丰富的地区，青藏高原早晚温差很大，这对冻土有影响吗？ 吴青柏：太阳光辐射在路基上，下面的冻土肯定会受不了。就象夏天外出要戴太阳帽一样，我们给路基表面盖上一层遮光板光照问题就能很好地解决。新浪网：沿线青藏铁路，给人印象最深的是桥多。最高的三岔何大桥有50米高，最矮的旱桥只有1米高，而最长的清水河大桥的长度则达到了11公里。据悉，青藏铁路全线“以桥代路”桥梁达156.7公里。我们想知道，以桥代路是不是也是基于一种解决冻土的技术？