（道路与铁道工程专业论文）气候变暖对大小兴安岭多年冻土路基稳定性的影响.pdf

摘要 公路工程是展布和修筑于自然环境中的人工构造物，与自然环境之间存在复杂的相 互作用。近年来，随着气温的升高，引起多年冻土的退化，强烈地影响到多年冻土地区 公路工程的稳定与安全。如何评估气温升高对多年冻土区公路工程的影响，是近年来国 内外交通建设者关注的焦点。本研究就气候变暖条件下东北多年冻土地区公路工程的危 害变化趋势进行评估，最后得出危害变化趋势分区图。 论文以年平均升温率0 0 5 。c 作为东北地区未来气温的变化状况，选取东北多年冻土 地区最具代表性的土质类型、地层结构及地下含冰量，通过有限元分析软件计算了不同 含冰量冻土和地表覆盖状况下最大季节融化深度的变化：以a r c g i s 软件为基础平台， 将四种影响冻土含冰量分布和发育的主要因素作为模型的输入，计算得到东北多年冻土 地区冻土含冰量发育状况图。然后结合在未来气温升高的情况下最大季节融化深度的变 化及土质含冰量，计算得到不同含冰量冻土的融沉系数和沉降指数，并对气候变暖条件 下公路工程融沉危害进行了分区。通过分析在气温升高的状况下多年冻土地带和季节冻 土地带冻胀危害性的变化趋势，从分布面积角度考虑，对东北多年冻土地区冻胀危害性 变化趋势进行了分区。通过分析温度与冻融循环作用次数的关系，得出气温的升高会使 东北多年冻土地区冻融循环作用次数发生一定的变化。最后综合分析融沉危害、冻胀危 害、冻融循环的变化趋势，得到气候变暖对东北多年冻土地区公路工程的影响综合分区 图。 本研究气候变暖对东北多年冻土地区公路工程影响评估以及冻土退化融沉危害分 区、冻胀危害分区和危害综合分区成果的提出对研究东北多年冻土地区公路工程建设规 划及设计施工维护具有重要的指导意义。 关键词：多年冻土退化，公路工程，融沉分区，冻胀分区，冻融循环次数，综合分区 a b s t r a c t h i g h w a ye n g i n e e r i n gi st h ea r t i f i c i a ls t r u c t u r e ss p r e a d i n ga n db u i l d i n gi nt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t ，a n dh a sc o m p l e xi n t e r a c t i o n sw i t ht h en a t u r a le n v i r o n m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h e i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ec a u s e sd e g r a d a t i o no fp e r m a f r o s t ，w h i c hs t r o n g l ya f f e c tt h es t a b i l i t y a n ds e c u r i t yo fh i g h w a ye n g i n e e r i n gi nt h ep e r m a f r o s tr e g i o n h o wt oa s s e s st h ei n f l u e n c eo f h i g h w a ye n g i n e e r i n gi nt h ep e r m a f r o s tr e g i o nw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eh a sb e c o m et h e f o c u sa th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s t h i ss t u d ya c c e s s e st h ec h a n g i n gt r e n do f h a z a r di n n o r t h e a s tp e r m a f r o s tr e g i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fc l i m a t ew a r m i n g ，a n df i n a l l yo b t a i n st h e m a po ft h ec h a n g i n gt r e n do fh a z a r d t h i sp a p e ru s e st h ea n n u a la v e r a g ew a r m i n gr a t eo f0 0 5 。ca sf u t u r et e m p e r a t u r ec h a n g e i nn o r t h e a s to fc h i n a s e l e c tt h em o s tr e p r e s e n t a t i v es o i lt y p e ，e a r t hl a y e rs t r u c t u r ea n di c e c o n t e n t ，c a l c u l a t et h es e a s o n a lt h a w i n gd e p t hc h a n g e so fd i f f e r e n tp e r m a f r o s ti c ec o n t e n ta n d s u r f a c ec o v e r a g ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e b yu s i n ga r c g i ss o f t w a r ea s b a s e dp l a t f o r m ，i n p u tf o u rm a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c ti c ec o n t e n to ff r o z e ns o i lt oc a l c u l a t ea n d g e tt h ed e v e l o pc o n d i t i o nm a po ff r o z e ns o i li c ec o n t e n ti nn o r t h e a s tp e r m a f r o s tr e g i o n a n d t h e n ，b yc o m b i n i n g _ s e a s o n a lt h a w i n gd e p t hc h a n g ea n ds o i li c ec o n t e n t ，c a l c u l a t et h et h a w i n g s e t t l e m e n tc o e f f i c i e n ta n ds e t t l e m e n ti n d e xo fd i f f e r e n ti c ec o n t e n tf r o z e ns o i l ，a n dd e v i c et h e m a po fh i g h w a ye n g i n e e r i n gt h a w i n gh a z a r du n d e rt h ec o n d i t i o no fc l i m a t ew a r m i n g 。f r o m t h ep e r s p e c t i v eo ft h ed i s t r i b u t i o na r e a , d i v i d et h ec h a n g i n gt r e n do ff r o s th e a v i n gb y a n a l y z i n gi to np e r m a f r o s ta n ds e a s o n a lf r o z e nz o n eu n d e rt h ec o n d i t i o no ft e m p e r a t u r er i s i n g b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n df r e e z i n g m e l t i n gc i r c u l a t i o nt i m e s ， c o n c l u d et h a tt h et e m p e r a t u r er i s ec a nc a u s ef r e e z i n g m e l t i n gc i r c u l a t i o nt i m e st oc h a n g ei n t h en o r t h e a s tp e r m a f r o s tr e g i o n 。a tl a s t ，w ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h ec h a n g i n gt r e n do f t h a w i n gh a z a r d 、f r o s t i n gh a z a r da n dc i r c u l a t i o no ff r o s ta n dt h a wa c t i o n ，a n do b t a i nt h e c o m p r e h e n s i v em a p o ft h ei m p a c ta s s e s s m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc l i m a t ew a r m i n gt ot h e h i g h w a ye n g i n e e r i n gi nt h ep e r m a f r o s tr e g i o no fn o r t h e a s t t h i sp a p e rg i v e st h ei m p a c ta s s e s s m e n to nc l i m a t ew a r m i n gt ot h eh i g h w a ye n g i n e e r i n g o nt h ep e r m a f r o s tr e g i o no fn o r t h e a s t ，a n dt h a w i n gh a z a r dz o n e 、f r o s t i n gh a z a r dz o n ea n d h a z a r dc o m p r e h e n s i v ez o n i n g t h ec o n c l u s i o n so fr e s e a r c hh a v ei m p o r t a n td i r e c t i v et o r e s e a r c ho nh i g h w a yc o n s t r u c t i o np l a n n i n ga n dd e s i g no fc o n s t r u c t i o nm a i n t e n a n c ei n n o r t h e a s tp e r m a f r o s tr e g i o n k e yw o r d s ：p e r m a f r o s td e g r a d a t i o n ，h i g h w a ye n g i n e e r i n g ，t h a w i n gh a z a r dz o n e ，f r o s t i n g h a z a r dz o n e ，f r o s t t h a wc y c l et i m e s ，h a z a r dc o m p r e h e n s i v ez o n i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者虢彩毋 论文知识产权权属声明 嘲年局只丐b 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：夕鳐乏厶 呻年其涣 呻月孑日 * 安丈学硕学位论文 1 1 本文研究的目的和意义 第一章绪论 公路工程是展布和修筑于自然环境中的人工构造物，与自然环境之间存在复杂的相 互作用。一方面公路建设作用于自然环境，引起自然环境要素的改变；另一方面，自然 环境要素会对公路建设的各方面产生不同程度的影响，这种影响又会反过来影响公路工 程稳定性和时久性。 近年来气温升高的趋势已经得到各国气候学家的共识。气温的升高引起冻土( 多 年凉土和季节冻土) 的退化而壤十的退化必然会威胁冻土地区公路工程( 道路建筑树 料性能、路基奉体、地基基础、路基边坡、路面工程) 的安全与稳定，特别是多年冻土 地区的高含冰量冻土地段，一旦富冰冻土和厚层地下冰融化，原冻土的结构、强度、物 理力学性质发生急剧变化，甚至发生热融沉陷、突陷，造成公路工程基础发生不均匀沉 降、开裂；路基、桥梁基础的沉陷变形、边沟坍塌、道路翻浆等问题( 见图l1 ) ，这些 由气温升高而引起的多年冻土地区公路工程的破坏现象越来越受到公路工作者的重视。 幽黑 照片1 路面平整度变差照片2 出现车辙 照片3 路肩纵向开裂照片4 热融沉陷、被浪 图1 1 气候和人为因素影响下多年冻土地区路基路面病害 第一章绪论 近年来，美国、加拿大和俄罗斯等国关于气候变暖对多年冻土地区公路工程的影响 方面的科学研究工作已经展开，并取得一定成果。而国内关于此方面的研究仅限于青藏 高原高海拔多年冻土区的青藏铁路、青藏公路及青康公路沿线地带。对东北多年冻土地 区研究很少。而据统计，中国东北大小兴安岭多年冻土地区现已建成各级公路里程为2 2 x1 0 4 k m ，铁路运营里程近1 6 x1 0 3 k m 。机场( 含在建机场) 5 个。通航里程5x1 0 3 k m ， 对外开放港口8 个。由于东北地区近些年来人为活动的加剧，使东北多年冻土区的呼玛 和海拉尔等地气温的增温速率高于全国其它地区，成为东北地区的增温中心。年平均气 温的上升，特别是寒季气温的上升，以及雪盖的增厚，加上人类经济活动的剧烈影响， 导致东北大小兴安岭地区多年冻土迅速退化。多年冻土的退化具体表现为，冻土地温的 升高和多年冻土分布面积的萎缩( 连续程度的下降) 。多年冻土地温升高以及冻土上限 的下降，将会不同程度的导致多年冻土地区公路工程路基、桥涵、支挡结构物地基承载 力的下降、冻胀稳定性不足及耐久性变差，从而影响公路工程的使用性能。所以就气候 变暖条件下东北高纬度多年冻土变化趋势及其工程影响开展预测和评估，从而使交通建 设者能更好的对该地区公路铁路等进行整体的规划，同时也为该地区公路设计、施工、 养护、运营管理、相关科研、防灾减灾，制订相关技术文件等提供依据，具有重大理论 和现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 多年冻土在全球有着广泛的分布，约占全球陆地面积的2 5 【l 】，国内外对冻土的研 究已有近百年的历史，但在多年冻土地区，公路工程的修筑技术还很不完善，多年冻土 区公路工程的主要病害是融沉、冻胀及冻融循环，公路科研工作者对其研究多集中在其 对道路结构方面及道路建筑材料的耐久性能的影响，然而，随着近年来气温升高速度的 加快和人类经济活动的加剧，在多年冻土地区按保持冻结的冻土地基设计原则修筑的公 路工程，虽然在修筑初期达到了其使用性能的要求，但随着时间的推移，却显现出越来 越多的工程病害，这和多年冻土区近年来升温速率的增大有很大的关系，因此对未来气 温的升高对多年冻土地区公路工程的影响，越来越受到公路工作者的重视，特别是加拿 大、俄罗斯和美国等一些冻土大国。 c o u t u r e 和r o b i n s o n t 2 】等人于2 0 0 0 年对加拿大麦肯锡河谷地区由于气候变暖造成多 年冻土退化对交通基础设施的影响进行了研究，主要研究了影响多年冻土形成的主要因 2 长安人学硕士学位论文 素和多年冻土对气温升高的敏感程度，并对由于气温升高导致多年冻土退化而对交通基 础设施带来灾害的严重程度进行区分。 2 0 0 2 年，n e l s o n 、a n i s i m o v 和s h i k l o m a n o v l 3 】等人采用大气环流模型中 e c h a m l a 和u k t r 两种气候升温模型，结合全球地下冰分布的情况，对环北极多年 冻土区由于气温升高导致多年冻土退化而引起的灾害程度进行了分区，通过融沉指数将 环北极多年冻土区分为稳定地区、低沉降区、中度沉降区、高沉降区共四个大区。 美国北极多年冻土研究委员会成员d r k e n n e t hm h i n k e l ，d ro r s o ns m i t h , d r f r e d e r i c ke n e l s o n 等人【4 】于2 0 0 3 年也对未来气候变暖引起的多年冻土退化对交通基础 设施和房屋建筑等构筑物的危害程度进行了分区，他们以美国阿拉斯加州为例，分析了 未来气候变暖对阿拉斯加的交通基础设施、房屋建筑、石油管线的影响。 c a r l o t am g r o s s i 、p e t e rb r i m b l e c o m b e 、i a nh a r r i s 等人【5 】通过统计伦敦等五个地区 的年平均气温和冻融循环次数关系。结果表明，冻融循环次数在年平均气温为0 左右 时最大，随着年平均气温的升高或降低，冻融循环次数都呈现出减小的趋势。 e h o 和w a g o u g h 【6 】研究了加拿大多伦多地区的市区中心、多伦多机场和皮尔逊 机场三个地区的月平均气温和冻融循环次数的关系。结果表明，冻融循环次数在月平均 气温为o 时达到最大，并对它们之间的关系进行了回归分析，在冻融循环次数较少的 市区中心、多伦多机场地区二次曲线预测的结果要好于六次曲线预测的结果；在冻融循 环次数较多的皮尔逊机场地区六次曲线预测的结果要好于二次曲线预测的结果。以上成 果对研究在未来气候变暖条件下我国东北多年冻土地区公路工程危害变化趋势分区具 有一定的参考价值。 1 2 2 国内研究现状 国内学者对多年冻土和气候变暖的研究大多集中在高海拔的青藏高原多年冻土地 区。吴青柏、董献付和刘永智【7 】通过对青藏公路沿线地质状况的调查，将土质成因类型、 地表坡度、植被覆盖率、年平均气温和地貌单元五种因素作为影响地下冰含量的主要因 素，通过赋予不同的权重值，利用a r c g i s 软件进行叠加分析，得到青藏公路沿线地下 冰含量分布图，并与实际情况取得了较好的一致性，但并没有深入分析未来气候变暖对 多年冻土退化引起的公路工程破坏的严重程度进行划分。 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吴青柏1 8 】等人对青 藏公路沿线多年冻土对气候变暖和工程影响做了相应分析，结果表明多年冻土对工程和 第一章绪论 气候变暖的响应过程有较大的差别。对于低温多年冻土来说，气候变暖对多年冻土上限 和多年冻土温度的影响要大于工程对它们的影响；对于高温多年冻土，工程对多年冻土 上限、多年冻土上限温度以及多年冻土温度的影响远大于气候对它们的影响。他们认为 造成这一结果原因主要是由于在工程建设完成初期，相对于气候影响，工程作用对多年 冻土的影响具有放大作用，才使得工程状态下多年冻土对气候变暖基本没有响应。 李晔 9 1 等人在铺面水泥混凝土冻融环境量化研究中统计了我国主要城市铺面混凝土 年冻融循环次数，并对铺面水泥混凝土年冻融循环次数和最冷月平均气温进行了回归分 析，结果表明铺面水泥混凝土年冻融循环次数和最冷月平均气温的关系良好，关系式为： 厅= - 4 3 3 幸9 。+ 5 6 9 。式中：一表示水泥混凝土年冻融循环次数，p 。表示最冷月平均 气温，相关系数达到0 8 8 。此结果表明，最冷月平均气温越低，年冻融循环次数越大。 国内学者对融沉、冻胀和冻融循环的研究多集中在其对道路建筑材料的性能及道路 结构方面的影响，对于未来气候变暖导致融沉、冻胀强度和冻融循环次数变化进而影响 公路工程的稳定性和耐久性等方面还比较少。而且到目前为止，国内关于此方面的研究 仅限于青藏高原高海拔多年冻土区的青藏铁路、青藏公路及青康公路沿线地带，对东北 大小兴安岭多年冻土地区的研究更少。 1 3 本文研究的主要内容和技术路线 1 3 1 本文研究的主要内容 1 ) 本文首先分析了自器测时期以来全球、我国及我国东北地区气候的实际变化状 况，根据i p c c 2 0 0 7 年发布的关于全球气候变化第四次报告的内容，分析得到我国东北 多年冻土地区未来气温最可能的变化状况。并选取该地区最具代表性的土质类型、地层 结构，冻土含冰量大小，利用有限元分析软件，计算在未来气温升高的条件下，大小兴 安岭多年冻土地区不同含冰量冻土和不同地表覆盖状况时的最大季节融化深度的变化。 2 ) 以a r c g i s 软件为基础平台，将四种影响东北多年冻土地区高含冰量冻土分布和 发育的主要因素( 年平均气温、土的成因类型、地表坡度和坡向、植被覆盖类型和潮湿 状况) 通过赋予不同的权重进行叠加计算，得到东北多年冻土地区高含冰量冻土分布图。 3 ) 结合在未来气温升高的情况下经a n s y s 有限元计算得到的最大季节融化深度的 变化状况及土质含冰量，计算沉降指数，然后并以沉降指数为指标，对气候变暖条件下 东北多年冻土退化对公路工程的融沉危害程度进行了分区。 4 长安大学硕士学位论文 4 ) 通过分析在气温升高的状况下多年冻土地带和季节冻土地带冻胀强度的变化趋 势，从分布面积角度考虑，将大小兴安岭多年冻土地区的冻胀危害性变化趋势进行分区。 通过分析温度和冻融循环作用次数的关系，得出气温的升高会对东北大小兴安岭多年冻 土地区冻融循环作用次数产生一定的影响，在未来多年冻土南界的以南地区和以北地区 表现为不同的变化趋势。最后通过综合分析融沉危害、冻胀危害分布状况图及冻融危害 的变化趋势，得到气候变暖对大小兴安岭多年冻土地区公路工程影响综合分区图。 1 3 2 技术路线 本研究以a r c g i s 软件为基础平台，通过插值、配准、矢量化、重分级、栅格计算 等一系列的操作最终完成气候变暖对大小兴安岭多年冻土地区公路工程影响综合分区 图，具体的技术路线见图1 2 。 图1 2 本文研究的技术路线 5 第二章大小兴安岭多年冻土地区自然地理概况和气候变化概述 第二章大小兴安岭多年冻土地区自然地理概况和气候变化概述 2 1 中国东北大小兴安岭多年冻土地区自然地理概况 2 1 1 东北多年冻土分布范围 冻土，一般是指温度在0 或o 。c 以下，并含有冰的各种岩土和土壤。根据土冻结 状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土( 数小时，数日乃至半月) ，季节冻 土( 半月至数月) 以及多年冻土( 数年至数年以上) 三种类型。地球上这三种冻土类型 分布的地区分别称为短时冻土区、季节冻土区及多年冻土团。 中国东北大小兴安岭多年冻土区位于欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，面积约为 3 9 0 0 0 0 k m 2 ，介于北纬4 6 。3 07 和5 3 。3 07 之间【l j ，2 0 世纪7 0 年代铁道部第三勘察设 计院、中国科学院兰州冰川冻土研究所、内蒙古大兴安岭林业设计院等单位组成冻土科 研协作组，对我国东北多年冻土南界进行了实地考察，确定的东北多年冻土南界线大概 在当时的年平均气温等值线为1 0 1 o c 之间。南界西段新巴尔虎右旗、阿尔山等地区 大致摆动在年平均气温等值线1 o , - - - o c 之间；中段松嫩平原及大小兴安岭东南山麓等地 区大约与年平均气温o 等值线吻合；南界东段小兴安岭西南麓等地区大致摆动在年平 均气温等值线为0 - - 1 o 。c 之间【l 】。之所以多年冻土南界东段和西段出现差异的原因可能 是地表潮湿程度影响的结果。多年冻土是一定自然历史时期的产物，从多年冻土退化的 角度来分析，由于东北多年冻土地区年降雨量自东南向西北逐渐减小，因此南界东段表 层土壤含水量大于西段表层土壤含水量。东段土壤湿度大，季节更替时热量大都消耗在 水分的相变上，而用于地温升高的部分就很少，因此延缓多年冻土退化的速度；相反， 西段土壤湿度小，热量用于地温升高的部分就多，相应地多年冻土退化速度就快。此外， 东北多年冻土南界东段和西段植被覆盖类型和自然景观的不同也是产生温度位移差异 导致冻土退化速度不同的主要原因。 2 1 2 大小兴安岭多年冻土类型特征 大小兴安岭多年冻土的分布主要受纬度地带性的制约，海拔高度影响的叠加使其分 布更具特色。该区自北向南，随年平均气温的升高( 5 0 ) 、年均气温较差的减少 ( 5 0 。c 4 0 ) ，多年冻土所占面积的百分比( 简称连续性) 由8 0 减至5 以下，由大 片连续分布至岛状和稀疏岛状甚至零星分布，多年冻土的厚度自北向南由上百米逐渐减 至几米。其中岛状、稀疏岛状和零星分布的多年冻土区南北宽达2 0 0 - - 4 0 0 千米，其面 6 长安大学硕士学位论文 积比大片和大片一岛状多年冻土两个区的面积大得多，东北多年冻土分布类型与特征的 特征见表2 1 【1 1 。 表2 1中国东北多年冻土分布类型与特征 多年冻土所占面 多年冻土区年平均气温o c年平均地温o c冻土厚度m 积( ) 大片分布( 或断 7 0 8 0 - 5- 4 05 0 1 0 0 续分布) 大片一岛状分 3 0 7 0一5 31 5 - - 22 0 5 0 布 岛状和稀疏岛 5 3 0 3 - - 01 3 - 45 2 0 状及零星分布 5 2 1 3 大小兴安岭多年冻土分布环境特征 大小兴安岭多年冻土的形成、分布和发育特征是在纬度、高度和经度地带性分布规 律背景下，广泛存在的冬季逆温层及坡向、植被、松散层厚度差异、地表沼泽化程度等 多种因素共同作用的结果，因此导致东北多年冻土存在强烈的地域分异规律。在该区北 部的沼泽洼地、山间谷底和低阶地上，多年冻土最为发育，而在树木稀少、松散层较厚 的阳坡或半阳坡，多年冻土一般发育较差。在东北多年冻土地区南部岛状及零星岛状分 布区，多年冻土岛主要分布在河漫滩、谷地及低阶地上沼泽化地段，多年冻土岛占整个 地区面积的比例由南往北变化在5 3 0 之间【1 1 。纵观整个东北大小兴安岭多年冻土地 区，总体上看地貌部位低的比高的地方更发育，且多年冻土的厚度大、温度低。这和稳 定和广泛存在的冬季逆温层、谷底和洼地松散层厚度大与沼泽化程度高、植被茂密具有 最密切关系。 2 2 中国东北多年冻土地区气候变化概述 东北多年冻土地区处于欧亚大陆多年冻土区的南缘，为中国第二大多年冻土分布 区，面积达3 9 0 0 0 0 k m 2 。冻土总体厚度较薄、温度较高，易受外界因素变化的干扰。在 全球气候变暖，尤其是北半球2 0 世纪8 0 年代以来加剧增温以及人类活动的影响下，东 北地区的多年冻土正处于强烈的退化状态。冻土退化将对路基及地基的承载能力等物理 力学性质产生巨大影响，并导致其他工程地质条件发生强烈改变。低温冻土由于温度的 7 第二覃太小* 安峙多年冻土地e 自然地理概况和气候变化概述 升高，其承载力显著降低；高温冻土的融化将产生剧烈的沉降变形，而在多年冻土南界 附近，由于冻土退化南界北移，原来的多年冻土地区将转变为季节冻土地区，其主要的 冻土工程地质问题也将由融沉变形转变为冻胀变形。因此，有必要了解和预测东北地区 未来气候变化状况，对该区多年冻土的分布状况进行大范围模拟，预测和研究在气候变 暖条件下，未来东北地区冻土分布变化趋势和规律，为工程规划设计及施工运营决策提 供依据。 2 21 全球、中国及中国东北地区器测时期气温变化状况 2 0 0 7 年i p c c 正式发布第四次报告i ”】，在气候变化2 0 0 7 ：自然科学基础的决 策者摘要中指出：最近1 0 0 年( 1 9 0 6 2 0 0 5 年1 全球平均地表温度上升了05 6 09 2 c 。 统计表明，1 8 5 0 年以来最暖的1 2 个年份中有1 1 个出现在1 9 9 5 2 0 0 6 年( 除1 9 9 6 年外) ， 过去5 0 年升温率几乎是过去1 0 0 年的2 倍。过去5 0 年中，平均气温是过去5 0 0 年和1 3 0 0 年中的最高值。 在全球气候变暖的大背景下，我国近百年的气候也发生了明显变化。总体来说，这 种变化的趋势与全球气候变化的趋势一致。近1 0 0 年中国的平均气温上升了( 06 + 0 1 1 。其中，2 0 世纪2 0 4 0 年代我国平均气温持续偏高。5 0 8 0 年代初气温有所下降， 8 0 年代中期开始又持续增温9 0 年代是近百年来最暖时期之一，仅次于2 0 4 0 年代。 我们统计了1 9 0 0 2 0 0 0 年东北多年冻土及毗邻区域气象站年平均气温( 个别地区 存在某些年份的数据缺失) ，得到年平均气温和时间的关系如图( 21 ) 。 圈2 1 东北多年冻土厦毗邻地区部分站点近百年年平均气温变化图 由图2 1 可以看出，从1 9 0 0 年至2 0 0 0 年，虽然部分年份的年平均气温出现波动， 但从整体上来看，我国东北北部地区的年平均气温都是逐渐升高的，并且近年来这种变 长安大学硕士学位论文 化呈逐渐增大的趋势。 2 2 2 东北多年冻土地区未来气温升高预测模型建议 由以上对全球一中国一中国东北地区年平均气温自器测时期以来的变化状况分析 及i p c c 对未来全球一中国一中国东北地区气候因素变化的预测结果，并考虑到未来我 国东北地区的发展状况，我们采用二十一世纪中等排放a l b 模型预测的结果作为东北地 区未来的升温值，即到二十一世纪中期，东北地区气温升高值大约为2 5 。因此，我 们采用年平均升温率0 0 5 作为东北多年冻土地区未来气温的升温幅度，作为计算在气 温升高条件下最大季节融化深度变化的依据。 2 3 中国东北多年冻土退化进程 近年来气温升高和人类经济活动的影响是引起东北多年冻土退化的主要原因。近 1 0 0 多年来我国东北地区升温过程大体可分3 个阶段：2 0 世纪初至4 0 - - 5 0 年代气温 持续上升阶段；5 0 - - - 7 0 年代在平均水平波动阶段；2 0 世纪后3 0 年( 1 9 7 0 - - 2 0 0 0 年) 气温 再次持续升高阶段，尤其是2 0 世纪最后l o a 气温升高更为突出。随着东北多年冻土地 区人口的不断增长和经济建设的发展，各种建筑物的建设打破了地表的自然平衡，扰动 了多年冻土的稳定状态，气温升高和人类活动导致地温逐渐升高，从而加速了多年冻土 退化进程。 我们通过统计东北地区1 0 7 个站点6 0 年代( 1 9 6 1 1 9 7 0 ) 十年气温的平均值和9 0 年代( 1 9 9 1 - - 2 0 0 0 ) 十年气温的平均值，通过a r c g i s 插值得到东北地区6 0 年代年平均 气温的分布图( 图2 2 ) 和9 0 年代年平均气温分布图( 图2 3 ) ，由于东北多年冻土的南 界西段在1 o 等温线之间摆动、南界中段与o 等温线大致吻合、南界东段在0 1 等温线之间摆动。对比图2 2 和图2 3 我们可以看出，在过去的三十年里，由于年平 均气温的升高，o 等温线已经明显北移，因此，多年冻土的南界北移的幅度也很大， 而且在大片连续的多年冻土地区，年平均气温比6 0 年代要高，多年冻土的年平均地温 和最大季节融化深度也随之增大，两种情况均表明东北多年冻土正处在逐渐退化的过程 中。 9 第= 章丈小兴安峙多年冻土地区自然地理概况和气候变化概进 圈2 2 东北地区6 0 年代年平均气温圈圈z 3 东北地区9 0 年代年平均气温田 周幼吾、王银学等f 2 4 对比了1 0 0 年前和现今大小兴安岭多年冻土南界位置的变化。 结果表明，与1 0 0 年前相比，现今各冻土带都向北有所移动，南界北移了2 0 3 0 k m ， 且多年冻土退化的速度逐渐增大。 2 4 气候变暖对多年冻土地区公路、铁路路基工程影响案例 2 4l 气候变暖对大小兴安岭多年冻土地区公路工程的影响案例一 多年冻土地区公路_ t 程破坏一方面是由于公路工程的修筑破坏了原地表的自然平 衡状态，多年冻土发生退化和融化深度的增加导致路基路面的不均匀沉降；另一方面是 由于近年来气温的不断升高导致多年冻土地区地下高含冰量冻土的融化，降低了地基的 强度。因此，会导致公路路基持续沉降以及路面使用性能变差。朱云斌、程纪敏 1 4 1 调查 了伊嘉公路五汤段在人为活动和气候变暖的影响下的破坏状况，结果见表22 。 瓤2 伊嘉公路五汤段破蝽帙况 桩号冻土类型融沉性冻土特征冻土地基稳定性评价 k 1 1 - 1 8 0 k 1 2 + 0 5 0 冻土工程地质条件良好，地 多冰冻土弱融沉 整体状一层状 基较稳定，路基产生较小变 k 1 3 + l s o b k l 3 + 2 4 0 形，总沉降量 1 5 c m 冻土工程地质条件较差，地 富冰冻土融沉层状构遗 基不稳定，地基产生融沉， k 3 l + 6 1 5 i 3 4 + 0 0 0 路基产生一定变形 冻土工程地质条件极差，地 饱抹冻土强融沉层状、厚层状、斑状 基极不稳定，地基产生强融 k 1 7 h t k l 0 k 2 0 + 0 0 0 沉，路基严重变形 长安大学硕士学位论文 ( 续) 表2 2 伊嘉公路五汤段破坏状况 k 1 0 + 1 0 0 k l o + 5 5 0 冻土工程地质条件极差，地 k 15 + 0 0 0 k 17 + o o o 含土冰层融陷厚层状、基底状 基极不稳定、地基产生融 k 2 2 + 4 0 0 k 2 3 + 15 0 k 3 4 + 9 0 0 - - - - k 4 1 + 4 7 0 陷，路基严重沉陷变形 2 4 2 气候变暖对大小兴安岭多年冻土地区路基工程的影响案例二 根据塔河工务段【1 6 】对塔韩线与嫩林线穿越片状多年冻土和岛状多年冻土地带路基 病害的统计( 见表2 3 ) ，从表中可见，塔韩线与嫩林线路基发生的主要病害为热融沉陷， 翻浆冒泥等。 表2 3 塔河工务段铁路下沉统计 塔韩线嫩林线 起出里程病害起出里程病害 k 5 4 + 0 0 0 - - k 5 4 + 10 0 翻浆冒泥 k 4 1 6 + 0 5 0 k 4 1 6 + 1 0 0 排水不良 k 1 8 8 + o o k 1 8 8 + 5 0 0路基下沉k 4 5 0 + 0 0 0 k 4 5 0 + 1 0 0排水不良 k 3 + 0 5 0 k 3 + 10 0 排水不良k 4 6 6 + 2 8 5 - k 4 6 6 + 8 5 0排水不良 k 8 + 0 2 0 k 8 + 2 7 0排水不良k 4 8 1 + 2 7 5 k 4 8 1 + 4 2 5 排水不良 k 9 9 + 2 0 0 - - - k 9 9 + 4 0 0排水不良k 4 7 4 + 3 5 0 k 4 7 4 + 5 5 0翻浆冒泥 k 8 + 0 0 0 k 8 + 5 0 0 路基下沉 k 5 0 8 + 5 0 0 k 5 0 8 + 7 5 0 翻浆冒泥 k 1 0 + 6 0 0 - k 10 + 8 5 0路基下沉k 415 + 9 5 0 k 416 + 4 0 0冻害 k 1 6 + 6 0 0 k 1 6 + 8 5 0 路基下沉k 4 5 7 + 8 5 0 k 4 5 8 + 1 5 0冻害 k 1 7 + 8 0 0 k 1 8 + 0 0 0路基下沉k 4 9 7 + 2 0 0 k 6 0 0 + 0 0 0 冻害 k l5 + 7 0 0 k 15 + 8 5 0 冻害k 3 7 1 + 5 5 0 k 3 7 1 + 6 5 0路基下沉 k 3 4 + 0 0 0 k 3 4 + 0 2 0冻害k 3 7 4 + 5 5 0 k 3 7 4 + 6 5 0 路基下沉 k 3 8 + 0 2 9 k 3 8 + 0 4 1冻害k 3 7 8 + 8 5 0 l 【3 7 9 + 2 5 0路基下沉 k 4 1 + 9 0 3 k 4 1 + 9 2 7 冻害k 3 8 l + 2 3 0 k 3 8 1 + 3 0 0路基下沉 铁道部第三勘察设计院赵英辰工程师【1 5 】经过调研认为，全球气候转暖，加上广泛的 人为活动作用，中国东北多年冻土从整体上处于退化的趋势，这是牙林线和嫩林线铁路 路基病害产生的重要原因。 第二章大小兴安峙多年冻土地e 自然地理概况和气候变化概连 2 43 气候变暖对多年冻土地区路基工程的影响案例三 俄罗斯的赤塔州和阿穆尔州与本研究区域隔( 黑龙) 江相望，贝尔加尔一阿穆尔铁 路干线纵贯其中。近年来，气候变暖导致贝尔加尔一阿穆尔铁路干线区域的多年冻土发 生严重的退化，造成路基和斜坡变形增强，严重影响了行车的舒适性和安全性。 贝一阿铁路在勘测设计时，根据传统的最大限度保护冻土生存条件的原则，设计了 铁路路基所需要的最小填土厚度。可是，从1 9 8 9 年起，贝阿铁路沿线地区出现了气候 大大变暖的现象，几乎使铁路路基下部的多年冻土层普遍发生融化退缩，造成路基严重 的变形( 图2 4 ) ；冻融作用的加剧和斜坡变形的增加导致人工构筑物严重变形。根据 ah 1 l l e k o 等的研究，在多年冻土地区，温度距平对滑坡作用的影响可能比降水距平的 影响更大。如果在勘测设计时，能够预计到未来贝一阿铁路沿线的气候将有大大变暖的 可能，并能采取必要的措施，就有可能把损臾减少到最小的程度。 鸿 图2 4 俄罗斯贝阿铰路病害 长安大学硕士学位论文 第三章气温升高对大小兴安岭多年冻土地区冻土温度状况的影 响研究 3 1 引言 气温的升高引起多年冻土的退化，而多年冻土的退化必然会威胁公路工程的安全与 稳定。然而，不同地区多年冻土退化的影响程度不一，这和地区的气温变化情况、土质、 冻土含冰量等一系列因素有着密切的关系。然而如何量化气温变化状况、冻土含冰量大 小及土质类型之间的关系，近年来越来越受到冻土学家的重视。本章我们取0 0 5 。c a 作 为东北地区未来气温的升温率，并选取大小兴安岭多年冻土地区的典型地层结构类型、 土质状况、冻土含冰量大小，通过a n s y s 有限元软件计算，得到在不同冻土含冰量和 不同地表覆盖状况的条件下，温度升高的幅度和最大季节融化深度变化的量化关系。 3 2 计算参数选取、模型的建立和边界条件的确定 3 2 1 计算参数选取和有限元模型的建立 1 ) 计算参数的选取 通过调查大小兴安岭多年冻土地区典型的地层结构和地质条件，我们选择最具代表 性的两种地层结构，均为地表以下三层地质条件作为有限元计算模型建立的依据，模型 一为天然地表条件下( 草皮和泥炭、亚粘土层、碎石亚粘土层) ；模型二为在人为经济 活动影响下( 亚粘土层、亚粘土层、碎石亚粘土层) ，清除植被，疏干水分，地表条件 发生变化后的状况。由于不同的含水量对应不同的计算参数，具体参数的取值依据冻 土工程地质勘察规范 2 8 1 ，各土层的厚度、含水量及计算参数见表3 1 和表3 2 。 表3 1 模型一( 天然地表条件下) 土质计算参数取值 p d g c r 九。| xf | 地层和土质层厚i n k j ( m 3 。c 1 k d ( m 3 。c ) k g m 3 w ( m o c 形啊脚。c 1 草皮和泥炭 0 48 0 09 03 8 1 42 4 2 5 6o 81 5 5 1 5 0 01 51 4 6 0 71 2 7 1 4o 9o 9 6 亚粘土 1 6 1 5 0 03 52 3 0 0 11 6 9 5 11 3 62 1 2 3 0 0 2 6 01 3 9 5 66 4 3 3 o 5 1 1 9 碎石亚粘士 1 81 8 0 039 6 28 7 8o 6 00 6 0 第三章气温升高对丈小兴安岭多年冻十地区冻土温度状况的影响研究 表3 2 模型二( 人为经济活动影响下，地表条件发生变化) 土质计算参数取值 p de c ， 兄。z f l 地层和土质层厚m k 1 ( r a 3 。c ) 彬( r n 3 锄 l ( g m 3 h o c 矿j ，l ，) 亚粘土 0 41 5 0 03 52 3 0 0 11 6 9 5 11 3 62 1 2 1 5 0 01 51 4 6 0 71 2 7 1 40 90 9 6 亚粘土1 61 5 0 03 52 3 0 0 11 6 9 5 11 3 62 1 2 3 0 02 6 01 3 9 5 66 4 3 3o 5 11 9 碎石亚粘土1 81 8 0 039 6 28 7 8o 6 00 6 0 东北多年冻土地区冬季严寒，积雪时间长，雪盖厚度对多年冻土发育状况的影响很 大，雪盖的厚度在每个时期各不相同，不同的雪盖厚度对应不同的密度，进而导致导热 系数的差异。根据观测资料，东北多年冻土地区的积雪时间大概为当年l o 月初至次年3 月末共六个月的积雪时间，本文采用雪盖厚度半年平均值作为模型建立的依据，取平均 雪盖厚度为3 c m 。雪盖厚度和密度的关系、密度和导热系数的关系都采用俄罗斯科学院 地理所的公式【2 9 1 。 雪盖厚度和密度的关系：成= 8 0 + 4 0 0 h ,( 3 - 1 ) 式中：p 。