
“冷却路基”方法在青藏铁路上的应用.pdf
7页高原高寒铁路装备技术“冷却路基’’方法在青藏铁路上的应用程国栋孙志忠牛富俊摘要:青藏铁路穿越5 5 0 k m 多年冻土,其中约一半为高温多年冻土,其年平均地温为O ~.1 ℃.青藏铁路是百年大计,必须考虑5 0 ~1 0 0 年的气候变化.在全球变暖的背景下,青藏铁路高温冻土段的建设必须改变单纯依靠热阻( 增加路堤高度、采用保温材料等) 的消极“保”温方法,而改用“冷却路基”的积极“降”温措施.青藏铁路的建设采用了一整套“冷却路基”的方法:通过遮阳板调控辐射;通过通风管、热管和气冷路堤调控对流:通过“热半导体”材料调控传导;通过这些调控方式的组合,加强冷却效果.这些方法均可有效地降低路基下多年冻土的地温,保证青藏铁路路基的稳定.●.j 山- —■- -l 刖吾青藏铁路格拉段全长1 1 4 2 k i n ,穿越6 3 2 k m 多年冻土,其中大片连续多年冻土为5 5 0 k m .尽管世界上在多年冻土区筑路己有百年以上的历史,但目前运营线路的病害率仍在3 0 %左右,可见在多年冻土区筑路仍是世界性的难题.青藏铁路所穿越的多年冻土中,高温冻土( 0 ~一l ℃) 段长2 7 5 k m ,高含冰量冻土( > 2 0 %) 段长2 2 1 k i n ,高温、高含冰量冻土段长1 3 4 k m ,所以在青藏高原多年冻土区筑路面临的困难更加多.青藏铁路是百年大计,需要考虑5 0 ~1 0 0 年的变化;根据最新发布的预测,到2 0 5 0 年,青藏高原平均气温将上升2 .2 ~2 .6 。
C .因此,在全球气候转暖的背景下,在青藏高原多年冻土区筑路可以说是难上加难.青藏铁路成败的关键在路基,路基的关键在冻土,冻土的关键在融沉.青藏公路的实践表明:公路在改建沥青路面后,6 0 %路段形成融化夹层,这些路段大多位于高温冻土区;青藏公路8 5 %的路基病害是由融沉造成的.这些事实表明:面对青藏高原的高温、高含冰量冻土及气候变暖的事实,青藏铁路的设计思想,必须由单纯依靠增加热阻的消极“保”温思路,转变为“冷却路基”的积极“降”温思路,以确保路基的稳定.通过局地因素对多年冻土分布影响的分析,得到如下的启示:可以通过改变路基的结构和填料来调控辐射、调控对流和调控传导,以达到“冷却路基”的目的.青藏铁路的建设体现了“冷却路基”的思想,对“冷却路基”的具体措施进行了探索和实践,本文拟对这些探索和实践作一概要的报导2 调控辐射低的纬度和高海拔的结合,使青藏高原成为地球上大阳辐射最强烈的地区之一.在高原上,遮挡太阳辐射能有效地降低地温.K o n d r a t y e v 提出可用遮阳棚降低路基下多年冻土地温,为此中国铁道科学院西北研究所曾在青藏高原风火山开展了遮阳棚的试验研究.由于青藏高原多大风,不适合使用遮阳棚,所以中国科学院冻土工程国家重点实验室开展了遮阳板的室内模型试验,并在青藏高原北麓河站设置了遮阳板进行观测.观测结果显示:遮阳板设置l 阿后,路堤向阳路肩的地温比没有遮阳板的对比路堤同样位置的地温低3 ~5 ℃;在1 2 月份,对比路堤中尚存在未冻夹层,而设置遮阳板的路堤内已完全冻结,显示了遮阳板明显的降温效果。
路基填土在反复冻融作用下会变得疏松,遮阳板既挡风,又挡雨,能有效地防止路堤坡面的风蚀3 2 7第八届中国国际现代化铁路装备技术交流会暨中国铁道学会年会和水蚀3 调控对流青藏铁路采用了块/碎石层、通风管和热管等对流调控措施3 .1 块/碎石层1 9 6 9 年一1 9 7 0 年,前全苏铁路运输研究院斯科沃罗丁冻土研究站根据实测资料提出,用大块碎石修筑的路堤较之用其它类型土修筑的路堤,其基底土的温度大大降低.1 9 7 3 年原中国科学院冰川冻土所在青海省热水煤矿的厚层地下冰地段用直径O .3 m 的块石修筑了高2 .7 m 的试验路堤,观测表明:块石路堤有明显的降低地温的效果.1 9 9 2 年阿拉斯加大学( 费尔班克斯) 力学工程系对大孔隙碎石层的热对流进行了一系列的计算模拟研究,1 9 9 3 年在费尔班克斯附近的B r o w n sH i l lQ u a r r y 修建了试验路堤,结果十分令人鼓舞.阿拉斯加公路部把这种路堤称为气冷路堤( a i rc o o l e de m b a n k m e n t ,A C E ) 3 .1 .1 结构块/碎石层在路堤上的应用可以有多种结构,如块/碎石夹层路堤、U 型块/碎石层路堤、块/碎石护坡、块/碎石护道等。
3 .1 .1 .1 块/碎石夹层路堤由于铁路设计要求轨道下至少要有2 .5 m 厚的土层,所以出现了块/碎石夹层路堤.在清水河设置了块石夹层路堤的观测,该处年平均气温为- 6 .2 C ,年平均地温为- O .9 1 ℃,路堤填高6 .3 m ,块石直径2 0 ~4 0 c m ,块石层厚1 .5 m ,置于路堤底部的原地面之上.线路基本为W E 走向,主导风向N E ,平均风速为4 .5 m .s 一.试验路堤在2 0 0 1 年l l 一1 2 月施工,至2 0 0 4 年1 月的观测结果如表1 所示表1 清水河块石夹层路堤和普通路堤原地面处地温对比左路肩右路肩原地面处地温/℃最高最低最高最低块石夹层路堤O .7 2.1 .6O .8 0.3 .2 5普通路堤1 .5 9.O .3O.0 .7 5从观测结果可见:块石夹层路堤有一定的降温作用,优于普通路堤,但由于上覆4 .8 m 厚的土层,故降温效果大为减弱对上覆不同厚度砂砾的块石夹层路堤的数值模拟表明:在上覆砂砾石层厚为6 .5 m 时,靠近路堤中心约4 m 宽的范围内,块石夹层中的空气流速全年都很微弱,说明这一段块石夹层己经丧失了制冷作用.计算表明:块石夹层上覆的砂砾石层越厚,其冷却作用越弱;当上覆砂砾石层> 5 .5 m 时,块石夹层中就开始出现丧失制冷作用的区域。
3 .1 .1 .2 块/碎石护坡3 2 8高原高寒铁路装备技术对单层、水平设置的碎石路堤所作的数值模拟揭示,自然对流首先发生在路堤的两个边坡,随R a y l e i g h 数的增加而逐渐扩展到路堤中心,路堤边坡处的自然对流始终要强于路堤中心.这一结论为块/碎石气冷护坡提供了理论依据在北麓河进行了块/碎石护坡的试验研究.该处年平均气温.5 .2 ℃,年平均地温.1 .4 ~.1 .6 ℃.碎石( 5 “ - - ' 8 c m ) 护坡路堤高4 .1 m ,护坡厚度8 0 c m ,观测断面位于D K l1 4 1 + 3 2 4 ;块石( 4 0 ~5 0 c m ) 护坡路堤高4 .8 m ,护坡厚度8 0 c m ,观测断面位于D K l l 4 1 + 3 7 4 ;用于对比的普通路堤高4 .5 m ,观测断面位于D K l1 4 2 + 5 3 0 坡面温度观测点位于坡面下1 0 c m ,观测结果表明:无论是路堤阳坡还是阴坡,暖季碎石护坡面温度低于普通路堤坡面温度,起到了隔热作用;而冷季碎石护坡面温度高于普通路堤坡面温度,说明碎石护坡中发生了对流作用从碎石护坡和普通路堤中心孔的地温.深度曲线可看出,碎石护坡路堤下的地温降低幅度要大于普通路堤,地表以下2 m 范围内的地温仍在逐步降低,显示了较强的冷却作用。
路堤建成3 年后,普通路堤下的冻土上限仅在路堤中心部位抬升到路堤基底以上,而块石护坡路堤下的冻土上限己大部分进入路堤本体.同时,其地温整体上要低于普通路堤下的地温,说明块石护坡路堤起到了降低地温的作用3 .1 .1 .3U 型块/碎石层路堤由于块/碎石夹层路堤上覆土层降低了其冷却作用,所以建议增设块/碎石护坡,形成U 型结构,以提高路堤的热稳定性Z h a n ge ta 1 .对普通带道碴的路堤、碎石夹层路堤和U 型碎石层路堤等三种结构的路堤,在平均气温为.4 .0 C ,未来5 0 a 气温上升2 .6 C 的情景下的热状况进行了数值模拟.模拟的路堤总高度为5 m ,碎石直径1 0 c m ,碎石夹层厚1 .5 m ,上覆3 .5 m 砂砾层,碎石护坡宽1 .6 m .模拟结果表明:5 0 a 后,普通带道碴路堤下多年冻土上限明显下降至7 .4 m 的深度,路基不稳定;碎石夹层路堤下的冻土上己接近天然地表,但整体地温偏高,接近O ℃;而U 型碎石层路堤下的冻土上限己进入碎石夹层底部,且整体地温比碎石夹层路堤下地温低了O 2 5 “ ' 0 .3 ℃,有较高的稳定性3 .1 .2 粒径碎/块石层的降温能力的大小与碎/块石的粒径有关.喻文兵等【2 3 】在开放条件下进行了不同粒径碎/块石降温效果的模型试验,结论是平均粒径7 c m 的碎石层的降温效果优于平均粒径2 2 c m 的块石层.全晓娟等【2 4 J对封闭条件下的碎/= 臾石层的最佳粒径进行了数值试验研究,得到的结果是9 c m 粒径的碎石层的降温效果最佳.孙斌祥等进行了封闭条件下,碎石粒径对自然对流降温效应的模型试验,发现在其它条件相同的情况下,随粒径增大,自然对流降温强度亦增大.考虑多种因素后,推荐工程上使用粒径6 - 8 c m 的碎石。
青藏高原上几个实体试验工程的观测揭示:块石的降温效果要优于碎石北麓河试验段碎石( 5 .8 c r n ) 和块石( 4 0 .5 0 c m ) 护坡的宽度均为8 0 c m ,观测结果表明:暖季,碎石层下的地温低于块石层下的地温;而冷季,块石层下的地温明显低于碎石层下的地温.观测资料显示,块、碎石层下的地温仍在逐年降低,块石层下的年平均地温要低于碎石层下的年平均地温,而且温差有加大的趋势,说明块石护坡的降温能力要优于碎石护坡( 表2 ) .五道梁等试验段也观测到了同样结果3 2 9第八届中国国际现代化铁路装备技术交流会暨中国铁道学会年会表2 北麓河块、碎石护坡下不同深度年平均地温/' C深度0 .2 m0 .7 m护坡种类碎石层块石层碎石层块石层( 4 0 - 5 0 e r a )f 5 - 8 c m )( 4 0 —5 0 c m )( 5 - 8 c m )左护道2 0 0 3 笠.1 .0 1.0 .3 1.1 .0 4.O .2 62 0 0 4 笠.1 .4 4.0 .6 1 +.1 .3 6- 0 .1 9 “右护道2 0 0 3 焦.1 .9 6- 1 .2 2.1 .7 5.1 .1 32 0 0 4 正.2 .3 6一l - 3 6.2 .1 2.1 .2 3+ 2 0 0 4 年3 月1 9 日至8 月9 日资料缺失,该值为已有数据的平均值.块/碎石护坡中的热交换受风的影响极大,在多大风的青藏高原上,护坡中的空气流动以强迫对流为主.块石层中的孔隙大于碎石层,空气流通性好,受强迫对流的影响必然大于碎石层,因而地温较差也大于碎石层.又因为青藏高原冷季多强风,暖季风小,冷季风的作用明显强于暖季,所以块石层的年平均地温要低于碎石层,降温效果也明显。
3 .1 .3 厚度孙斌祥等.【2 6 】对粒径6 ~8 c m 的碎石护坡进行了数值试验,提出了用N u s s e l t 数评价降温效应和确定碎石护坡最小厚度的方法,结果表明:在其它条件相同的情况下,开放的碎石护坡的降温效果好于封闭的碎石护坡;护坡厚度越大,降温效果也越显著在青藏高原的北麓河、五道梁、开心岭和清水河设置了实体工程试验,以比较不同厚度块/碎石护坡的冷却效应.观测表明,无论是块石还是碎石护坡,厚度越大,其下的地温越低.清水河不同厚度护坡下的地温差异主要表现在冷季,而其它3 处则主要表现在暖季.出现这种差异的原因可能是:1 1清水河的护坡用的是2 0 c m 的块石,而其它3 处是1 0 c m 的碎石;2 ) 清水河试验段线路走向近W E ,主导风向N E ,阳坡为背风坡,与其它3 处不同数值试验表明,在阴、阳坡设置不同厚度的块/碎石护坡,可减少阴、阳坡融化深度的差异,防止不均匀沉降和路面纵向裂缝的产生3 .1 .4 开放和封闭系统张明义等对块径1 0 ~3 0 c m ,高1 .3 m 的。












