氣候變暖對凍土區(qū)路基溫度場的影響分析

黑龍江 王國博 孟維軍

引言

我國多年凍土面積為2.15×106km2，占國土面積的22.4%，是世界上第三大凍土國，主要分布在東北大、小興安嶺和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原[1]。在廣袤的多年凍土區(qū)蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源、草原、森林和水資源等，隨著這些資源的開發(fā)及寒區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，修筑了一系列大型工程。目前的全球氣候變暖勢必影響這些工程的建設(shè)和運營。本文主要在考慮氣候變暖的條件下，根據(jù)相變瞬態(tài)溫度場的熱量平衡微分方程，用有限元軟件對路基修筑后50年內(nèi)的溫度場進行了模擬計算分析。

1 計算模型

1.1 控制方程[2]

在土體凍結(jié)、融化過程中，考慮土體骨架和介質(zhì)水的熱傳導(dǎo)及冰、水相變作用，且認為未凍水含量是溫度的函數(shù)，忽略融、凍過程中的對流作用、質(zhì)量遷移、水熱蒸發(fā)作用，則土體中溫度T（x，y，t）應(yīng)滿足以下熱傳導(dǎo)微分方程：

在凍區(qū)Ωf內(nèi)：

在融區(qū)Ωu內(nèi)：

式中：f、u分別表示凍、融狀態(tài)；Cf、Tf、λf分別表示凍區(qū) Ωf范圍內(nèi)的體積比熱、溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。帶下腳標“u”為融區(qū)Ωu范圍內(nèi)土體相應(yīng)的物理量。

設(shè)相變是發(fā)生在Tm附近的（Tm±△T）溫度范圍內(nèi)。在構(gòu)造等價熱容時還必須計入△T的影響，通過構(gòu)造熱容表達式和導(dǎo)熱系數(shù)表達式可得：

1.2 模型邊界條件及參數(shù)的選取

計算中取路基的高度為5m，路基坡度為1：1.5，路基頂面寬度為7m，路基填土為砂礫土、天然地表以下3m范圍內(nèi)為碎石亞粘土、3m以下為弱風(fēng)化基巖。模型下邊界為地表以下15m，左右邊界為路基坡腳向兩側(cè)延伸20m。土體熱參數(shù)見表2.1。

2.1土體熱參數(shù)表

2 計算結(jié)果分析

圖1 不考慮氣候變暖50年后溫度等值線圖

圖2 考慮氣候變暖50年后溫度等值線圖

通過圖1和圖2的可知，考慮氣溫氣候變暖與不考慮氣候變暖50年后路基溫度場存在明顯差異，在考慮50年后氣溫升高2.5℃的情況下，小于-0.5℃的范圍有所增大，-2℃的位置比不考慮氣溫影響的情況下降了20cm。

3 結(jié)論

全球氣候變暖對多年凍土區(qū)的溫度場是有明顯影響的，多年凍土地區(qū)的工程設(shè)施建設(shè)，應(yīng)考慮氣候環(huán)境的變化。

[1]周幼吾,郭東信，等.中國凍土[M].北京:科學(xué)出版社,2000:1-45.

[2]Lai Y M.Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature and seepage fields in cold-region tunnels[J].Cold Regions Science and Technology,1999,29(1):89-96.