遮陽網在多年凍土區邊仰坡防護中的應用研究

陸 蒙

(1．同濟大學，上海 200092;2．同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

多年凍土隧道洞口段邊坡易受氣象、日照等因素影響，對凍土邊坡的熱融防治是多年凍土隧道洞口段施工的難點之一。康德拉特耶夫(1996)提出了在覆冰多年凍土上采用遮陽棚的優越性［1］。馮文杰等(2006)針對遮陽棚對公路鐵路沿線路基底下多年凍土的保護作用以及對多年凍土上限的抬升效果進行了對比分析［2］。俞祁浩等(2007)對青藏公路遮陽板試驗段進行觀測，證明遮陽板可以降低整個坡面年平均溫度約3．2℃［3］。姜路嶺隧道所在地區太陽輻射強，選用合理的遮陽措施對于隧道洞口段的順利施工具有十分重要的意義。由于高原地區風速較大，遮陽棚、遮陽板長期處于這種環境下易發生破壞，且遮陽板的抗老化抗腐蝕能力較差，在風的作用下，破損速度更快［2-4］。依托工程決定放棄采用遮陽棚、遮陽板，并首次將遮陽網應用于多年凍土隧道邊坡工程的防護中。針對這一新型遮陽措施，分析了其工作原理以及在多年凍土區應用的獨特優點，又通過數值計算，結合太陽輻射值與邊坡地溫的現場監測，分析了遮陽網的實際作用。

1 遮陽網的優點及施工

姜路嶺隧道設計為雙洞四車道，洞口開挖后邊坡坡頂跨度較大(超過40 m)，大跨度遮陽棚需要做特殊設計，并要解決受力、安全性能等許多技術難題，且一般鋼結構造價極高。

為了能盡快解決邊仰坡熱融坍塌問題，趕在寒季來臨之前進洞施工，依托工程決定放棄采用遮陽棚，提出采用在洞口搭設簡易雙層遮陽網的施工新技術。相比遮陽棚，遮陽網有著取材方便、造價低、施工便利、受風力小、安全性能好的優點。姜路嶺邊仰坡遮陽網施工，坡面用草袋裝粗顆粒土覆蓋后，鋪設第一層遮陽網，隨后，用φ22的鋼管架1 m～1．5 m高支撐第二層遮陽網。

2 遮陽網的降溫效果分析

以姜路嶺進口邊坡為例，進行數值模擬，對比現場監測結果，得到遮陽網對多年凍土邊坡的降溫效果和對多年凍土上限的抬升程度。

2．1 計算模型

模型采用二維實體單元Plane55劃分網格，外界因素對圍巖的溫度場影響范圍不超過10 m，為減小模型邊界效應對結果的影響，計算范圍取寬度55 m，高度30 m，坡角按姜路嶺進口邊坡實際情況取15°，見圖1。根據現場監測數據，模型初始溫度取－0．7℃，并在模型底部加載恒定溫度荷載T0=－0．7℃，模型上邊界為與外界溫度的對流換熱邊界。

2．2 太陽輻射效應

外界對洞口段凍土邊坡的溫度場影響主要為大氣對流換熱和太陽輻射熱兩者影響。可將兩個不同的因素綜合為一個因素，作為熱分析的邊界條件［5］，即將太陽輻射引起的熱量轉換為等效的氣溫增量，具體方法如下:

1)年平均輻射熱等效為年平均溫度提升，可以按式(1)進行轉換:

其中，H'為邊坡表面接受的年平均輻射熱;α為表面太陽輻射吸收系數;h為表面對流交換系數，按式(2)進行計算:

其中，v為風速。

圖1 計算模型

2)年變化輻射熱等效為年氣溫變幅增加，可以按式(3)進行轉換:

其中，A'為太陽輻射熱的年變幅。

根據常用太陽輻射模型［6，7］，計算隧址地區每月太陽輻射值，見表1。根據地質勘查資料，姜路嶺隧道進口植被發育，取吸收系數α=0．7，年平均風速v取8 m/s。代入式(1)，計算每月月底的斜坡日總輻射計算值及等效氣溫增量見表1。又根據姜路嶺隧道設計氣象資料，洞外氣溫曲線表達式為:

表1 太陽輻射值計算 kJ/(m2·h)

結合表1，得到考慮太陽輻射后的等效外界溫度函數表達式:

且在施作遮陽網后，取不同遮陽率時的等效外界溫度函數表達式，見表2。

2．3 太陽輻射對邊坡地溫的影響分析

分別按式(2)，式(3)加載外界溫度函數，計算得到考慮太陽輻射和不考慮太陽輻射時分別繪制各洞口段在有無太陽輻射時，最冷月和最熱月地溫曲線，見圖2;圖3是兩種情況下的邊坡凍融曲線圖。可以看出，不考慮太陽輻射時，地層整體溫度明顯下降。夏季，發現地表溫差大，地層中溫差較小，地表溫差為4．8℃左右，表明短期內太陽輻射熱對邊坡的影響最大，隨著深度增加影響減小;冬季，地表溫差小，地層中溫差較大，地表溫差在2．1℃左右，表明太陽輻射熱對地層溫度場的影響在冬季減弱，使得冬季地表溫度更加接近，地層中溫度由于暖季受太陽輻射熱影響儲蓄了較高的熱能因而降溫緩慢。

表2 不同遮陽率下的等效外界氣溫表達式

圖2 不同時間地層溫度曲線對比圖

圖3 地層凍融曲線對比

不考慮太陽輻射時，最大融深月份在7月與8月之間，為0．58 m，地層中存在融土的時間約占全年的1/4～1/3;在太陽輻射的影響下，邊坡則更早的開始熱融，并更晚的回凍，最大融深時間出現的更晚，一般在8月和9月之間，且最大熱融深度增大為1．60 m，地層中存在融土的時間約占全年的1/2。

2．4 遮陽網的作用分析

姜路嶺隧道進口于8月份開挖施工，于9月份在邊坡鋪設遮陽網。由于從地表至多年凍土上限的活動層，其溫度場受天氣和太陽輻射值(日變化)等短周期因素影響，因此，讀數時間和當時天氣對監測結果影響很大，使得與計算值存在差異，尤其是地表溫度相差較大。而多年凍土上限附近及年變化深度以下的多年凍土層，其溫度場僅受地表長周期(氣溫多年波動)溫度變化的影響，實測值較有參考價值，因此將姜路嶺進口邊坡鋪設遮陽網后的融深與計算融深進行對比，分析遮陽網的實際效用。

在姜路嶺洞口段鋪設遮陽網的邊坡地溫觀測孔位于試驗段遮陽網的中心，受遮陽網的影響最大，圖4為現場監測融深與不同遮陽率下的計算融深對比。可見，遮陽網的實際遮陽率達到了0．6～0．7，隨著遮陽網鋪設完工后一年，遮陽網的遮陽作用和對邊坡的降溫效果已經非常明顯，從測得融深對比可以發現鋪設后第一年邊坡凍土上限抬升了80 cm。

圖4 計算融深與監測融深的對比

2．5 遮陽網降溫效果預測

繼續計算鋪設遮陽網5年內的邊坡地溫(見圖5)。在鋪設遮陽網后第2年，凍土上限相比鋪設第1年又提升了15 cm;在鋪設遮陽網后第3年，凍土上限相比第2年提升了5 cm;鋪設遮陽網后第4年，第5年，邊坡凍土上限均為60 cm。因此，遮陽網的遮陽效果見效快，能在其鋪設第一年內迅速提升凍土上限，是一種十分有效的凍土邊坡防護措施，隨著年限的增長，遮陽網對凍土上限的提升有較小幅度的增長。

圖5 邊坡地溫等溫線

3 結語

1)在多年凍土隧道建設中，遮陽網首次被應用于多年凍土邊坡防護中，相比遮陽棚、遮陽板等遮陽措施，遮陽網有著良好的抗風性和耐久性，更加適應高原氣候。

2)在太陽輻射的作用下地層溫度整體上升明顯，且越接近地表，溫度上升幅度越大，太陽輻射在夏季對邊坡升溫作用明顯，而在冬季作用減弱。姜路嶺進口邊坡不考慮太陽輻射時，最大融深為0．58 m;在太陽輻射的影響下，最大熱融深度增大為1．60 m。

3)從數值模擬結果來看，鋪設遮陽網后等于減少了太陽輻射對邊坡溫度場的影響，能夠明顯抬升多年凍土上限，降低土體的溫度，對保護多年凍土起到積極作用。結合現場對邊坡融深的監測，得出遮陽網的實際遮陽率達到了0．6～0．7。

4)遮陽網對多年凍土邊坡的防護作用見效快，在第一年內迅速提升凍土上限，隨后幾年，遮陽網對凍土上限的提升有較小幅度的增長。

［1］ Kondratiev V G．Strengthening railroad bass constructed on icy permafrost soil．Proc．of EighthInt．Conf．on Cold Regions Engineering，1996．

［2］ 馮文杰，馬 巍．青藏鐵路遮陽板措施應用效果觀測研究［J］．冰川凍土，2006，28(1):108-115．

［3］ 俞祁浩，潘喜才，程國棟，等．多年凍土區路基邊坡遮陽板降溫過程試驗研究［J］．冰川凍土，2007，29(1):299-305．

［4］ 馮文杰，馬 巍，張魯新，等．遮陽棚在寒區道路工程中的應用研究［J］．Chinse Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(5):567-570．

［5］ Lunardini，V．J．Climatic warming and degradation of warn permafrost［J］．Permafrostand Periglacial Processes，1996(7):311-320．

［6］ John A Duffie，William A Beckman．Solar Engineering of Thermal Processes［M］．John Wiley ＆ Sons，Inc，1980:62-98．

［7］ 邱國全，夏艷君，楊鴻毅．晴天太陽輻射模型的優化計算［J］．太陽能學報，2001，22(4):456-460．