黃明奎,馬 璐
(重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)
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試論異常氣候事件對山區工程建設的影響
黃明奎,馬璐
(重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)
摘要:氣候異常對山區工程建設與運營已造成嚴重影響,同時也給山區工程建設與運營安全提出了新的挑戰。分析了降雨、異常溫度等異常氣候對山區工程建設與運營環境造成的影響,認為異常氣候將改變工程材料的結構與力學參數,以及工程的服役環境,而且異常氣候對工程的耐久性、受力性能等方面的影響也不可忽視。在此基礎上,從防災、減災等方面給出針對當前異常氣候背景需要進一步研究的科學問題,并指出工程建設在設計標準、結構物理力學參數、安全評估系統等應對氣候變化方面的對策和建議。
關鍵詞:異常氣候事件;工程建設;安全性
隨著《聯合國氣候變化框架公約》的制定完成和《京都協定書》的生效實施,氣候變化已成為各國共同面對的問題[1]。氣候變化使得氣溫異常波動、寒區凍融循環加劇以及極端氣候現象頻繁出現,給工程建設和工程運營帶來顯著的影響。我國山區具有相對復雜的地質結構,地質環境脆弱,工程氣候性災害頻發,已受到國家、工程技術人員的廣泛關注。氣候變化引起地球表層系統結構的調整,是工程建設災害發生的外動力因子。受氣候條件的影響,工程災害隨降雨、溫度等氣候影響因子的變化發生強弱交替的周期性變化,而且隨著近年來人類工程活動的不斷增強,在強弱交替中工程氣候性地質災害也呈不斷增強的趨勢,特別是在極端天氣氣候事件(異常降雨、異常溫度)作用下,范圍更大、危害更為嚴重的滑坡、泥石流等工程地質災害[2]會被誘發。伴隨著全球氣候變化,“持續強降雨”、“極端強降雨”、“持續干旱后降雨”、“異常溫度”等異常氣候頻繁出現,由此誘發的工程氣候性災害給山區工程建設與運營帶來了巨大的困難。如何應對異常氣候變化及其誘發的工程地質災害對山區工程建設與營運的影響,已成為我國山區工程建設與營運亟需解決的問題[3]。為了降低氣候異常及氣候性工程地質災害給工程建設與運營造成的損失,我國近年來特別是2008年南方發生極端冰雪災害以來,已投入了大量的人力、物力和財力,進行了氣候異常及氣候性工程地質災害的調查、監測、預警、防治等基礎研究。本文針對近年來異常氣候頻繁出現的問題,總結和分析了國內外異常氣候對工程建設及地質災害影響的研究成果,以此為基礎,分析了異常氣候對山區工程建設與運營的影響,并提出了應對氣候異常所應進行的研究方向,旨在為我國山區工程氣候性地質災害防災減災和工程建設與管養部門技術人員提供參考。
1氣候異常對工程建設影響的研究
氣候是一個重要的全球性因素,是決定工程建設及其病害的主要原因。極端氣候事件是指在一定時期內,某一區域或地點發生的出現頻率較低或有相當強度的對人類社會有重要影響的天氣氣候事件[4]。主要涉及異常溫度和異常降雨。極端溫度又稱驟降或驟升溫度,是極端氣候事件的一種情況,主要指強冷(或強熱)空氣的侵襲作用。這種溫度作用對于交通基礎設施的影響有別于季節性長期溫度作用,其特點是持續時間短,屬于強對流性氣候現象[5]。在山區交通基礎設施建設中,當遭遇極端溫度作用時,公路路基以及邊坡表面首先對溫度變化產生響應,而內部由于原有的保溫性而保持原有特性,進而在內外表面之間產生了明顯的溫度梯度。隨著時間的推移及熱傳導的緩慢深入,內外溫差逐漸弱化,直至路基填土或邊坡土體達到靜態熱平衡。熱傳導過程造成了公路路基或邊坡土體內外達到各自變溫極值的“時間差”,即熱傳導的“滯后性”。熱傳導的滯后效應及異常溫度驟降或驟升溫差的快速變化加大了填土結構及其力學性質變化的可能性,增加了工程建設與運營的病害概率。隨著極端氣候事件的頻繁出現,交通基礎設施氣候性災害事故在實際工程建設與運營中將出現得越來越頻繁。由此一部分科技工作者逐漸開始關注交通基礎設施在服役期內抵抗短時溫度驟變的耐久性問題。異常降雨指當某區域或某地的降雨嚴重偏離其平均值,或從統計意義上進行定義,當降雨量超過某個百分位值(目前常用的百分位有第90、95和第99個百分位),則認為這個降雨為該區域和該地的極端降雨[6]。在正常的年月,旱澇的周期性變化會對山區工程地質災害造成一定的影響;在氣候異常的情況下,由于山區公路地質環境復雜,加之工程建設等人類活動對山體的擾動,為工程災害頻發埋下了潛在的條件。據統計,當日降雨量超過某一閾值,我國山區公路沿線潛在地質災害將大規模爆發,災變率大幅提升。因此,異常降雨誘發的工程地質災害也已受到國內外的重視。
由此可見,環境氣候對工程建設的設計、施工、運營已造成不容忽視的影響。如果在山區工程設計和施工中對氣候環境異常重視不夠,而采用常規的設計和施工方法,在當前異常氣候頻繁出現的條件下,必然導致工程修筑時和使用后出現質量問題甚至災害事故,嚴重影響到施工安全和工程的正常運營,2008年我國南方的極端冰雪災害就是一個較好的例子。因此,必須正確認識氣候異常對山區工程建設的影響,改進山區工程建設的設計和施工方法[7],積極應對氣候異常所帶來的問題是當前工程界急需研究和解決的課題。
早在二十世紀九十年代初,新西蘭就開始探討了氣候變化與建筑之間的關系,并討論了極端氣候對新西蘭未來建筑性能、設計和標準產生的影響,同時提出了一些應對氣候變化的措施,但大部分的研究在本質上是定性的,且研究的氣候變化也是已經發生了的[8];2003年以來,挪威學者總結統計了其氣候特點,研究分析了建筑材料、工程結構與氣候變化間的復雜關系,確定了氣候變化對挪威建筑設計和施工的標準、規范有不可忽略的影響,指出在極端氣候頻繁出現的條件下,未來的工程建筑物的安全性可能降低[9];Meloysund等[10-11]分析了挪威現有工程對氣候異常產生變化的荷載,提出應對氣候變化而產生的異常氣候事件,應對現有營運工程加強管養維護,對未來興建工程提高工程設計安全系數,提高工程對氣候變化的應變能力。Grossio等[12]研究了氣候變化所引起的凍融循環變化對已建結構的影響,指出應對異常氣候工程建筑養護維修的對策與建議;2006年,Gibson Peters等[13]研究分析了異常氣候變化與工程結構荷載取值、工程結構設計方法之間的影響關系,指出異常氣候事件將增大結構的設計荷載,建議改用耐久性設計思想進行設計,以提高現在和未來工程結構的安全性;C H Sanders等[14]論述了氣候變化對重要工程的設計、施工、運營的重要性,論述了洪水、風、暴雨等極端氣候因子對工程結構產生的影響,給出了減少氣候因子影響的措施,同時分析了政府、行業標準、保險業、建設方面對氣候異常的響應。
在國內,隨著近年來異常氣候的頻繁出現,特別是2008年我國南方極端冰雪災害出現后,異常氣候對工程建設的影響受到了有關政府和科技技術人員等的重視,工程建設與氣候變化的研究工作陸續展開。黃朝迎[15]等系統研究了氣候異常對重大工程建設論證、設計、施工、規劃等方面的影響,指出了在重大工程建設中因未考慮氣候異常變化所帶來的嚴重后果,提出我國未來重大工程建設項目在規劃、設計方案、施工技術等過程應充分考慮氣候災害帶來的影響;王唐修等[16]指出:公路、橋梁等壽命長的基礎設施,在設計時必須將預計中的氣候變化因素加以考慮,并權衡利弊進行研究分析;楊柳等[17]研究分析了室外氣候環境與室內舒適性的關系,提出了適應氣候變化的工程設計方法;左力等[18]系統的分析了建筑與氣候變化的關系,從宏觀、中觀及微觀方面分析氣候變化對建筑等工程的影響,提出了工程設計應對氣候變化的設計方法;劉曉妮[19]則以氣溫、降水為氣候變化特征,研究分析了氣候變化與工程建設、工程建設與工程建設標準之間的相互作用關系,得出了工程建設標準應對氣候變化的適應性變化規律。
由此可見,環境氣候對山區工程的設計與施工會造成不容忽視的影響。在工程建設、施工以及運營過程中,必須引入氣候異常評價因子,構建氣候異常條件下工程安全性評價指標體系,改進山區工程的設計和施工方法,從源頭上積極應對氣候異常所帶來的工程氣候性災害問題。
近年來,世界災害性天氣氣候頻繁出現,已給各國工程建設和營運帶來了嚴重的影響。為了適應和減緩氣候變化對工程建設和營運的災害性影響,許多發達國家已開展大量的研究,提出了許多應對氣候變化的行之有效的措施和政策框架。
美國由于極端寒冷的氣候造成俄亥俄河上幾個鋼板梁橋和系桿拱橋連接處的焊縫出現裂紋,進而導致現場施工事故的發生,這引起了相關人士對極端氣候的關注,并于2002年開展了極端氣候對交通工程產生的潛在影響的研究[20];2006年加拿大滑鐵盧大學開展了路面結構設施性能與氣候變化的關系研究,得到了路面損壞的頻率、嚴重程度及持續時間與氣候變化間的關系的部分經驗指標,并應用于氣候變化對路面結構潛在影響的評估[21];2011年德國則進行了交通領域極端氣候變化適應性對策研究,提出了不同地區交通領域應對氣候變化的適應方法和適應性功能[22];Brand等[23]研究分析了氣候異常對膨脹土填土路堤的影響,認為特大干旱引起土體水分強烈蒸發流失導致嚴重收縮開裂,造成膨脹土填土路堤不均勻沉降與破壞,并指出膨脹土區域土體的收縮變形大小,除與該區域旱季干燥溫度(如氣溫、地溫)的絕對值有關外,還與旱季干燥持續時間的長短、溫差的大小有關。
在國內,目前關于氣候變化的影響主要集中在公路、鐵路橋梁、水庫大壩以及交通運輸與安全中。朱貝寶[23]介紹了饒陽河特大橋承載在極端寒冷的氣候條件下施工所應采取的技術措施;王景紅等[25]分析了氣象因素如降雨、降雪、積水對路基施工、路面施工、橋梁施工以及建成公路使用等方面的影響,指出在公路設計中,選線應盡量避開易受氣候變化誘發災害的不良地質地段,利用有針對性、及時的中長期天氣預報信息,趨利避害,合理安排好公路施工時間與工期,提高公路施工的管理效益并建立有效的氣象預警系統,及時調整施工作業程序或提前做好防范措施,降低災害性氣候對公路建設造成的影響;李云峰[26]則研究了模擬極端環境條件下的混凝土早期特性、裂縫控制以及耐久性試驗方法的關鍵技術,提出了控制混凝土環境試驗相關性能的技術性能指標,為混凝土等材料在異常氣候條件下性能的研究奠定了基礎;王元豐等[27]分析了暴雨、大風、暴雪、極值氣溫和溫度驟變等極端氣候事件對橋梁材料和結構的影響,得出極端氣候事件可增大作用的強度和頻度,改變橋梁的服役環境,影響橋梁的耐久性和動力性能,以此為基礎,從橋梁工程材料、結構和地基基礎等方面指出應對當前異常氣候變化需要進一步研究的科學問題,并指出橋梁工程在設計、施工和運營養護等應對氣候變化方面的對策和建議。王之博等[28]以全球氣候變化為背景,分析了氣候異常引發的超標洪水、冰凍、暴雨等氣候性災害對高原水庫大壩設計防洪標準、壩身安全以及壩身材料性能的影響,提出了大壩在設計、施工、運行等方面應對異常氣候的對策和建議。翟雅靜等[29]研究了各種災害性氣候對高速公路運輸與安全的影響,通過與國外交通氣象服務的對比分析,找到了我國交通氣象服務存在的不足,提出了應對災害性氣候的對策和建議;蘇志等[31]考慮氣候條件與重大工程項目的關系,結合實際工程經驗,對重大工程項目氣候可行性論證的內容和技術方法進行了分析和研究,建立了一套科學的、可行的重大工程項目氣候可行性論證的技術方法。李卓等[32]結合三軸試驗,研究分析了極端氣候條件下不同初始含水率南京附近黏土的凍融強度,得到了黏土強度特性參數凍融演化特征,總結了凍融循環凍土損傷特征;陳靜靜等[32]基于1980-2007年湖南省不同降雨與地質災害相關信息的基礎上,引入合理的判別系數分析了致災的不同降雨類型,得到了不同降雨類型地質災害的閾值。在災害評估方面,胡寶清等[33]以孕災環境、致災因子、承災體為基本評價指標,在分析地質-生態環境系統及其演變的動力學機制的基礎上,通過聚類分析,揭示了長江流域自然災害形成機制及其分布規律,利用圖文信息可視化技術,對長江流域進行了自然災害分區;薛凱喜等[34]從研究山地公路地質災害誘發因素等方面入手,開展極端降雨條件西部山地公路地質災害風險評價和區劃工作,構建了山地公路地質災害風險評價指標體系。孫蕾等[35]對沿海城市自然災害脆弱性進行研究和評價,構建了沿海城市自然災害脆弱性評價指標體系,利用AHP法對其權重進行了確定并建立了脆弱性模型;樊運曉等[36]利用模糊綜合評判對區域承災體脆弱性進行綜合分析,建立了區域承災體脆弱性模糊綜合評判模型,得出區域承災體脆弱性等級;王靜愛等[37]采用灰色預測和災害風險評估相結合對災害進行預測和評價,提出了反映城市主要致災因子的綜合自然災害強度指標,建立了相應的預測數學模型和評價模型,并編制了中國城市自然災害風險評價圖;原國家科委、國家計委、國家經貿委、自然災害綜合研究組等相關部門,從1988年起開展了全國自然災害的綜合研究,已建成全國自然災害信息系統,為全面掌握我國自然災害情況,制定綜合減災對策提供了技術支撐[38];北京師范大學對湖南省典型區域的土地利用格局進行了分析,從孕災環境、致災因子和承災體等方面分析了氣候災害的形成機制,提出了適應研究區域實際情況的防災減災對策,并建立了湖南省災害風險評估系統[39]。
鐵路、公路等基礎線性工程是山區工程建設的重要工程,也是關系一個國家或地區國計民生的生命線工程,其建設和規劃要根據當地的氣候條件來進行設計和建設。當異常天氣氣候事件發生后,能否成災主要看工程承載體及其附屬工程的抗災能力、承受能力。目前我國在常規的交通基礎設施設計、施工、處治病害(包括北方的基礎建設的抗凍害、融沉)等方面取得了可喜的成績,而且在實際工程中也有許多成功的工程實踐與經驗,以青藏鐵路、青藏公路等重要寒區工程為依托,對低溫條件下的寒區公路工程進行了系統的研究,取得了許多重要的成果,但對異常氣候帶來的全國特別是南方工程建設災害問題目前研究較少,有待于深入研究。在寒區等特殊區域,劉永智等[40]通過對現場實體工程的長期監測資料和路基破壞機理分析研究,討論了高溫多年凍土地區凍土路基的變形特征以及凍土路基變形與工程地質條件的關系,給出了寒區路基隨地溫變化而產生的變形過程;王紹令等[41]研究了不同凍土類型路段瀝青路面下熱量收支狀況及路基熱量年周轉率,找出了導致路基沉陷及產生融化核的根本原因,并開展了路基內融化核形成演化及其穩定性分析;程愛君等[42]在分析了多年凍土區鐵路路基凍害的主要類型及其形成的主要原因的基礎上,提出了多年凍土區鐵路路基病害綜合防治措施;趙林等[43]基于過去多年的研究成果,考慮氣候變化影響下青藏公路運營所面臨的凍土退化、凍害等問題,針對不同路段提出路基的初步處理措施;霍明等[44]引入模糊數學理論建立了全球氣候變暖和人類工程活動影響下的青藏公路多年凍土區病害預警系統;吳青柏等[45]利用長期以來積累的研究成果,提出了主動冷卻路基、降低多年凍土溫度的寒區筑路工程技術新的設計理念與思想,以達到降低多年凍土溫度、適應氣候變化的目的;Huang M K等[46]借助現場載荷實驗,研究分析了多年凍土區路基填土的相關力學性質,為寒區路基工程設計、施工提供新資料。從以上研究分析可知,目前國內外針對特殊氣候條件下在交通基礎設施設計、施工、處治病害等方面取得了可喜的成績,但氣候異常對工程建設的影響研究僅有一定的分散工作,還沒有系統研究總結氣候異常對山區工程建設、施工、運營以及災害等方面的影響,需要予以更多的關注和研究。
2結論與建議
氣候的異常變化給工程建設帶來了極大的影響,也給已運營工程帶來了巨大的考驗。隨著近年來異常氣候頻繁出現,在工程建設的設計、施工、運營及養護等過程中我們不能照搬常規條件下現有工程結構的設計、施工、運營和養護經驗,也不能仿照我國三北地區低溫等特殊氣候環境下的工程設計等相關經驗,必須尋求針對當前異常氣候環境下的新的設計、施工、運營和養護規則。值得關注的筆者認為主要有如下一些問題:
(1) 氣候異常條件下工程結構材料物理、力學性能的研究及相關試驗方法的制定與完善。
在氣候異常條件下,工程材料將受到不同程度的影響。與常規氣候條件相比,在異常氣候條件下,如持續的高溫或低溫、持續降雨、高低溫交替作用,交通基礎工程設施材料結構及其力學性能將有較大的變化,必然影響工程結構的安全穩定性。以路基結構為例,在山區交通工程中,作為公路、鐵路承載體路基是以土體作為填料,目前主要由人工或機械填筑,并壓實到現有規范要求的密實度,以承托線路和運輸設備動荷載的土工結構物。填土路堤的變形與穩定除受填筑土體的土質結構特性以及填筑條件影響外,還受外界氣候環境的影響。對于山區路堤土體,一般為三面臨空,極易受到降雨、蒸發和溫度等外界環境氣候因子的作用,由此形成以路面為頂、兩側路基邊坡為腰的同心梯形外界環境氣候影響的分布帶,填土天然含水率則呈現出由低到高再逐漸降低,容重、飽和度逐漸增大,孔隙比逐漸減小,抗剪強度逐漸增大等特征[47],反映出外界氣候因子對路基填土的影響規律為由表及里、由強到弱,引起路堤和兩側邊坡的變形集中在環境氣候的強影響層范圍內。另外由于路堤填土塊徑相差較大,土體在異常氣候影響下風化和崩解加大路堤結構變化造成力學性質的變化及變形的不均勻,導致路基和兩側邊坡難以保持平順,進而引起填土裂隙增加,在降雨或地表徑流滲入等氣象環境作用下,路堤土體吸水軟化,強度降低,同時水充填裂隙產生的靜、動水壓力,進一步加大路堤填土裂隙擴展而導致路堤和邊坡失穩破壞[48]。因此開展異常氣候條件下工程材料內部結構、物理、力學性能的研究分析對研究分析工程結構的安全與穩定至關重要。
(2) 氣候異常條件下工程建設的安全性評估系統。
工程結構安全性評估是對工程結構系統承載能力或強度所存在的潛在危險進行定性或定量分析,判斷結構發生危險的可能性及其程度,以確定結構的安全狀況。而安全性指標評估體系則是評估的重要基礎,異常氣候不僅對工程結構材料內在結構、物理、力學性能影響較大,而且對工程結構的受力狀態和變形產生重要影響,而現有的工程建設安全性評估指標或方法是基于常規氣候條件下獲得的,已不能反映異常氣候條件下工程結構內在的承載狀況,其評價結果的適用性有待于進一步商榷。因此,開展異常氣候條件下工程結構的安全性評估,對異常氣候誘發的工程災害進行風險評價具有重要的現實意義。
(3) 工程建設標準的研究與制訂。
工程建設標準(如規范或規程)作為工程建設的技術依據,是規范和引導工程建設及其結果的規范性文件,也必然受到異常氣候變化的影響。常規的相關工程建設設計、施工、養護規范(或規程)雖在工程建設設計、施工和養護過程中發揮了重要作用,但當前大量的交通基礎設施建設針對異常災害性氣候的危害程度估計不足,災害風險意識和防災減災能力不夠,在近年來異常氣候條件下已造成了較為嚴重的問題,受到廣泛關注。而當前針對異常氣候條件的工程建設相關標準和規范尚未面世,已不能滿足氣候異常對工程建設帶來的氣候性災害影響。以溫度對路基影響為例,在正常年份,受到環境溫度周期性變化的作用,在大氣風化營力作用深度范圍內,溫度對路基的影響自地表向下逐漸減弱,而在溫度異常時,溫度的影響深度往往超過了原來的設計標準,改變影響深度范圍內材料的內在結構和物理力學性質,給路基、路塹邊坡的穩定性帶來極大的影響,導致嚴重的工程問題或事故。因此,急需研究目前氣候變化的現狀和發展趨勢,分析總結異常氣候對工程建設與運營的影響,正確評判氣候異常條件下山區工程材料、結構的穩定性與危險等級,制定或建立能滿足氣候異常變化的工程建設標準,為未來應對氣候變化發展的工程建設提供技術支撐。
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Influences of Unusual Climate Events on Mountain Project Construction
Huang Mingkui and Ma Lu
(CollegeofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)
Abstract:Unusual climate events have induced severe influences on mountain project construction and operation, and also constitute new challenges to security of mountain project construction and operation. The effects of rainfall, unusual temperatures on environments of mountain project construction and operation are analyzed, and it is concluded that none of these unusual climate events should be ignored in durability and bearing properties because the unusual climate events should change the structure and mechanical parameters of engineering materials, and also change the active environment mountain engineering. Based on the above analysis, to deal with the unusual climate events, the further research scientific problems are put forward from the disaster prevention and mitigation, and countermeasures are proposed for design standards, mechanical parameters, safety evaluation system mountain project construction and operation.
Key words:unusual climate events; project construction; security
作者簡介:黃明奎(1975-),男,四川隆昌人,博士(后),教授,主要從事隧道及巖土工程方面的教學研究工作. E-mail: hmksmile@163.com
基金項目:重慶市教委 資助(2019501129)
收稿日期:2015-08-03修回日期:2015-09-12
中圖分類號:X43
文獻標志碼:A
文章編號:1000-811X(2016)01-0017-05
doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.004