河谷地区多年冻土区层下液态水的原因


VIP专享文档是百度文库认证用户/机構上传的专业性文档文库VIP用户或购买VIP专享文档下载特权礼包的其他会员用户可用VIP专享文档下载特权免费下载VIP专享文档。只要带有以下“VIP專享文档”标识的文档便是该类文档

VIP免费文档是特定的一类共享文档,会员用户可以免费随意获取非会员用户需要消耗下载券/积分获取。只要带有以下“VIP免费文档”标识的文档便是该类文档

VIP专享8折文档是特定的一类付费文档,会员用户可以通过设定价的8折获取非会員用户需要原价获取。只要带有以下“VIP专享8折优惠”标识的文档便是该类文档

付费文档是百度文库认证用户/机构上传的专业性文档,需偠文库用户支付人民币获取具体价格由上传人自由设定。只要带有以下“付费文档”标识的文档便是该类文档

共享文档是百度文库用戶免费上传的可与其他用户免费共享的文档,具体共享方式由上传人自由设定只要带有以下“共享文档”标识的文档便是该类文档。

还剩4页未读 继续阅读
}
技术研发知识服务融合发展

中哋数媒(北京)科技文化有限责任公司奉行创新高效、以人为本的企业文化,坚持内容融合技术创新驱动发展的经营方针,以高端培训、技术研发和知识服务为发展方向旨在完成出版转型、媒体融合的重要使命

冻结层上水发育在多年冻土区层上部的季节融化带中。暖季季节融化带形成过程中,带内固态水转变为液态水重力水向下运移,受未解冻的冻土区层阻隔在冻土区上限上方聚集起来,成为冻結层上水多数情况下属于潜水;冷季,因冻结冻结层上水重新转变为固态水。冻结层上水的出现具有明显的季节性暖季出现,冷季消失并且多形成于富含冰冻土区分布区,与冻土区类型有关

在汇水条件好的冰水洪积扇前缘、地形低洼的冰蚀洼地、雪粒盆以及沟谷Φ,富含冰冻土区发育这些地区成为冻结层上水的主要分布区。冻结层上水空间分布受水文地质条件、地形和冻土区类型等因素控制

凍结层上水构成多年冻土区区主要的潜水含水层,接受大气降水补给沿冻土区上限构成的倾斜面由高处向低处流动,或是在由冻土区上限面围成的盆地中汇聚储存;或是以泉的形式出露地表形成泉、沼泽、溪流,最终汇聚到河流、湖泊之中在冻结层上水大片出露的地方,水位埋深较浅往往形成沼泽,其上发育着以藏嵩草、矮嵩草和苔草为主要建群种的高寒沼泽草甸植被覆盖度很高,常构成高原的優质牧场冻结层上水空间分布及水位变化直接影响着包气带中含水量的分布和高原寒区植被类型的分布和演替,同时也会使冻土区类型發生变化冻结层上水引起的水环境变化直接影响着生态环境,并对水源的涵养功能产生影响

孔隙介质中的冻结层上水含水层一般较薄,厚度为0.1~1.5m一般在冷季到来前(9月底至10月),含水层厚度最大冻结层上水的单泉水流量较小,一般为0.1~1.0L/s最大也只有5L/s。而在山区的裂隙介质中的冻结层上水的泉水流量变化较大小的仅有0.01L/s,在巴颜喀拉山主峰地区有的泉群流量可达10L/s以上

冻结层上水的水化学类型因地而異。在地下水径流条件好的地区如昆仑山、唐古拉山山区、河谷地带以及冰水洪积扇,水的矿化度较低一般小于0.5 g/L,水化学类型以HCO3 -Ca(Ca·Mg)型为主个别受冻结层下水补给地段出现HCO3 -SO4 型水;在地下水径流较为迟缓的地区,如长江源的高平原的湖积层以及黄河源区的黄河谷地Φ,Cl-和增加以Cl-HCO3 -SO4 型、HCO3 -Cl型水为主,矿化度为1~5 g/L有的甚至更高。

冻结层间水是被多年冻土区层包围或半包围的常年处于液态的地下水这种類型水的存在可能与某些水具有很低的冻结温度有关。仅见于黄河源区的玛多县城和邻近的花石峡青海省第二水文队1992年在玛多县城进行沝文地质勘探时发现有冻结层间水存在,如1号孔有两层多年冻土区层第一层位于7.70~12.3m,第二层位于20.8~61.2m两层之间有8.5m厚的未冻结的含水层。茬花石峡邮局附近民井中也有冻结层间水存在

冻结层间水得不到大气降水的直接补给,补给条件差一般水量较小。玛多县城冻结层間水的水化学类型为HCO3 ·Cl-Mg· Na型,矿化度为0.5~1g/L花石峡地区,冻结层间水的水化学类型为HCO3 -Ca·Mg型矿化度为0.5~1g/L?。

位于多年冻土区下限以下的地丅水称为冻结层下水冻结层下水是具有正温的液态水,水温随深度增加而增高在山区和山前地带,冻结层下水水位与冻土区下限之间存在包气带多为潜水,而在断陷盆地内冻结层下水则多为承压水冻结层下水的水质好坏、水量大小,与补给、径流条件和其赋存状况囿关

例如,长江源区的楚玛尔河断陷盆地、北麓河断陷盆地、沱沱河等断陷盆地主要由上更新统和更新统的湖相泥岩和泥灰岩组成,其中夹有薄层石膏冻结层下水为承压水,水头随深度增加而增高在沱沱河断陷盆地的山前地带,由于补给、径流条件较好含水层为鈣质砂岩,单井涌水为998m3/d矿化度0.71g/L,属 HCO3 ·SO4 ·Cl-Na·Ca型水;在盆地中心由于补给、径流滞缓,水质变差矿化度增至99.1 g/L,水化学类型转变为Cl-Na型在黃河源区的山间断陷盆地,位于河流融区附近的山前冰水洪积扇及大型淡水湖泊附近的冻结层下水为潜水由于补给和径流条件较好,水量丰富单井涌水大于5000m3/d,矿化度小于0.5g/L为HCO3 -Ca型水。在阿涌哇玛错和阿涌贡玛错(星星海)断陷盆地中冻结层下水为承压水,赋存在中更新統湖相砂、泥岩中单井涌水为727.8m3/d,属 Cl-Mg·Na型水矿化度4.05g/L,是湖水矿化度的10倍?

融区水是赋存在各种类型融区内的地下水,终年为液态水主要分布在构造-地热融区、构造-地下水融区、地表水融区和渗透-辐射融区,呈带状或片状分布在多年冻土区区内

青藏高原属构造活动带,深大断裂、活动断裂密布地下热水沿断裂带上升至地表形成温泉、热泉,在泉口和断裂带形成较大范围融化区泉水温度高、地温增溫梯度大,是构造-地热融区的主要特征如布曲河谷地局部地温增温梯度达9~33℃/100m,羊八井附近地温最高浅部温度达到130~160℃。布曲河融区昰青藏公路沿线分布面积最大的融区沿岸的河床、漫滩及一级阶地均为贯穿融区。

青藏公路沿线主要有4条规模较大的构造-地热融区均昰深层热水沿构造断裂上升形成的地热异常区,主要位于青藏公路里程K3288至K3310(103~104道班)之间、布曲河谷地内(90道班)南、唐古拉山主脊两侧公路里程K3400至K3402(115~116道班)之间以及公路里程K3392至K3394 之间等地段

是受沿断裂构造活动的地下水影响所形成的融区,形成机制与构造-地热融区并无夲质的区别不同之处在于,地下水的温度较低融e799bee5baa6e59b9ee7ad6234区范围较小,稳定性较差青藏公路沿线的不冻泉北(公路里程K2915)、二道沟(公路里程K3092)和85道班(公路里程K3112)等地均有此类融区存在,与断裂构造有密切关系沿断裂带呈宽窄不一的或断续的带状分布。

黄河源区的玛多-花石峡一带1940年以来,发生大小地震十余次新构造活动强烈,活动断裂较多构造融区水沿活动断裂分布,融区宽度700~1200m地下水沿断层两側以上升泉的形式出露,呈线状排列泉水终年不冻,水温最高达28℃单泉流量0.1~4L/s,最大可达536L/s水化学类型以HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型为主,矿化度小于0.5g/L

地表水体热侵蚀作用是造成此类融区的直接原因,可分为河流融区和湖泊融区两类

由于流动水体产生的热量传递作用,凡是流量较大嘚长年性河流底部和两侧都会形成贯穿性融区如长江源区的沱沱河、通天河、布曲河、捷布曲河等河谷地带的融区都属于贯穿融区。融區沿河床、河漫滩及阶地呈带状分布发育宽度与河流流量与河床结构有关,各地不同一般为数百米至数千米。河流流量较小的楚玛尔河、北麓河和扎加藏布河等由于河水携带的热量有限,影响范围和影响深度较小属非贯穿融区。

黄河源区河流融区沿较大的常年性河流分布(如黄河、多曲、邹玛曲等),在额鄂湖、扎陵湖以上地区融区宽度一般为500~1000 m。玛多以下黄河的融区宽度为700~3400 m含水层为全新統冲积、湖积、冲洪积相砂砾石及粉细砂层。含水层厚10~30 m水位埋深浅,一般为1~4m融区潜水与地表水有良好的水力联系,是冻结层上水融水的汇集区水量丰富,单井涌水量一般大于1000m3/d矿化度一般小于0.5g/L,多属于HCO3 -Ca·Mg型和HCO3 -Ca型水

分布在湖泊周围及湖泊底部。融区的大小受湖泊水量的大小、湖深、湖水温度控制,以及湖底是否与断裂相通复合等大的湖泊融区,影响范围较大而小湖泊仅局限于水域之内。额鄂湖、扎陵湖沿岸融区水环湖呈环带状分布,融区宽度为400~2000 m在两湖间,融区含水层总厚度达30.70 m单井涌水量为916 m3/d。在鄂陵湖北岸一带有融区承压水分布,含水层由中上更新统湖积亚粘土及冰积泥质砂卵石组成厚度为10~30m,受冻结层下水补给水量丰富,单井涌水量为1000~5000m3/d礦化度为0.5~1g/L,属HCO·Cl—Na·Ca型水

这类融区是在地表吸收较强太阳辐射和大气降水的入渗综合作用下形成的。渗透-辐射融区大都出现在地温較高(-1℃以上)的开阔阶地或平缓的分水岭地带,冻土区多为热容量较低的干燥冻土区属不稳定性多年冻土区,包气带岩性为砂砾石层地表裸露,具有很好的热交换条件有利于暖季降水入渗。降水入渗过程中将地表的太阳辐射热携带至地下,使季节融化层不断加大最终,将多年冻土区层贯穿形成融区。在全球性气候变暖的条件下此类融区有逐渐扩大的趋势。

总的来说河流融区是汇集冻结层仩水、冻结层下水的主要通道,并与构造融区和湖泊融区相连构成区域地下水常年性运移的网络通道,是多年冻土区分布区地下水系统嘚主要组成部分冬季,青藏高原千里冰封融区地下水系统的排泄量维系着江河源区河流的基流量,若融区地下水系统储存量不足将會导致地表径流断流。例如冬季,黄河源区段(黄河沿)的径流主要靠额陵湖环湖融区调节水量维系,由于环湖融区地下水储存空间囿限单位水位储水量仅为0.167×108m3,调节能力低遇到气候周期性干旱年份,调节量不足以维持整个冬季的径流时就会出现断流。1960、1979、1997年在瑪多县黄河沿水文站发生过三次断流均是因额陵湖环湖融区储存水量不足而引发(万力等,2003)

下载百度知道APP,抢鲜体验

使用百度知道APP立即抢鲜体验。你的手机镜头里或许有别人想知道的答案

}

原标题:中国怎样破解青藏铁路高原冻土区这一世界性难题

为解决融沉冻胀等对铁路路基造成的形变就要依靠材料或结构增大热阻,减少热量冷却冻土区层,保持冻汢区地基的稳定

青藏高原海拔高,纬度低高山险滩,地形险要分布着大面积的高原冻土区,植被稀少环境脆弱,成为地球上几乎鈈可逾越的第三极历史上青藏高原因为交通落后,严重制约了当地经济的发展所以将铁路修到青藏高原上,是中国延续了百余年的宏願经过几代人半个多世纪的努力,青藏铁路终于在2006年建成通车

在青藏高原上修建铁路极为困难,除了恶劣的气候和脆弱的环境最难解决的技术难题就是高原多年冻土区。冻土区指的是土体温度低于0℃且含有冰的特殊岩土体可分为短时冻土区、季节冻土区以及多年冻汢区。

冻胀和融沉是路基病害的主要原因

普通土壤的性质主要由其颗粒的矿物成分、密度和含水量决定这些因素一旦确定,土的基本性質就基本稳定土的性质多表现为静态特性。而冻土区的物理性质和工程性质则和普通土质有所不同

众所周知,水的密度比冰要大自嘫而然的,水在凝结成冰的过程中体积会增大。所以在寒冷的冬季,冻土区会像冰一样冻结随着温度的降低,体积发生膨胀建在仩面的路基和钢轨就会被膨胀的冻土区顶起,这种现象被称为冻胀

而反过来,到了夏季温度升高,冻土区融化体积缩小路基和钢轨叒会随之凹陷,这是热融沉陷在冻土区的冻结和融化反复交替作用下,路基就会出现翻浆、冒泥、沉降变形现象使得钢轨扭曲变形,變得高低起伏会给路基造成严重破坏,给铁路行车带来严重威胁

以青藏公路为例,85%的路基病害是融沉造成的;15%为冻胀和翻浆所致;桥梁和涵洞的病害主要由冻胀引起;在高温冻土区区的路堤上由于阴、阳坡下的融沉不同,因而在向阳面的公路左侧产生纵向裂缝……

所鉯在高原冻土区区修建铁路,如果不能解决冻土区融塌、沉降以及膨胀变形等难题修建铁路只是空谈。

“破解”过程长达半个世纪

青藏铁路自昆仑山北坡西大滩至唐古拉山南麓的安多河谷通过多年冻土区区约550公里,分布面积约2.45万平方公里海拔大部分在4400m以上,属中纬喥多年冻土区具有地温高、厚度薄等特点,其复杂性和独特性举世无双

如果让青藏铁路的路基稳定,就必须保持冻土区的热稳定性洏冻土区的热稳定性有一个温度阈值(临界值),超过这个温度冻土区就会融化。因此解决冻土区热稳定性的最好办法就是给路基降溫保温,将温度保持在融化温度阈值之下

冻土区工程问题一直是一项世界性难题,为解决青藏铁路建设的冻土区工程问题自1960年开始,鐵道第一勘察设计院、中铁西北科学研究院、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所等单位就着手在以风火山地区为中心的高原多年冻土區区开展长期、不间断地对冻土区区气象、地温、太阳辐射等项目的观测研究,并进行了冻土区热学、力学性质试验积累了长达40余年嘚不可替代的基础数据资料,为青藏铁路建设实践提供经验

经过近半个世纪艰辛探索,中国的冻土区专家们终于找到了解决高原多年冻汢区筑路问题的办法

守护天路的“被动措施”

给路基保温有两个办法,一个是主动措施一个是被动措施。主动措施是指能够主动冷却哋基多年冻土区的技术被动措施是依靠材料或结构增大热阻,减少传入多年冻土区热量的技术

被动措施的原理就是充分利用热能的辐射、对流和传导等热传导的三种方式,具体而言分为以下几种:选择合理的路基高度、路基铺设隔热层、片石路基结构、热棒路基结构、通风管路基结构、遮阳棚以及以桥代路等多种模式

普通热棒如何给路基降温?

在上述措施里面热棒路基结构无疑是最令人瞩目的一种。想想看将一排排钢棒斜插在铁路路基两侧,无论春夏秋冬都能让路基下面的永久冻土区层在火车重压之下保持冷冻状态,是不是非瑺神奇

那么,看起来很普通的热棒是如何给路基降温的呢

其实采用热棒降温并非新技术,在国外早有应用先例在1974年美国阿拉斯加输油管道基础中就采用了112000根热棒,前苏联在公路和水库的建设中也采用热棒保温而热棒在铁路中的首次应用是在1987年,在加拿大哈德逊湾的哆年冻土区铁路上有4公里的路基通过热棒来保持冻土区稳定。

中国研发并尝试应用热棒技术是在1980年代时间并不算晚,而全世界首次大規模应用热棒技术则是在青藏铁路上面

液态气态的不断转换,带走路基热量

热棒也叫无芯重力热管和两相封闭式虹吸管通过这两个名芓,我们也能一窥端倪也就是说,热棒通过重力和气液两相的互相转变的物理原理来为路基降温

热棒是一根密封的管子,里面填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质管子的上段是冷凝器,下端为蒸发器中间为绝热段,通俗讲就是“吸热段、绝热段和散热段”三蔀分当热桩下端吸收热量后,液态物质会转化为气态然后上升至冷凝器,热量通过冷凝器发散气态物质再液化为液态,在重力的作鼡下流回热桩下端

热棒里的物质在气态和液态之间不断进行转换,依靠热棒的单向导热性和高效的传热和散热效率从而源源不断带走蕗基的热量,保持路基的稳定

热棒的长度短则几米,长则几十米直径从几厘米到几十厘米,一般斜插着埋入路基两侧吸热段和绝热段埋入地面以下约5米,散热段露出地面约2米其中最关键的吸热段则深入到永久冻土区最大融化深度之下。

在寒冷的冬季空气的温度低於冻土区层的温度,热量就会源源不断被吸走到了暖季,情况正好相反外面空气的温度大于冻土区层的温度,气态物质无法散热进行冷凝吸热段的液体物质停止蒸发,管内达到气液两相平衡热棒停止工作,使得外界的热空气无法反向进入路基冻土区层从而起到了保温作用。

其余的路基降温技术也充分体现了科技人员的智慧。

选择合适的路基高度这等于是给路基基底的冻土区层覆盖一层保温层,防止太阳辐射和季节气候变化对多年冻土区层带来的影响

铺设隔热层的路基结构,是指在路基的底部或路基表面以下某一深度铺设具囿单向导热能力的隔热层增大热阻,以减小大气和人为热源的热量进入到冻土区层内防止多年冻土区地下冰融化。一般采用聚苯乙烯板或聚胺脂板作为隔热保温层

片石通风路基,就是向路堤覆盖碎石块千万别小看了这些碎石,它们能起到热调节作用在暖季,由于熱空气密度较小因此热量很难进入路基基地,而碎石头之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量可以起到热屏蔽作用;在寒季,甴于冷空气密度较大在自重和风的作用下将片石层中的热空气挤走,冷空气更容易进入路基基底因而能对冻土区层起到保护作用。

清沝河大桥段的片石通风路基

通风管路基是在路基底部以上一定高度横向铺设一定孔径的通风管与路堤填筑材料组成复合式通风路堤。在通风管的一端安装了自动温控风门当温度较高时,风门会自动关闭温度较低时,风门自动打开这样可以避免夏季热量进入通风管,能够主动对路基进行保温

遮阳棚措施是在路基上部或边坡设置遮阳棚,可有效减少太阳辐射对路基的影响减少传入冻土区地基的热量。而桥梁的基础可以深入冻土区层30米之下通过冻土区层与基础的摩擦力就能保证桥梁的稳定性。

保持青藏铁路的冻土区路基的稳定性和耐久性是青藏高原天路上面采用的多项“黑技术”,这些技术凝结着中国多位冻土区专家几十年的智慧和心血

}

我要回帖

更多关于 冻土区 的文章

更多推荐

版权声明:文章内容来源于网络,版权归原作者所有,如有侵权请点击这里与我们联系,我们将及时删除。

点击添加站长微信