氣候變暖對凍土區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蘊藏著豐富的礦產資源、草原、森林和水資源等，隨著這些資源的開發及寒區經濟的發展，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和運營。本文主要在考慮氣候變暖的條件下，根據相變瞬態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、融化過程中，考慮土體骨架和介質水的熱傳導及冰、水相變作用，且認為未凍水含量是溫度的函數，忽略融、凍過程中的對流作用、質量遷移、水熱蒸發作用，則土體中溫度T（x，y，t）應滿足以下熱傳導微分方程：

在凍區Ωf內：

在融區Ωu內：

式中：f、u分別表示凍、融狀態；Cf、Tf、λf分別表示凍區 Ωf范圍內的體積比熱、溫度和導熱系數。帶下腳標“u”為融區Ωu范圍內土體相應的物理量。

設相變是發生在Tm附近的（Tm±△T）溫度范圍內。在構造等價熱容時還必須計入△T的影響，通過構造熱容表達式和導熱系數表達式可得：

1.2 模型邊界條件及參數的選取

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范圍內為碎石亞粘土、3m以下為弱風化基巖。模型下邊界為地表以下15m，左右邊界為路基坡腳向兩側延伸20m。土體熱參數見表2.1。

2.1土體熱參數表

2 計算結果分析

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 結論

全球氣候變暖對多年凍土區的溫度場是有明顯影響的，多年凍土地區的工程設施建設，應考慮氣候環境的變化。

[1]周幼吾,郭東信，等.中國凍土[M].北京:科學出版社,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.