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活动层对青藏高原冻土区地震反应影响研究

冰川冻土 2021年

作者：陈拓穆彦虎王建州张军伟中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室西南石油大学地球科学与技术学院中铁西南科学研究院有限公司

在分析青藏铁路沿线多年冻土区土层波速基本特征的基础上,结合室内动三轴有关冻土动力学特性的试验结果,使用该地区50年不同超越概率的人造基岩地震波作为输入地震荷载,对青藏高原多年冻土区地震动特征进行分析。冻土区地震反应计算考... 详细信息

在分析青藏铁路沿线多年冻土区土层波速基本特征的基础上,结合室内动三轴有关冻土动力学特性的试验结果,使用该地区50年不同超越概率的人造基岩地震波作为输入地震荷载,对青藏高原多年冻土区地震动特征进行分析。冻土区地震反应计算考虑了气候变化和工程活动引起多年冻土温度升高、活动层厚度增大的背景,获得了不同活动层厚度条件下冻土场地的放大效应及冻土区反应谱特征周期变化情况。在此基础上,选取多年冻土区典型填土路基结构,运用非线性动力有限元方法,进行地震荷载作用下的动力响应分析,量化非线性有限元计算和一维地震动力计算结果的差异,以及不同剖面位置加速度峰值分布特征。研究结果表明:地表峰值加速度放大倍数随着活动层厚度的增加而增加,而且活动层处于融化状态下的加速度放大倍数要大于冻结状态。活动层处于融化状态下,场地特征周期较冻结状态下稍大。并且场地特征周期随活动层厚度的增加而出现增长趋势。冻结状态下场地特征周期为0.32s,而融化状态下场地特征周期最大可以达到0.38s。研究还发现,由于路基本体的构筑,使得地震荷载作用下能量在路基下伏土体内出现集中,路基下方土体在同样的地震荷载作用下更容易进入塑性破坏状态。

关键词：多年冻土波速活动层地震动特征周期青藏高原

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

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岩土力学 2019年第5期40卷 1983-1992页

作者：张明礼温智董建华王得楷侯彦东王斌郭宗云魏浩田兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所甘肃兰州730000

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土... 详细信息

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情况下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高会降低土壤含水率和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。

关键词：多年冻土活动层水分运移热传递气候变化降雨

考虑降雨作用的多年冻土区不同地表土质活动层水热过程差异分析

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岩土力学 2020年第5期41卷 1549-1559页

作者：张明礼温智董建华王得楷岳国栋王斌高樯兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所甘肃兰州730000

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨了考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱... 详细信息

为明确气候湿化背景下多年冻土活动层对降雨的水热响应机制,探讨了考虑降雨作用的不同土质地表能水平衡差异和活动层水热过程。基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,定量分析了高原真实野外降雨条件下3种典型地表土质(砂土、亚砂土、粉质黏土)地表水分和能量平衡差异、活动层内部水分与能量输运分量变化过程和耦合机制。结果表明:随着土壤粒径增大,地表净辐射增大、蒸发潜热增大、感热通量减少、土壤热通量减小,不同土质地表蒸发潜热和地表感热通量差异最为显著,地表能量平衡差异在暖季较大、冷季较小;土壤粒径越大,水势梯度液态水和温度梯度水汽迁移越显著,但温度梯度水汽通量减小、水势梯度液态水通量增大;随着土壤粒径增大,土壤浅表层水分减少,25~75 cm水分略有增加;随着土壤粒径增大,土壤导热系数、降雨入渗对流传热和地表蒸发量增大、热传导通量减小,土体温度梯度降低,相同深度处土壤温度更高,活动层厚度增大,不利于多年冻土稳定。研究成果可为湿化背景下多年冻土的稳定性预测和保护提供参考。

关键词：多年冻土活动层水热变化土壤质地降雨地表能水平衡

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黄河源区植被对活动层温度和水分的影响

地球科学（中国地质大学学报） 2014年第4期39卷 421-430页

作者：罗栋梁金会军何瑞霞杨思忠中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000

植被和活动层水热关系是青藏高原冻土生态环境的重要组成部分,对气候变化和工程活动积极响应,是目前全球变化研究的热点之一.为了解植被差异对活动层水热过程的影响,以场地监测和植被调查数据为基础,分析了黄河源区高温高海拔多年冻土... 详细信息

植被和活动层水热关系是青藏高原冻土生态环境的重要组成部分,对气候变化和工程活动积极响应,是目前全球变化研究的热点之一.为了解植被差异对活动层水热过程的影响,以场地监测和植被调查数据为基础,分析了黄河源区高温高海拔多年冻土区同一地貌单元内局地条件相似而植被差异显著的3个场地活动层温度和水分变化.初步结果表明:植被盖度较低时,活动层水分含量也低,且含水量高值区趋于中下部;植被盖度较高时,冷季地气温差和温度位移都减小,暖季地气温差增大;随着植被盖度增大,冻融开始和结束时间明显滞后,冻融持续时间延长.初步揭示了黄河源区地表植被对活动层水分和温度的影响过程,对研究和保护高寒生态环境稳定具有重要意义.

关键词：活动层水热过程植被响应气候变化黄河源区

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青藏高原北部活动层土壤热力特性的研究

地球物理学报 2010年第5期53卷 1060-1072页

作者：李韧赵林丁永建焦克勤王银学乔永平杜二计刘广岳孙琳婵肖瑶中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站兰州730000 冰冻圈国家重点实验室兰州730000 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州730000

利用2003年10月～2004年9月期间高原北部可可西里(QT01)、北麓河(QT02)、开心岭(QT05)、通天河(QT06)等地活动层土壤温度梯度、土壤热通量及土壤水分的观测资料,计算了高原北部活动层土壤的导热率、土壤容积热容量、导温率等土壤热力参... 详细信息

利用2003年10月～2004年9月期间高原北部可可西里(QT01)、北麓河(QT02)、开心岭(QT05)、通天河(QT06)等地活动层土壤温度梯度、土壤热通量及土壤水分的观测资料,计算了高原北部活动层土壤的导热率、土壤容积热容量、导温率等土壤热力参数.结果显示,QT02、QT05、QT06三站导热率、导温率夏秋季节较大而冬季较小,容积热容量则相反,表现为秋冬季节大而夏季较小;QT01站导热率表现为春季大,夏季较小;表层土壤粒度较小及较低的土壤湿度是冬季导热率较小的可能原因;冻土的热力特征参量可描述为相应深度的温度、体积含冰量及土壤盐度的函数,土壤含水量是融土热特征参数的主要影响因子;土壤水分含量小于某一临界值时,导温率随土壤水分含量的增大而增大,反之则减小.

关键词：青藏高原活动层土壤热力参数

夏季降雨增加对多年冻土活动层水热状态的影响研究

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岩土力学 2022年第12期43卷 3335-3346页

作者：张明礼周志雄周凤玺雷兵兵兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050

近50年青藏高原地区降雨呈波动性的增加趋势,且夏季降雨是全年降雨量的主要来源,降雨变化会导致冻土内部水热发生改变。然而,目前关于夏季降雨变化对多年冻土水热状态的影响研究鲜有文献报道。因此,基于优化地表能量平衡边界条件的水-汽... 详细信息

近50年青藏高原地区降雨呈波动性的增加趋势,且夏季降雨是全年降雨量的主要来源,降雨变化会导致冻土内部水热发生改变。然而,目前关于夏季降雨变化对多年冻土水热状态的影响研究鲜有文献报道。因此,基于优化地表能量平衡边界条件的水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究夏季降雨增加到2倍后活动层的响应机制。结果表明:夏季降雨增加到2倍后,净辐射、蒸发潜热增加,而感热以及地表热通量减小,地表与大气之间的能量交换方式从感热转换为蒸发潜热,且夏季整体用来加热活动层的热量减少1.4%;夏季降雨增加导致液态水运移通量增加,而水汽运移通量减小,热传导通量、水汽对流热通量、水汽扩散潜热通量的减小量约为液态水对流热通量增加量的2.6倍,因此夏季降雨增加导致土体降温,活动层厚度整体抬升0.14 m,对冻土起到降温效果。

关键词：多年冻土活动层水热变化夏季降雨

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祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

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科学通报 2016年第24期61卷 2742-2756页

作者：王庆锋金会军张廷军吴青柏曹斌彭小清王康李丽丽中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室兰州730000 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室兰州730000 Institute of Arctic and Alpine Research University of Colorado at Boulder

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积... 详细信息

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结（自地表向下）始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.

关键词：活动层季节冻融过程土壤水热动态局地因素高山多年冻土区黑河上游

青藏铁路多年冻土隧道围岩季节活动层温度及响应的试验研究

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岩石力学与工程学报 2007年第3期26卷 614-619页

作者：张德华王梦恕任少强北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中铁二十局集团有限公司陕西西安710016

高原多年冻土区隧道的修建,将不可避免地影响到隧道背后多年冻结围岩的热稳定性,并形成季节融化与冻结的活动层。结合青藏铁路二期工程格尔木—拉萨段风火山隧道修建,选取11个断面对多年冻土隧道开挖直到贯通引起隧道冻结围岩体的热学... 详细信息

高原多年冻土区隧道的修建,将不可避免地影响到隧道背后多年冻结围岩的热稳定性,并形成季节融化与冻结的活动层。结合青藏铁路二期工程格尔木—拉萨段风火山隧道修建,选取11个断面对多年冻土隧道开挖直到贯通引起隧道冻结围岩体的热学响应规律进行深入的现场试验研究。现场试验结果表明:(1)隧道背后围岩地温随时间及深度呈线性变化趋势。(2)施工期间,因受人为热源影响,围岩冻融范围超过该地区天然冻土上限值。有些断面隧道背后围岩融化深度超过5m,远远超过该地区天然冻土上限值(1.36～2.11m)。分析结果表明,其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着洞内温度与洞外温度比值呈现线性变化。(3)贯通后,良好的保温措施使得围岩冻融圈范围小于天然冻土上限,且其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着围岩表面温度与隧道洞外温度比值也呈现线性变化。

关键词：隧道工程多年冻土风火山隧道活动层冻融温度监测

黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析

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水科学进展 2018年第1期29卷 1-10页

作者：曹伟盛煜吴吉春王生廷马帅中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,... 详细信息

为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:(1)冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。(2)降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。(3)受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。

关键词：多年冻土活动层土壤水文过程季节变异黄河源区