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考虑双重剪切的开放系统梯形渠道Pasternak双参数冻土地基梁模型

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工程力学 2024年第4期41卷 70-80页

作者：肖旻王正中吴浪杨晓松崔浩葛建锐江西科技师范大学建筑工程学院江西南昌330013 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西咸阳712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西咸阳712100 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 塔里木大学水利与建筑工程学院新疆维吾尔自治区阿拉尔843300 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建... 详细信息

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建考虑双重剪切的梯形渠道Pasternak双参数冻土地基模型。以塔里木灌区某渠道为例计算衬砌冻胀变形,并与材料力学法、Winkler模型计算值及观测值进行对比。结果表明:与材料力学法、Winkler模型相比,该文模型计算值更接近观测值。根据该模型估算的衬砌板易开裂范围也与灌区现场调查结果相符,表明模型适用性。通过参数研究分析了界面切向刚度kx对各处切向位移及切向冻结力分布的影响。结果表明:kx越小时,切向位移与切向冻结力趋于线性分布;kx较大时,两者均偏离线性分布且kx越大偏离越明显,线性分布假设不再适用。该模型可较充分地反映冻土与衬砌板间接触界面相互作用的基本特征,从而有效提高模型的计算精度。

关键词：冻土工程渠道冻胀 Pasternak模型双重剪切开放系统

多年冻土区热融湖塘演化及其环境效应研究进展

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冰川冻土 2024年第3期46卷 956-966页

作者：张丹丹王昱杨玉忠周露姚何琳兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州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 中国科学院大学北京100049

近几十年随着全球气候变暖及人类活动的增强,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,从而引起一系列的生态环境变化。热融湖塘是冻土退化的产物,其形成与发展又会引起冻土环境的改变,进而对全球气候变化产生影响。因此,针... 详细信息

近几十年随着全球气候变暖及人类活动的增强,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,从而引起一系列的生态环境变化。热融湖塘是冻土退化的产物,其形成与发展又会引起冻土环境的改变,进而对全球气候变化产生影响。因此,针对多年冻土退化过程中日趋严重的热喀斯特现象,以及由此而产生的冻土融穿、地下水位改变、热融湖塘扩张等问题,对目前多年冻土区热融湖塘的水文变化研究现状进行分析整理。本文主要从以下五个方面展开了论述:(1)热融湖塘演化过程及主要影响因素分析;(2)热融湖塘水文过程时空变化规律及影响因素分析;(3)热融湖塘水量平衡过程研究及影响因素;(4)热融湖塘变化对区域水质的影响;(5)热融湖塘对碳循环的影响。最后,提出在后期研究中应基于同位素技术,充分考虑湖塘周边环境,并结合气候变化、多年冻土退化状况进行多因素分析,以期能为深入开展研究冻土退化背景下冻土水文过程、区域水资源演变以及对生态环境的影响提供参考依据。

关键词：多年冻土退化热融湖塘水文变化水量平衡水化学

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变暖背景下砾石换填对多年冻土区机场跑道下地温场的影响

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气候变化研究进展 2024年第3期20卷 291-303页

作者：王娇娇张虎金晓颖黄帅王宏伟王文辉詹涛周刚义车富强李艳李新宇何瑞霞张泽张圣嵘李国玉童长江王逊金会军东北林业大学土木与交通学院冻土研究所/教育部东北冻土地质系统与环境观测试验研究站哈尔滨150040 黑龙江省自然资源调查院大兴安岭漠河冻土与寒区环境野外科学观测研究站(自然资源部) 哈尔滨150036 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃遥感重点实验室和黑河遥感试验研究站兰州730000 国家林业和草原局重点国有林区森林资源监测中心加格达奇165100 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兰州730000 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运... 详细信息

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运行30年内道基温度场进行预测。结果表明,换填使季节最大冻结深度(MSF)增加,且换填对道基下MSF的水平影响范围在道面中心线两侧30 m左右。之后,通过比较不同换填深度(1.5(顶)~3.5(底)、1.5~4.5、1.5~5.5和1.5~6.5 m)的道基温度场变化,发现:换填底部深度达到4.5 m时,MSF变化的速率开始减小。最后,根据IPCC第六次评估报告(AR6)未来100年间不同气候变暖速率模型模拟研究了无换填与不同换填深度下的MSF可能变化。结果发现,到2100年,在SSP2-4.5情景下,未换填及不同换填深度的道基下MSF分别为1.63、1.86、1.84、1.84和1.84 m。因此,利用换填法来减少跑道冻融灾害时换填深度应至少达到4.5 m。同时,应加强漠河机场道基地表水与该跑道区地下水的防排水设施建设与维运。研究结果有助于进一步认识换填对多年冻土和活动层水热状态的影响,可为解决道基冻胀和融沉问题提供重要科学依据。

关键词：多年冻土机场跑道地温季节最大冻结深度(MSF) 数值模拟

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青海湖入湖口水温演变初步研究

干旱区研究 2024年

作者：谢刚王甜甜于涛董靖玮陈世强王梦晓张圣杰张浩铭兰州理工大学石油化工学院中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室中国科学院青海湖综合观测研究站

受全球气候变暖的影响，青藏高原湖泊、河流的温度显著升高，水温变化与水生生物的繁育息息相关，但目前对于青海湖裸鲤洄游产卵的重要场所——河流入湖口的水温研究较少，水温变化对于裸鲤产卵的影响也尚不明确。因此本研究基于刚察气... 详细信息

受全球气候变暖的影响，青藏高原湖泊、河流的温度显著升高，水温变化与水生生物的繁育息息相关，但目前对于青海湖裸鲤洄游产卵的重要场所——河流入湖口的水温研究较少，水温变化对于裸鲤产卵的影响也尚不明确。因此本研究基于刚察气象站观测数据、中国区域地面气象要素驱动数据集（CMFD）、欧洲中期天气预报中心第五代陆面再分析数据集（ERA5-Land）、第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的多模式数据，尝试利用Fresh water Lake Model（简称FLake模式）模拟了青海湖最大支流布哈河入湖口处水温并评估其适用性，探讨了再分析数据和CMIP6多模式数据驱动模拟历史（1981—2014）水温的集合的优越性，预估了未来时期（2024—2100年）三种情景下的水温演变及成因，结果表明：（1）CMFD和ERA5-Land集合的模拟水温优于单个模式的模拟水温且在短期和长期模拟结果精度都较好，CMIP6多模式长期的模拟水温集合优于单个模式的模拟水温，可以较好的再现再分析数据集合的模拟水温。（2）未来布哈河入湖口的水温随着排放强度的增加显著升高，与水温呈正相关的气象因子从大到小依次为气温、比湿、向下长波辐射和向下短波辐射，呈负相关的气象因子是风速；除远期高排放情景（SSP585）的向下短波辐射，其他情景的气象因子与水温的关系均通过了95%的显著性检验。（3）近期（2024—2040年），三种情景的水温较历史时期均有少许升高，水温间的差异不大，青海湖裸鲤产卵的窗口期略微缩短，水温升高会对裸鲤的产卵造成轻微影响；中期（2041—2060年），三种情景的水温进一步升高，水温间的差异逐渐显现，裸鲤的产卵窗口期明显缩短，水温升高对裸鲤的产卵有一定的危害；远期（2081—2100年），三种情景的水温差异更显著，SSP126和SSP245情景的升高速率减慢；SSP585情景的水温升高速率依旧加快，水温持续升高导致裸鲤的产卵窗口期显著缩短，一定程度限制了青海湖裸鲤的产卵活动。

关键词：布哈河入湖口 FLake模式 CMIP6预估水温青海湖

基于DSR理论-综合云理论的中俄冻土区管道保温层效果失效类型研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 625-636页

作者：朱美全金晓颖车富强王宏伟王文辉周刚义李国玉李新宇何瑞霞杨如轩唐建军李善珍张泽金会军东北林业大学土木工程学院/冻土研究所黑龙江哈尔滨150040 东北林业大学寒区科学与工程研究院/教育部东北冻土地质系统与环境观测试验研究站黑龙江哈尔滨150040 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 自然资源部国家林业和草原局重点国有林区森林资源监测中心黑龙江加格达奇165100 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 哈尔滨工业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150090

冻土区管道保温层效果与评价指标变化的随机性密切相关,以往冻土区管道保温层效果评价模型存在一定的局限性与不足。为了提升冻土区管道保温层效果模型的应用效果,本文基于驱动力-状态-响应(Driving force-State-Response,DSR)理论、综... 详细信息

冻土区管道保温层效果与评价指标变化的随机性密切相关,以往冻土区管道保温层效果评价模型存在一定的局限性与不足。为了提升冻土区管道保温层效果模型的应用效果,本文基于驱动力-状态-响应(Driving force-State-Response,DSR)理论、综合云理论和迭代运算方法相结合的综合评价方法,构建适用于中俄冻土区管道保温层效果的评价模型。为了验证冻土区管道保温层效果评价模型的科学性,以中俄管道沿线(漠河—大庆段)四处典型监测区域MDX007、MDX113、MDX304和MDX364为实例,应用评价模型对管道保温层效果的失效类型和失效可能性概率进行了综合分析。结果表明:运用评价模型可以科学指导中俄原油管道保温层效果的评估,并依据相应的保温层效果失效类型结果给出对应的措施建议。综合云模型能够结合不同理论模型的优势,保证冻土工程环境评价的科学性,通过置信度值验证,具有良好的应用前景。研究成果可为中俄原油管线安全稳定运营提供战略性的科学支撑。

关键词：冻土区管道保温措施热效果驱动力-状态-响应(DSR)模型综合评价云模型

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考虑日变化过程的寒区隧道温度场解析解与现场监测研究

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铁道科学与工程学报 2024年第6期21卷 2406-2416页

作者：张力杰穆彦虎田毅王玉林朱小明张坤郑波李凌洁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 中国科学院大学北京100049 甘肃省公路交通建设集团有限公司甘肃兰州730000 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司甘肃兰州730030 西北民族大学土木工程学院甘肃兰州730124 中铁西南科学研究院有限公司四川成都611731

负温环境是隧道冻害发生的必要条件,因此隧道内气温、衬砌和围岩体温度的空间分布与时间变化过程是寒区隧道冻害机理和防治研究的关键。目前,已有研究多采用月平均值来描述隧道内的温度环境及其影响因素,忽略了其日变化过程,可能低估隧... 详细信息

负温环境是隧道冻害发生的必要条件,因此隧道内气温、衬砌和围岩体温度的空间分布与时间变化过程是寒区隧道冻害机理和防治研究的关键。目前,已有研究多采用月平均值来描述隧道内的温度环境及其影响因素,忽略了其日变化过程,可能低估隧道内负温段长度和冻结深度以及衬砌结构经历的冻融作用,由此造成保温设防设计的不足。以青藏高原东北缘的一高海拔寒区公路特长隧道为例,通过对洞内气温的自动连续观测,统计分析了隧道内气温的日变化特征。运用叠加原理将寒区隧道径向温度场分为稳态和瞬态,在求解瞬态温度场过程中采用Laplace变换,同时考虑隧道内气温的日变化和年变化过程,构建了包括保温层、衬砌和围岩体等多层介质的寒区隧道径向温度场解析解,对比分析了考虑与不考虑气温日变化过程隧道衬砌结构温度的变化规律。结果表明,隧道内气温的日变化幅度在进、出口段较为显著,日振幅可达11℃以上,随着进深增加逐渐减小,至隧道中部气温日振幅降至2℃以内。同时,隧道内气温日振幅表现出明显的季节性,冷季明显大于暖季。考虑气温的日变化过程的解析解能够更准确地反映隧道结构所经历的冻结时长和冻融循环次数,与隧道结构层内实测温度的波动范围更加接近。现场监测结果和理论解析方法对于寒区隧道衬砌混凝土抗冻等级选择和冻融损伤预测以及衬砌挂冰和路面结冰预警等具有积极意义。

关键词：寒区隧道温度场日变化现场监测解析解

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

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冰川冻土 2024年第1期46卷 185-198页

作者：张航曹海涛何鹏飞候光亮李国玉国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院黑龙江哈尔滨150030 兰州理工大学土木工程学院/理学院甘肃兰州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 兰州工大工程检测科技有限公司甘肃兰州730050

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉... 详细信息

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。

关键词：剪切强度界面湿干循环冻土复合土工布显著性分析

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冻结过程中土体导热系数预测模型

中国农村水利水电 2024年第5期 47-52页

作者：段文魁王来发晁华俊明锋青海省交控建设工程集团有限公司青海西宁810000 青海交控实业发展有限公司青海西宁810000 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

鉴于冻结条件下测量导热系数存在困难,为明确温度对导热系数的影响规律,提出了具有三参数(λ0,a和b)的双曲模型来描述土体导热系数与负温的关系。然后,采用实测导热系数和3种常用模型对新模型的性能进行了评价,并对模型参数进行了敏感... 详细信息

鉴于冻结条件下测量导热系数存在困难,为明确温度对导热系数的影响规律,提出了具有三参数(λ0,a和b)的双曲模型来描述土体导热系数与负温的关系。然后,采用实测导热系数和3种常用模型对新模型的性能进行了评价,并对模型参数进行了敏感性分析。结果表明,双曲线模型能较准确地预测冻结过程中土体导热系数变化规律。在4个模型中,新模型具有最小的均方根误差和相对误差。模型参数与细粒含量密切相关,且随初始体积含水率增大而减小。新模型能够准确描述负温下的土体导热系数变化规律,可为寒区传热传质耦合计算提供基础。

关键词：冻土工程冻结过程导热系数预测模型

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基于CMIP6模式的中国西北地区干旱时空变化

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干旱区研究 2024年第5期41卷 717-729页

作者：山建安朱睿尹振良杨华庆张薇方春爽兰州交通大学测绘与地理信息学院地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心甘肃省测绘科学与技术重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院国家冰川冻土沙漠科学数据中心干旱区生态安全与可持续发展重点实验室甘肃兰州730000 山东科技大学安全与环境工程学院山东青岛266000

基于西北地区的152个气象台站和CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project 6)的16个气候模式输出资料,采用RoMBC(Robust Multivariate Bias Correction)方法对CMIP6模式数据进行偏差校正,构建标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),分析西北地区历史及未来4种情景下(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)的干旱时空分布及变化特征。结果表明:(1)历史和未来情景下西北地区气温和降水均呈显著增加趋势,增温速率为0.15~0.74℃·(10a)^(-1),降水增加速率为2.71~14.83 mm·(10a)^(-1)。(2)历史(1975—2014年)西北地区年、季节尺度SPEI整体呈下降趋势,春季下降速率最大,为0.19·(10a)^(-1),年、春季、冬季大部分地区干旱趋势加重,干旱频率轻中旱高于重特旱,东部干旱频率高于西部。(3)未来情景下(2020—2100年)SSP1-2.6情景有干旱趋势但无明显干旱特征,其余3种情景干旱次数增加、干旱趋势加重、干旱频率提高,SSP5-8.5情景下干旱最为明显。该研究通过气象数据和模式数据揭示了西北地区的干旱时空发展规律,可为西北地区干旱风险评估、水资源科学管理及农业生产提供依据。

关键词： SPEI 干旱时空格局 CMIP6 西北地区