高山区雪堆储雪的实验和模拟计算

随着全球气候变暖,滑雪运动呈现出对气候变化高度的敏感性和依赖性,各地滑雪季将不同程度地缩短。储雪作为一种应对气候变化的方法在雪务保障中逐渐得到研究和应用。在新疆阿勒泰地区吉木乃县开展储雪实验,应用谐波反应法研究了雪堆融化量与外界空气温度、太阳辐射和绝热保温结构热学性能之间的定量关系。实验中,覆盖两层绝热保温材料雪堆1的平均融化量为18.0 kg·d^-1（相当于初始质量的0.85%）,未覆盖绝热保温材料雪堆2的平均融化量为120.8 kg·d^-1（相当于初始质量的6.67%）。模拟期间观测到的雪堆1质量减少了1 438.0 kg,对应的模拟值为1 520.8 kg。谐波反应法可以为评价绝热保温结构的热学性能和提前确定储雪量提供重要的参考依据。由于许多物理过程都未考虑,导致模拟的雪堆融化量与实际融化量之间存在不确定性。雪堆所用绝热保温结构的性能可以用反射率、总传热系数、衰减度和延迟时间来衡量。     

阿尔泰山融雪期不同下垫面积雪特性观测与分析研究

2014年3月融雪期间在阿尔泰山额尔齐斯河河源区,基于已有的气象和积雪(雪深、雪密度)观测,利用Snow Fork雪特性仪和便携式温度计TP3001,选择草地、水泥地和河冰三种不同的下垫面分别观测了分层积雪密度、液态水含量和雪层温度变化.结果表明:三种下垫面上表层积雪的温度、液态水含量和密度变化规律基本一致.积雪特性的差异主要体现在积雪层底部,河冰和草地与积雪接触面温度日变化过程呈现出"单峰型",而与水泥地接触面上的温度日变化呈现出"双峰型";河冰上积雪底部的液态水含量最小且日变化幅度较小,草地次之,水泥上积雪底部液态水含量的波动最大;水泥和草地上底部积雪的密度变化趋势一致,为密实化过程,而河冰上积雪底部的积雪因深霜层的形成致使雪密度逐渐减小.对同一下垫面上的积雪而言,水泥和草地上积雪温度的极大值出现在雪层中间,河冰上雪层的温度廓线沿雪深有波动上升的趋势,最大值出现在积雪与河冰的接触面处.三种下垫面上积雪的液态水含量最大值均出现在中间雪层,雪密度均呈现沿雪深增加而递减的变化趋势.液态水含量受积雪温度的控制,当积雪温度低于-3℃时,积雪中的液态水可以忽略不计;当积雪温度低于-1℃时,积雪的液态水含量低于1%;当积雪温度大于-1℃时,积雪中出现液态水的比例显著增加,且液态水含量的波动范围较大,最高可到6.2%.     

含软弱夹层岩体边坡爆破层裂特性及稳定性研究

基于爆破相似理论建立含软弱夹层顺层岩体边坡爆破的力学模型,并介绍模型爆破层裂试验和剪切试验的设计思路及试验方法。以某石灰石矿采场黏土质夹层物为软弱夹层原料,通过相似模型试验研究爆破作用下含软弱夹层岩体边坡的层裂特性及稳定性。试验结果表明,爆破后可将软弱夹层分为爆腔区、压密区、影响区和无扰动区;爆腔区、压密区和影响区构成模型层裂区;爆前模型抗滑稳定安全系数最大、爆后次之、爆破过程中最小;层裂范围直接影响模型抗滑稳定安全系数。软弱夹层厚度对模型的层裂范围和抗滑稳定安全系数有较大影响。     

滑雪场积雪模拟研究进展

滑雪场的积雪条件是评价其盈利能力的关键指标。通过积雪模型准确地模拟滑雪场积雪条件对评估滑雪旅游目的地的气候风险具有重要意义,积雪模型亦可为滑雪场的造雪量和造雪时间提供科学依据。首先简要概述了滑雪场积雪模拟的发展趋势,介绍了具体的模拟方法。分析发现,应用于滑雪场积雪模拟的模型从早期的经验线性模型发展为简化的物理模型,再到精细的能量平衡模型;从仅模拟自然积雪发展为结合自然积雪和人工造雪,再到细致的考虑雪道维护过程。依据对自然积雪、人工造雪和雪道维护模拟方法的不同,滑雪场的积雪模拟方法可以简单的分为两类：单点或半分布式模拟和分布式模拟。单点或半分布式模拟将滑雪场作为一个点进行研究或等间隔地选取滑雪场多个海拔带进行模拟输出平均结果,通常采用简化的能量平衡模型和基于度日因子的概念模型,以简化的假设来解释人工造雪和雪道维护过程,以相对粗糙的方式表示雪的物理性质。分布式模拟在网格或雪道上划分出来的小单元尺度上对滑雪场积雪进行模拟,采用精细的多层能量平衡模型,详细描述了滑雪场的基础设施、人工造雪和雪道维护过程。由于我国大部分地区自然积雪资源匮乏,积雪模型在我国滑雪场地应用时需重点考虑人工造雪。在雪道人工管理模式方面,一些在欧美滑雪场广泛应用的规则照搬至我国滑雪场可能会出现较大误差。最后,考虑到对滑雪场积雪进行模拟时不需要非常详细地描述雪层内部物理过程,简化的分布式融雪模型更适合用于滑雪场的积雪模拟。     

新疆阿勒泰克兰河中游地区冬季积雪分布及特性分析

新疆阿勒泰地区是中国季节性积雪水资源最为丰富的地区之一。2016年12月在克兰河中游地区开展了积雪观测,利用直尺和量雪筒测量雪深和雪密度,调查了积雪水资源的分布情况;利用针式温度计测量雪层温度,获取了雪层之间的温度梯度;利用雪特性分析仪和显微镜测量了积雪剖面的雪层密度、液态水含量、介电常数和雪粒径。通过分析研究区积雪水资源的空间分布和积雪特性的垂直分异发现：研究区雪深的分布非常不均匀,北部的雪深总体上大于南部,即使在同一地区,雪深也因风力等原因而分布不均匀;研究区总体上属于"干寒型"积雪,密度较小,且密实化迅速;各雪层属于干雪或者湿度极低的潮雪,绝大多数雪层的液态水含量在0.3%以下;积雪温度总体上从表层到底层逐渐升高,表层温度日变化较大;阴天积雪温度高于晴天,各雪层温度日变化小于晴天,且午后积雪会出现负温度梯度,冷中心出现在积雪次表层;雪粒径较小,雪粒长短轴比的最小值出现在中间层,且符合新雪的粒径特点。     

泥岩夹层软化试验研究

基于正交试验方案,研究了温度、卤水浓度及浸泡时间3个因素对泥岩夹层软化的影响规律。分别运用极差分析法和方差分析法对试验结果进行分析。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对泥岩夹层单轴抗压强度及弹性模量相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。试验结果表明：温度和浸泡时间在泥岩夹层软化过程中起着决定作用,影响权重达到98%以上;浸泡时间的影响最大,权重达到80%;卤水浓度的变化对泥岩夹层软化影响较微弱,在实际的工程中可以忽略不计。随着浸泡时间的延长和温度的升高,泥岩夹层内部裂隙逐渐被溶液侵入,单轴抗压强度和弹性模量呈递减趋势。鉴于卤水浓度影响甚微,仅利用温度和浸泡时间建立了软化方程。     

四川盆地下侏罗统陆相页岩气源储特征及耦合评价

四川盆地陆相页岩气勘探前景良好,目前已在川东北地区下侏罗统获得良好页岩气显示和工业气流。与海相页岩相比,陆相页岩具有相变快、岩相组合类型多(夹层发育)、有机质丰度低和源储配置关系复杂等特点。运用“源储耦合”研究思路,利用宏观-微观结合的储层表征技术对下侏罗统自流井组大安寨段页岩的烃源特征、储集特征及其耦合关系开展了分析与评价。结果表明:(1)岩相组合特征。大安寨段为一套以暗色页岩与介壳灰岩不等厚互层为主的浅湖-半深湖沉积,主要发育4种岩相与3种厚度组合,主要包括高碳黏土质页岩夹薄层(<1 m)介壳灰岩、中碳黏土质/含粉砂质页岩夹薄-中层(<3 m)介壳灰岩、低-中碳粉砂质页岩夹中-厚层介壳灰岩及少量粉细砂岩;其中页岩为源岩和主要储层,介壳灰岩为次要储层和隔夹层,致密砂岩物性较差,主要为隔夹层。(2)烃源与储集特征。川东北地区页岩厚度介于30~40 m,TOC含量普遍介于1.0%~2.0%;有机质类型以Ⅱ₂型和Ⅲ型为主;页岩储集空间包括有机孔、无机孔与宏-微观裂缝,页岩中黏土矿物粒缘孔和晶间孔最为发育,有机孔次之,微裂缝发育程度与连通性较好;介壳灰岩夹层以粒间孔、粒内孔、微裂缝为主要储集空间。(3)揭示了大安寨段页岩层系的源储耦合机理。宏观上,TOC含量和孔隙度均随灰质含量的增加而降低,页岩的源储耦合条件优于夹层,以黏土质页岩为最优;微观上,页岩内部存在有机质与有机孔的源储一体耦合、原始有机质与无机孔和微裂缝之间为纳米至微米级距离的迁移耦合,页岩与夹层间为毫米至厘米级距离的迁移耦合,夹层内部则有赖于相邻页岩中有机质与夹层中无机孔和微裂缝的厘米至米级距离的运移耦合。(4)分别针对页岩层和夹层源储耦合特征建立了相应的源储耦合评价参数,对研究区2口典型钻井开展评价并优选了水平井靶窗。     

冻土与结构接触界面层力学试验系统研制及应用

在天然冻土区或人工冻土工程中存在着大量冻土与结构物接触界面层问题,目前有关此类接触界面层力学变形性能的试验研究手段缺乏。为此,在已研制大型多功能冻土-结构接触面循环直剪系统DDJ-1基础上,改制冻土剪切盒,凸出冻土试样界面层,研发微变形测量系统,组成冻土与结构接触界面层力学试验系统。该系统不仅能实现不同边界条件下接触界面的力学特性试验,而且能测量和分析接触界面层不同位置的冻土体位移,分析研究不同冻土温度、不同结构粗糙度、不同法向荷载作用下界面层冻土体变形特性。试验结果表明,该系统能准确再现冻土与结构接触界面层的力学变形行为,可为系统开展冻土-结构接触界面层的研究提供试验基础。     

透水与隔水夹层对粉质土液化影响试验研究

黄河三角洲沉积物以粉质土为主,循环荷载作用下隔水夹层与透水夹层的存在对粉质土孔压累积、消散及液化的影响如何,目前尚不清楚。本文针对4种隔水夹层与透水夹层的组合情况,利用现场原位振动和室内土样振动试验,研究隔水夹层与透水夹层的存在对循环荷载作用下黄河口粉质海床土液化过程影响,发现循环荷载导致黄河三角洲粉质土孔隙水压力、粒度成分、密度、含水量及孔隙比等物性指标发生的变化,因夹层的不同有明显的差异,并且其液化性能因夹层结构的不同而不同,有透水夹层时,相对提高了粉土的抗液化性能,隔水夹层则相反。     

基于美国国家地热数据的地热温度计案例分析与方法适宜性评价

热储温度评价是地热系统研究的关键内容。文章选取建设比较成熟的美国国家地热数据系统(National Geothermal Data System,NGDS),分别利用地球化学地热温度计、多矿物平衡法、冷热水混合模型及气体地热温度计对不同地热田的热储温度进行评价,确定不同热储温度评价方法的适用性和局限性,以期为热储温度评价方法的选取提供参考。研究结果表明,当地热水体达到离子和矿物的平衡状态时,地球化学地热温度计可得到相对合理的热储温度;当地热水体未达到离子和矿物的平衡状态时,SiO2地热温度计较阳离子温度对热储温度的评价效果更准确。尽管基于饱和指数的多矿物平衡法由于有限饱和平衡矿物选择导致不一定得到精确的热储温度,但可为地球化学地热温度计的选取提供依据,比如当石英过饱和时,用玉髓地热温度计计算的温度比石英更能反映地下的热储温度。对于蒸汽为主的高温地热储层,由于蒸汽和地表岩石反应导致矿物和离子无法反映热储信息,气体地热温度计对该类型热储温度的评价更加合理。由于混合模型得到的是冷、热水混合之前的热水端温度,因此,混合模型计算的热储温度通常高于地球化学地热温度计。总之,没有一种温度计是万能的,不同地热温度计适用条件不同,综合不同合理的方法以及互相校正是最好的方法。     

寒区隧道保温设防长度工程实践与研究进展综述北大核心CSCD

保温法是目前寒区隧道建设中应用最为广泛的一种冻害防治方法。通过敷设保温材料可以减缓隧道结构、围岩体与洞内空气的热量交换过程,进而减小或避免衬砌与围岩体内的季节冻融,实现冻害防治的目的。在工程设计中,隧道保温段的敷设长度和厚度是两个关键参数,其中敷设厚度相对容易确定,但是敷设长度的确定目前缺乏统一的标准和简便可靠的方法,给隧道保温设计带来了一定的难度和不确定性。基于此,对包括现有铁路和公路规范要求、经验公式、工程类比法、理论解析法、数值模拟法等寒区隧道保温段敷设长度确定方面的工程实践、研究进展和挑战进行了系统的总结,并在此基础上提出保温设防设计用气象数据的选取方法、保温设防长度确定的依据、隧道进出口的差异性,以及季节冻土与多年冻土区隧道的差异等未来工程实践和科学研究仍需解决和研究的重点,以期能够为寒区隧道保温防冻工程设计难题的解决提供参考。     

寒区大坝心墙土料冬季冻融与防控监测

两河口水电站是雅砻江干流规划开发中的中游控制性龙头电站,大坝为300米级砾石土心墙堆石坝。由于地处川西高原气候区,冬季气候寒冷干燥,大坝心墙土料填筑过程中面临着冻融问题的困扰。基于一个完整冬季的现场监测,系统分析了这一寒区大坝心墙建筑过程中砾石土、接触黏土土料温度变化规律、冻融特征与影响因素以及现有保温措施防冻效果。结果表明,无保温措施条件下,砾石土、接触黏土均出现了负温冻结现象,其中砾石土最大冻结深度达20 cm,接触黏土达14 cm,土料冻结持续时间不超过1个昼夜,为短时冻土。土料降温冻结过程以与外界大气对流换热过程为主,受气温、风速条件影响显著,波动范围较大,而升温融化过程以太阳辐射增温过程为主,与有效辐射起始时间密切相关,因此波动范围较小。监测期内,采用三布两膜保温材料覆盖可有效防止心墙土料冻结的发生,有、无保温材料覆盖条件下浅层土料最低温度可相差约5℃。结合监测结果和现场实际,建议将现有心墙防渗土料半幅填筑方式转换为全幅填筑,并研发轻质、憎水保温材料及其快速收放机械设备,以提高填筑作业进度、强化防冻效果。系统完整的现场实测结果,可为未来寒区水电大坝建设提供基础数据和参考。     

利用天然粉石英制作耐高温硅酸钙保温材料的研究

研究以天然粉石英为硅质原料,普通建筑用石灰为钙质原料生产硬硅钙石型硅酸钙保温材料的基本反应原理、反应过程和可用于工业化生产的工艺技术。用该项新技术所生产的硬硅钙石型硅酸钙保温材料,其性能达到美国和日本同类产品标准。     

热棒技术在国道214线共和-玉树高速公路宽幅冻土路基中应用的数值模拟研究

高速公路路基幅面宽度的成倍增加,沥青路面的吸热效应更为显著,工程对其下伏多年冻土的热影响更为显著. 热棒、热棒保温板复合结构等传统工程措施能否保护宽幅高速公路下冻土稳定是一个亟待回答的问题. 根据带相变热传导有限元方法,对共和-玉树高速普通路基、热棒路基和热棒保温板复合结构路基在未来全球变暖情形下的地温场特征进行了数值模拟分析. 结果表明：在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的多年冻土地区,普通路基和热棒路基在全球变暖条件下路基下伏冻土都将发生融化,宽幅公路路基将会产生显著融沉变形,不能保证宽幅公路路基20 a使用期内的稳定性. 热棒保温板复式结构显示了较好的冷却路基效果,在第20年路基下多年冻土人为上限高于原天然上限,路基下富冰冻土仍处于冻结状态,可以保证宽幅沥青公路在服务期内的热稳定性.     

东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响

利用东北地区121个气象站逐日冻土深度、积雪深度、平均气温、地表平均气温及降水量数据,分析了1964—2017年冬半年冻土的变化特征及气象要素对冻土的影响。结果表明：东北地区积雪深度、平均气温、地表平均气温与冻土深度相关系数较高,降水量相关性不大。20世纪60年代平均气温、地表平均气温及负积温最低,最大冻土深度为历年代最深;随着气候变暖,最大冻土深度以6.15 cm?（10a）^-1的速率显著减小。冬半年平均最大冻土深度为123 cm,呈显著纬向分布,自辽东半岛向大兴安岭北部递增;随纬度和海拔高度的增加,平均气温和地表平均气温降低,负积温增加,且由北向南地气温差增大。最大冻土深度全区有90%以上的站点减少,减少速率以0.1~10 cm?（10a）^-1为主。冻土持续时间随纬度升高而增加,月最大冻土深度和积雪深度最大值分别出现在3月和1月,最大冻土深度的增加要滞后于积雪深度的增加。由于积雪对地温的保温作用,积雪深度较浅时,冻土深度增加较明显,随着积雪深度的增加,冻土深度变化较小,积雪对冻土起到了保温的作用。对于高纬度地区站点,30 cm左右为积雪的保温界限值;对于沿海站点,积雪保温的界限值在5 cm左右;在相同地形下,冻土深度较浅区域积雪的保温值因海拔高度、气候特点而异。最大冻土深度对地表平均气温升温的响应更为显著,地表平均气温和平均气温每升高1 ℃,最大冻土深度将减小8.4 cm和10.6 cm,负积温每减少100 ℃?d,最大冻土深度减少4.9 cm。     

循环冻融下寒区工程常用保温材料性能变化试验研究北大核心CSCD

保温材料广泛应用于寒区工程的诸多领域。然而,在服役过程中,保温材料往往会受到浸水、冻融和盐蚀等多场耦合的循环作用,导致其保温、防水和强度等物理力学性能出现不同程度的退化。目前,保温材料的类型非常多,但其性能和耐久性有所不同,因此科学合理地选择保温材料不仅关系到其长期保温效果,同时对于工程构筑物的长期稳定性具有重要的意义。针对循环冻融作用,选取寒区工程中常用的4种保温材料[聚酚醛(FLK)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯挤塑板(XPS)和聚苯乙烯发泡板(EPS)]开展了浸纯水、浸盐水和干燥状态下的室内冻融循环试验,对经历了不同冻融次数的样品进行了表观密度、吸水率、导热系数、压缩强度、弯曲强度和微观结构系列测试。结果表明:浸润作用对保温材料物理力学性质影响显著,亲水性材料FLK的保温和力学性能退化显著,而憎水性材料PU、XPS和EPS变化相对较小。干燥条件下,冻融循环作用对FLK、XPS和EPS吸水率以及FLK的导热系数影响量值可观,但对4种保温材料的压缩和弯曲强度影响不大。浸纯水和盐水条件下,经历30次冻融循环后,FLK的导热系数增加约50%,弯曲强度降低超过0.3%,EPS的压缩强度降低超过10%。浸盐水后保温材料经历冻融循环作用后其物理力学性能退化程度与浸纯水条件下有所不同,该差异值得关注。通过扫描电镜图像能够识别4种保温材料的孔隙尺寸、孔隙致密度和固体颗粒胶结方式,但对经历冻融循环作用后的变化难以识别和量化。基于试验结果,结合寒区交通工程应用场景,分析了4种保温材料的冻融耐久性,以期服务于寒区交通工程保温材料的合理应用。     

输水管道系统气体特性与水流冲击截留气团研究

通过试验与理论相结合的方法,对输水管道系统气体特性与水流冲击截留气团进行了研究.研究表明,决定气团主要性质的气体多方指数n在输水管道系统发生水力过渡过程时存在较为显著的变化,并非单一常数,从而提出了相应的四过程:即压缩子过程1、膨胀子过程2、膨胀子过程3和压缩子过程4.在压缩子过程4与膨胀子过程2中,气体多方指数n取值为1.4~1.6;而在压缩子过程1与膨胀子过程3中,气体多方指数n取1.15.气体多方指数n的取值对压力水流冲击截留气团的结果有一定影响,n值越小,水流冲击截留气团的压力越大;反之越小.     

保温法保护多年冻土的长期效果分析

通过分析青藏公路昆仑山越岭地段保温材料(EPS)试验段的地温观测资料发现:结果表明:路基中的保温板近8 a来工作正常,大大减小了保温板下土体温度较差.试验段施工完成12 a来EPS保温板的导热系数没有发生大的改变,车辆荷载、水分和冻融循环等对其影响较小.保温路基段天然孔的年平均温度升温速率比对比段天然孔大,但保温路基下多年冻土近7 a来的升温速率均小于对比段.计算结果证明,路基中铺设的保温材料,可以使进入路基的热交换量大为下降,并使进入路基活动层的热量每年减少近3/4.最后,基于年平均气温,用有限元方法给出了青藏公路多年冻土地区保温法的适用范围.     

Development of low–centred ice–wedge polygons in the northernmost Ungava Peninsual, Queébec, Canada

Morphological and vegetation mapping and stratigraphic studies were carried out on a 60 by 250 m low–centered polygon field on a flood–plain of the Riviére Deception in the continuous permafrost zone of northernmost Ungava. Analyses of grain size, water and ice content, deformation structures, and macrorests were carried out on drill–core samples, up to a maximum depth of 3.19 m, and radiocarbon dates were obtained from several peat horizons. Five different vegetational habits were identified: uplifted banks, ice–wedge fissures, hummocky centres, wet polygon centres, and water ponds. The stratigraphic analyses revealed many sand layers and organic layers, alternating with a few layers of segregated ice. In the raises banks, brown fen peats represent former wet conditions prior to bank uplift. Total ice volumes of the core samples from polygon centres and banks averaged 60%, and were generally in the form of pore ice. Segregated ice was concentrated in ice wedges. The Low gradient of the polygon field and the shallow active layer are responsible for impded drainage. The origins of this isolated low–centred polygon field are discussed in terms of special local terrain conditions. River flooding since glacio–isostatic emergence at 6000 BP repeatedly spread alluvial sands onto the low flood–plain, which thus became progressively built up to its present elevation. Peat layers buried by these alluvial sands have permitted the changing local drainage conditions to be radiocarbon–dated for the last 2600 years for the core sites. Impeded drainage, low winter temperatures, probable thin snow cover, rapid sedimentation of flood–plain sands, and high volumetric ice contents have created the critical thermal regime necessary for repeated frost cracking in a polygonal pattern, with concomitant ice–wedge dev–elopment. Ice wedges developed at least as early as 2200 BP, causing the formation of low banks. Further growth of ice wedges deformed the peat and sand layers on the bank margins and led to the rise of the latter to heights of 0.5 to 1 m above the intervening low wet polygon centres. More water was then collected in the depressions, leading to a transformations of the vegetation cover from mossy heath to sphagnum bog, wet fen, sedge-covered ponds, and eventually in some cases to open-water pools. The stratigraphic evidence suggests that several generations of high banks formed and disappeared and that their position has changed. Deformation by continued ice–wedge growth has been insignificant since 1000 BP, However. A relatively thick surface peat layer also indicates that sand layers have not been contributed to the polygon field by flooding since ? 500 BP.