气候变暖对冻土区路基温度场的影响分析

黑龙江 王国博 孟维军

引言

我国多年冻土面积为2.15×106km2，占国土面积的22.4%，是世界上第三大冻土国，主要分布在东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原[1]。在广袤的多年冻土区蕴藏着丰富的矿产资源、草原、森林和水资源等，随着这些资源的开发及寒区经济的发展，修筑了一系列大型工程。目前的全球气候变暖势必影响这些工程的建设和运营。本文主要在考虑气候变暖的条件下，根据相变瞬态温度场的热量平衡微分方程，用有限元软件对路基修筑后50年内的温度场进行了模拟计算分析。

1 计算模型

1.1 控制方程[2]

在土体冻结、融化过程中，考虑土体骨架和介质水的热传导及冰、水相变作用，且认为未冻水含量是温度的函数，忽略融、冻过程中的对流作用、质量迁移、水热蒸发作用，则土体中温度T（x，y，t）应满足以下热传导微分方程：

在冻区Ωf内：

在融区Ωu内：

式中：f、u分别表示冻、融状态；Cf、Tf、λf分别表示冻区 Ωf范围内的体积比热、温度和导热系数。带下脚标“u”为融区Ωu范围内土体相应的物理量。

设相变是发生在Tm附近的（Tm±△T）温度范围内。在构造等价热容时还必须计入△T的影响，通过构造热容表达式和导热系数表达式可得：

1.2 模型边界条件及参数的选取

计算中取路基的高度为5m，路基坡度为1：1.5，路基顶面宽度为7m，路基填土为砂砾土、天然地表以下3m范围内为碎石亚粘土、3m以下为弱风化基岩。模型下边界为地表以下15m，左右边界为路基坡脚向两侧延伸20m。土体热参数见表2.1。

2.1土体热参数表

2 计算结果分析

图1 不考虑气候变暖50年后温度等值线图

图2 考虑气候变暖50年后温度等值线图

通过图1和图2的可知，考虑气温气候变暖与不考虑气候变暖50年后路基温度场存在明显差异，在考虑50年后气温升高2.5℃的情况下，小于-0.5℃的范围有所增大，-2℃的位置比不考虑气温影响的情况下降了20cm。

3 结论

全球气候变暖对多年冻土区的温度场是有明显影响的，多年冻土地区的工程设施建设，应考虑气候环境的变化。

[1]周幼吾,郭东信，等.中国冻土[M].北京:科学出版社,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.