遮阳网在多年冻土区边仰坡防护中的应用研究

陆 蒙

(1．同济大学，上海 200092;2．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

多年冻土隧道洞口段边坡易受气象、日照等因素影响，对冻土边坡的热融防治是多年冻土隧道洞口段施工的难点之一。康德拉特耶夫(1996)提出了在覆冰多年冻土上采用遮阳棚的优越性［1］。冯文杰等(2006)针对遮阳棚对公路铁路沿线路基底下多年冻土的保护作用以及对多年冻土上限的抬升效果进行了对比分析［2］。俞祁浩等(2007)对青藏公路遮阳板试验段进行观测，证明遮阳板可以降低整个坡面年平均温度约3．2℃［3］。姜路岭隧道所在地区太阳辐射强，选用合理的遮阳措施对于隧道洞口段的顺利施工具有十分重要的意义。由于高原地区风速较大，遮阳棚、遮阳板长期处于这种环境下易发生破坏，且遮阳板的抗老化抗腐蚀能力较差，在风的作用下，破损速度更快［2-4］。依托工程决定放弃采用遮阳棚、遮阳板，并首次将遮阳网应用于多年冻土隧道边坡工程的防护中。针对这一新型遮阳措施，分析了其工作原理以及在多年冻土区应用的独特优点，又通过数值计算，结合太阳辐射值与边坡地温的现场监测，分析了遮阳网的实际作用。

1 遮阳网的优点及施工

姜路岭隧道设计为双洞四车道，洞口开挖后边坡坡顶跨度较大(超过40 m)，大跨度遮阳棚需要做特殊设计，并要解决受力、安全性能等许多技术难题，且一般钢结构造价极高。

为了能尽快解决边仰坡热融坍塌问题，赶在寒季来临之前进洞施工，依托工程决定放弃采用遮阳棚，提出采用在洞口搭设简易双层遮阳网的施工新技术。相比遮阳棚，遮阳网有着取材方便、造价低、施工便利、受风力小、安全性能好的优点。姜路岭边仰坡遮阳网施工，坡面用草袋装粗颗粒土覆盖后，铺设第一层遮阳网，随后，用φ22的钢管架1 m～1．5 m高支撑第二层遮阳网。

2 遮阳网的降温效果分析

以姜路岭进口边坡为例，进行数值模拟，对比现场监测结果，得到遮阳网对多年冻土边坡的降温效果和对多年冻土上限的抬升程度。

2．1 计算模型

模型采用二维实体单元Plane55划分网格，外界因素对围岩的温度场影响范围不超过10 m，为减小模型边界效应对结果的影响，计算范围取宽度55 m，高度30 m，坡角按姜路岭进口边坡实际情况取15°，见图1。根据现场监测数据，模型初始温度取－0．7℃，并在模型底部加载恒定温度荷载T0=－0．7℃，模型上边界为与外界温度的对流换热边界。

2．2 太阳辐射效应

外界对洞口段冻土边坡的温度场影响主要为大气对流换热和太阳辐射热两者影响。可将两个不同的因素综合为一个因素，作为热分析的边界条件［5］，即将太阳辐射引起的热量转换为等效的气温增量，具体方法如下:

1)年平均辐射热等效为年平均温度提升，可以按式(1)进行转换:

其中，H'为边坡表面接受的年平均辐射热;α为表面太阳辐射吸收系数;h为表面对流交换系数，按式(2)进行计算:

其中，v为风速。

图1 计算模型

2)年变化辐射热等效为年气温变幅增加，可以按式(3)进行转换:

其中，A'为太阳辐射热的年变幅。

根据常用太阳辐射模型［6，7］，计算隧址地区每月太阳辐射值，见表1。根据地质勘查资料，姜路岭隧道进口植被发育，取吸收系数α=0．7，年平均风速v取8 m/s。代入式(1)，计算每月月底的斜坡日总辐射计算值及等效气温增量见表1。又根据姜路岭隧道设计气象资料，洞外气温曲线表达式为:

表1 太阳辐射值计算 kJ/(m2·h)

结合表1，得到考虑太阳辐射后的等效外界温度函数表达式:

且在施作遮阳网后，取不同遮阳率时的等效外界温度函数表达式，见表2。

2．3 太阳辐射对边坡地温的影响分析

分别按式(2)，式(3)加载外界温度函数，计算得到考虑太阳辐射和不考虑太阳辐射时分别绘制各洞口段在有无太阳辐射时，最冷月和最热月地温曲线，见图2;图3是两种情况下的边坡冻融曲线图。可以看出，不考虑太阳辐射时，地层整体温度明显下降。夏季，发现地表温差大，地层中温差较小，地表温差为4．8℃左右，表明短期内太阳辐射热对边坡的影响最大，随着深度增加影响减小;冬季，地表温差小，地层中温差较大，地表温差在2．1℃左右，表明太阳辐射热对地层温度场的影响在冬季减弱，使得冬季地表温度更加接近，地层中温度由于暖季受太阳辐射热影响储蓄了较高的热能因而降温缓慢。

表2 不同遮阳率下的等效外界气温表达式

图2 不同时间地层温度曲线对比图

图3 地层冻融曲线对比

不考虑太阳辐射时，最大融深月份在7月与8月之间，为0．58 m，地层中存在融土的时间约占全年的1/4～1/3;在太阳辐射的影响下，边坡则更早的开始热融，并更晚的回冻，最大融深时间出现的更晚，一般在8月和9月之间，且最大热融深度增大为1．60 m，地层中存在融土的时间约占全年的1/2。

2．4 遮阳网的作用分析

姜路岭隧道进口于8月份开挖施工，于9月份在边坡铺设遮阳网。由于从地表至多年冻土上限的活动层，其温度场受天气和太阳辐射值(日变化)等短周期因素影响，因此，读数时间和当时天气对监测结果影响很大，使得与计算值存在差异，尤其是地表温度相差较大。而多年冻土上限附近及年变化深度以下的多年冻土层，其温度场仅受地表长周期(气温多年波动)温度变化的影响，实测值较有参考价值，因此将姜路岭进口边坡铺设遮阳网后的融深与计算融深进行对比，分析遮阳网的实际效用。

在姜路岭洞口段铺设遮阳网的边坡地温观测孔位于试验段遮阳网的中心，受遮阳网的影响最大，图4为现场监测融深与不同遮阳率下的计算融深对比。可见，遮阳网的实际遮阳率达到了0．6～0．7，随着遮阳网铺设完工后一年，遮阳网的遮阳作用和对边坡的降温效果已经非常明显，从测得融深对比可以发现铺设后第一年边坡冻土上限抬升了80 cm。

图4 计算融深与监测融深的对比

2．5 遮阳网降温效果预测

继续计算铺设遮阳网5年内的边坡地温(见图5)。在铺设遮阳网后第2年，冻土上限相比铺设第1年又提升了15 cm;在铺设遮阳网后第3年，冻土上限相比第2年提升了5 cm;铺设遮阳网后第4年，第5年，边坡冻土上限均为60 cm。因此，遮阳网的遮阳效果见效快，能在其铺设第一年内迅速提升冻土上限，是一种十分有效的冻土边坡防护措施，随着年限的增长，遮阳网对冻土上限的提升有较小幅度的增长。

图5 边坡地温等温线

3 结语

1)在多年冻土隧道建设中，遮阳网首次被应用于多年冻土边坡防护中，相比遮阳棚、遮阳板等遮阳措施，遮阳网有着良好的抗风性和耐久性，更加适应高原气候。

2)在太阳辐射的作用下地层温度整体上升明显，且越接近地表，温度上升幅度越大，太阳辐射在夏季对边坡升温作用明显，而在冬季作用减弱。姜路岭进口边坡不考虑太阳辐射时，最大融深为0．58 m;在太阳辐射的影响下，最大热融深度增大为1．60 m。

3)从数值模拟结果来看，铺设遮阳网后等于减少了太阳辐射对边坡温度场的影响，能够明显抬升多年冻土上限，降低土体的温度，对保护多年冻土起到积极作用。结合现场对边坡融深的监测，得出遮阳网的实际遮阳率达到了0．6～0．7。

4)遮阳网对多年冻土边坡的防护作用见效快，在第一年内迅速提升冻土上限，随后几年，遮阳网对冻土上限的提升有较小幅度的增长。

［1］ Kondratiev V G．Strengthening railroad bass constructed on icy permafrost soil．Proc．of EighthInt．Conf．on Cold Regions Engineering，1996．

［2］ 冯文杰，马 巍．青藏铁路遮阳板措施应用效果观测研究［J］．冰川冻土，2006，28(1):108-115．

［3］ 俞祁浩，潘喜才，程国栋，等．多年冻土区路基边坡遮阳板降温过程试验研究［J］．冰川冻土，2007，29(1):299-305．

［4］ 冯文杰，马 巍，张鲁新，等．遮阳棚在寒区道路工程中的应用研究［J］．Chinse Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(5):567-570．

［5］ Lunardini，V．J．Climatic warming and degradation of warn permafrost［J］．Permafrostand Periglacial Processes，1996(7):311-320．

［6］ John A Duffie，William A Beckman．Solar Engineering of Thermal Processes［M］．John Wiley ＆ Sons，Inc，1980:62-98．

［7］ 邱国全，夏艳君，杨鸿毅．晴天太阳辐射模型的优化计算［J］．太阳能学报，2001，22(4):456-460．