高海拔冻土区路基周边近地表流场特征及其工程意义 | Engineering

多年冻土在全球分布广泛，北半球近1/4和全球17%的陆地面积分布多年冻土。广袤的多年冻土区资源丰富，包括近25%未探明的油气资源，对于全球经济发展发挥着重要的作用。近几个世纪以来，随着社会经济的发展，冻土区工程建设日益增多，包括油气资源开采，交通基础设施、通讯设施、工业和民用设施建设等。然而，持续的气候变暖引发的多年冻土退化给冻土区工程构筑物带来了极大的挑战，并造成了巨大的经济损失。最新研究结果表明，至2050年，北半球多年冻土区近33%的构筑物将面临由多年冻土退化引发的承载力丧失和地表沉降而导致的病害问题。因此，在气候变暖情景下，如何经济地维护已建工程、科学修筑未来工程是工程领域一项重大挑战。由于冻土地基的承载力和变形行为与其热状况密切相关，因此如何调控冻土地基与外界环境的换热过程至关重要。

中国科学院马巍研究团队、美国阿拉斯加大学安克雷奇分校杨朝辉研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年7 月 刊 发表了题目为《高海拔冻土区路基周边近地表流场特征及其工程意义》的研究性文章，结合青藏高原北麓河高等级公路试验示范工程，沿垂直于路基走向的横剖面开展了路基周边近地表流场的长期定位观测。基于6个观测塔完整的一年观测数据，文章分析了路基两侧60 m范围内地面以上0.5 m、1.5 m、3.0 m和4.5 m高度上风速、风向的空间分布特征及季节变化规律。文章表明，路基的存在对近地表流场有显著的影响，在背风侧的影响距离可达10倍路基高度。路基周边近地表风速沿高度的分布可用综合幂次律描述，幂次值为0.14~0.4；远离路基位置幂次值年均水平为0.19，与以往研究中常用值存在差异。文章讨论了近地表风场的空间分布和季节变化对包括块石、通风管等气冷路基结构工作机制和长期效果的影响，表明低估近地表风场速度剖面的幂次值、忽略风向的季节变化可能导致气冷类主动冷却降温措施设计的不足。

文章指出，研究区冷季风向相对单一，W、WNW、WSW风出现频率均在22%以上，合计占74.4%。暖季时，风向较为分散，单一风向出现频率未超过15%。冷季的风速明显高于暖季，有利于气冷类主动冷却措施对冻土地基的降温。此外，路基的存在对迎风侧的风向没有影响，但背风面垂直于路堤方向的风减缓，而平行于路堤方向的风有所加强。路基高度范围内，路基显著降低了迎风和背风侧风速，路基顶面以上背风侧风速明显增强。在路基高度15~20倍范围，近地表流场逐渐恢复。

文章表明，采用综合幂次律可以较好地拟合路基周边近地表风速剖面，幂次PLI值随季节和与路基之间距离的变化较大。在远离路基位置，冬季PLI均值为0.21，夏季为0.16，年均水平PLI值为0.19，显著大于已有研究中的常用值0.12和0.16。对PLI值的低估可导致对主动冷却措施降温效能的高估，进而引发主动冷却路基设计的不足。与此同时，文章揭示了风向也是影响块石路基和通风管路基冷却降温效果的关键因素，忽略风向变化同样会导致对冷却降温效果的高估和路基设计的不足，因此建议在主动冷却路基设计时考虑区域主导风向与路基走向之间的夹角。值得注意的是，文章的主要结论均来自一个场地的观测结果，包括地表条件、地形、路基几何形状等因素，均对构筑物周边近地表流场特征产生影响，因此后续还需要在更多不同环境下进行现场观测研究。

以上内容来自：Yanhu Mu, Wei Ma, Zhaohui Joey Yang, Xiaolin Li, Kun Zhang, Yuncheng Mao. Field Observations of Near-Surface Wind Flow Across Expressway Embankment on the Qinghai–Tibet Plateau [J]. Engineering, 2022, 14(7): 169-180.