遮陽(yáng)網(wǎng)在多年凍土區(qū)邊仰坡防護(hù)中的應(yīng)用研究

陸 蒙

(1．同濟(jì)大學(xué)，上海 200092;2．同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

多年凍土隧道洞口段邊坡易受氣象、日照等因素影響，對(duì)凍土邊坡的熱融防治是多年凍土隧道洞口段施工的難點(diǎn)之一?？档吕匾?1996)提出了在覆冰多年凍土上采用遮陽(yáng)棚的優(yōu)越性［1］。馮文杰等(2006)針對(duì)遮陽(yáng)棚對(duì)公路鐵路沿線路基底下多年凍土的保護(hù)作用以及對(duì)多年凍土上限的抬升效果進(jìn)行了對(duì)比分析［2］。俞祁浩等(2007)對(duì)青藏公路遮陽(yáng)板試驗(yàn)段進(jìn)行觀測(cè)，證明遮陽(yáng)板可以降低整個(gè)坡面年平均溫度約3．2℃［3］。姜路嶺隧道所在地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)，選用合理的遮陽(yáng)措施對(duì)于隧道洞口段的順利施工具有十分重要的意義。由于高原地區(qū)風(fēng)速較大，遮陽(yáng)棚、遮陽(yáng)板長(zhǎng)期處于這種環(huán)境下易發(fā)生破壞，且遮陽(yáng)板的抗老化抗腐蝕能力較差，在風(fēng)的作用下，破損速度更快［2-4］。依托工程決定放棄采用遮陽(yáng)棚、遮陽(yáng)板，并首次將遮陽(yáng)網(wǎng)應(yīng)用于多年凍土隧道邊坡工程的防護(hù)中。針對(duì)這一新型遮陽(yáng)措施，分析了其工作原理以及在多年凍土區(qū)應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)數(shù)值計(jì)算，結(jié)合太陽(yáng)輻射值與邊坡地溫的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了遮陽(yáng)網(wǎng)的實(shí)際作用。

1 遮陽(yáng)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)及施工

姜路嶺隧道設(shè)計(jì)為雙洞四車道，洞口開挖后邊坡坡頂跨度較大(超過(guò)40 m)，大跨度遮陽(yáng)棚需要做特殊設(shè)計(jì)，并要解決受力、安全性能等許多技術(shù)難題，且一般鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)極高。

為了能盡快解決邊仰坡熱融坍塌問(wèn)題，趕在寒季來(lái)臨之前進(jìn)洞施工，依托工程決定放棄采用遮陽(yáng)棚，提出采用在洞口搭設(shè)簡(jiǎn)易雙層遮陽(yáng)網(wǎng)的施工新技術(shù)。相比遮陽(yáng)棚，遮陽(yáng)網(wǎng)有著取材方便、造價(jià)低、施工便利、受風(fēng)力小、安全性能好的優(yōu)點(diǎn)。姜路嶺邊仰坡遮陽(yáng)網(wǎng)施工，坡面用草袋裝粗顆粒土覆蓋后，鋪設(shè)第一層遮陽(yáng)網(wǎng)，隨后，用φ22的鋼管架1 m～1．5 m高支撐第二層遮陽(yáng)網(wǎng)。

2 遮陽(yáng)網(wǎng)的降溫效果分析

以姜路嶺進(jìn)口邊坡為例，進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)多年凍土邊坡的降溫效果和對(duì)多年凍土上限的抬升程度。

2．1 計(jì)算模型

模型采用二維實(shí)體單元Plane55劃分網(wǎng)格，外界因素對(duì)圍巖的溫度場(chǎng)影響范圍不超過(guò)10 m，為減小模型邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響，計(jì)算范圍取寬度55 m，高度30 m，坡角按姜路嶺進(jìn)口邊坡實(shí)際情況取15°，見圖1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模型初始溫度?。?．7℃，并在模型底部加載恒定溫度荷載T0=－0．7℃，模型上邊界為與外界溫度的對(duì)流換熱邊界。

2．2 太陽(yáng)輻射效應(yīng)

外界對(duì)洞口段凍土邊坡的溫度場(chǎng)影響主要為大氣對(duì)流換熱和太陽(yáng)輻射熱兩者影響。可將兩個(gè)不同的因素綜合為一個(gè)因素，作為熱分析的邊界條件［5］，即將太陽(yáng)輻射引起的熱量轉(zhuǎn)換為等效的氣溫增量，具體方法如下:

1)年平均輻射熱等效為年平均溫度提升，可以按式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

其中，H'為邊坡表面接受的年平均輻射熱;α為表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù);h為表面對(duì)流交換系數(shù)，按式(2)進(jìn)行計(jì)算:

其中，v為風(fēng)速。

圖1 計(jì)算模型

2)年變化輻射熱等效為年氣溫變幅增加，可以按式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

其中，A'為太陽(yáng)輻射熱的年變幅。

根據(jù)常用太陽(yáng)輻射模型［6，7］，計(jì)算隧址地區(qū)每月太陽(yáng)輻射值，見表1。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，姜路嶺隧道進(jìn)口植被發(fā)育，取吸收系數(shù)α=0．7，年平均風(fēng)速v取8 m/s。代入式(1)，計(jì)算每月月底的斜坡日總輻射計(jì)算值及等效氣溫增量見表1。又根據(jù)姜路嶺隧道設(shè)計(jì)氣象資料，洞外氣溫曲線表達(dá)式為:

表1 太陽(yáng)輻射值計(jì)算 kJ/(m2·h)

結(jié)合表1，得到考慮太陽(yáng)輻射后的等效外界溫度函數(shù)表達(dá)式:

且在施作遮陽(yáng)網(wǎng)后，取不同遮陽(yáng)率時(shí)的等效外界溫度函數(shù)表達(dá)式，見表2。

2．3 太陽(yáng)輻射對(duì)邊坡地溫的影響分析

分別按式(2)，式(3)加載外界溫度函數(shù)，計(jì)算得到考慮太陽(yáng)輻射和不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)分別繪制各洞口段在有無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)，最冷月和最熱月地溫曲線，見圖2;圖3是兩種情況下的邊坡凍融曲線圖?？梢钥闯觯豢紤]太陽(yáng)輻射時(shí)，地層整體溫度明顯下降。夏季，發(fā)現(xiàn)地表溫差大，地層中溫差較小，地表溫差為4．8℃左右，表明短期內(nèi)太陽(yáng)輻射熱對(duì)邊坡的影響最大，隨著深度增加影響減小;冬季，地表溫差小，地層中溫差較大，地表溫差在2．1℃左右，表明太陽(yáng)輻射熱對(duì)地層溫度場(chǎng)的影響在冬季減弱，使得冬季地表溫度更加接近，地層中溫度由于暖季受太陽(yáng)輻射熱影響儲(chǔ)蓄了較高的熱能因而降溫緩慢。

表2 不同遮陽(yáng)率下的等效外界氣溫表達(dá)式

圖2 不同時(shí)間地層溫度曲線對(duì)比圖

圖3 地層凍融曲線對(duì)比

不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)，最大融深月份在7月與8月之間，為0．58 m，地層中存在融土的時(shí)間約占全年的1/4～1/3;在太陽(yáng)輻射的影響下，邊坡則更早的開始熱融，并更晚的回凍，最大融深時(shí)間出現(xiàn)的更晚，一般在8月和9月之間，且最大熱融深度增大為1．60 m，地層中存在融土的時(shí)間約占全年的1/2。

2．4 遮陽(yáng)網(wǎng)的作用分析

姜路嶺隧道進(jìn)口于8月份開挖施工，于9月份在邊坡鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)。由于從地表至多年凍土上限的活動(dòng)層，其溫度場(chǎng)受天氣和太陽(yáng)輻射值(日變化)等短周期因素影響，因此，讀數(shù)時(shí)間和當(dāng)時(shí)天氣對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響很大，使得與計(jì)算值存在差異，尤其是地表溫度相差較大。而多年凍土上限附近及年變化深度以下的多年凍土層，其溫度場(chǎng)僅受地表長(zhǎng)周期(氣溫多年波動(dòng))溫度變化的影響，實(shí)測(cè)值較有參考價(jià)值，因此將姜路嶺進(jìn)口邊坡鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)后的融深與計(jì)算融深進(jìn)行對(duì)比，分析遮陽(yáng)網(wǎng)的實(shí)際效用。

在姜路嶺洞口段鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)的邊坡地溫觀測(cè)孔位于試驗(yàn)段遮陽(yáng)網(wǎng)的中心，受遮陽(yáng)網(wǎng)的影響最大，圖4為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)融深與不同遮陽(yáng)率下的計(jì)算融深對(duì)比。可見，遮陽(yáng)網(wǎng)的實(shí)際遮陽(yáng)率達(dá)到了0．6～0．7，隨著遮陽(yáng)網(wǎng)鋪設(shè)完工后一年，遮陽(yáng)網(wǎng)的遮陽(yáng)作用和對(duì)邊坡的降溫效果已經(jīng)非常明顯，從測(cè)得融深對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)后第一年邊坡凍土上限抬升了80 cm。

圖4 計(jì)算融深與監(jiān)測(cè)融深的對(duì)比

2．5 遮陽(yáng)網(wǎng)降溫效果預(yù)測(cè)

繼續(xù)計(jì)算鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)5年內(nèi)的邊坡地溫(見圖5)。在鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)后第2年，凍土上限相比鋪設(shè)第1年又提升了15 cm;在鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)后第3年，凍土上限相比第2年提升了5 cm;鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)后第4年，第5年，邊坡凍土上限均為60 cm。因此，遮陽(yáng)網(wǎng)的遮陽(yáng)效果見效快，能在其鋪設(shè)第一年內(nèi)迅速提升凍土上限，是一種十分有效的凍土邊坡防護(hù)措施，隨著年限的增長(zhǎng)，遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)凍土上限的提升有較小幅度的增長(zhǎng)。

圖5 邊坡地溫等溫線

3 結(jié)語(yǔ)

1)在多年凍土隧道建設(shè)中，遮陽(yáng)網(wǎng)首次被應(yīng)用于多年凍土邊坡防護(hù)中，相比遮陽(yáng)棚、遮陽(yáng)板等遮陽(yáng)措施，遮陽(yáng)網(wǎng)有著良好的抗風(fēng)性和耐久性，更加適應(yīng)高原氣候。

2)在太陽(yáng)輻射的作用下地層溫度整體上升明顯，且越接近地表，溫度上升幅度越大，太陽(yáng)輻射在夏季對(duì)邊坡升溫作用明顯，而在冬季作用減弱。姜路嶺進(jìn)口邊坡不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)，最大融深為0．58 m;在太陽(yáng)輻射的影響下，最大熱融深度增大為1．60 m。

3)從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，鋪設(shè)遮陽(yáng)網(wǎng)后等于減少了太陽(yáng)輻射對(duì)邊坡溫度場(chǎng)的影響，能夠明顯抬升多年凍土上限，降低土體的溫度，對(duì)保護(hù)多年凍土起到積極作用。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)邊坡融深的監(jiān)測(cè)，得出遮陽(yáng)網(wǎng)的實(shí)際遮陽(yáng)率達(dá)到了0．6～0．7。

4)遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)多年凍土邊坡的防護(hù)作用見效快，在第一年內(nèi)迅速提升凍土上限，隨后幾年，遮陽(yáng)網(wǎng)對(duì)凍土上限的提升有較小幅度的增長(zhǎng)。

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