作者:马卓敏 岳晓 来源:中国科学报 发布时间:2016/2/15 9:31:29
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寒旱所冻土重点实验室:在冻土上描绘科学图画

白春礼(左一)参观冻土工程国家重点实验室。

实验室主任吴青柏(左一)介绍地质雷达在冻土工程勘测中的应用。

■本报见习记者 马卓敏 通讯员 岳晓

久负盛名的青藏铁路,让天堑变通途,高原不再遥远。乘车的人们在一路为美景惊叹时,却不知道这天路背后的技术力量与科研人员辛勤的汗水。

青藏铁路是高温冻土工程建设方法发展史上的重要里程碑。在多年冻土区修建这样一条铁路,难度可想而知。之所以能取得令人瞩目的成就,与中科院寒旱所冻土工程国家重点实验室有着密不可分的关系,与实验室始终秉承的“以冻土科学与技术创新为理念,从冻土科学和冻土工程两个角度来开展冻土研究”有着紧密的联系。

解决青藏铁路筑路核心难题

走进冻土工程国家重点实验室,走廊两旁的展板记载了实验室这些年取得的一系列骄人成绩。“来自17个国家的56位冻土学家在实地考察后一致认为,青藏铁路工程建设所采用的以冷却路基为主、积极保护冻土的设计;用块石路基、碎石护坡、热棒与保温材料做桥梁跨越,完全体现出当代冻土区铁路工程建设的先进水平。”实验室主任吴青柏告诉《中国科学报》记者,冻土工程国家重点实验室如今已参与到多项国内外多年冻土区重大冻土工程项目的科研实践中,如广为人知的青藏公路、青藏铁路、中俄输油管道工程、哈大高速铁路工程、青藏直流联网工程等特大型工程。

加拿大著名冻土学家哈里斯评价说,青藏铁路工程让全世界得到了在多年冻土区建设铁路的成功经验,会对在极端环境下各国工程设计人员在工程设计和施工的开展上产生深远影响。“密歇根理工大学项目团队在开展横跨北美大铁路项目可行性研究中,评估了全世界深季节冻结和多年冻土区铁路工程领域最新和最好的研究,就曾大量引用过实验室在青藏铁路冻土工程筑路技术上发表的论文。”吴青柏说。

在青藏铁路建设上,冻土工程国家重点实验室在国际上首次提出了冷却路基、降低冻土温度的创新性设计思路,揭示了冷却路基调控原理。通过这些工程,使国家取得了显著的经济效益和社会效益,为国家冻土区重大工程建设提供了重要的技术支持。“通过完善以调控热传导、辐射和对流为理论基础的冷却路基筑路技术体系,从根本上解决了青藏铁路多年冻土筑路技术核心难题,解决了高温高含冰量多年冻土路基稳定性的世界难题。”实验室程国栋院士告诉记者。

探寻一种非常规高效清洁能源

“这是我们从昆仑山垭口盆地开展探索性研究工作时获得的,通过450米深孔钻探和地球物理测井,我们研究了岩芯气体成分、多年冻土特征、地球化学特征和地球物理测井资料,发现了昆仑山垭口盆地天然气水合物的赋存证据。”当记者询问放在固定容器中的各种岩石样品时,吴青柏如是说。

研究发现,在昆仑山垭口250米以下多个深度上岩层存在大量气体释放异常, 具有天然气水合物分解间歇性释放的特征。同时多个深度上发现了与水合物分解产生甲烷密切相关的碳酸盐和黄铁矿等自生矿物。

“青藏高原多年冻土区可燃冰一直是学界广为关注的热点问题。天然气水合物多发育于多年冻土区和海洋沉积物, 是一种非常规高效清洁能源。”吴青柏认为,天然气水合物性质不稳定且极易分解, 冻土退化极易引起天然气水合物分解释放甲烷,将加剧气候转暖和生态环境灾变。因此,寻找和发现青藏高原多年冻土区天然气水合物, 探讨多年冻土与天然气水合物的关系,对于青藏高原天然气水合物的开发和利用以及气候和环境效应具有重要的科学意义。

如今,实验室在资源环境等方面也开展了重要的科学研究。冻土与气候、生态之间的相互作用关系、冻土退化的水文和灾害效应、多年冻土区“可燃冰”研究等,均是紧密结合国家重大需求的项目。

新技术为青藏高速公路建设带来契机

青藏铁路工程是一项最为典型的将寒区工程技术研究成果和专利技术应用到冻土工程的案例。如今获得国家发明技术奖二等奖的冻土路基地温调控技术及冻融灾害防治新技术,正在北麓河野外台站针对宽幅沥青路面开展复合冷却路基调控冻土热稳定性新技术试验示范。

北麓河台站站长陈继告诉《中国科学报》记者,他们工作的地区地处荒郊野外,海拔高度4650米,工作需要沿青藏公路展开,路况差,每年要跑4万公里青藏线。全年每月两次的观测,没有班车,必须开车,还要进入危险四伏的无人区。而就是在这样艰苦的条件下,科研人员取得了非常重要而有价值的研究成果,新技术将为多年冻土的青藏高速公路建设发挥重要作用。

在实验室,记者还看到了国际上首台冻土静动空心圆柱仪,“这台设备可以开展主应力轴旋转的静态试验、动态试验,为进一步研究较为真实应力路径条件下冻土的力学性质提供技术保证。”寒旱所所长马巍告诉记者,在哈大高速铁路建设中,实验室正是通过引进这样的先进技术仪器并开展长期的寒区工程的基础研究,才很好地揭示出高速铁路微弱冻胀形成机制及其影响特征,突破了微弱冻胀对冻土区高速铁路影响较弱的传统认识,为我国首条严寒地区高速铁路的成功建设和安全运营做出突出贡献。

此外,在中俄输油管道建设中,实验室建立了针对管道—冻土热、力相互作用的计算新模型,提出了中俄输油管道油温和冻融圈新的预报方法。在国际上首次提出了冻土区“基于应变的管道设计”原创性设计新思路,显著提高了变形预报精度和管基工程可靠性;在青藏直流联网工程方面,提出“强化冻结、防治融沉”新的设计原则,突破原有以“抗冻拔”的设计原则,更改和完善了工程设计,破解了原有多周期工程建设原则,为输电线路基础施工、组塔、架线和投运的工程转序和科学决策提供直接支撑。

《中国科学报》 (2016-02-15 第6版 院所)
 
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