[科研速递] ATE | 亚寒带路基积雪隔热效应及其热能收支量化研究-北京尧图网络

Quantification of snow insulation effect on the thermal energy budget in sub-Arctic embankmentU型碎石路基几何优化亚寒带冻土道路抗积雪升温的50年长周期解**导语**中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究团队在 Applied Thermal Engineering期刊在线发表题为《Quantification of snow insulation effect on the thermal energy budget in sub-Arctic embankment》的最新成果。研究基于流体力学与非等温流-固耦合数值模型系统评估了 25 组路基几何工况下的积雪重分布规律与四类典型路基结构普通路基、碎石通风路基 CRE、CREXPS 保温复合路基、U型碎石通风路基的热能收支特征首次揭示了积雪–几何–对流耦合机制提出可在气候变暖背景下维持多年冻土长期稳定的 U型碎石路基设计50年长周期模拟未见融区形成。————一、研究背景全球多年冻土正大面积快速退化。亚寒带地区 70% 的基础设施公路、管道正面临融沉与失稳威胁直接危及多年冻土区 1200 个聚居地约 400 万居民的安全。极地与高海拔地区升温速率达全球平均水平的 2–3 倍北极多年冻土2007–2016升温约 0.39 ± 0.15 ℃青藏高原近 0.78 ℃/十年。多年冻土快速退化已使俄罗斯北极地区地基承载力下降逾 40%青藏高原冻土融化速率较自然状态加快 3–11 倍2003 年青藏公路单年维修费用高达 1.69 亿美元。目前工程中普遍采用**碎石Crushed rock**层结构汇集天然冷量以维持冻土稳定性该方案在青藏铁路取得了良好效果。然而季节性积雪大幅度削弱了碎石通风路基CRE的制冷效率积雪改变路基边坡热边界条件抑制内部对流换热内蒙古监测数据表明25 cm 厚积雪可使 0.1 m 深度处土体日均最低温度较无雪条件升高约 10 ℃泛北极区长期监测证实积雪对土温的影响可深达 20.4 m。积雪堆积具有显著非均匀性路肩处积雪较薄边坡处积雪较厚。关键缺口在于路基几何形态如何控制积雪堆积导热与对流在积雪覆盖复合结构中如何耦合各类路基在长周期时段的性能表现如何。————二、研究方法本研究建立了路基几何参数 → 积雪重分布 → 内部对流换热 → 长期热演化的统一数值模型框架1几何参数正交试验对 25 组路基几何工况进行正交试验设计路基高度 2.5–6.5 m1 m 间隔坡比 1:1.5–1:50.5 或 1.0 梯度通过组合分析确定控雪性能最优的复合坡型方案顶部 1:4 底部 1:3高度 4.5 m。2流体动力学模型RANS k-ω采用雷诺平均纳维–斯托克斯k-ω湍流模型入口边界采用对数风速廓线出口为充分发展流路基壁面无滑移处理。积雪起动临界风速 3–5 m/s 作为回流涡区界定阈值所有工况采用结构化四边形网格平均网格质量 1.0。3非等温流-固耦合模型采用布辛涅斯克密度近似处理空气可压缩性等效热容法处理冰水相变潜热 Lf 334 kJ/kgn因子法定义积雪/路面/裸地边界条件Table 3正弦年气温函数驱动气候波动。路基高度 4.5 m含 1.5 m 厚碎石层土体分层为泥炭层 0.4 m、黏土层 2.6 m、砾石层 3.0 m、风化泥岩层 24.0 m。4四类路基对比Case 1–4Case 1 为常规素土路基无冷却措施对照Case 2 为梯形碎石通风路基CRECase 3 为碎石挤塑聚苯乙烯复合路基CREXPS0.1 m 厚/9 m 宽 XPSCase 4 为 U型碎石通风路基碎石层水平内缩 0.4 m、垂直下移 0.3 m。5数值求解与时间步Case 2/3/4 碎石层孔隙率 0.4碎石固有渗透率按 Côté 公式计算。四类路基网格质量介于 0.9637–0.9753 之间总单元数 75 485–93 082。季节性分析以第 10 年 1/4/7/10 月 15 日流场为代表长周期评估以第 10–50 年间每 10 年为间隔。————三、关键结果结果1坡比与高度对积雪气动堆积的调控如图 Fig. 1–Fig. 4 所示气流模拟揭示了坡比与路基高度对回流涡区的协同控制效应。坡比 1:1.5 时回流区 L ≈ 22 m、H ≈ 2.5 m、涡核风速低于 2 m/s坡比 1:3 时回流涡几乎消失。路基高度由 2.5 m 升至 6.5 m 时回流区 H 由 1.2 m 扩展至 3 m 以上。最优几何为高度 4.5 m 复合坡比顶部 1:4 底部 1:3可将回流涡厚度压缩至 1.2 m、水平长度限制在 5–6 m涡核风速提升至 3–4 m/s显著削弱积雪气动堆积。图1 风速场几何模型与边界条件图4 不同路基尺寸下气流分布结果2四类路基气流强度季节对比第 10 年 1 月Case 2/3/4 最大气流速度分别为 9.96×10⁻²、1.135×10⁻¹、2.544×10⁻¹ m/sU型 CRECase 4平均速度为 Case 2/3 的 3.3/3.1 倍全年形成 4 个稳定湍流团簇垂直主导对流贯穿整个碎石层。即使在 7 月对流最弱季Case 4 仍保持 Case 2/3 冬季强度以上的气流水平。图5 Case 2/3/4 气流速度与模式1月/4月/7月/10月结果3竖向热通量季节演化Case 4U型 CRE冬季冷通量峰值居四类路基之首坡脚 −15 W/m²、中心 −10 W/m²较 Case 1常规路基−10/−5 W/m² 显著增强Case 3CREXPS通过 XPS 不完全覆盖策略将 XPS 下方冷通量从 −1 W/m² 提升至 −5 W/m²。图6 第10年竖向热通量NG Case 1–4结果450 年长周期融区演化50 年模拟结论Case 1第 20 年、Case 2第 30 年、Case 3第 50 年依次出现融区Case 4 整个 50 年模拟期内未形成融区地下温度始终维持在 −0.5 ℃ 或以下。第 50 年 Case 1 融区厚度分别为 Case 2、Case 3 的 1.6 倍与 8 倍中心融区温度升至 0.5–1.0 ℃。冷却性能排序Case 4 Case 3 Case 2 Case 1。图7 四类路基第10/20/30/40/50年温度演化结果515 m 深度升温速率坡脚处 25–50 年升温速率Case 1 为 0.024 ℃/year累计 1.21 ℃、Case 2 为 0.020 ℃/year、Case 3 为 0.018 ℃/year、Case 4 仅 0.013 ℃/year累计 0.65 ℃。中线处Case 1 升温最快0.026 ℃/yearCase 4 最慢0.014 ℃/year。图9 15 m 深度地温时序坡脚/中线————四、核心结论**结论1**几何改造可显著削弱积雪气动堆积。复合坡比顶部 1:4 底部 1:3高度 4.5 m较均匀 1:3 设计减少土方量与边坡稳定性要求较均匀 1:4 设计进一步压缩回流区与积雪颗粒停留面积。**结论2**CRE 部分缓解积雪升温但融区仅延后约 10 年。积雪的隔热效应削弱了碎石层内部空气对流是 CRE 性能受限的根源。结论3****CREXPS 复合体系具有热半导体效应。通过 9 m 宽 XPS 不完全覆盖策略将 XPS 下方冷通量从 −1 W/m² 提升至 −5 W/m²延长无融区时段至约 40 年保温层选择性调节冬季冷量输运而非完全抑制对流。**结论4**U型 CRE 是积雪影响冻土区长期热稳定性的最优方案。其几何形态促进垂直主导气流结构路基中线对流风速约 CRE 的 3.3 倍冬季冷通量峰值 −15 W/m²较其他结构高 10 W/m²50 年长周期模拟未见融区形成。————五、研究创新点创新1首次将空气流动驱动的积雪重分布与路基内部对流换热进行显式耦合揭示了积雪–几何–对流三者耦合机制。创新2对 25 组路基几何工况进行正交试验模拟给出控雪性能最优的复合坡比方案顶部 1:4 底部 1:3路基高度 4.5 m。创新3提出U型碎石通风路基结构冬季冷通量达 −15 W/m²较常规路基高 10 W/m²50 年长周期模拟未见融区形成。创新4揭示 CREXPS 复合体系中**“热半导体效应”**XPS 保温层选择性调节冬季冷量输运而不完全抑制对流。创新5建立基于 n因子地表温度换算、RANS k-ω 湍流闭合、布辛涅斯克密度近似与冰水相变等效热容法的统一数值模型为亚寒带寒区路基热工评估提供可复现的 CFD 框架。————六、研究不足与未来展望研究不足1积雪效应以 n因子季节性边界条件体现未显式解析积雪层演化过程因此真实多场耦合机制仍有简化空间2侧向边界采用绝热假设仅适用于路基尺度的竖向与内部对流比较分析对景观尺度横向传导的适用性受限3碎石层渗透率与孔隙率取恒定值中等堵塞虽不改变 U型设计的相对优势但对流强度绝对值可能与现场工况存在偏差。未来展望1开展多气候情景下的对比研究包括极端升温与极端降雪情景2现场长期监测验证 U型 CRE 在亚寒带实际工程中的长期制冷性能3将模型扩展至三维与多年冻土–植被–大气耦合系统支撑青藏铁路、东北多年冻土区公路沿线工程的设计与维护。————Original paper DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2026.130151IF: 7.5 Q1 B2 [](https://www.sci-hub.vg/10.1016/j.applthermaleng.2026.130151) [](https://www.sci-hub.vg/10.1016/j.applthermaleng.2026.130151)**合规版权声明**本文基于非开源期刊原始论文完成中文专业解读所有图表、数据、结论均完全来自原文版权归原作者及所属期刊所有如有任何问题请联系我们删除。**学术引用规范**如需引用本文研究数据或结论请务必检索、核对并引用原始期刊论文不可直接引用本公众号推文。**免责说明**本文为非商用学术知识传播仅用于科研学术普及交流不代表原作者与期刊认可本公众号二次解读内容本文解读力求精准但正式科研使用请务必核对原文原始数据。禁止未经授权商用转载、二次售卖本文内容。**文末感谢**衷心感谢原作者 Guo Li, Lin Chen, Wenbing Yu, Haikun Qin, Fenglei Han 完成的原创研究工作同时感谢期刊《Applied Thermal Engineering》原名不翻译搭建专业学术传播平台为本研究领域提供规范、权威的文献查阅渠道支撑本文完成文献梳理与对比分析工作。————持续关注本公众号第一时间获取岩土工程、寒区科学与工程、气候变化领域的最新论文与科研技术动态。

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