中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 冰凍圈區(qū)域蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣和礦產(chǎn)資源等，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源開發(fā)利用必然涉及公路、鐵路、水路、機(jī)場、輸電線路、油氣管道和港口碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在冰凍圈區(qū)域開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會受到冰凍圈各要素的制約；同時，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也會對冰凍圈各要素產(chǎn)生影響。通過冰凍圈各要素分布規(guī)律和變化過程，以及冰凍圈災(zāi)害與工程之間互饋關(guān)系的研究，提出解決重大工程安全保障技術(shù)和災(zāi)害防治技術(shù)，以最大限度地減緩和適應(yīng)冰凍圈變化對工程構(gòu)筑物的重大影響，這對于西部大開發(fā)、東北振興和“一帶一路”倡議均具有重要意義。

冰凍圈區(qū)域的重大工程安全和正在運(yùn)行的重大基礎(chǔ)設(shè)施均會受冰川、凍土、積雪、海（河、湖）冰等冰凍圈各要素變化所誘發(fā)的冰凍圈災(zāi)害的巨大威脅；其中，氣候變暖使冰凍圈區(qū)域工程安全和服役功能面臨環(huán)境變化帶來的新平衡及適應(yīng)問題，容易誘發(fā)較大的風(fēng)險，特別是目前正處于氣候快速變化期。

冰凍圈工程學(xué)主要研究任務(wù)

冰凍圈工程學(xué)是研究冰凍圈要素（如冰川、積雪、凍土、河冰、湖冰和海冰等）與工程構(gòu)筑物之間相互作用關(guān)系的一門科學(xué)。作為冰凍圈科學(xué)服務(wù)于人類社會、促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的重要分支學(xué)科，冰凍圈工程學(xué)處于與其他圈層之間相互作用及影響和適應(yīng)的層面。冰凍圈要素形成規(guī)律和變化過程是理解冰凍圈工程學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)，冰凍圈各要素與工程活動間的相互影響機(jī)理及其對工程的適應(yīng)途徑、研發(fā)相對應(yīng)的工程安全保障技術(shù)來適應(yīng)冰凍圈各要素的變化及其影響，是冰凍圈工程學(xué)的核心內(nèi)容。

冰凍圈工程學(xué)，除研究傳統(tǒng)的工程地質(zhì)條件、氣象條件、海洋條件、水文條件等方面外，需要特別研究冰凍圈各要素的時空分布和變化特征、工程局地條件、冰凍圈環(huán)境與災(zāi)害等。這些基礎(chǔ)工程環(huán)境條件，特別是冰凍圈各要素與工程有關(guān)的適應(yīng)性條件，是冰凍圈影響區(qū)域工程建設(shè)的核心和應(yīng)用基礎(chǔ)。只有搞清了冰凍圈影響區(qū)域?qū)こ逃绊懙臐撛跇O限作用力和構(gòu)筑物承受外力的能力，才能夠準(zhǔn)確把握各類工程的設(shè)計原則、設(shè)計方法和工程技術(shù)措施，保證工程構(gòu)筑物安全施工和運(yùn)行。

因此，冰凍圈工程學(xué)研究的主要任務(wù)有： 通過現(xiàn)場勘測、原位監(jiān)測和數(shù)值模擬等方法，研究冰凍圈各要素分布特征及變化過程與工程穩(wěn)定性和工程服役性相互作用關(guān)系，并預(yù)測冰凍圈各要素變化過程及其對工程穩(wěn)定性的影響；研究人類活動對冰凍圈各要素環(huán)境的影響及其誘發(fā)的冰凍圈災(zāi)害，提出保障工程安全運(yùn)營的工程設(shè)計原則、設(shè)計參數(shù)、工程技術(shù)措施和災(zāi)害防治技術(shù)，以及冰凍圈環(huán)境保護(hù)對策；研究氣候和環(huán)境變化影響下工程服役性及其對社會經(jīng)濟(jì)影響程度，提出氣候變化下冰凍圈影響區(qū)域的工程建設(shè)規(guī)模和強(qiáng)度、工程的適應(yīng)性技術(shù)和措施，以提升冰凍圈工程服務(wù)功能。

研究現(xiàn)狀

冰凍圈各要素的認(rèn)識和研究是伴隨著冰凍圈區(qū)域工程建設(shè)開始的，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要使冰凍圈工程學(xué)得以迅速發(fā)展和壯大。因此，冰凍圈工程學(xué)的研究內(nèi)容可能早于冰凍圈各要素分支學(xué)科的研究內(nèi)容。

凍土工程。20?世紀(jì)?30?年代—50?年代，各國先后圍繞著重大基礎(chǔ)設(shè)施開始了研究，如環(huán)北極地區(qū)的礦山、公路、鐵路、機(jī)場、房屋、油氣資源開發(fā)等工程。蘇聯(lián)通過橫穿西伯利亞大鐵路、西伯利亞—太平洋管道系統(tǒng)和北方城市建設(shè)推動了凍土和寒區(qū)工程研究；加拿大通過馬更些谷地油氣開發(fā)和諾曼輸油管線建設(shè)推動了凍土與寒區(qū)工程研究；美國通過阿拉斯加輸油管線的凍土工程設(shè)計和施工推進(jìn)了寒區(qū)工程的研究，形成了凍土工程學(xué)科體系；其他一些國家在凍土工程研究也取得了一定的進(jìn)展。從?20?世紀(jì)?50?年代開始，圍繞著寒區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施、公路、鐵路、輸油管道等工程建設(shè)，我國在青藏高原凍土區(qū)和東北大、小興安嶺凍土區(qū)開展了大量的凍土工程研究。青藏鐵路工程建設(shè)，推動了我國凍土工程研究的快速發(fā)展，形成了凍土工程學(xué)科。

冰川與積雪工程。20?世紀(jì)?50?年代初，國內(nèi)數(shù)十個研究和工程部門等相繼開展積雪和雪害的調(diào)查及防治研究。20?世紀(jì)?70?年代末，我國開展了冰川災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展趨勢對冰川作用區(qū)的寒區(qū)公路工程影響的研究，預(yù)測了巴托拉冰川前進(jìn)和變化趨勢，為制定公路修復(fù)方案提供了重要的科學(xué)支撐。特別是較系統(tǒng)地研究了積雪、風(fēng)吹雪、雪崩及其危害機(jī)理和防治技術(shù)，提出了一套適合我國預(yù)防風(fēng)吹雪的原則與綜合治理的措施和設(shè)計方法等，形成了一套較為完整的公路風(fēng)吹雪理論體系。

河、湖（水庫）冰工程。許多國家均有各種河、湖（水庫）冰工程構(gòu)筑物，研究集中在河、湖冰形成、發(fā)展、消失全過程的數(shù)值模擬和模型開發(fā)方面。特別是利用歷史和現(xiàn)時水文、氣象資料，以及河流、水庫和湖泊等水體的封冰和解凍的規(guī)律，預(yù)測未來冰情，以便提前制定應(yīng)對和防范冰凌災(zāi)害事故發(fā)生的措施。為了減輕和防范冰對構(gòu)筑物和生產(chǎn)安全運(yùn)行的影響，需采取冰工程防治技術(shù)以確保工程安全。

海冰工程。19?世紀(jì)后期，俄羅斯和北歐科學(xué)家開展了破冰船設(shè)計和燈塔抗冰設(shè)計；冰封區(qū)軍事基地建設(shè)推動美國和蘇聯(lián)開展了冰工程的研究。特別是北極地區(qū)的勘探和礦石能源為在冰區(qū)實現(xiàn)全年通航，海冰工程研究迅速發(fā)展。近年來，俄羅斯薩哈林、北極的巴倫支海和喀拉海的油氣工程也帶動了海冰工程的研究。中國渤海海冰研究起步于?20?世紀(jì)?60?年代初，主要針對渤海和黃海北部的核電站工程、離岸碼頭工程和風(fēng)力發(fā)電工程開展了海冰工程研究，特別是海冰引起的結(jié)構(gòu)振動及其破壞作用。冰工程設(shè)計中考慮的因素，如流冰的面積和密集度、冰的力學(xué)性質(zhì)、冰對構(gòu)筑物的作用方式等研究，推動了海冰觀測和數(shù)值化冰情等工作。圍繞北極資源開發(fā)，冰-船相互作用和極地冰的工程力學(xué)性質(zhì)研究將得以發(fā)展。

在氣候變化、環(huán)境變化和人類活動的強(qiáng)烈影響下，全球變化對工程建設(shè)的影響，迫切需要刻畫冰凍圈各要素與重大工程構(gòu)筑物關(guān)系及其環(huán)境和災(zāi)害效應(yīng)，提出冰凍圈環(huán)境保護(hù)措施、冰凍圈災(zāi)害防治及保障技術(shù)，以及冰凍圈工程建設(shè)的新技術(shù)和新方法。

冰凍圈要素與工程關(guān)系

氣候變暖背景下冰凍圈各要素變化所誘發(fā)的災(zāi)害將對工程安全產(chǎn)生重要影響，同時作為工程地基的凍土也將受工程熱擾動的影響，因而冰凍圈災(zāi)害的防治技術(shù)和凍土熱穩(wěn)定性的安全保障技術(shù)是冰凍圈區(qū)工程建設(shè)和安全運(yùn)營的核心（圖?1）。

凍土作為承載工程構(gòu)筑物的地質(zhì)體，與工程構(gòu)筑物具有復(fù)雜的相互作用關(guān)系。一方面，工程熱擾動會直接導(dǎo)致其下部凍土快速升溫和融化，引起工程構(gòu)筑物發(fā)生凍脹和融化下沉變形；另一方面，凍土變化也會誘發(fā)熱融滑塌、融凍泥流、凍土滑坡等凍融現(xiàn)象的發(fā)生，影響其上部或周邊工程構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和安全運(yùn)營。因此，凍土工程中不僅要針對工程不同的熱源形式和熱影響提出土體本身的凍脹和融沉預(yù)防技術(shù)措施，減緩對工程穩(wěn)定性和服役性的影響，而且要研究工程影響誘發(fā)的次生災(zāi)害的防治技術(shù)。由于凍土與環(huán)境之間具有極為密切的關(guān)系，保護(hù)凍土環(huán)境可以減緩環(huán)境變化對凍土退化的影響，有利于減少工程病害?。

冰川和積雪既能以固體水源的形式作為工程建設(shè)區(qū)的水資源，又會以突發(fā)性變化誘發(fā)洪水、雪崩、雪堆等災(zāi)害，超越人類的防范能力。因此，冰川和積雪變化對工程安全運(yùn)營存在較大的潛在危害，需采取工程技術(shù)措施來防治冰川和積雪對工程的影響。開展冰川的分布和冰雪災(zāi)害對影響區(qū)域內(nèi)的工程穩(wěn)定性影響和評價研究，并依據(jù)工程重要性分析歷史冰川和積雪消融洪水的發(fā)生規(guī)模，以及預(yù)估未來冰雪消融洪水，給出重要構(gòu)筑物，如橋梁、隧道等設(shè)計原則和參數(shù)。因此，重要構(gòu)筑物的冰雪災(zāi)害設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計參數(shù)及災(zāi)害防治方法是工程安全的核心。

海（河、湖）冰可作為冬季臨時構(gòu)筑物或運(yùn)輸通道加以利用，同時構(gòu)筑在海（河、湖）冰上固定式和浮式結(jié)構(gòu)物需抵御海（河、湖）冰作用力，降低海（河、湖）冰的作用力破壞構(gòu)筑物的風(fēng)險。河、湖（水庫）冰與工程相互作用主要體現(xiàn)在工程構(gòu)筑物的抗冰能力和抗冰技術(shù)方面。對于河冰和渠道冰，需要認(rèn)識冰塞和冰壩發(fā)生的規(guī)律，評估河冰對水工構(gòu)筑物影響，評估渠道渡槽、邊坡的靜冰壓力、河中橋墩上的流冰撞擊力等，為構(gòu)筑物設(shè)計的方案選擇和優(yōu)化、規(guī)劃和施工提供依據(jù)。對于水庫冰，需要在觀測參數(shù)基礎(chǔ)上建立水庫邊坡抗冰推的設(shè)計。對于海冰，要開展?jié)M足抗冰構(gòu)筑物安全運(yùn)營的設(shè)計。流動的海冰作用于剛性構(gòu)筑物，構(gòu)筑物壽命取決于冰的撞擊力；而對于柔性構(gòu)筑物而言，冰層破碎引起的構(gòu)筑物振動及疲勞損傷決定構(gòu)筑物壽命。

氣候變化與冰凍圈工程服役性

受全球氣候變暖的影響，冰凍圈各要素均發(fā)生顯著的變化，從而影響冰凍圈區(qū)內(nèi)工程建設(shè)和安全運(yùn)營，改變了工程服役性。氣候變化增加基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性，對工程構(gòu)筑物造成超出正常條件和使用預(yù)期的額外壓力。

冰川快速消融導(dǎo)致的冰川洪水、冰湖潰決等冰川災(zāi)害出現(xiàn)的概率增加，重大災(zāi)害頻繁發(fā)生。洪水、冰雪災(zāi)等環(huán)境災(zāi)害，影響冰凍圈區(qū)內(nèi)的水電站、公路或鐵路路基工程和橋梁等工程構(gòu)筑物穩(wěn)定性，使工程服役性發(fā)生變化。為保證工程構(gòu)筑物的安全運(yùn)營，應(yīng)對水電站和公路、鐵路沿線的冰川和積雪災(zāi)害定期進(jìn)行系統(tǒng)地評估，確定氣候變化下工程的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，提高工程服役性。

氣候轉(zhuǎn)暖正加速多年凍土發(fā)生退化，引起了熱融滑塌、凍土滑坡等凍融災(zāi)害迅速增加，改變凍融循環(huán)頻率，影響基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性和脆弱性。近地表多年凍土層融化使得建筑物、公路、鐵路、管道和油氣基礎(chǔ)設(shè)施的工程服役性發(fā)生變化。在氣候變化背景下，評價凍土工程服役性需要研究量化氣候變化對多年凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施的潛在影響，包括更全面地研究公共基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境壓力之間的關(guān)系、基礎(chǔ)設(shè)施的壽命及工程的運(yùn)營和維護(hù)成本。

氣候變暖將導(dǎo)致開河期提早、封河期推后、凌汛期縮短，繼而導(dǎo)致凌汛災(zāi)害（如冰塞災(zāi)害、冰壩災(zāi)害、冰體壓力和流冰撞擊等）的發(fā)生和發(fā)展出現(xiàn)顯著的變化。凌汛災(zāi)害會對橋墩、碼頭、引水等建筑物及河、渠護(hù)岸產(chǎn)生重要的影響，同時也直接影響航運(yùn)、橋梁、發(fā)電、給排水等工程的建設(shè)和運(yùn)營，從而影響工程服役性。

氣候轉(zhuǎn)暖、海冰融化使北極無冰期延長，同時無冰范圍擴(kuò)大，使得冰期、冰密集度、流冰速度、冰厚度、冰溫度及冰的物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，減少了海冰對工程的影響，提高了工程構(gòu)筑物的服役性，增強(qiáng)了北極航道通行能力。但是，原以海冰為依托的工程構(gòu)筑物，海冰融化降低了工程構(gòu)筑物的服役性。同時，海冰融化后的流冰運(yùn)動影響范圍擴(kuò)大，對北極冰區(qū)的工程構(gòu)筑物的不確定性增大，厚冰層相對運(yùn)動仍將會造成構(gòu)筑物損壞。

“一帶一路”互聯(lián)互通中的主要工程問題

“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”貫穿歐亞大陸，沿線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會有許多特殊的工程問題，包括黃土、凍土和膨脹土的工程特性，工程建設(shè)中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害、地基和路基穩(wěn)定性問題，以及生態(tài)環(huán)境問題。同時，在沿線也廣泛分布著冰川、積雪、多年凍土、海（河、湖）冰等，冰凍圈作用區(qū)突發(fā)性災(zāi)害和凍土地基穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響到“陸上絲綢之路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。例如，中巴經(jīng)濟(jì)走廊需要穿越冰凍圈作用的高海拔山區(qū)，氣候變暖使冰湖潰決、洪水、泥石流、雪崩等突發(fā)事件的頻率增加，這將直接威脅該地區(qū)水利工程設(shè)施和道路設(shè)施的安全運(yùn)行；此外，凍融作用還導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生大量的邊坡崩塌和失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害。

穿越廣泛的寒冷地區(qū)的“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”交通能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將面臨冰凍圈災(zāi)害及其誘發(fā)的各種工程安全隱患的挑戰(zhàn)。凍土融化伴隨的災(zāi)害及凍融影響下的巖石崩塌等災(zāi)害，會對在工程活動劇烈影響區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施造成重要的影響。因此，需要研究冰凍圈各要素的變化、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害等與重大工程間相互作用關(guān)系、機(jī)理及其對重大工程穩(wěn)定性和長期服役性的影響。

“一帶一路”背景下的“冰上絲綢之路”建設(shè)主要包括北極航行相關(guān)的船舶工程和港口工程，它們必然面臨海冰和凍土要素的影響。對于應(yīng)急的臨時冰雪道路、機(jī)場和碼頭修筑技術(shù)應(yīng)提前開展研究，海岸凍土熱侵蝕、邊岸坍塌和海底多年凍土融化控制技術(shù)等也將會成為影響基礎(chǔ)設(shè)施安全的關(guān)鍵。同時，北極礦產(chǎn)資源開發(fā)和能源綜合利用，還需在相對薄弱的工程“硬核”上提出相應(yīng)的對策。例如，北極環(huán)境保護(hù)、礦山工程安全和高效資源開采技術(shù)，特別是破壞凍土力學(xué)研究可能會成為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的關(guān)鍵。（作者：吳青柏，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室主任、研究員；李志軍，大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室；沈永平， 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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