打响高原冻土“阻击战”
时间：2020-09-15 09:11:37 来源：天一资源网 本文已影响 人 
打响高原冻土“阻击战”
1983年程国栋被推举为国际雪冰委员会地下冰分会主席，1984年程国栋去来到美国，在美国陆军寒区研究与工程实验室（CRREL）进修两年，并获该实验室名誉研究员称号。1993年，第6届国际冻土学会议在北京举行，就在这次会议上，程国栋被推举为此届国际冻土协会主席。同年 12月29日成为新增选的59名中国科学院院士中最年轻的一员，这时他50周岁。在这期间，程国栋始终没有间断对青藏高原冻土的研究，他所领导的冻土工程国家重点实验室也始终坚持着青藏高原的冻土的监测与实验，为青藏铁路的再次上马积蓄着力量。
程国栋其人其事
近日，在葡萄牙埃武拉召开的第四届欧洲冻土大会上，中科院院士程国栋获国际冻土协会终身成就奖，以表彰他在冻土科学及工程研究领域所作的突出贡献。在颁奖仪式上，由现任国际冻土协会主席加拿大渥太华大学Antoni Lewkowicz（安东尼?莱夫科维奇）教授宣读了颁奖词。他说，程国栋的科研兴趣和出版物涵盖了一系列与冻土相关的领域，包括冰缘过程、山地多年冻土、地下冰形成机制等，尤其在冻土工程研究方面的成就更加突出。他创建的地下冰重复分凝机制（即现在所称的过渡层的形成过程方面的研究）具有广泛的学术影响力，并被称为“程氏假说”。程国栋先生在科学研究、高等教育方面的成就是广大中国学子的突出楷模。可以毫不夸张地说，他是领导中国冻土科学及冻土工程研究达到国际领先地位的重要人物。
程国栋，中国著名冻土学家。中国科学院兰州分院院长、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员、冻土工程国家重点实验室主任、中国科学院西部资源环境科学研究中心专家委员会首席科学家、国家自然科学基金委员会地理学科评审组成员、中国科学院自然科学奖评审委员会委员、中国地质大学客座教授、西北师范大学地理与环境科学学院名誉院长，是政府特殊津贴获得者，并荣获“甘肃优秀专家”及2001年全国“五一”劳动奖章获得者称号。曾任国际冻土协会主席。
长期从事青藏高原冻土研究，解决工程问题。完成青藏铁路东线工程地质调查。在热水煤矿论证富冰高温冻土路段应采用保护冻土原则修筑路堤，并提出有效措施。结合青藏公路改建，提出高含冰量冻土分布规律和识别标志。创造性地提出近地面厚层地下冰形成的重复分凝机制（程氏假说）和冻土三向地带性理论。前者解决了冻土学界长期悬念，被广泛应用于解释多种冰缘和寒区水文现象。后者指明冻土随纬度、海拔和干燥度变化。近年来从事冰冻圈与全球变化、西北水资源形成、变化及与社会协调发展研究。
有人说“给我足够的金子，我能把铁路修到月球背面”。这句看似张狂的豪言壮语彰显了经济投入在大型工程中的决定作用。凡事总有例外，冻土区筑路便是其一。
冻土区筑路是一个世界性难题。从沙俄时期的西伯利亚大铁路，到我国的青藏铁路、青藏公路，从美国贯穿阿拉斯加州的原油管道到我国东北的林区铁路，由于科学研究水平的不同与技术路线的差别，这些穿越冻土区的大型工程在防控冻土安全威胁方面或成功避害或饱受折磨，很多问题远非“砸钱”就能解决。
我国青藏公路通车运营60年，其间几经修复，仍难逃冻土区病害侵扰，主要原因在于工程设计开工时，人们对高原冻土区知之甚少。几十年来，中国科学家对高原冻土区的研究越来越深入，科学认识与有效的工程技术为“天路”青藏铁路筑起坚实的路基――列车可以以平均100多公里的最高时速穿越550公里范围的冻土区。
然而，随着全球气候变暖形势的加剧，冻土区已有工程与未来规划工程将面临更加严峻的考验。一场延缓甚至阻止冻土退化、为大型工程保驾护航的科技“阻击战”已由中国科学家打响。
里程碑式杰作
全长近2000公里的青藏铁路穿行在苍茫的雪域高原，这条世界上海拔最高、线路最长的高原铁路穿越550公里的冻土区，是迄今世界上最大的冻土工程。
青藏铁路新线路安全运营近10年，成功克服了高原冻土区的退化威胁，其筑路技术更是成为冻土区筑路的“样板”，被许多国家借鉴、引进。
谈起青藏铁路修建时的技术攻关，中国科学院院士、中科院寒区旱区环境与工程研究所（以下简称中科院寒旱所）研究员程国栋至今仍感慨良多。
“在冻土区筑路很难，在青藏高原上修铁路更难，在全球变暖的情况下更是难上加难。” 程国栋在接受记者采访时回忆说，“本来技术问题就没有完善解决，相对于高纬度的冻土区而言，青藏高原的平均气温又偏高，现在又碰上了全球气候变暖。”
冻土、生态和高海拔是青藏铁路修建时科学界关注的三大问题，其中冻土问题最为棘手。冻土是一种特殊土壤，低温冻胀、高温融沉，处于中低纬度的青藏高原冻土在全球气候变暖的背景下，融沉导致的路基变形给铁路的运营带来极大的安全隐患。据程国栋介绍，青藏铁路修建时，全球冻土区交通线路的病害率高达30%。
“三难”推动了科学家的科学研究与技术攻关。在几十年的研究积累下，程国栋带领科研团队提出了“冷却路基”的思路。
“就像过去夏天用棉被保存冰棍儿，通过被动保护来减缓融化速度，现在也主要是用这种‘冰箱制冷式’的思路来给路基主动降温。”中科院寒旱所所长马巍向记者解释“冷却路基”的概念。
由于路基主要由块状碎石组成，冬天时外界冷空气能够将底部的热能释放出去，夏天温度升高时又能减少热量输入。“这个技术利用自然界的冷量与块状碎石，将路基铺设成了一个‘热半导体’。”为了证实块石可以控制温度，科研团队前期做了大量实验，并通过数学模拟摸清了碎石降温的机理，为工程顺利实施提供了强大保障。
“这项技术非常有效，保证了列车在整条线路上可以以平均每小时100至120公里的速度运行，达到了世界冻土区铁路运行的最高速。”马巍介绍，整条线路中100多公里没有采用这项技术的普通路，则出现路基变形量较大的情况。
冻土退化的威胁解决了，公众对于铁路等工程建设将对高原生态环境带来哪些影响的担忧，也受到科学家的高度重视。“青藏铁路建设时，有很多人担心会破坏‘最后一块净土’，因此在建设时我们很注意环保问题。整条线路为藏羚羊等物种迁徙留出走廊，线路采取全封闭，修建所需土方也是取自别处。”程国栋说。
当时，有不少国外同行提出质疑，青藏铁路建成运营后，列车运行本身会不会加速冻土消融呢？程国栋表示，列车震动确实会产生部分热量，但中国科学家通过反复实验，发现这种震动产生的影响对于路基而言并未形成威胁。也就是说，火车经过时产生的热量基本上可以通过“冷却路基”的技术进行消解。
“青藏铁路在防治冻土融沉或冻胀方面做了很多工作，保证了路基下冻土基础的长期稳定性和路基工程的安全可靠性。”中科院寒旱所研究员金会军在接受采访时表示，“实测结果表明，有些地方的冻土上限甚至在上升，说明保护冻土或冷却技术的有效性。”
“冷却路基”思路在青藏铁路上的应用受到国际学术界与工程界的广泛认可，多个国家引进该技术用于冻土区交通线路的建设。国际冻土学家Jerry Brown博士曾表示：“青藏铁路是冻土工程里程碑式的杰作，值得各国效仿。”
科研支撑尤为重要
程国栋曾经同国内科学家一同体验过俄罗斯西伯利亚大铁路，那条在沙皇时期修建的铁路，曾经是俄罗斯帝国雄厚统治力的象征。然而经过百年考验，这条铁路正在饱受冻土区的病害困扰。
“运行速度特别慢，而且很不稳定，这是路基与线路发生严重变形的表现。”程国栋告诉记者，这与当时人们对于冻土的认识不足有关，“那时候也没有规避冻土冻胀与融沉的技术”。
尽管面临诸多问题，积累了百年运行经验的西伯利亚大铁路，依然为俄罗斯科学家研究冻土以及冻土区的工程设计提供了丰富的研究资料。
俄罗斯位于高纬度地区，冻土区辽阔，其本身就是一个天然的试验基地。同时，俄罗斯在冻土领域的科学研究已经坚持了上百年，积累了丰富的科研成果和工程技术经验。与俄罗斯在冻土研究方面遥遥领先相对应的是，近些年，在全球气候变化的背景下，北美与北欧等国科学家在冻土与气候变化的响应关系等方面的研究也取得了突出进展。
经过几十年的积累，我国的冻土研究也取得了巨大成就，尤其是中科院寒旱所冻土工程国家重点实验室为满足国家需求，投入了大量的自主科研经费积极开展研究，为冻土区国家重大工程项目建设提供了坚强支撑。
“我国在工程施工方面已经取得了世界领先地位，国外都在学习我们的技术，青藏铁路已经成为一个样本。”程国栋自豪地说。
“科学的发展是无止境的，冻土作为一个小学科同时也是一个交叉学科，仍然需要引起更多的重视与支持。”马巍强调。
“很多工程建设不理想，都缘于工程设计和施工人员对冻土学和寒区工程了解不足，没有引起足够的重视。等问题发现得到教训后再来补救，往往事倍功半，或者已经来不及了。”金会军强调，要想让工程有质量保障，必须有坚实的科学研究作为基础，而这一点在青藏高原冻土区工程项目建设管理中表现得尤为突出。
“青藏公路60年，青藏铁路10年，加上青康公路40年，东北的林区铁路、中俄原油管道、漠河机场等国家重大工程，近些年，铁路、公路、石油、电网等相关部门对于冻土研究重要性的认识逐渐提高，但冻土研究和工程技术实践还有很长的路要走。”金会军说。
工程建设仍有很大空间
尽管在青藏铁路的冻土问题上取得很大成功，受访专家在谈到未来冻土区工程建设与冻土相关研究时仍然显得十分低调与谨慎。
在科学家看来，科学研究永无止境，技术与工程永远都有提升与改进的空间，“尤其是在全球气候变暖的大背景下”。
这种探索之一，就是对路基下冻土变化和路基变形问题的长期监测。通过这两方面的综合分析，预测未来青藏铁路的运营态势，进而给运营管理单位提出新的强化治理措施建议。
在“冷却路基”思路的指引下，一系列相关技术相继问世。
“青藏高原辐射很厉害，如果能阻挡住太阳辐射，路基周边的温度将大大降低。我们设计了遮阳板，放置在路基旁边阻挡太阳辐射，降温幅度很大。”程国栋介绍，试验虽然很成功，但该技术仍然处于推广阶段。“沿线的风太大，遮阳板用不了多长时间就会损坏，不过改进后可以用在未来的青藏高原高速公路上。”
“我们的工程实施还有提高的空间，需要科学研究给予更大的支持。”程国栋强调。
除了青藏高原的冻土问题，有关专家在接受本报采访时都提到了对于东北地区冻土的忧虑。
“东北地区冻土退化的情况更不乐观，那里属于高温冻土区，多是沼泽富含冰多年，温度高，降雨和降雪量大，区域内的冻土也不连续。”马巍解释说，科学家与工程人员在设计交通线路时要特别区分是融土还是冻土，以及土质含冰量和排水条件。
“融土需要防冻胀，冻土需要防融沉，这是不同的技术路线，这样不同类型的冻土交织在一起，‘冷却路基’的技术就不能连续使用，这给工程设计施工带来很多新的挑战。”马巍说。
据介绍，东北地区冻土退化的另一个重要原因则在于，东北地区人口众多、经济发展快，过多的人为活动无疑加速了冻土退化，致使东北铁路病害很严重，这里就曾因冻土退化造成路基塌陷，最终导致火车事故。
在工程设计及施工过程中，我国工程项目管理和运行体系存在的诸多问题也成为影响冻土区工程质量的一个重要客观原因。其中最典型的就是“三边工程”，即“边设计，边施工，边治理”，这种运行模式导致工程的服役功能和经济技术合理性均难以得到保证。
“冻土工程本身非常复杂，而且我国很多地方的冻土条件缺乏详细的调查数据。工程项目一旦决定上马，往往都是时间紧、任务重，很难保证有足够的时间、经费和人力展开有针对性的研究。”金会军表示。
据了解，美国阿拉斯加原油管道同样要穿过大面积的冻土区，在1974年工程开工之前的25年间，美国地质调查局和其他大约上千人的研究和技术开发队伍，陆续对沿线的冻土、环境等问题进行了周密的研究和论证，工程也经历了“世界和历史上最严酷的环保法律的审核”。最终，该工程取得巨大的工程、社会和经济效益，经历了诸如2012年特强地震等诸多重大劫难的考验。
相比之下，我国相关法律法规对于保证设计、施工和运行的质量缺乏足够的规定，执法和监督力度也有所欠缺，这导致很多工程单位对保障冻土区工程项目的质量安全，特别是环境要求积极性不足。
“气候、冻土和环境之间达成了一个极限平衡状态，气候变暖或环境扰动会打破这种数万年形成的平衡，导致冻土不断退化。”金会军强调，这就需要在设计之前详细作好冻土测绘、冻土工程地质和冻土水文地质、环境地质评价，然后采取针对性的冻土保护措施，这样才能很好地实现经济合理、技术可行同时也是环境友好的多重目标。
远景蕴含挑战
如今，青藏高原高速公路、输油气管道工程、输变电工程……更多的大工程已经或将在青藏高原拔地而起，科学家也正在以这些工程为预想背景，进行前期的研究和技术储备。
2011年5月，青海共和至玉树高速公路正式开工。对于这条已纳入我国高速公路规划网的青藏高原多年冻土区第一条高速公路，中科院于2010年开展了高速公路试验段的研究。其中，对8种复合工程技术措施的关于冻土保护作用的观测研究，已在此前连续进行了4年，并在施工过程中取得了非常好的工程效果。
“通过青藏铁路和青藏公路的研究以及提出的一些新的复合工程技术措施，冻土工程国家重点实验室已经有了较好的科技储备。坚实的理论基础是这些工程建设的安全保障。”中科院寒旱所研究员、冻土工程国家重点实验室常务副主任吴青柏在接受记者采访时表示。
吴青柏介绍，该实验室目前正在积极开展冷却路基新技术的研究，提高这些技术措施对气候变化的适应性。“如重力式热管与保温材料、通风管与空心块石等复合路基结构等，未来将推广应用于冻土区的其他工程建设中。”
为了尽量减少对青藏高原生态环境的干预与影响，未来青藏高原冻土区进行的大型工程都将沿着一条“青藏走廊”进行施工建设。这条特殊的工程走廊，正是以马巍为首席科学家的“973”项目――“青藏高原重大冻土工程的基础研究”的重点内容。
马巍介绍，该项目的首要目标便是以工程走廊构筑物群的灾害形成、发展及防护为主线，开展全球变化与人类工程活动加剧背景下冻土与工程相互作用和机制的研究，揭示区域冻土变化及其灾害时空演化规律。
形象地说，就是在工程规划设计前，必须要进行工程、冻土、环境、气温等方面相互作用的系统研究，进而找出一个合适的“度”来，使工程对各方面的影响程度最小。“由于认识水平的问题，世界性难题的冻土工程不可能做到尽善尽美，但深入的科学研究是工程建设和安全运营的最根本保障。”马巍表示。
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