2020年5月5日，《學習強國》刊發(fā)吳青柏、李志軍、沈永平的文章《冰凍圈工程學助力互聯互通基礎設施建設》，全文如下。
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吳青柏：冰凍圈工程學助力互聯互通基礎設施建設
本文刊載于《中國科學院院刊》2020年第4期
專刊：冰凍圈科學與可持續(xù)發(fā)展
作者：吳青柏1* 李志軍2 沈永平1
1 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室
2 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室
冰凍圈區(qū)域蘊藏著豐富的石油、天然氣和礦產資源等，社會經濟發(fā)展和資源開發(fā)利用必然涉及公路、鐵路、水路、機場、輸電線路、油氣管道和港口碼頭等基礎設施建設。在冰凍圈區(qū)域開展基礎設施建設將會受到冰凍圈各要素的制約；同時，基礎設施建設也會對冰凍圈各要素產生影響。
通過冰凍圈各要素分布規(guī)律和變化過程，以及冰凍圈災害與工程之間互饋關系的研究，提出解決重大工程安全保障技術和災害防治技術，以最大限度地減緩和適應冰凍圈變化對工程構筑物的重大影響，這對于西部大開發(fā)、東北振興和“一路一帶”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行的重大基礎設施均會受冰川、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問題，容易誘發(fā)較大的風險，特別是目前正處于氣候快速變化期。規(guī)劃中的“一帶一路”交通基礎設施建設、北京—莫斯科高速鐵路、中俄加美高速鐵路、北極航線等重大工程建設和安全運行，將面臨氣候變化下冰凍圈變化的巨大挑戰(zhàn)。
1 冰凍圈工程學主要研究任務
冰凍圈工程學是研究冰凍圈要素（如冰川、積雪、凍土、河冰、湖冰和海冰等）與工程構筑物之間相互作用關系的一門科學。作為冰凍圈科學服務于人類社會、促進社會可持續(xù)發(fā)展的重要分支學科，冰凍圈工程學處于與其他圈層之間相互作用及影響和適應的層面。冰凍圈要素形成規(guī)律和變化過程是理解冰凍圈工程學的學科基礎，冰凍圈各要素與工程活動間的相互影響機理及其對工程的適應途徑、研發(fā)相對應的工程安全保障技術來適應冰凍圈各要素的變化及其影響，是冰凍圈工程學的核心內容。
冰凍圈工程學，除研究傳統的工程地質條件、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)境與災害等。這些基礎工程環(huán)境條件，特別是冰凍圈各要素與工程有關的適應性條件，是冰凍圈影響區(qū)域工程建設的核心和應用基礎。只有搞清了冰凍圈影響區(qū)域對工程影響的潛在極限作用力和構筑物承受外力的能力，才能夠準確把握各類工程的設計原則、設計方法和工程技術措施，保證工程構筑物安全施工和運行。
因此，冰凍圈工程學研究的主要任務有：
1.通過現場勘測、原位監(jiān)測和數值模擬等方法，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系，并預測冰凍圈各要素變化過程及其對工程穩(wěn)定性的影響；
2.研究人類活動對冰凍圈各要素環(huán)境的影響及其誘發(fā)的冰凍圈災害，提出保障工程安全運營的工程設計原則、設計參數、工程技術措施和災害防治技術，以及冰凍圈環(huán)境保護對策；
3.研究氣候和環(huán)境變化影響下工程服役性及其對社會經濟影響程度，提出氣候變化下冰凍圈影響區(qū)域的工程建設規(guī)模和強度、工程的適應性技術和措施，以提升冰凍圈工程服務功能。
2 研究現狀
冰凍圈各要素的認識和研究是伴隨著冰凍圈區(qū)域工程建設開始的，社會經濟發(fā)展需要使冰凍圈工程學得以迅速發(fā)展和壯大。因此，冰凍圈工程學的研究內容可能早于冰凍圈各要素分支學科的研究內容。
2.1 凍土工程
20?世紀?30?年代—50?年代，各國先后圍繞著重大基礎設施開始了研究，如環(huán)北極地區(qū)的礦山、公路、鐵路、機場、房屋、油氣資源開發(fā)等工程。蘇聯通過橫穿西伯利亞大鐵路、西伯利亞—太平洋管道系統和北方城市建設推動了凍土和寒區(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計和施工推進了寒區(qū)工程的研究，形成了凍土工程學科體系；其他一些國家在凍土工程研究也取得了一定的進展。
從?20?世紀?50?年代開始，圍繞著寒區(qū)水利基礎設施、公路、鐵路、輸油管道等工程建設，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，推動了我國凍土工程研究的快速發(fā)展，形成了凍土工程學科。
2.2 冰川與積雪工程
20?世紀?50?年代初，國內數十個研究和工程部門等相繼開展積雪和雪害的調查及防治研究。20?世紀?70?年代末，我國開展了冰川災害的發(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，預測了巴托拉冰川前進和變化趨勢，為制定公路修復方案提供了重要的科學支撐。特別是較系統地研究了積雪、風吹雪、雪崩及其危害機理和防治技術，提出了一套適合我國預防風吹雪的原則與綜合治理的措施和設計方法等，形成了一套較為完整的公路風吹雪理論體系。
2.3 河、湖（水庫）冰工程
許多國家均有各種河、湖（水庫）冰工程構筑物，研究集中在河、湖冰形成、發(fā)展、消失全過程的數值模擬和模型開發(fā)方面。特別是利用歷史和現時水文、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，預測未來冰情，以便提前制定應對和防范冰凌災害事故發(fā)生的措施。為了減輕和防范冰對構筑物和生產安全運行的影響，需采取冰工程防治技術以確保工程安全。
2.4 海冰工程
19?世紀后期，俄羅斯和北歐科學家開展了破冰船設計和燈塔抗冰設計；冰封區(qū)軍事基地建設推動美國和蘇聯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?60?年代初，主要針對渤海和黃海北部的核電站工程、離岸碼頭工程和風力發(fā)電工程開展了海冰工程研究，特別是海冰引起的結構振動及其破壞作用。冰工程設計中考慮的因素，如流冰的面積和密集度、冰的力學性質、冰對構筑物的作用方式等研究，推動了海冰觀測和數值化冰情等工作。圍繞北極資源開發(fā)，冰-船相互作用和極地冰的工程力學性質研究將得以發(fā)展。
在氣候變化、環(huán)境變化和人類活動的強烈影響下，全球變化對工程建設的影響，迫切需要刻畫冰凍圈各要素與重大工程構筑物關系及其環(huán)境和災害效應，提出冰凍圈環(huán)境保護措施、冰凍圈災害防治及保障技術，以及冰凍圈工程建設的新技術和新方法。
3 冰凍圈要素與工程關系
氣候變暖背景下冰凍圈各要素變化所誘發(fā)的災害將對工程安全產生重要影響，同時作為工程地基的凍土也將受工程熱擾動的影響，因而冰凍圈災害的防治技術和凍土熱穩(wěn)定性的安全保障技術是冰凍圈區(qū)工程建設和安全運營的核心（圖?1）。
圖 1 冰凍圈各要素與工程的關系
凍土作為承載工程構筑物的地質體，與工程構筑物具有復雜的相互作用關系。一方面，工程熱擾動會直接導致其下部凍土快速升溫和融化，引起工程構筑物發(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、凍土滑坡等凍融現象的發(fā)生，影響其上部或周邊工程構筑物的穩(wěn)定性和安全運營。
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防技術措施，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)的次生災害的防治技術。由于凍土與環(huán)境之間具有極為密切的關系，保護凍土環(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營存在較大的潛在危害，需采取工程技術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害對影響區(qū)域內的工程穩(wěn)定性影響和評價研究，并依據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，以及預估未來冰雪消融洪水，給出重要構筑物，如橋梁、隧道等設計原則和參數。因此，重要構筑物的冰雪災害設防標準和工程設計參數及災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筑物或運輸通道加以利用，同時構筑在海（河、湖）冰上固定式和浮式結構物需抵御海（河、湖）冰作用力，降低海（河、湖）冰的作用力破壞構筑物的風險。河、湖（水庫）冰與工程相互作用主要體現在工程構筑物的抗冰能力和抗冰技術方面。
對于河冰和渠道冰，需要認識冰塞和冰壩發(fā)生的規(guī)律，評估河冰對水工構筑物影響，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，為構筑物設計的方案選擇和優(yōu)化、規(guī)劃和施工提供依據。對于水庫冰，需要在觀測參數基礎上建立水庫邊坡抗冰推的設計。對于海冰，要開展?jié)M足抗冰構筑物安全運營的設計。流動的海冰作用于剛性構筑物，構筑物壽命取決于冰的撞擊力；而對于柔性構筑物而言，冰層破碎引起的構筑物振動及疲勞損傷決定構筑物壽命。
4 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)內工程建設和安全運營，改變了工程服役性。氣候變化增加基礎設施的脆弱性，對工程構筑物造成超出正常條件和使用預期的額外壓力。
冰川快速消融導致的冰川洪水、冰湖潰決等冰川災害出現的概率增加，重大災害頻繁發(fā)生。洪水、冰雪災等環(huán)境災害，影響冰凍圈區(qū)內的水電站、公路或鐵路路基工程和橋梁等工程構筑物穩(wěn)定性，使工程服役性發(fā)生變化。為保證工程構筑物的安全運營，應對水電站和公路、鐵路沿線的冰川和積雪災害定期進行系統地評估，確定氣候變化下工程的設防標準，提高工程服役性。
氣候轉暖正加速多年凍土發(fā)生退化，引起了熱融滑塌、凍土滑坡等凍融災害迅速增加，改變凍融循環(huán)頻率，影響基礎設施穩(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、管道和油氣基礎設施的工程服役性發(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)的基礎設施的潛在影響，包括更全面地研究公共基礎設施和環(huán)境壓力之間的關系、基礎設施的壽命及工程的運營和維護成本。
氣候變暖將導致開河期提早、封河期推后、凌汛期縮短，繼而導致凌汛災害（如冰塞災害、冰壩災害、冰體壓力和流冰撞擊等）的發(fā)生和發(fā)展出現顯著的變化。凌汛災害會對橋墩、碼頭、引水等建筑物及河、渠護岸產生重要的影響，同時也直接影響航運、橋梁、發(fā)電、給排水等工程的建設和運營，從而影響工程服役性。
氣候轉暖、海冰融化使北極無冰期延長，同時無冰范圍擴大，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性質發(fā)生了變化，減少了海冰對工程的影響，提高了工程構筑物的服役性，增強了北極航道通行能力。但是，原以海冰為依托的工程構筑物，海冰融化降低了工程構筑物的服役性。同時，海冰融化后的流冰運動影響范圍擴大，對北極冰區(qū)的工程構筑物的不確定性增大，厚冰層相對運動仍將會造成構筑物損壞。
5 “一帶一路”互聯互通中的主要工程問題
“絲綢之路經濟帶”貫穿歐亞大陸，沿線基礎設施建設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，工程建設中可能出現的地質災害、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)性災害和凍土地基穩(wěn)定性將嚴重影響到“陸上絲綢之路”基礎設施建設。例如，中巴經濟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)水利工程設施和道路設施的安全運行；此外，凍融作用還導致該地區(qū)發(fā)生大量的邊坡崩塌和失穩(wěn)的地質災害?。
穿越廣泛的寒冷地區(qū)的“絲綢之路經濟帶”交通能源基礎設施建設，將面臨冰凍圈災害及其誘發(fā)的各種工程安全隱患的挑戰(zhàn)。凍土融化伴隨的災害及凍融影響下的巖石崩塌等災害，會對在工程活動劇烈影響區(qū)的基礎設施造成重要的影響。例如，中巴公路、中尼公路等、中蒙俄經濟走廊工程基礎設施、中俄加美高速鐵路，都將面臨凍土融化對重大工程的影響（圖?2）。北京—莫斯科高速鐵路和中俄加美高速鐵路建設，對工程穩(wěn)定性提出了更高的要求，高鐵筑路技術和凍土熱穩(wěn)定性控制技術將面臨更大的挑戰(zhàn)。
圖 2 冰凍圈區(qū)域“一帶一路”相關重大工程示意圖
因此，需要研究冰凍圈各要素的變化、區(qū)域地質構造、地質災害等與重大工程間相互作用關系、機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”建設主要包括北極航行相關的船舶工程和港口工程（圖2），它們必然面臨海冰和凍土要素的影響。對于應急的臨時冰雪道路、機場和碼頭修筑技術應提前開展研究，海岸凍土熱侵蝕、邊岸坍塌和海底多年凍土融化控制技術等也將會成為影響基礎設施安全的關鍵。
同時，北極礦產資源開發(fā)和能源綜合利用，還需在相對薄弱的工程“硬核”上提出相應的對策。例如，北極環(huán)境保護、礦山工程安全和高效資源開采技術，特別是破壞凍土力學研究可能會成為礦產資源開發(fā)利用的關鍵。
吳青柏 中國科學院西北生態(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。主要從事凍土環(huán)境與工程和凍土區(qū)天然氣水合物研究。
（文章源自：吳青柏,李志軍,沈永平.冰凍圈工程學助力互聯互通基礎設施建設.中國科學院院刊,2020,35(4):443-449.）
（大連理工大學建設工程學部 海岸和近海工程國家重點實驗室 呂偉華）
