Цинхай-Тибетская железная дорога – это железнодорожная сеть протяженностью 1 956 км, расположенная между Голмудом и Лхасой в Китае. Она также известна как “небесная дорога”, поскольку является самым длинным и высокогорным железнодорожным маршрутом в мире.
Строительство железнодорожной линии началось 29 июня 2001 года, а 2 июля 2006 года она была введена в эксплуатацию. Основной проблемой при строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги было повсеместное распространение вечной мерзлоты и неустойчивые природные условия.
Путь Цинхай-Тибетской железной дороги проходит через район вечной мерзлоты
В ходе реализации этого проекта было отмечено большое количество инновационных и технологических достижений, за что в 2008 году он был удостоен самой престижной награды Китая – Национальной премии за достижения в области науки и техники.
Примерно 960 км высокогорной железнодорожной сети расположены на высоте 4000 м над средним уровнем моря, а самая высокая точка находится на горах Танггула на высоте 5072 м над средним уровнем моря.
Общая протяженность 632 км расположена в регионе вечной мерзлоты, из которых 275 км относится к региону теплой вечной мерзлоты (среднегодовая температура грунта где-то в диапазоне от 0 до -1°C), а 221 км – к региону вечной мерзлоты с высоким содержанием льда (содержание льда > 20% по объему). Кроме того, есть участок протяженностью 134 км, который относится как к теплой, так и к богатой льдом области вечной мерзлоты.
В начале реализации проекта Цинхай-Тибетской железной дороги китайские исследователи и ученые столкнулись с двумя неблагоприятными факторами: теплым состоянием региона плато вечной мерзлоты и повышением глобальной температуры.
После строительства автомагистрали Цинхай-Тибет на дорожном покрытии образовалось 60% таликовых карманов из-за усиленного оттаивания, которое происходило в теплом регионе вечной мерзлоты. Примерно 85% повреждений берегов дороги были вызваны оседанием из-за оттаивания в богатом льдом регионе вечной мерзлоты.
Эти методы включают регулировку и контроль количества солнечного излучения, тепловой конвекции и теплопроводности, а также комбинации вышеупомянутых измерений с использованием различных конфигураций насыпи и материалов заполнения. Исследователи разработали различные меры по снижению эффекта оттаивания и охлаждению дорожного полотна Цинхай-Тибетской железной дороги.
1. Решение проблемы солнечного излучения
Цинхай-Тибетское плато подвержено сильному воздействию солнечной радиации из-за сочетания больших высот и низких широт. Поэтому для эффективной работы железнодорожного полотна важно снизить температуру грунта. Затеняя поверхность от солнечного света, можно добиться адекватного снижения температуры грунта.
Ученые исследовали влияние навесов и оценили температуру поверхности земли в 2 часа дня в течение одного года в районе Фэнхуошань. Было замечено, что температура поверхности земли внутри тентов была на 8°C-15°C ниже, чем снаружи. Кроме того, при затенении поверхности максимальная разница температур составляла 25°C.
Установка теневых досок на Цинхай-Тибетской железной дороге
В любом случае, навесы не подходили для региона плато из-за сильных ветров. Поэтому на боковых склонах насыпи в Бэйлухэ были установлены затеняющие доски для изучения влияния разницы температур. Результаты показали, что между внутренней и внешней стороной затеняющей доски наблюдалась разница температур в 3,2°C. Кроме того, наблюдалась разница температур в 1,5°C между внутренней стороной затеняющего щита и естественной поверхностью земли.
Насыпь железнодорожного пути также может потерять свою прочность после многократных циклов замораживания и оттаивания. Затеняющий щит может уменьшить воздействие циклов замораживания и оттаивания. Кроме того, она может защитить насыпь от эрозии, вызванной ветрами и дождями.
2. Решение для конвекционных моделей
Для снижения и контроля влияния конвективных процессов в насыпях на сети Цинхай-Тибетской железной дороги были установлены вентиляционные каналы, щебень и тепловые трубы.
2.1 Вентиляционные каналы
Исследователи провели полевые эксперименты в Бэйлухэ на вентиляционных каналах. В качестве материалов для строительства вентиляционных каналов использовались ПВХ и бетон. Диаметр воздуховодов составлял 35 см, а расстояние между двумя воздуховодами было в два раза больше диаметра воздуховода. Вентиляционные каналы были построены на глубине 0,5-0,7 м от уровня земли в насыпи.
В среднем, годовая температура окружающего воздуха на Тибетском нагорье примерно на 3°C холоднее, чем годовая температура подстилающей поверхности земли. Поэтому строительство вентиляционных каналов в насыпи может реально снизить температуру поверхности земли.
Исследователи продемонстрировали, что вентиляционные каналы действительно снижают температуру грунта. Вентиляционные каналы, построенные под поверхностью земли или близко к ней, оказывают более заметное охлаждающее воздействие, чем каналы, построенные на большей глубине в насыпи. После трех лет строительства вентиляционных каналов уровень вечной мерзлоты значительно поднялся до уровня поверхности земли.
Установка вентиляционных каналов на Цинхай-Тибетской железной дороге
2.2 Дробленые породы
Щебень, используемый на Цинхай-Тибетском плато, действует как тепловой полупроводник для уменьшения влияния вечной мерзлоты. Как правило, зимой воздух холоднее, чем вечная мерзлота. Это вызывает R-B конвекцию (конвекция Рэлея-Бенара, возникает, когда нижний слой нагревается снизу, а в верхнем слое развивается картина конвективной ячейки) внутри измельченных пород. Таким образом, зимой температура повышается, поскольку вечная мерзлота отдает тепло в окружающий воздух.
Однако летом влияние щебня на мерзлоту обратное, поскольку воздух горячее мерзлоты. Конвективная передача тепла не происходит, так как холодный воздух опускается на дно из-за большей плотности, чем горячий воздух. Поэтому передача тепла происходит только в форме теплопроводности. Из-за малой площади контакта между щебнем и воздухом, щебень действует как изолятор, а не как полупроводник. Этот эффект уменьшает приток тепла в слой вечной мерзлоты из окружающего воздуха.
Щебень, используемый на Цинхай-Тибетской железной дороге
Разница между уменьшением притока тепла летом и увеличением теплоотдачи зимой создает чистую теплоотдачу в течение всего года и, таким образом, снижает температуру подстилающей поверхности земли. Кроме того, на наклонных поверхностях развивается эффект дымохода, когда щебень укладывается под большим уклоном, и это снижает температуру подстилающей поверхности земли.
При строительстве Цинхай-Тибетской железной дороги использовалось несколько различных форм и конфигураций с использованием щебня в насыпях. Этими формами и конфигурациями были: насыпи из щебня, насыпи на основе щебня, U-образные насыпи из щебня и насыпи из щебня.
Различные типы насыпей из щебня. (a) Насыпь из щебня; (b) Насыпь на основе щебня; (c) Насыпь из щебня; (d) U-образная насыпь из щебня.
2.3 Тепловые трубки
Тепловые трубы были установлены на более чем 35 км насыпи Цинхай-Тибетской железной дороги. В зависимости от высоты насыпи использовались тепловые трубы различной длины (8, 10 и 12 м). Трубки были установлены либо вертикально, либо под углом в боковые откосы насыпи. Кроме того, трубки устанавливались таким образом, чтобы нижний конец трубки находился как минимум на 2-3 м ниже уровня вечной мерзлоты.
После проведения эксперимента в Циншуйхэ исследователи предположили, что тепловые трубы действительно снижают температуру грунта и заставляют столб вечной мерзлоты двигаться вверх. Кроме того, были созданы численные модели для проверки эффективности тепловых труб. Согласно полученным результатам, радиус влияния и расстояние между тепловыми трубками составили около 1,8 м и 3 м, соответственно. Численная модель показала, что охлаждающее воздействие как в насыпи, так и у подножия бокового откоса было наилучшим, когда угол наклона по отношению к боковому откосу составлял от 25° до 30°.
Установка тепловых труб на Цинхай-Тибетской железной дороге
3. Решение для теплопроводности
В момент замерзания воды ее теплопроводность увеличивается в несколько раз, с 0,38 до 3,2 Вт/м-К. Это свойство воды может быть использовано для получения материала с более высокой теплопроводностью в замороженном состоянии, чем в размороженном. Такой теплопроводный материал позволит снизить температуру грунта, увеличивая потери тепла зимой и уменьшая его летом.
Исследователи провели лабораторный эксперимент с водопоглощающим материалом. Эти материалы были помещены в два слоя, разделенные слоями воздуха, в герметичный контейнер, после чего контейнер был заполнен водой. Результаты этого эксперимента показали, что теплопроводность материала изменилась с 0,11 до 1,2 Вт/м-К, когда материал был заморожен. Это вызвало увеличение теплопроводности примерно в 10 раз. Таким образом, водопоглощающие слои использовались в насыпях для уменьшения жары летом и компенсации теплопотерь зимой.
Часто задаваемые вопросы
Чем знаменит проект Цинхай-Тибетской железной дороги?
Проект Цинхай-Тибетской железной дороги знаменит тем, что он был построен в условиях вечной мерзлоты и хрупких природных условий. В ходе реализации этого проекта было отмечено большое количество инновационных и технологических достижений, за что в 2008 году он был удостоен самой престижной награды Китая – Национальной премии за научно-технический прогресс.
Какова длина железнодорожного пути Цинхай-Тибетской железной дороги?
Длина железнодорожного пути Цинхай-Тибетской железной дороги составляет 1956 км.
Какова стоимость строительства проекта Цинхай-Тибетской железной дороги?
Проект был завершен при общих инвестициях в размере ¥34 млрд.
Какой самый высокий железнодорожный путь в мире?
Цинхай-Тибетская железная дорога является самой высокой железнодорожной магистралью в мире. Самая высокая точка железнодорожной сети находится в горах Танггула, на высоте 5072 м над средним уровнем моря.
Когда было начато строительство проекта Цинхай-Тибетской железной дороги?
Строительство проекта Цинхай-Тибетской железной дороги началось 29 июня 2001 года.
Какие решения были предложены для решения проблем региона вечной мерзлоты в проекте Цинхай-Тибетской железной дороги?
Для смягчения проблем региона вечной мерзлоты в проекте Цинхай-Тибетской железной дороги были предложены следующие решения:
1. Решение для тепловой конвекции
2. Решение для теплопроводности
3. Решение для солнечной радиации
Какова рабочая скорость железной дороги на Цинхай-Тибетском железнодорожном пути?
Рабочая скорость на железнодорожном пути Цинхай-Тибетской железной дороги составляет 160 км/ч.
Причина роста транспортной системы Китая: Пример
Великая Китайская стена: Строительство крупнейшего в мире проекта, который когда-либо осуществлялся
Петра в Иордании: объект всемирного наследия под угрозой
Читайте далее:- Причина роста транспортной системы Китая: тематическое исследование.
- Что такое тепловая масса в пассивном солнечном здании?.
- Как обеспечить затенение для пассивного солнечного здания?.
- Как работает пассивная система солнечного отопления?.
- Теория анализа нагрузок Марстона-Спенглера для канализационной санитарной системы.
- Пассивные солнечные здания – концепция, преимущества и эксплуатационные характеристики.
- Как спланировать строительную площадку для доступа к солнечной энергии?.