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建造在冻土层上的道路和建筑,未来充满不确定性

03-08 新浪网
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建造在冻土层上的道路和建筑,未来充满不确定性

全球永冻层逐渐融化后,建造在其上的钢筋混凝土结构和柏油马路正在变形开裂。

新浪科技讯 北京时间3月8日消息,在中国的莽莽群山间,一条孤道蜿蜒曲折地通向西藏。这条千余公里长的青藏公路时不时地承担起该地区85%的货物运输。但是,青藏公路的底下却是流沙。或者,更确切地说,青藏公路建造在正在融化的大地之上。

高速公路下方的永久冻土正在融化,导致地形下陷,进而会使得道路本身扭曲变形。有些高速公路的沥青路面上已经出现大裂缝。在其他地方,地表下方的褶皱使得路面也像波浪一般高低起伏。

一直以来,研究这些变化的中国研究人员发现,冻土层的融化速度正在加快,青藏公路和其他道路的累积损坏也在加速。2020年4月份发表的一篇论文指出,随着未来百年内,冻土层融化加速,负责世界这一地区的道路修筑和维护的工程师们将面临“重大的工程挑战”。铁路工程师也将面临类似问题。

建造在冻土层上的道路和建筑,未来充满不确定性

路面沉降是青藏公路面临的长期困难。

在这片地区——和其他所有气候寒冷的地方,已经存在数千年的永冻层正在慢慢融化渗入温暖的大地。建造在永冻层上方的建筑、道路、铁路和管道正日益面临损坏的风险。

永冻层融化会为整个世界带来危险,因为存储在其中的大量碳元素会在永冻层融化后进入大气。但是,在短期内,居住在寒冷地带的人们可能会最先感受到永冻层融化带来的影响,因为北极和高山地区的气候变暖趋势正在加快。

许多世纪以来,生活在寒冷地区的土著居民早已学会适应周围气候。但是,当工业化社会蔓延到这些偏远地区时,他们也开始尝试使用钢筋混凝土来政征服北极。不幸的是,工业化加速了气候变化,让这些地区的寒冬不再严寒。

已知会因永冻层融化而遭到损坏的建筑数量庞大,且种类繁多,包括俄罗斯雅库茨克市的公寓墙,有的墙面已经开始开裂。俄罗斯的和其他国家的地下管道,也因为地面沉降而有破裂的危险,严重地可能会导致灾难性的石油泄漏事故。再有,比如加拿大西北地区因纽维克的胜利之母堂。多年来,教堂的神职人员眼看着地面沉降导致建筑变形。

工程师如今必须意识到曾经坚固的地表,会发生危险的变现。在这个过程中,他们也不断采用创新方法,尝试冷却脚下的地球,从永冻层的大规模融化中拯救人类建筑。

盖伊·多雷曾亲眼目睹了永冻层融化对当地造成的影响。沥青路面的裂缝不仅长而且宽,甚至可以一只脚踩进去。就职于加拿大拉瓦尔大学的多雷,这些年内一直在研究永冻层融化对建筑基础设施的影响。他说:“问题很严重。”他又补充说,在加拿大,大约有3000公里到4000公里的道路建筑在永冻层区域,其中约有一半的公路因为冻土的融化,而变得越来越不稳定。“这些道路需要大量的额外资金去维护,可惜的是,问题严重的地区往往资源也十分匮乏。”

永冻层融化引起的地面沉降是一个缓慢渐进的过程。假如一小段沥青路面开裂,你不能简单地重铺一下路面就把问题解决了。随着地面继续沉降,路面损坏会再次出现,快的话,可能就在一年之后。

多雷说,人们在这些偏远地区修建道路的时候,他们已经想到地下的冻土融化可能会影响道路的稳定性。因此,二十世纪中叶的工程师通常会在修路前,在冰冻的地基上撒上沙砾。这些沙砾可以起到阻隔冻土的作用,使得永冻层上升到更高水平,进而稳定地形。但是,在有些地方,由于冻土融化太多,这些缓冲沙砾不再有效。

多雷说:“眼下,曾经从未融化的古老冻土层正在逐渐瓦解。”

建造在冻土层上的道路和建筑,未来充满不确定性

育空河附近阿拉斯加公路旁的沉积物塌陷。

气候变暖可能是造成这些变化的一个主要原因,但不是唯一的原因。许多路面铺浇的深色沥青会吸收太阳热量,然后传递到地表下面,进一步加速冻土融化。

损坏通常以局部形式发生。例如,到目前为止,大约有20%的青藏公路因地面沉降出现累积损坏,而其余部分到目前仍相对稳定。

尽管建筑物的占地面积要小很多,但它们也面临风险。根据《纽约时报》的报道,在俄罗斯的雅库茨克,永冻层融化已导致约1000栋建筑出现沉降和损坏。雅库茨克人口约28万,是建筑在永冻层之上的最大城市。

位于挪威和北极之间的挪威群岛斯瓦巴特群岛也出现了类似的情况。最近几年,当地人拆除了数百栋木头房子,因为在扭曲的地面上,木屋如今变得越来越危险。不幸的是,随着时间的流逝,这些问题只会让人越来越头疼。

2020年,当地研究人员记录到斯瓦巴特群岛自有记录以来温度最高的夏季。挪威极地研究所的极地科学家金·霍尔门说:“我们看到了前所未有的冰川融化和冻土消融。”

或许,使用更加坚固的地基或改善建筑结构下方的通风情况,可以缓解冻土融化对建筑物的影响。例如,在一些俄罗斯的小镇上,三分之一或一半的建筑因永冻层消失受到累积损坏。但是,有的损坏,如果在未来能得到更好的维护的话,仍是可以避免的。2018年发表的一项评估显示,未来数年,北极地区三分之一的基础设施建筑将因永冻层融化而面临危险。

建造在冻土层上的道路和建筑,未来充满不确定性

哪怕因纽维克的胜利之母堂设计精巧,但地面融化仍带来了棘手的问题。

在加拿大北部,有一栋建筑表明,缓解这些压力十分困难。因纽维克小镇上的胜利之母堂建于50年前,借鉴了因纽特人的冰屋设计理念。负责教堂建造的传教士后来解释说,教堂的圆柱形状,旨在在日后冻土冻结和融化过程中,帮助建筑本身重新分布来自地面的压力。教堂的下方是一个坚固且巨大的碟形混凝土板,混凝土板下方还铺了一层沙砾。这在以前,可以在霜冻的时候保护建筑。但是随着越来越多的永冻层融化,如今教堂开始倾斜——就像一艘以水泥为底的船在移动土壤的海面上缓缓倾斜。

天主教马更些-史密斯堡教区的主教约翰·汉森非常熟悉这座教堂。曾经,他是这里的牧师,如今这教堂是他署理的教区的一部分。汉森说,碟状地基板已经开始出现裂缝,教堂地面起伏不平,有的地方隆起甚至堵住了门口。情况已经严重到,教堂职员必须每年调整内门,以防止门卡在门框内。

汉森说:“教堂目前仍在使用,但未来很难说。”

他还说,他认为气候变暖确实导致了冻土融化,但附近建筑物的增加可能加剧了教堂的问题。建筑物越多,地表冷却的能力就越差。

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胜利之母堂下方地基上,越来越大的裂缝。

为应对气候变化,教堂职员已经探索了多种方法来调整建筑结构,增强其适应地面沉降的能力,例如用可调节的钢结构柱子取代原先支撑教堂的木柱子。他们还为建筑地面与混凝土地基之间的空隙增加通风,以尽可能地降低地下冻土的温度。当地研究人员正在密切观察这些措施,来确定它们是否有效。

汉森说,教堂的设计证明了早期北极地区拓荒者的创造性,但也提醒了我们全球气候变化的严重性。汉森说,用技术重新冰冻地面并稳定教堂,理论上是可行的,但教堂没有那么多的预算。

在北极的其他地方,资金雄厚的公司希望用技术来保持地面冷冻和稳定。比如,有些石油公司安装了名为“热虹吸管”的管子,可以让热量从地下逸出,从而保持地面寒冷。这样,支撑石油管道的土壤就不会发生位移,破坏管道的完整性。

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研究人员多雷在加拿大道路上观察到的裂缝。

ConocoPhillips是采用这种方法的公司之一。根据该公司的描述,这种设备包含被动循环的液体,可以将热量从地下带到地面,以进行散热。1300公里长的跨阿拉斯加管道系统使用了12.4万个类似设备。

多雷和他的同事也花了多年时间,研究各种其他技术的效果。这些技术都是为了在全球气候变暖的情况下,保持地表的低温。一个简单的方法是使用具有较大空隙的大石头来建造路堤。这些空隙也可以起到散热的作用。

2008年到2011年之间,在阿拉斯加高速公路上进行的实验表明,这个方法可以使永冻层全年保持冷冻状态。其他措施,例如使用浅色道路材料造路,用木棚为路堤遮阴等,也可以缓解气候变暖的影响。

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一种简单的方式是使用具有大孔隙的石头建造路堤。

但是,这些技术,一旦规模上去之后,都需要大量的资金和精力。这就意味着,在造路的时候,这些技术并非总是可行的选择。在青藏高原,人们便采用了各种各样的创新方法。沿着经过多年冻土区的共和-玉树高速公路,向东到青藏公路,空气正通过多孔岩石层和通风管道将路基下方的热量带到路面,从而冷却地下冻土。

研究人员在2020年的研究报告中写道:“基于多年的观察,这些缓解方法似乎效果明显。”

多雷说,他有时候听到人们说,永冻层的融化造成的损坏不会长期存在,因为这些地区的冻土很快就会全部融化,之后地面就会永远保持稳定。但实际上,冻土的融化是一个极其缓慢的过程。他说:“至少未来三十年内,永冻层不会全部消失。”实际上,与永冻层有关的工程问题或许会在未来百年内持续存在。考虑到与气候变化加速和永冻层全部消失的相关后果,没人会希望这一天真的到来。

只要全球气候继续变暖,深埋在地下的冻土就会不断融化,并进而破坏其上的建筑物,道路和铁路。这个情况已经发生了好几年。除非我们能够找到办法扭转局面,否则冻土继续融化将带来更为严重的后果。(匀琳)

(责任编辑:李佳佳)
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