【地理探究】青藏高原两旁的黑色杆子是什么？为什么说冻土是铁路路基的杀手（附高铁桥上飞的原因）

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在美丽的青藏高原

公路和铁路两旁

整齐的立着两排黑色杆子

它们是高原路基卫士“热棒”

热棒

热棒，又称为无芯重力式热管，是一种高约4米、内部中空、外部有散热片的金属柱子。它们是为地基而存在的，就像无需能源的“空调”，用来给路基降温的。

冻土

冻土是温度低于0℃含冰的土壤和岩石。按冻融变化情况，可分成季节冻土、隔年冻土和多年冻土。

我国北方和西部广大地区都可见季节冻土和隔年冻土，而像黑龙江的北部和青藏高原、天山、阿尔泰山等高寒地区则是永久冻土的“领地”。青藏高原由于海拔高气温低，冻土层分布很广泛。

冻土给路基造成的影响

由于冻土中含冰量很高，在夏天，气温升高后，冻土融化下沉，进而导致路基下沉；在冬天，气温降低后，路基冻后又要往上升。这种随温度变化而产生沉降的情况会对道路产生危害。

热棒的作用

保持路基处在低温状态下

热棒的根部有很多空心管通入路基之中，当路基受热有水汽出现，这些水汽就会顺着空心管道上升至热棒中。再加上高原地区的气温低、风力大，寒冷的风吹过热棒的散热片后，就会把热量带走，水汽就此也降温凝结。这样一个环节走完，原本的热量就不会在路基中积累，就能保持路基始终处在一个低温状态下。

使冻土保持稳定

热棒还能把低温不断地输送给路基下的冻土，使冻土保持稳定。冻土保持稳定的状态后，路基自然也不会因此产生升降，而是稳稳地成为道路的依托。

什么是冻土?

生活在北方的人有这样的体会，在冬天，当气温降到零度以下，如果你到户外挖土，就会发现原来松软的土地现在变得十分坚硬，一锹下去往往只留下一个白点。细心的人会发现在这些坚硬的土里面含有一些小冰晶，而且如果你不泄气继续挖下去，就会发现这层坚硬的土并不十分厚，在它下面还是比较松软的土。这层含有冰晶的土就是冻土。

为什么会出现这种现象呢?

因为土壤里面或多或少的都含有水分，但温度降到零度或零度以下，土壤里的水分就会凝结成冰将土壤冻结，这样就产生了冻土。但是为什么我们看到的冻土仅仅是一层，而不是全部冻结呢?原来我们脚下的大地有一个很特别的性质，那就是在它表面温度是随深度的增加而降低的，但是到了一定深度它的温度就不再降低，而是常年保持一个基本恒定的温度，科学家将这个层称为恒温层，在往下因为越来越接近地心，温度反而逐渐升高。

冰天雪地，含有冰晶的土层

这样我们就知道冻土就是一种低于零摄氏度并且含有冰的特殊土体。所以说，冻土不同于黄土、黑土、红土，它是一种被冻结的土，可以是被冻结的黑土，也可以是被冻结的黄土，当然被冻结的红土少一些，因为红土大多发育在南方，而南方温度低于零度的时候不多。

我国的多年冻土

我国多年冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积为38～39万平方公里。高纬度的多年冻土是欧亚大陆多年冻土南缘，平面分布服从纬度地带性规律，即越往海拔高的地方冻土面积越大，厚度越厚。

高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地，如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。高海拔多年冻土形成与存在，受当地海拔高度的控制。

中国冻土分布图

季节冻土和多年冻土

多年冻土

《什么是冻土?》里所说的冻土只是冻土的一种，当天气变暖的时候这种冻土就会融化，我们称这种冻土为季节冻土。除此之外，有些地方还有一种能够持续多年不化的冻土，那就是多年冻土，比如在北极或者青藏高原，因为那里常年温度都在零度以下，所以冻土就会保持常年不化，既使在比较温暖的年份，融化的也仅仅是表面一小层。

冻土的存在主要受温度的影响。越往纬度高的地方温度就越低，因为南半球陆地面积少，所以多年冻土主要分布在亚欧大陆和北美洲的北部。同时我们还知道，越往高处温度就越低，在一些高山上那里的温度常年也低于零度，所以中低纬度的高山和高原上也存在多年冻土，如美洲的安第斯山脉，非洲的乞立马扎罗山以及我国的青藏高原。

青藏高原上的冻土

人类活动大多集中在温暖地区或低海拔平原地带，所以对于冻土的认识不是很多，但是随着人类活动空间的扩大以及对资源需求的增多，人类逐渐将目光投向了太空、海洋和寒冷的极区。如近四、五十年来，美国、英国、加拿大等国为解决能源危机，加紧开发北极和北极近海的石油和天然气。但是包括多年冻土在内的寒区有着自己独特的环境特性，它是一个很脆弱的环境体系，一旦遭到破坏就无法挽回。

恩格斯说过，“我们不要过分陶醉在我们对自然的胜利。对每一次这样的胜利，自然界都报复了我们”。对自然的开发必须以了解、服从自然发展规律为前提，只有这样我们才能给生活在寒区的人们和子孙后代留下一个没有伤疤的地球!

冻胀丘冻土地貌

冻胀丘

冬季季节融化层，由上而下和由下而上冻结，过水断面缩小，冻结层上水处于承压状态，同时冻结过程中水分发生迁移产生聚冰层。随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘(也称冰皋)。

冻胀丘是我国冻年冻土区经常可以看到的一种冻土地貌。冻胀丘底部的直径由几米到几十米，高1到2米，有的可大3～5米。冻胀丘表面经常存在纵横交错的裂隙。我国已知最大的冻胀丘在青藏公路62道班，它底部直径40～50米，高达20米。

冻胀表面裂隙

季节性冻胀丘

热融滑塌冻土地貌

热融滑塌

边案热融滑塌

这种现象最早发现于青藏高原风火山。养路工人取土修路，使路边斜坡下的地下冰层暴露，夏天暴露的冰层融化，上覆草皮和土层失去支承而塌落下来，冰层融水稀释了塌落的物质，并在重力作用下沿着斜坡缓缓下滑。谭老师地理工作室综合整理这样地下冰层继续融化，上边土层继续滑塌，并使新的冰层继续露出，这样几经反复，经过几个夏天，这种滑塌就会到达坡顶。

冻融泥流

热融湖塘

铁路稳定的关键因素

青藏铁路的修建面临着高温、高含冰量冻土和气候转暖的难题。青藏铁路成功的关键在于路基工程，而路基工程的关键在冻土，冻土作为一个极为重要的关键因素，必须进行深入的研究，以此来保证青藏铁路工程的顺利实施和正常高速运营。因此，青藏铁路的成功在路基，路基的关键在稳定，稳定的关键在冻土。

要解决这一难题, 确保青藏铁路的成功, 必须将以往在冻土区筑路常用的以增加热阻为手段的消极的保护冻土原则, 改变为以'冷却地基'为手段的积极的保护冻土原则。有目的地选用路堤填料和构思新的路堤结构, 用以调控辐射、调控对流、调控传导和综合调控, 以达到'冷却地基'的效果, 抵消气候转暖的影响, 确保青藏铁路的安全和稳定。

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谁说电动车跑不快

人家要用高!压!电!

注意!是!千!伏!

电厂发电(330、220或110KV)后通过输电线路送到铁路牵引变电所，调为适合高铁使用的电压，然后通过接触网馈线送到接触网导线上，再供给列车。

钢轨有多长，接触网就有多长，在地面奔跑的动车组与接触网总是遥遥相望，为了实现它们两个的亲密接触，受电弓便成为了车与网之间的“红娘”。在受电弓的牵引下，动车组就能将我们带到想去的地方啦!

全国各地的高铁车次大都在每天6时到24时之间，因为凌晨时分，供电、工务、电务等部门要对各项设备设施进行检查，完成“夜天窗”检修任务，列车也要回库进行检修和维护。

高铁为什么大多建在桥上?

等等……望着窗外的风景

怎么感觉一直“飞”在空中?

原来在平原区的大多数高铁

都是桥梁工程

山区的高铁除了隧道外

也几乎都是桥梁

跨越江河

当高铁通过江河、湖泊、沟谷时，各式各样的桥梁拔地而起，成为了一道道亮丽风景。

节约土地

节约用地是我国的基本国策，特别是对于高速铁路沿线人口密集、经济发达的地区，节约用地更有着特殊的意义。据统计，一般高架桥平均每公里比路基少占土地43亩呢!

线形控制

时速350公里是啥概念?简单来说眼睛一闭一睁，100米就跑完了!为了保证高铁“飞”得稳定，对线路必须有特殊的要求，那就是尽量跑直线，就算是拐弯也要绕大圈，这时就要靠桥梁具备的跨越能力来发挥大作用。

沉降控制

高铁桥梁往往通过数十米长的桩基础稳稳地扎根地下，使沉降控制稳定更快、更有利。这也提高了对天南地北不同地质条件的适应性，尤其是在平原软土地区，路基沉降难以有效控制，一般就以桥梁代替路基。

降低维修成本

高铁桥梁大量采用混凝土结构，材料性能稳定，后期的养护维修工作量较小。尤其在高寒季节性冻土地区修建的高铁，桥桩深入地下就不会受地表土层每年冻结、融化的影响。

减少分割城市

高铁采用桥梁的形式，依然可以利用桥下土地修建公路，更有利于与城市规划的结合，方便沿线人民的生产生活，并为未来发展预留了空间。

高架桥和片石通风路基也可以给冻土降温

高架桥

是当铁路通过高含冰量冻土区和冻土湿地区域时，以桥梁替代路基的方法，让铁路与冻土隔离。如青藏铁路的清水河大桥就是这样一座特殊的桥梁。

片石通风路基

片石通风路基则是另一种充满智慧的创造。片石改变了冻土的不稳定性，片石间的孔隙可以透过空气，热空气上升，冷空气下降，在冷气流的保护下，冻土就会保持相对稳定。

【试题链接】

材料一 多年冻土分为上下两层，上层为夏季融化，冬季冻结的活动层，下层为多年冻结层。我国的多年冻土主要分布于东北高纬度地区和青藏高原高海拔地区。东北高纬地区多年冻土南界的年平均气温在–1°～1℃，青藏高原多年冻土下界的年平均气温约为–3.5°～–2℃。

材料二 由我国自行设计、建设的青藏铁路格(尔木)拉(萨)段成功穿越了约550千米的连续多年冻土区，是全球目前穿越高原、高寒及多年冻土地区的最长铁路。多年冻土的活动层反复冻融及冬季不完全冻结，会危及铁路路基。青藏铁路建设者创造性地提出了“主动降温、冷却路基、保护冻土”的新思路，采用了热棒新技术等措施。图8a示意青藏铁路格拉段及沿线年平均气温的分布，其中西大滩至安多为连续多年冻土分布区。图8b为青藏铁路路基两侧的热棒照片及其散热工作原理示意图。热棒地上部分为冷凝段，地下部分为蒸发段，当冷凝段温度低于蒸发段温度时，蒸发段液态物质汽化上升，在冷凝段冷却成液态，回到蒸发段，循环反复。(1)分析青藏高原形成多年冻土的年平均气温比东北高纬度地区低的原因。(8分)

(2)图8a所示甲地比五道梁路基更不稳定，请说明原因。(8分)

(3)根据热棒的工作原理，判断热棒散热的工作季节(冬季或夏季)，简述判断依据;分析热棒倾斜设置(图8b)的原因。(8分)

答案：

(1)青藏高原纬度低，海拔高，太阳辐射强;(3分)(东北高纬地区年平均气温低于—1℃～1℃，可以形成多年冻土。)青藏高原气温年较差小，当年平均气温同为—1℃～1℃时，冬季气温高，冻结厚度薄，夏季全部融化，不能形成多年冻土。(5分)

(2)甲地年平均气温更接近0℃，受气温变化的影响，活动层更频繁地冻融，(冻结时体积膨胀，融化时体积收缩，)危害路基;(4分)甲地年平均气温高于五道梁，夏季活动层厚度较大，冬季有时不能完全冻结，影响路基稳定性。(4分)

(3)冬季。(2分)

依据：冬季气温低于地温，热棒蒸发段吸收冻土热量，(将液态物质汽化上升，与较冷的地上部分管壁接触，凝结，释放出潜热，)将冻土层中的热量传送至地上(大气)。(3分)

热棒倾斜设置的原因：使热棒能深入铁轨正下方，保护铁轨下的路基(多年冻土)。(3分)

试题分析：

(1)海拔高是导致青藏高原地区气温低的主要原因。和东北地区相比，青藏高原地区纬度较低，夏季获太阳辐射量多，夏季地表温度高，冻土层融化。青藏高原地区地壳运动活跃，地热资源丰富。

(2)甲地年均温高于五道梁地区，甲地冻土层厚度变化大，永久冻土厚度较小，地基土频繁的冻融不稳。甲地更接近亚欧板块与印度洋板块的交界处，地壳活动，影响路基稳定。甲地等温线分布较密集，说明当地地形起伏较大。

(3)冬季高原面上气温低，冷凝段温度低于蒸发段，气态物质在此段冷凝转化成液态流回蒸发段。夏季高原面气温较高，冷凝段温度高于蒸发段，蒸发段物质气化。倾斜设置可增加热棒与地层的接触面积，对地层温度的调节作用更强。