还记得那道让人抓狂的热棒高考题吗？今天我们来重温一下
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作者 西阁 | 审稿 山竹
2015年全国Ⅰ卷第37题，青藏铁路修建过程中，热棒防止冻土融化的题，让考生心有余悸，难度很大（试题附在文末）。随着我们对该题目的研究，利用热棒来缓解冻土融化的神秘面纱也被揭开了。
前几天公众号介绍了一篇“冰天雪地里美得冒泡的湖泊——热融湖”，里面已经介绍了冻土融化的危害。今天我们主要聊聊多年冻土区冻土融化的预防方法。
今天主要介绍以下问题：
热棒原理 片石路基原理 通风管道原理 遮阳棚（板）
01
接下来，先请同学们看这张图说出我国多年冻土的主要分布地区。
热棒的原理：热棒分地上和地下两部分，热棒下面装有部分液态氨，它遇热后会从液态转化为气态（气化吸热），遇冷后气态转化为液态（液化放热），就在气液转化过程中将冻土的热量从散热片散发出去，从而使冻土的温度保持相对恒定，不会因外界温度的改变而发生冻融作用。
看下图A表示哪个季节？为什么热棒在A这个季节作用明显呢？
看到这是不是觉得也没那么复杂了，接下来我们再介绍一种缓解冻土融化的方法——通风管道。
02
这是一种自动控温技术，通风管路基主要由路基主体、道渣和通风管构成。通风管道路基通过智能控温，可有效地缓解多年冻土融化带来的路基塌陷或变形等问题。该项技术已经广泛应用于我国多年冻土区公路、铁路等路基建设。
通风管道原理：通风管两端挡板能随着气温变化自动开合。气温低于 0℃时，挡板打开，使外部冷空气进入管道，冷空气密度较大，在自身重力和风的作用下将管中的热空气带出，并不断将周围土体中的热量带走，保持路基下方多年冻土维持在较低温度而不易融化；气温高于 0℃时，挡板关闭，可以阻隔热空气进入，防止冻土融化。
下图是青藏高原地区某公路局部通风管道路基图。一般情况下，通风挡板关闭的时间是白天还是夜晚呢？
03
片石通风路基或路坡（即采用的石头不是碎石，如果是采用碎石就叫碎石路基或路坡）是冻土区防止路基开裂和变形的重要手段，相比其它方法，该方法的成本较低，技术难度不高，因此在多年冻土区使用得比较广泛。
片石路基示意图（左）片石路基、路坡铺设中（右）
片石路基的原理：在暖季，气温高于地温，片石空隙中的冷空气可以阻止外界热量传入路基，起到类似保温材料的隔热作用；寒季，地温高于气温，冷空气可以进入片石路基空隙，可以加快路基散热，起到类似通风管的储冷作用，这是由片石路基特殊的热传输特性决定的。
知道了片石路基的原理，想象一下，下图片石路基或碎石路基是否适用于风沙较大的冻土地区？
04
遮阳棚（板）的原理：在路基上部或边坡设置遮阳棚或遮阳板，可有效减少太阳辐射对路基的影响，减少传入冻土路基的热量。
我国在风火山试验的基础上，在唐古拉山越岭地段设置了钢结构遮阳棚，经观测防止冻土融化的效果比较显著。
风火山遮阳棚实验（左） 钢结构遮阳板（右）
若东西走向时的青藏铁路铺设路基遮阳板，遮阳板应该在南坡还是北坡加厚遮阳板呢？
简单回顾防止冻土融化的方法，我们不难得出结论，无论哪种方式，目的就是防止冻土融化，维持表层土壤的温度。另外，地下土层在冬季的温度较高，易发生融化，因此这些方法大多在冬季效果最佳。
05
1.C
冬季，地温高于气温，冷空气可以进入片石路基空隙，可以加快路基散热，起到类似通风管的储冷作用，效果更加明显。因此选C
2.D
由于青藏高原南坡为向阳坡接受太阳辐射较强烈 ，路基温度会升高，使得路基南北坡的吸热不均匀，因此在南坡安装厚度更高的片石路基，是为了南坡温度降低与北坡温度一致，避免南坡由于温度过高而发生沉降或裂缝等现象。因此选D
（2015年全国Ⅰ卷第37题）阅读材料，完成问题。
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℃。
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。
左图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。右图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)左图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(右图)的原因。(8分)
(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)
参考文献：
李训华等.冻土的形成、危害及防治措施[J].黑龙江交通科技.2004.7
严学斌等.青藏铁路低温冻土区片石路基的温度特征[J].北京交通大学学报.2010.1.73-76.
樊凯等.多年冻土区路基遮阳板应用技术研究[J].路基工程.2008.5.23-25.