为什么青藏铁路两边有热棒？

科普中国-科学原理一点通 2021-05-14

　　当你来到青藏高原时，一定会在铁路旁发现一个特别的现象，那就是路基两旁时不时会闪过一排排齐刷刷插入地底的金属管，这些金属管被安装在路面两侧，露出地面之上的部分长达两米。它们是什么呢？

　　其实，这些金属管的名字叫做热棒，这些金属管在内地很少见到，你可别小看它，它的作用可大着呢！它是用来给冻土降温的。所谓冻土，就是指温度低于0℃时水分冻结的土壤或疏松岩石。按冻融变化情况，冻土可以分成几个类别，如季节冻土、隔年冻土和多年冻土。青藏高原由于海拔高气温低，冻土层分布很广泛。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”。随着温度的变化，土体会产生多次冻融和冻胀，这一过程容易造成土层结构破坏、地基承载力降低、边坡失稳等不良结果。

　　冻土的存在给青藏高原地区的道路基建带来了极大的挑战，当年在多年冻土地区修建青藏铁路时，筑路技术问题就成为了一个大难题。因为冻土中含冰量很高，温度升高后冻土会融化下沉，那么路基也跟着下沉；但是到冬天，气温降低后，路基一冻以后又要往上升，这种随温度变化而产生沉降的情况对铁路来说也是一种危害。而且当表层冻土消融后会形成融沉湖，当它出现在铁路的路基下面，很容易造成严重的灾祸。为此，青藏铁路的建设者们苦心研究，找到了给冻土降温的方法，在路基沿线架设热棒就是其中一个环节。热棒是一种高约4米、内部中空、外部有散热片的金属柱子。它们的存在就像是一个个为地基准备的无需能源的“空调”。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。同时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。

　　在给冻土降温的整套措施中，除了热棒以外，还有架设在不稳定冻土区的高架桥、片石通风路基等。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。片石通风路基则是另一种充满智慧的创造。从它的名字我们可以窥探到这种特殊路基的不少细节，如它是在冻土地面上用片石垒成的，片石的存在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，冻土就会保持相对的稳定。另一种通风管路基的设计原理也与此大同小异，当空气在通风管内流动，带走多余的热量，保持了冻土层的低温状态，从而确保地基的稳定性。