局地因素对青藏公路沿线多年冻土区地温影响分析

青藏高原多年冻土(以下简称冻土)具有地域分布广、厚度薄及稳定性差等特征.过去几十年的气候变暖背景下,冻土广泛退化,地温升高,夏季最大融化深度加深,冬季冻结深度减小.冻土已经产生下引式、上引式和侧引式退化.冻土层厚度减薄,或者在某些地区彻底消失.冻土退化模式研究在冻土学、寒区工程和寒区环境管理方面具有重要意义.由南至北穿越560km冻土区的青藏公路沿线(简称青藏线)冻土在青藏高原腹地具有很好的代表性.在水平方向上,冻土退化在多年冻土下界附近的零星冻土分布区、融区边缘和岛状冻土区表现得更为明显.当最大季节融化深度超过最大季节冻结深度时,冻土开始下引式退化;通常形成融化夹层,造成多年冻土和季节冻结层不衔接.当多年冻土层中地温梯度减小到小于下伏或周边融土层时,则产生上引式或侧引式退化.下引式退化进程可分为4个阶段:(1)初始退化阶段,(2)加速退化阶段,(3)融化夹层阶段,(4)最终多年冻土彻底融化为季节冻土阶段.当多年冻土中地温梯度降至下伏融土层地温梯度以下时,则产生上引式退化.3种类型冻土温度曲线(稳定型、退化型和相变过渡型)展现了这些退化模式.虽然存在不同地段和类型的地温特征,三种退化模式的各种组合最终将使多年冻土消融,转变成季节冻土.过去25年来,青藏线冻土年平均下引式退化速率变化在6～25cm,年平均上引式退化速率在12～30cm,零星多年冻土区年平均侧引式退化速率为62～94cm.这些观测结果超过所报道的过去20年来阿拉斯加亚北极不连续冻土区4cm的年平均退化速率,蒙古国不连续冻土区的4～7cm的年平均退化速率,以及雅库悌共和国亚北极和阿拉斯加北极稳定性冻土区退化速率.

本文分析了影响多年冻土地温特征的主要因素,并通过对s312线玛多至色吾沟公路的多年冻土区进行地温测试,进而分析了该地区多年冻土的地温特征.

根据青藏铁路多年冻土区测温工作的实践,通过对地温测试资料的统计分析,阐述了青藏铁路多年冻土区地温的分布规律,并总结了影响地温分布的各种因素。

在广大的冻土地区,尤其是常年多风的冻土地区,空气与地面之间的热交换不仅仅表现为传导、自然对流和辐射。在风的作用下,地表上部空气的强制对流和表土层中的水分蒸发大大增强,对冻土层的热状况产生重要的影响。对于像青藏高原这样的冻土地区而言,地面上1.5m处空气的年平均温度要比下附面层底的年平均温度低3~3.5℃以上;同时,对于表土层潮湿的冻土地区而言,水分的蒸发也将会带走土体中的大量热量。从冻土地区风作用的概念———冻土地区的风降低地表温度、促进下伏冻土发育的作用出发,分析了影响冻土地区风降温作用的诸多因素,给出在强风、表土含水量大的条件下,风作用表现得非常显著的结论。然后,通过对比、分析青藏铁路北麓河试验段的2个工程实例,验证了风的作用对冻土温度状况的重要影响。最后,给出了风作用在冻土地区若干基础工程实践中直接或间接的应用,以及利用风的降温作用来保护冻土的工程措施的使用条件和局限性。

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。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。文章挖掘了由局地因素影响造成的多年冻土“异常”分布的众多实例,并分析了这些局地因素通过改变辐射、对流和传导,对多年冻土生成和保存的作用机理,用自然过程长期作用的结果证明“冷却地基”的方法是可行的。领悟多年冻土“异常”分布为我们提供的启示,可以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。

选取青藏铁路多年冻土南界典型断面,分析路基地温在运营阶段的变化特征,并对温度场可能的变化趋势进行推测:认为冻土区南界填筑路基影响了冻土天然地温场,使人为上限降低,并造成阴阳坡的温度场不均。因此,需要采用一定的补强措施来保障铁路的安全运营。

植被是维持青藏高原多年冻土地区生态系统平衡的关键因素。根据多年来观测调查资料,分析了青藏公路沿线植被的种类、类型及其特征,提出青藏公路沿线最普遍的三类植被是高寒草原、高寒草甸和高原沼泽群落,沿线植被生存环境极为脆弱,一旦破坏,很难恢复。通过样方数据揭示:除取土坑外,公路建设对植被的影响范围一般不超过公路界外50m;受公路建设的干扰,公路两侧草原植被受到了一定程度的破坏,有明显的退化现象。

随着近几十年全球气候变暖,青藏高原多年冻土区的气候和其他环境条件都有较大改变,多年冻土的工程地质条件也发生了很大变化.根据大量野外实测数据,讨论了多年冻土的平面和垂向分布规律,着重分析了不同冻土区域的地温变化特征,并对不同分区冻土在未来气温升高1℃和2.6℃时工程地质特征的响应变化分别进行了模拟分析研究,这种响应变化对建筑物的稳定性将产生巨大影响.

随着近几十年全球气候变暖，青藏高原多年冻土区的气候和其他环境条件都有较大改变，多年冻土的工程地质条件也发生了很大变化．根据大量野外实测数据，讨论了多年冻土的平面和垂向分布规律，着重分析了不同冻土区域的地温变化特征，并对不同分区冻土在未来气温升高1℃和2．6℃时工程地质特征的响应变化分别进行了模拟分析研究，这种响应变化对建筑物的稳定性将产生巨大影响．

在全球气候变暖的背景下,青藏铁路沿线多年冻土目前处于退化状态,冻土退化将会对线路的稳定性产生影响,为解决这一问题,收集青藏铁路沿线多年冻土区冻土上限的观测数据,并比较2007年和2015年的数据,分析填土路基断面冻土上限特征,探讨减缓路基工程变形的工程措施。结果表明:青藏铁路多年冻土区填土路基人为上限有所抬升；由于线路存在左右侧阴阳坡的差异,致使两侧路肩以下人为上限形态差异性更加明显,并且冻土升温退化显著；对于青藏铁路多年冻土区路基,在工程边坡铺设碎石有助于应对气候变化引起的多年冻土退化导致的路基工程变形问题。

青藏铁路多年冻土区局部地段以普通路基形式通过,其稳定性与铁路的正常运营密切相关。2002～2003年在北麓河布置了普通路基试验段,用于监测路基的温度状态。基于监测资料,分析路基边坡温度变化过程、路基及下部土体温度场分布以及进入多年冻土的热流量。结果表明,阳坡面年平均温度比阴坡面高2.9℃,阴坡面温度年较差比阳坡面大2.2℃。受地表温度边界条件控制,路基阳坡下土体融化深度明显大于阴坡,且路基下部土体处于升温状态。路基下部土体不同部位主要表现为吸热强度逐年略有减小的吸热状态。模拟计算50年气温升高1℃条件下路基温度场,结果表明50年后路基冻土上限下降明显,并且冻土温度主要介于0～-0.5℃之间。

研究了天文因素对近500a来厄尔尼诺事件的影响,分析了近50a来enso事件与青藏铁路沿线气温地温的关系.结果表明:年平均气温和年平均最高气温,春季平均最高气温、夏季平均最低气温和秋季平均最低气温,在elnino年偏低;而在lanina年则偏高.0cm年平均最低地温、秋季平均最低地温和冬季平均最低地温,在elnino年偏低;而在lanina年则偏高.enso事件对从5cm及其以下的地温没有明显影响.厄尔尼诺事件有准60a和准19a周期,其可能是对天体运动的响应.

青藏铁路是世界上海拔最高的铁路。通过沿线青海及西藏的地震情况和西大滩断裂带、昆仑山垭口断裂以及不冻泉断裂带的多年观测数据和青藏铁路线路的实际穿越段的地质特点,可以看出,青藏铁路格尔木—拉萨段沿线地震活动频繁、断裂大量发育,不同性质、不同类型、不同特点的活动断裂给青藏铁路的工程安全带来不同程度的影响,并产生和诱发不同类型的地质灾害。一旦在铁路下方沿活动断层形成移动冰丘,将导致铁路路基隆起和铁轨变形。断裂运动不仅孕育了地震,还诱发了不均匀冻胀、构造裂缝、移动冰丘等地质灾害,影响线路工程的安全,增加维护费用。笔者着重4方面分析地震断裂活动对青藏铁路的危害性:断裂活动导致路面变形和工程破坏;断裂活动与非均匀冻胀造成路基强烈变形;构造裂缝带及其工程危害;冻土地区的地震和断裂与保护冻土的工程措施产生矛盾,给出了设计和施工中应该考虑的问题并提出从铁路的勘察设计、施工组织、施工过程中采用各种措施将地震以及断裂活动对铁路的损害程度降低到最小。

通过对青藏高原气候变化预测情况的认识,采用数值模拟计算,对两种不同升温条件下多年冻土区的热状况及对年冻土退化范围进行了预测,并据此提出了气候变化背景下多年冻土区路基工程的总体设计原则。对升温条件下多年冻土区路基工程的稳定性进行了分析,总结了气候变化对青藏铁路多年冻土区路基工程的影响。

通过对青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基试验点地温的监测,分析2003年12月~2006年10月3个冻融周期内的地温变化特征,指出由于路基的坡向不对称与几何形态的不对称所导致的斜坡路基温度场呈强烈的不对称。从3年人为上限的变化看出,路基已基本进入热平衡状态;用有限元模拟路基修筑后2年的人为上限变化,与实测对比,验证了模型建立的合理性,并通过计算预测未来30年的温度场,得出多年冻土有向季节性冻土退化的趋势。

通过对青藏铁路多年冻土区路基施工特点的分析,提出对青藏铁路多年冻土区路基施工的认识。指出解决多年冻土,是青藏铁路施工成败的根本

由于热棒路基具有良好的降温效果,在青藏公路多年冻土区得到了应用,但是关于热棒路基设计参数的选择,目前主要还是基于工程经验。笔者根据青藏公路楚玛尔河地区热棒路基的现场观测资料,详细给出了热棒一个工作周期内的产冷量及实际耗冷量的计算方法。在设计时可根据路基的使用年限和所要求的上限抬升值求得其耗冷量,选取合适的安全系数可进一步得到产冷量,由产冷量与设计参数的关系式,从而确定热棒的间距和基本参数(蒸发段长度、散热面积、直径)。

通过对青藏公路沿线实测年平均地温多元回归统计,建立了年平均地温与海拔、纬度的关系模型.利用多年冻土分布下界的统计方程和关系模型及基于格网的地理信息分析系统,对青藏公路沿线多年冻土下界分布和多年冻土地温带分布进行计算机模拟.结果表明,所建立的模拟模型能够反映青藏公路沿线多年冻土的区域分布特征,模拟结果基本上反映多年冻土分布状况.

中国科学e辑:技术科学2009年第39卷第1期:8~15 www.***.***tech.scichina.com 8 《中国科学》杂志社 scienceinchinapress 青藏高原多年冻土区公路修筑技术之进展 汪双杰 ①*,陈建兵 ①② ,章金钊 ① ,李祝龙 ① ①中交第一公路勘察设计研究院,寒区道路工程交通行业重点实验室,西安710075; ②中国科学院冻土工程国家重点实验室,兰州730000 *e-mail:wangshj@ccroad.com.cn 收稿日期:2007-12-18;接受日期:2008-09-26 国家西部交通重大科技资助项目(批准号:2002318000) 摘要青藏公路由北向南纵贯青藏高原腹地,昆仑山唐古拉山间平均海拔4

结合实例,从设计角度对区别于平原地区施工营地建设的高原冻土区施工营地建设的特点作了介绍。

青藏铁路穿越550km多年冻土区,多年冻土地温、冻土类型以及沿线生态环境等存在较大的差异,使多年冻土区工程较为复杂。因此本文提出了冻土工程复杂性概念,建立冻土工程复杂性评价模型,并利用gis平台对青藏铁路沿线唐古拉山越岭地段工程复杂性进行了分析和研究。研究结果表明,青藏铁路穿越的唐古拉山越岭地段工程复杂性相对较小,而青藏公路的工程复杂性相对较大。这表明了青藏公路沿线冻土工程比青藏铁路沿线更为复杂,在各种因素的影响下,青藏公路路基稳定性变化比青藏铁路更加复杂。

结合青藏线dk1125＋100处秀北立交特大桥的工程特点，浅谈关于多年冻土对铁路桥梁基础方案选择的问题。