气候变化影响下青藏公路重点路段的冻土危害及其治理对策

气候变化影响下青藏公路重点路段的冻土危害及其
治理对策3
赵　林①　程国栋②　俞祁浩③　李元寿④
①③研究员,②中国科学院院士,④助理研究员,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州730000
3中国科学院院士咨询项目“青藏高原冰川冻土变化对区域生态环境影响评估与对策”和国家重点基础研究发展计划(973项目2005CB422003)资助
关键词　气候变化　冻土危害　治理对策　青藏公路
青藏公路穿越720余公里的多年冻土分布区,发育着基本稳定、准稳定、不稳定和极不稳定四种类型的多年冻土。

自1985年,伴随着青藏公路黑色沥青路面铺设的全面完成,由于多年冻土退化导致的冻土路基病害一直困扰着青藏公路的正常使用,不同地段历经了3到5次不等的整治工程。

各种模拟结果及预测显示,未来50年青藏高原年平均气温可能上升2.2～2.6℃,青藏高原的多年冻土将进一步退化。

稳定性路段将大幅度减少,而不稳定路段将显著增加,将为青藏公路的正常营运带来新的冻害问题。

笔者基于过去几十年来的研究成果,在考虑未来多年冻土退化的背景下,针对不同路段提出了初步的路基处理措施,为相关部门在进行青藏公路的冻害治理方面提供参考。

青藏公路从青海省格尔木至西藏拉萨全长1132km,公路由北至南穿过多年冻土区达720余公里,其中多年冻土连续分布区520多公里。

区内气候严寒,年平均气温-2.2～-6.0℃,海拔平均在4500m以上,且冰冻期长(7～8个月/年),雨雪集中,加上空气稀薄和特有的一些不良工程地质(如热融湖塘遍布、地下冰发育、冻结层上水丰富,冰丘,热融沉陷、热融滑塌、冻胀、寒冻泥石流等),给公路工程建设、运营、维护都带来了许多困难。

青藏公路始建于1950年,1954年通车,1956年在原有简易公路基础上进行了砂砾路面的改建。

1972年开始改建青藏公路为沥青路面,此项改建工程历时长达12年之久,于1985年竣工[1]。

针对改建沥青路面后,冻土路基所产生的不均匀热融沉陷等路基病害问题, 1991—1999年先后对病害严重路段进行了三次以抬高路基、加强侧向保护及排水等保护冻土为目标的整治工程。

三次整治工程后,多年冻土地区的路基普遍抬高到3m以上[3]。

为了适应青藏铁路建设需求,以提高路面平整度、增加路基路面强度、加大桥梁、涵洞的承载能力等为目标,2002—2003年再次对青藏公路进行了较大范围的改造。

围绕突出的冻土工程问题,20世纪70年代初开始,公路、铁路、科研院校等多学科人员组成科研队伍对青藏公路进行了系统的科研工作。

针对在多年冻土地区修筑高等级青藏公路所急需解决的技术难题,开展了路基、路面、桥涵、路堑、房建等的基础与冻土之间相互作用研究,特别是对水热过程和力学过程、各类工程建筑物基础的稳定性和各种适应高原寒冷环境条件的路面、路基等结构的研究更加深入持久。

通过大量实体工程的现场试验观测研究与验证,取得了一大批可供工程设计应用的成果。

20世纪90年代以后,针对公路路基的不均匀下沉变形及公路病害的发生发展、人为活动和气候转暖下冻土环境变化对公路工程的影响,分别开展了冻土工程地质研究、路基温度场研究、青藏公路沿线冻土地理信息系统研究和寒区环境工程地质学研究[2]。

为确保国家战略的顺利实施,维护道路工程的长期稳定和正常运营,就必须对中国以青藏公路为代表的多年冻土区道路工程中存在的各种问题进行科学分析,在认真汲取正反两方面经验的基础上,对中国今后多年冻土区公路建设问题提出有益、合理的建议,最终为解决中国冻土区道路建设的顺利发展奠定坚实基础。

1青藏公路沿线多年冻土的热状况和路基稳定性划分
勘测结果表明,青藏公路穿越青藏高原的大片连续多年冻土、岛状多年冻土和季节冻土区。

公路沿线多年冻土分布主要有两种类型岛状不连续多年冻土和大片连续多年冻土。

青藏公路沿线的地下冰广泛地分布于
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湖相、坡积-泥流相土层中,呈分凝形式形成厚度不等
的层状冰。

地下冰的性状、成因类型和分布异常复杂,
与地形、岩性、水分、埋藏条件、植被、地表面和土体中的
热交换条件及地热梯度等都有密切的关系。

青藏公路
沿线地下冰的主要发育地带,一般在20m 深度上下,特
别富集于多年冻土上限以下0.5～3.0m 深度内。

大量
调查结果表明,在湖相沉积和坡积物中地下冰含量最高。

在其他条件相同时,年平均地温越低,冻土含冰量越高[2]。

最新资料表明,青藏公路沿线大片连续多年冻土区长522k m ,岛状不连续多年冻土区长191km (图1,见彩插一)。

其中连续多年冻土区约50%的地区平均地温高于-1.0℃为高温冻土区,40%为高含冰量冻土区,24%为高温高含冰量冻土区(图2)。

图2　青藏公路沿线多年冻土温度分布图
根据青藏公路沿线多年冻土的热状况特征,其稳定
性可以被划分为极不稳定型、不稳定型、准稳定型和稳
定型4个主要类型(表1)[4,5]。

表1　青藏公路沿线多年冻土稳定性类型划分
稳定性
类型
年均地温(℃)多年冻土厚度(m)年均气温(℃)主要分布地段极不稳
定型
+0.5～-0.50～30-3.0～-4.0河谷、融区周围及岛状冻土区不稳
定型
-0.5～-1.520～80-4.5±高平原及盆地后缘准稳
定型
-1.5～-3.060～120-5.5±低山丘陵和沼泽化湿地极发育处稳定型-3.0～-5.0100～150-7.0±中高山地带2青藏公路多年冻土区主要工程地质
问题
历年来的大量调查、勘探与现场实体观测资料表
明,青藏公路的路基变形是以沉降变形为主,路基下多
年冻土的融化使路基产生不均匀下沉[6]。

路基病害的
主要表现形式为:路基的横向倾斜变形,阳坡路基变形
过大而引起的纵向裂缝与路基开裂,纵向凹陷与波浪沉
陷。

路基病害主要发生在高含冰量的高温冻土地段,究
其原因是路基下地温逐年升高所致。

1990年调查结果表明,格尔木至拉萨段穿越520多公里多年冻土路段,路面破坏累计已达343km ,病害率高达66%。

1991—
2001年沥青混凝土路面下多年冻土上限变化勘探资料揭示,10年来青藏公路大多数路段沥青混凝土路面下多年冻土人为上限都在下降,特别是高温高含冰量路段,下降幅度达4m 左右[6]。

据统计85%的路基破坏为融化下沉,15%为冻胀和翻浆,桥梁和涵洞破坏形式主要为冻胀。

冻土路基变形还与土体年平均地温和冻土工程条件有关,年平均地温高于- 1.5℃,路基变形随年平均地温升高而剧烈变化,冻土路基变形主要发生于高含冰量路段,且含冰量越大,融化下沉变形量也越大[7](图
3)。

各类严重路基病害发生路段,
绝大部分都在年平均
图3　—年实测路基沉降变形量与多年冻土年平均地温的关系
Chi nese J our na l of N ature Vol.32No.1 Review Arti cle
1998200001
地温高于-1.5℃的地区。

在年平均地温低于- 1.5℃的地区,不但路基相对稳定,路基病害也很少发生[7,8]。

这也就是说,稳定和准稳定性多年冻土路基的病害相对较小,而不稳定和极不稳定路段的病害较为严重。

随着西部大开发战略的不断深入和东北振兴计划的开始,中国寒区道路工程建设正面临蓬勃发展的势头,且以宽幅路面为特征的高等级公路为主要发展方向,对路基的热扰动更为强烈。

研究表明,由于公路黑色路面的强烈吸热作用,导致同等条件下公路路堤底面的吸热强度将是铁路砂砾石路面条件下的约3.5倍(图4),随着高等级公路黑色路面的加宽,其对下伏多年冻土的扰动程度将加大,由其导致的多年冻土的退化进程将会以60%的幅度增加,所引发的工程问题也将更为复杂,这些都将使得这一难题的解决更为艰难。

图4　不同路面条件下对称半幅路堤底面年平均吸热
热流分布
3青藏公路沿线典型路段的工程稳定
性变化趋势分析
预测表明,未来50年青藏高原年平均气温还可能上升2.2～2.6℃。

多年冻土响应模拟计算分析表明,气候转暖后各冻土带面积的变化均较大,稳定带、准稳定带和不稳定带随气温升高,其空间分布面积逐渐减小,分布界线向更高的海拔高度迁移。

百年尺度内,稳定带分布面积由现在的5.6%减小到2099年的0.7%,准稳定带分布面积由现在的16.3%减小到2099年的
3.3%,不稳定带由现在的25.5%减小到2099年的17.4%。

各带受气候转暖的影响,稳定带向准稳定带转化,准稳定带向不稳定带转化,不稳定带向极不稳定带转化,极不稳定带可能转化为季节冻土。

针对青藏公路沿线目前的冻土温度状况、其未来变化预测以及多年冻土稳定性划分,可以对多年冻土划分为以下三种典型路段:(1)基本稳定路段本路段主要分布于公路沿线的昆仑山、风火山和唐古拉山垭口附近,占全线多年冻土区段总长度的6%以下,在未来气候变暖的背景下,此类多年冻土大多将由基本稳定型转化为准稳定型,但多年冻土温度将仍然低于-1.5℃,多年冻土活动层厚度可能略有增厚,路基的融沉现象可能略有增大。

(2)准稳定路段主要分布于五道梁到雅玛尔河南一带,分布长度约100～120km 。

未来气候变化的变暖将可能导致此类冻土大部分退化为不稳定型多年冻土,大部分地区的多年冻土温度将上升到-1.5℃以上,路基的融沉现象将明显加重。

(3)不稳定型路段主要分布于斜水河、清水河和楚玛尔河盆地一带,分布长度约100～130km 。

在今后的50年中,目前的此类冻土大部分将转化为极不稳定型多年冻土,路基的稳定性极差。

(4)极不稳定路段主要分布于沱沱河和通天河盆地地区,分布长度200余公里。

未来的50年内,这类冻土大多将消失,继而成为季节性冻土区。

4青藏公路典型路段的冻害治理对策多年冻土路基病害的防治目的是确保在路基修筑后,多年冻土的热融下沉不会影响路基稳定,在工程中一般采用的措施是破坏多年冻土或保护多年冻土。

采用破坏多年冻土措施时,可以采取预融或挖除的方式完全或部分破坏路基下冰层,当采用预融的方式时,在路基填筑前,应完全清干冻土融化的水分。

保护多年冻土可采取:保持多年冻土处于冻结状态的方式;控制多年冻土的融化速度,即在路基使用年限内,将多年冻土融化速度和融化深度控制在路基稳定所允许的变形范围内[9]。

考虑到气候变暖和人类工程活动影响的加强,针对青藏公路沿线的不同类型路段,多年冻土路基的处理方式建议如下:(1)基本稳定路段本路段的多年冻土在未来气候变暖的背景下仍将保持基本稳定状态,但道路的修建和运营无疑将加大或加速多年冻土温度的上升和冻土路基的融化[]。

因此,在本路段进行道路建设应以尽可能减小人类工程活动
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对路基下伏多年冻土的影响为原则,主要措施包括:①路基下铺设隔热层以减小地表能量的向下传输;或者②铺设沙石路面以增大地面反射和地面蒸发散热。

(2)准稳定路段
此路段路基的稳定性较好,但在未来50年气候变暖的背景下大多转变为不稳定状态,如果不采取措施,道路工程将加速多年冻土的退化趋势,路基的不均匀融沉破坏将是冻害主要表现形式。

因此,本路段防治冻害的主要原则应该是通过人为干扰进行路基的冷却以减缓路基下多年冻土的退化,以确保冻土路基的稳定。

针对目前本路段的特征,宜采用片石通风路基、碎片石护道等可有效降低路基地温,有效保护下伏多年冻土。

(3)不稳定型路段
本路段路基的稳定性本来就较差,目前也是经常发生不均匀沉陷的主要路段。

在气候变暖的背景下和目前道路工程的干扰下,路基稳定性将更差。

由于本路段的多年冻土已经处于严重退化状态,通过工程措施对路基进行强迫冷却或者采用陆面桥的形式进行道路建设应该是最好的措施,前者主要包括采用片石通风路基、旱桥架空路基与热桩冷却路基相互配合的方式,而后者则主要是针对部分地质条件较差,如下伏高含冰量多年冻土的路段以减少多年冻土对路基的影响。

(4)极不稳定路段
本路段的多年冻土在气候和人类工程活动的共同影响下,在未来的50年中将退化成季节冻土。

在过去的几十年中,本类多年冻土的上限大多已经退化到6～7m以下,因此,对于冻土厚度相对较薄的地区,宜采用人工融化冻土的方式,在路基填筑前对冻土进行融化并最大可能排干冻土融化后的水分,然后进行道路施工。

对于多年冻土厚度相对较大(>10m)的地段,宜采用旱桥架空的方式以确保路基稳定。

需要指出的是,即使是在同样的多年冻土热状况条件下,由于地质、地形地貌和水文条件的差异,道路施工和运营过程中仍然会出现许多特殊类型的冻土灾害,如融冻滑塌、融冻泥流、冰丘等等。

在过去的几年中,结合青藏铁路建设,我国科研工作者围绕“冷却路基”[11]的科学思路,从辐射、对流、传导调控过程出发,就几方面进行系统的科学试验研究,为道路的顺利建设、安全运营提供了坚实的物质基础和科学保证。

青藏公路在今后的运营中还有可能会遇到一些特有冻土工程问题,因此,围绕国家创新型社会的建设,国家重大工程建设的技术创新和储备,继续开展各类工程措施的研究,开拓新的冻害防治措施也是需要进一步开展的工作。

(年月日收到)[1]盛煜,刘永智,张建明,等.青藏公路多年冻土路基内的热状况
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Perm af ros t Inj ury an d It s Co nt rol Cou ntermeas u res Alon g t he Key Sectio n of Qi ng hai2Xi zan g High wa y Z HA O L in①,C H EN G Gu o2d on g②,YU Qi2ha o③, L I Yua n2s h ou④
①③P rofessor,②CAS Member,④Assist ant researcher,Col d and Ari d Regi ons Envi ronment al and Engi neeri ng Research Ins ti t ut e, C hi nese Academy of Sci ences,L anzh ou730000,C hi na
Abst ract　The Qi nghai2Xizang Highway cross e s a lengt h of720km per maf rost regions,i n which t here are f our types of p er maf rost:quasi2 s teady per maf rost,basicall y s tabl e permafros t,t her mal unst able perma2 f rost and ext reme t hermal unstable permafros t.Subgrade disease has perplexed t he normal us e of Qi nghai2Xizang H i ghway wi th permafros t degradation si nce the completion of asphal t pavement in1985,and dif2 f erent sect ions of the road have experi enced325regulat ion project s.Cli2 mate predicti ons and simulat ed calculations indi cated t hat t he annual mean t emperat ure of Qi nghai2Xizang P lateau may rises2.2—2.6℃in t he next50years,and the permafrost degradati on will be more serious. The great decrease of st able road secti ons and remarkabl e i ncrease of unst able secti ons will bring new damage to t he normal operati on of Qi nghai2Xizang Hi ghway.Based on t he research achievements i n las t decades,t he preli mi nary subgrade t reat ment measures i n different road s ect ors were prop osed by consideri ng t he background of f ut ure perma2 f rost degradati on,p roviding ref erence f or freeze i nj ury management of Qi nghai2Xizang Highway.
Key words　cli mat e change,p ermafrost,count ermeas ures,Qi ng2 hai2Xizang Hi ghway
(责任编辑方守狮)
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