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

　自然杂志　32卷1期专题综述　

:

9

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