青藏高原多年冻土地区路基热稳定性影响因素分析

青藏高原多年冻土地区路基热稳定性影响因素分析

汪海年,窦明健

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室　西安市　710064)

摘　要:随着全球气温的持续变暖,多年冻土地区路基的热稳定性受到了广泛关注。考虑了诸多影响多年冻土地区路基热稳定性的主要因素并进行综合分类,将其归纳为外部气候条件、冻土内在因素及公路工程特点3类,初步分析了各影响因素的变化状况及其影响效应,提出了各因素间的相互作用关系图式。

关键词:道路工程;多年冻土;路基稳定性;影响因素

　　青藏公路是国道109线的重要组成部分,承担着90%左右进藏物资的运输任务,具有重大的政治、国防、经济价值。该线穿越多年冻土地区760km,其中大片连续分布多年冻土区550km。随着近年青藏高原地区气候的持续变暖,多年冻土年均地温普遍升高,呈退化趋势,路基病害普遍发生,多年冻土地区路基的热稳定性受到了广泛关注。本文对青藏高原多年冻土地区路基热稳定性的影响因素进行综合分析,为冻土路基温度场研究及路基病害的防治提供参考依据。

冻土路基为紧密依附于天然地面层的经人工填筑、开挖而成的带状构造物,并与其基底的多年冻土层及以外一定范围内的土体形成共同体系,共同承受外部环境对其施加的自然力的影响。因而,影响冻土路基热稳定性的因素极其复杂,总体上可分为3类:外部气候条件、冻土内在因素及公路工程特点。1　外部气候条件

气温变化受海拔的影响,与多年冻土的分布具有良好的相关关系,直接影响着多年冻土的生存环境。根据国家气象局数据中心提供的近30年气象资料,青藏公路沿线年平均气温为-2℃～-619℃,年最低气温为-1415℃～-1714℃,年最高气温为618℃～811℃,气温年较差为15℃～26℃,年内日平均气温较差为10℃～19℃。

IPCC在2001年发布的预测称:“全球表面温度预计在1990年～2100年间升高114℃～518℃。”青藏高原是气候变化的“启动器”,其升温要早于周围地区,青藏高原也是气候变化的“放大器”,其升温值要高于全球平均值。据预测,至2050年青藏高原将升温212℃～216℃。以下从青藏公路沿线选择五道梁、沱沱河和安多3个具有代表性的气象站30年气象资料(表1)来分析青藏高原气候变化。

从表1可见,青藏高原地区年平均气温有上升趋势,最近10年的累年平均气温均比30年累年平均气温要高。1月份(最冷的月份)平均气温上升趋势不明朗,而7月份(最热的月份)平均气温显著升高。青藏高原气温上升的直接结果就是多年冻土的年平均地温升高,多年冻土上限下降,改变了多年冻土的平面分布与垂直分布,致使多年冻土呈现退化趋势,严重影响路基的热稳定性,导致路基病害的出现。近15～20年以来,岛状冻土区年平均地温升高

气候条件是路基体系外部自然环境,包括年平均气温、太阳辐射状况、风速、风向、大气降水、降雪

以及蒸发等。号称“世界第三极”的青藏高原因其独特的自然地理条件(低纬度、高海拔),造就了独特的多年冻土分布,其气候条件与其他地区也呈现较大的差异性。111　气温

在诸多气候要素中,气温是很重要的能量指标。

基金项目:国家自然科学基金项目(批准号:501780110);西部交通建设科技项目资助

收稿日期:2004-11-26

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2005年　第5期　—2—

表1　五道梁、沱沱河和安多地区平均气温

年份󰃗年

1971—19801981—19901991—20001971—2000

年平均气温󰃗℃

五道梁

-514-5151-512-5137

1月份平均气温󰃗℃7月份平均气温󰃗℃

沱沱河

-4102-4153-3192-4116

安多

-2186-2179-2176-2180

五道梁

-1615-1618-1618-1617

沱沱河

-1518-1715-1617-1617

安多

-1414-1412-1514-1417

五道梁

5126514451835151

沱沱河

7126715171727150

安多

7163716981027178

013℃～015℃,连续多年冻土区内年平均地温上

气温较低,故有利于路基冷却,从而有利于保持路基的稳定性。

同时,该地区各月各风向频率随季节变化呈不均匀分布。11月份至来年3月份当地主导风向为西

向风(W、NW、SW),西向风的频率均在70%以上,12月份至来年2月份西向风频率可达80%,其余各

升011℃～013℃。

112　太阳辐射

太阳辐射是影响多年冻土及路基稳定性的重要因素,是路基边界处能量交换的重要方式。青藏高原云量少、空气洁净,太阳辐射异常强烈、总辐射量大、日照时数长,可达2800～3200h󰃗a。

太阳总辐射量随季节变化呈不均匀分布。4～9月份辐射日总量较大,11月份至来年2月份达到最小值。在6月份时由于降雨量较大,空气潮湿度大,大气中水汽溶胶吸收了部分太阳辐射能,故在辐射曲线中出现了峰谷值。通过比较可以看出,青藏高原地区的太阳辐射能比内地要丰富得多。由于青藏高原地区太阳辐射强烈,多年冻土吸收的辐射能较多,极不稳定。同时,公路构造物的修建又进一步增大了路基体系的辐射吸收面积,且黑色沥青混凝土路面的辐射吸收效应强烈,致使青藏高原多年冻土区的公路热稳定性较差。113　风速和风向

青藏高原海拔高,易受高空气流的影响,地势平坦开阔,空旷无物,建筑物和地面植物稀少,风速较大。就五道梁地区而言,1971年～2000年累计月平均风速为415m󰃗图s,大风时风速可达25m󰃗s以上。1所示为五道梁地区累年各月平均风速。

月各风向频率分布较为平均。

青藏公路总体呈北北东-南南西走向,高原上常年的冬季西风致使路基西侧边坡在冬季更加容易冷却,温度比东侧边坡低。同时,在冬季,东南侧边坡(阳坡)的日照时间又比西北侧边坡(阴坡)的日照时间长,阳坡的温度比阴坡高。这2个方面的叠加致使青藏公路路基阴、阳坡热差异在冬季十分明显,路基的不均匀变形及路基纵向裂缝等病害也多在冬季发育。114　大气降水

青藏公路沿线降水量以唐古拉山为界呈明显分带性,唐古拉山以南较大,唐古拉山以北较低。降水量远远小于蒸发量。降水的季节分布极不均匀,5～9月份降水集中,可占全年降水量的90%以上。降水

多为雷阵雨,或阵雨加冰雹及霰等形式。

大气降水经边坡处渗入路基内部,使路基原有的含水状况发生改变,潮湿的路基热容量较大,其冻胀量也较大,暖季到来之时亦易产生翻浆,对路基稳定性不利。同时,青藏高原地区集中、强烈的降水对边坡冲刷极为严重,在部分路段已经影响了路基的稳定状况。2　冻土内在因素

冻土内在因素是影响多年冻土地区路基热稳定性的另一个重要方面。这些因素主要包括多年冻土分布与类型、土质、地下冰类型与含量、路基填料类型、年平均地温及天然冻土上限等。

图1　五道梁地区累年各月平均风速

211　多年冻土的平面分布

从图1可以看出,风速季节性变化比较明显,

7～10月份风速较小,而12月份至来年3月份风速明显增大。由于冬季风速大,对流热交换效率高,且

冻土路基的热稳定状况与基底多年冻土的稳定类型有着密切的联系。青藏公路沿线从K2879至K3515为多年冻土分布区,根据冻土平面分布特征,

　2005年　第5期　　　　　　汪海年　窦明健:青藏高原多年冻土地区路基热稳定性影响因素分析其间依次分为:岛状、片状和岛状3个区段。不同区段的多年冻土厚度、上限深度、冻土温度和稳定性有着明显区别,其冻土工程地质特点和对工程的影响也各不相同。根据青藏公路沿线多年冻土的稳定程度,可将其划分为3种分布类型。

(1)高山稳定带。主要有昆仑山(K2886～可可西里山、风火山(K3055～K3100)、唐K2910)、

古拉山至桃二久山(K3312～K3385)等高海拔区段,每段长约10余km或数十公里。多年冻土温度较低,埋藏深度较浅且上限深度无明显下降。

(2)北部亚稳定带。此带北起昆仑山南坡(K2910)、南至北麓河(K3055)以及开心岭(K3165

—3—

213　地下含冰量及含水量

地下含冰量的多少影响冻土内部相变热能的储

蓄,影响到冻土的传热、蓄热能力,进而影响到冻土温度场的分布状况。含冰量也会影响到路基内部水份的迁移速率与迁移量,从而影响路基内部水份场的重新分布。同时,含冰量也影响着冻土的强度、模量及流变特性,从而影响到路基应力场的分布状况。倘若高含冰冻土地段的冻土融化,则易造成热融滑塌、热融沉陷和热融湖塘等不良地质现象,从而造成路基下沉、不均匀沉降和路面开裂等工程病害,严重影响路基的热稳定性。

路基内含水量变化是低温地区冻胀、翻浆、开裂及沉陷等路基病害产生的基本条件。路基含水量受路基填料类型、路基高度、地下水埋藏深度、路基及路面排水条件和气候条件等因素制约。

地下含水量受土质类型、距地下水面距离、地形条件和地层结构等因素影响而变动。一般情况下,距地下水面愈近含水量愈大;地形起伏、倾斜则地下水埋深增大,土的含水量较小,如K2997+400钻孔处,路线纵向处于斜坡地段,地下水埋深达513m,而含水量则普遍偏小,多数在219%～617%之间。214　土质类型

不同土质类型的多年冻土,其导热、蓄热能力及导湿能力是各不相同的。青藏公路沿线分布的土质类型是多种多样的,有卵石土、碎石土、砂砾土、粘性土和砂粘土等。由于不同类型土质的颗粒组成、矿物成份、粒度大小及表面自由能状况各不相同,形成不同的空隙率、密度、蓄水和渗透能力。这些差异直接影响土层的热容量、导热系数、相变热以及导湿系数等热物理参数和水份迁移系数,而这些参数将直接影响到热量在路基体内的传递及水份的迁移,从而影响路基的热稳定状况。土质及含水量对热参数的具体影响见文献[1]。3　公路工程特点

～K3195)。该类型冻土在路基下稳定性较差,极易受工程影响而变化,因此,从工程角度称为亚稳定性,又称为过渡型多年冻土。

(3)退化带和融区。此类包括2个部分:一部分是北部岛状多年冻土;另一部分北起雅玛尔河(K3100)、南至二十六工区附近(K3515),之间除开心岭(K3165～K3195)和唐古拉山到桃二久山(K3312～K3385)以外的地区。此区段位于冻土分布的南段,受纬度影响,气温较高,降水量较大,河流较密,加之部分地段地热异常,因此,区段内公路沿线多年冻土呈断续分布,退化明显,极不稳定。212　多年冻土天然上限

多年冻土的天然上限是多年冻土在垂直方向的重要特征,是表征多年冻土热稳定状态的重要指标。多年冻土天然上限的高低将直接影响到多年冻土抵抗外界干扰的能力,从而影响到路基的热稳定状况。

在区域性退化的背景下,受人类工程活动因素的影响,青藏公路沿线多年冻土退化加剧并更为复杂,近10年的勘察资料表明,路基下多年冻土的分布和上限深度正在不断发生变化。表2列出了青藏公路沿线4个典型地段的多年冻土上限深度。

表2　青藏公路典型路基多年冻土上限深度

地　区粘土砂粘土砂类土砾石类土

昆仑山区

可可西里区

沱沱河

m

唐古拉山区

最高最低最高最低最高最低最高最低

1132115211854

019801980182116119

419

1138214215

1191115

2123182132216

212115212116216

213316412218

1145111116115

公路工程特点是公路修建后自身的几何尺寸、

形状等工程要素,包括路基高度、路线走向、路面类型、结构组合方式及工程防护措施等。311　路基高度

多年冻土地区的路基高度是影响路基下伏多年冻土层稳定性的重要因素,其重要性在很早以前就已经引起了冻土研究者的重视。人们通过保证路基具有一定的高度这一措施,以增加路基的热阻,防止

路基填土1195

　注:空缺数据表示暂无实测资料。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2005年　第5期　—4—和减小由路面传至下伏多年冻土层的热量,减小人为活动对多年冻土的干扰,从而增加路基及基底多年冻土的稳定性。过去广泛称此高度为多年冻土路基临界高度,近年来的研究表明,多年冻土路基不仅需要保证最小高度,还需要限制最大高度,因此,将最小高度称为下临界高度。

调查表明,青藏公路在“八五”期间改建后,路基平均高度在019m左右,受多年冻土与公路工程相互作用的影响,自加铺沥青混凝土路面以来,多年冻土上限不断下降,路基的沉陷、冻胀和不均匀变形等病害时有发生。为此,开展了一、二期整治工程,一期整治期间将路基高度大幅度抬高,局部路段路基高达4～5m。路基抬高后,路基沉陷、不均匀变形等病害发生率有所降低,但路基纵向裂缝、边坡冲刷等病害广泛发育。

众多资料表明,多年冻土地区路基高度并非越高越好。随着路基高度的增加,多年冻土上限不会再有明显下降,但多年冻土上限也不会抬升。由于高路堤的边坡面积较大,其吸热效应是不可低估的,在高路堤内部易产生多年不冻的融土核。同时,由于路基两侧边坡吸收太阳辐射的不均匀性(阴、阳坡效应),高路堤两侧的温度差异增大,容易产生不均匀变形,在高路堤路段尤为明显。因此,为了保证路基的安

全,路基高度应予以限制在一定范围以内,此值即上临界高度。312　路线走向

除了路基高度外,另一影响路基热稳定性的重要因素就是路线的走向。多年冻土地区路基与一般地区路基的一个重要不同之处,就在于其稳定性与路线走向密切相关,即具有坡向性的特点。路基阳坡受太阳辐射的时间长、强度大,因而阳坡面吸热大于阴坡面。路线的走向影响了两侧边坡对太阳辐射的吸收,使两侧边坡温度具有一定的差异。路基愈高,边坡坡面愈大,阴、阳坡面热效应差距愈大。由于冻土的强度、应力和应变等特性与温度有着密切的关系,故两侧边坡温度的差异易引起不均匀沉降、纵向裂缝等各种路基病害的产生。南北走向路基无明显的阴、阳坡效应,其余走向的路基均存在不同程度的阴、阳坡效应。如青藏公路格尔木～拉萨段总体为北北东-南南西走向,按路线前进方向,路基左侧为阳坡,右侧为阴坡。根据2001年的实地调查资料(表3)可以看出:纵向裂缝分布受路线走向影响明显;路段坡向性越大,纵向裂缝分布密度越大;纵向裂缝分布受坡向控制,阳坡面明显大于阴坡面和路幅中间带。

表3　纵向裂缝坡向分布统计

路线走向累计长度󰃗km

坡向裂缝条数󰃗条裂缝总数󰃗条

左

54

南北(N10°E-N10°W)

129

北东(N10°-70°E)

155

东西(N70°E-S70°E)

101

北西(N10°-70°W)

125

中

21112

右

37

阳

123

中

46205

阴

36

阳

127

中

40211

阴

44

阳

125

中

53215

阴

37

313　路面类型

在公路工程要素中,路面类型(沥青混凝土路面、水泥混凝土路面、砂砾石路面)也是影响青藏高原多年冻土地区路基热稳定状况的一个重要因素。青藏公路1954年通车以来,初期是采用砂砾石路面,路基的平均高度较低,并未出现较多的路基病害。经改建加铺沥青混凝土面层后,路基下多年冻土上限不断下降,路基的不均匀沉降严重发育。高等级、高强度的路面铺筑后却导致路基、路面的病害大量产生,其主要原因有二:一是青藏高原地区太阳辐射异常强烈,由于黑色沥青混凝土路面显著的辐射吸收效应导致路基升温较快,改变了路基体系原有的热平衡状况;二是由于沥青混凝土面层的密封效

应使水份无法从路面内部蒸发出来,减小了路基的蒸发耗热,极大地改变了路基体系原有的水热平衡状态。

目前,由于水泥混凝土路面施工及养生条件要求较高,而青藏高原地区气候条件较为恶劣,水泥混凝土路面在高原冻土地区使用较少。314　公路工程防护措施

道路的修建势必影响多年冻土原有的水热平衡状况,为了减小路基对其原有状态的干扰,国内外冻土工作者提出10余种路基工程防护措施。根据工程防护机理来看可分为3类:调控辐射类、调控对流类和调控热传导类。

调控辐射类措施的主要方法是增加路基各边界

　2005年　第5期　　　　　　汪海年　窦明健:青藏高原多年冻土地区路基热稳定性影响因素分析表面的反射率以减少路基体吸收的太阳辐射,此类措施有浅色路面及遮阳棚等。

调控对流类措施主要是通过改善路基边界及路基体内部的对流换热状况,以保持冻土路基的热稳定性,主要有通风管路堤、块(碎)石路堤、抛石护坡及热棒等措施。

调控热传导类措施主要是通过调整路基材料的导热系数来保持路基的稳定性,主要有隔热板路堤、泥炭垫层路基等。4　结语

—5—

路基热稳定的公路。三者之间的详细关系如图2所示。

由于多年冻土地区自然地理环境的特殊性,多年冻土地区路基热稳定性的影响因素是复杂多样的。总的说来,影响因素可分3类:外部气候条件、冻土内在因素及公路工程特点。外部气候条件是造就多年冻土这一特殊工程地质体的环境条件,外部气候条件的变化直接影响到多年冻土的进化与退化,影响路基的热稳定性,是影响路基体系温度场分布的诱因与动力。冻土内在因素直接影响到路基温度场和水份场在路基体系中的传递规律,内因是影响路基热稳定性的根本机制。公路这一人工构造物自身的工程特性,是路基热稳定性的3大影响因素中唯一可以通过人工调节而实现的。工程特点是增加路基热稳定性,调控路基温度场分布状况的手段与方法。多年冻土地区修筑公路的设计思路就是结合当地太阳辐射、风速状况及降雨蒸发等外部气候条件,考虑多年冻土的平面及垂直分布特性、冻土土质、地下含冰量和类型等内在因素,设计出能够保持

图2　多年冻土路基热稳定性影响因素关系

参考文献:

[1]　徐学祖,王家澄,张立新1冻土物理学[M]1北京:科学

出版社,20011

[2]　汤懋苍,程国栋1青藏高原近代气候变化及对环境的影响[M]1北京:科学出版社,19981

[3]　秦大河,等1中国西部环境演变评估[M]1北京:科学

出版社,20021

[4]　国家气象局数据中心1五道梁、沱沱河、安多地区地面

气象资料三十年数据汇编[Z]120031

[5]　潘卫东1青藏高原多年冻土区铁路路基热稳定性研究

[D]1兰州大学,20021

[6]　胡长顺,窦明健1青藏公路纵向裂缝成因及处治对策

研究总报告[R]1长安大学,20031

[7]　窦明健,等1青藏公路多年冻土段路基病害分布规律

[J]1冰川冻土,2002,24(6)1

AStudyonFactorsInfluencingThermalStabilityofPermafrost

EmbankmentsinQinghai-TibetPlateau

WANGHai-nian,DOUMing-jian

(KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,

Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Abstract:Withtheincreasingwarmingofglobalclimate,thermalstabilityofembankmentsinpermafrostregionshavebeenreceivedextensiveattention1Manyfactorsinfluencingthermalstabilityofpermafrostembankmentsaretakenintoaccountandclassifiedcomprehensively,whicharesummarizedintothreegroups,externalclimatecircumstance,permafrostinternalfactorsandcharacteristicsofhighwayengineering1Thevariationsandeffectsofallinfluentialfactorsareanalyzedandmutualrelationshipgraphamongthefactorsputforwardaccordingly1

Keywords:highwayengineering;permafrost;stabilityofembankments;influentialfactors