青藏公路多年冻土地区公路工程地质研究回顾与展望

来源：SCI期刊网 分类：建筑论文 时间：2021-12-23 09:18 热度：

　　摘要：为了研究规划中青藏高速公路沿线多年冻土地质特征，首先回顾了青藏公路多年冻土地区40余年工程地质研究历程，对高含冰量冻土与地下冰分布规律、多年冻土地表辨识标志以及多年冻土上限的勘察与确定等内容进行论述，并进一步讨论了多年冻土区公路工程地质区划与评价、冻土温度场分析特征、冻土区划与冻土地温的关系、公路冻土综合分类标准及多年冻土在气候转暖背景下退化的预警预报。在此基础上，结合高速公路高线性指标以及大尺度路基标准等技术要求，提出了新的冻土区工程地质研究目标。研究结果表明：新建冻土区高速公路需要重点关注人为活动层以及路基本体中水-热-力的状态研究;在获得长期监测数据的基础上继续深入开展冻土路基预警预报技术，并对预报模型的准确性进行验证;对现有多年冻土区路基工程措施的适应性需作进一步研究，并需结合高原冻土地区最新的工程观测结果对原有冻土路基设计原则进行修正。

　　关键词：道路工程;青藏公路;综述;工程地质;多年冻土

　　0 引 言

　　青藏公路建成通车已有60年，全线黑色化修筑沥青路面也已30余年，青藏公路冻土工程技术研究的启动，以原交通部1973年6月组建成立青藏公路科研组为标 志，已 经 走 过 了40余年 的 历 程。40多年来，青藏公路科研组对于青藏公路冻土工程技术的研究目的在于：认识高原多年冻土、探索高原多年冻土的分布规律，研究多年冻土区的高含冰量冻土与地下冰分布规律及其地表识别标志，研究多年冻土区公路工程地质条件、冻土温度场分布特征、冻土区划与冻土温度的关系，从而为公路冻土综合分类标准及多年冻土在气温转暖情况下的退化预警预报、路基路面及桥涵设计与施工和青藏公路运营期间道路病 害 的 整 治 提 供 基 础 数 据 和 技 术 支 持。然而，随着全球不断升温以及公路建设要求的提升[1-2]，尤其是目前在高寒高海拔地区在建或规划的近3000km 的高速公路，其显著增加的路基宽度以及厚重路面结构层对多年冻土地基承载力提出了更高的要求。为了适应高等级公路技术标准，满足冻土地区公路发展的各种需求，多年冻土地区工程地质研究仍有许多问题需要进一步开展研究。

　　1 地下冰分布规律与地表识别标志

　　青藏公路穿越550余 km 的多 年 冻 土 区，高 含冰量冻土及地下冰的形成和融化是多年冻土区地表变形和工程建筑物破坏的主要原因[2-3]。图1为青藏公路沿线多年冻土分布状况。

　　1973～1980年，青藏公路科研人员对青藏公路沿线的地下冰分布状况开展了全面普查，通过开展大量的钻探、坑探、物探、试验及航片调绘等研究工作，对青藏公路多年冻土地下冰的分布规律及其地表识别标志有了进一步的认识。研究认 为[4]，多年冻土地下冰的分布受地质、水文和热物理因素制约，这几类因素在具体地理环境中 的 组 合 形 成 了 地下 冰在不同地貌单元和地形部位中的分布特征，因此可以以多年冻土岩性、成因类型、冻土-温度带和不同地貌单元作为多年冻土发育状况的判别标志。同时，植被、融冻泥流、热融凹地、热融湖塘、冻胀丘、沼泽化湿地和现有构筑物的破坏等，也可作为高含冰量冻土的地表识别标志。

　　1.1 地下冰与高含冰量冻土的分布规律

　　1.1.1 地形坡面

　　章金钊等[5]研究发现，对于低山丘陵区，当其他条件相当时，阳坡较之阴坡接受的太阳辐射多，地温更高，蒸发的水分亦多，故一般阳坡的地下冰不如阴坡的发育程度高。坡度大、覆盖层薄、排水条件好的地方不利于地下冰的生长，而坡度小、覆盖层厚、水分充足、植被容易生长的地方有利于地下冰发育。

　　1.1.2 岩土性质

　　多年冻土地下冰的分布主要受土体粒径成分的控制[6]。分凝析冰在不同粒径成分的土中有明显差异，粒径0.002～0.05mm 的土是分凝析冰的最佳粒径范围。在细颗粒松散土中，其分凝析冰能力的高低顺序为：粉质亚黏土、黏土、亚砂土、粉砂。粗粒土含冰量主要取决于其中粒径小于0.05mm 颗粒的含量，一般当 其 大 于15%时，在充 分 饱 和 条 件 下便能形成高含冰量冻土。而当松散土成分中有高价阳离子、腐殖质、植物残体等存在时，分凝析冰能力将显著提高，所以在泥炭土中常有含土冰层形成，在基岩中则一般形成少冰和多冰冻土，只有在强烈破碎带和风化带，且有足够水分补充时才有可能形成高含冰量冻土。

　　1.1.3 地貌单元

　　青藏公路沿线多年冻土区的大地貌单元可大致分为中高山区、低山丘陵区和河谷平原区3类。当这3类地貌单元处在不同的冻土地温带时，其地下冰的发育程度会有差异。在其他条件相同时，处于年平均地温较低的河谷平原区的地下冰发育程度比处于较高年平均地温的好。无论是中高山区还是低山丘陵区，随纬度往北推移，年平均地温降低，冻土含冰量增大。连续多年冻土地带上限处的含冰量高于岛状多年冻土地带的含冰量。山间盆地往往具备细粒土和充分的水分条件，因而高含冰量冻土发育;冲积平原及洪积扇前缘的开阔地区，地势平坦，地表多沼泽化湿地，表层腐殖土厚达1m，尽管该处年平均地温较高，但地下冰仍较为发育。在湖相沉积构成的山间盆地中，地下冰一般也很发育。大河河床下一般形成贯通融区，而在中小河流的河床下则形成非贯通融区，由于海拔高度相对较低和河水流动的热影响，该处年平均地温一般较高，且岩性以砂砾石为主，所以一般仅发育少冰和多冰冻土。当河漫滩和一级阶地由粗颗粒土组成时，一般也仅发育少冰和多冰冻土，甚至有的由细粒土组成的地段也仅有少冰和多冰冻土发育。而只有当细粒土地段呈现沼泽化、表层植被发育，且土中有腐殖质存在时，才有高含冰量冻土产生。

　　1.2 高含冰量冻土的地表识别标志

　　1.2.1 植 被

　　植被是高含冰量多年冻土地表识别[7-8]的重 要标志之一。多年冻土地区冻土上限产生隔水顶板的作用，阻 碍 了 地 表 水 的 下 渗。当季节融化层由细粒土组成，排水 条 件 不 良 时，往 往 造 成 该 层 土 含水量增大而有利 于 植 被 生 长。植被生长又对多年冻土起到保温作用 而 有 利 于 下 部 多 年 冻 土 和 地 下冰的发育，两者相 辅 相 成，因 此 在 岛 状 多 年 冻 土 地带，植被生长茂盛往往指示其下部有多年冻土层存在。

　　1.2.2 融冻泥流

　　融冻泥流的发生地带也是高含冰量多年冻土地表识别的标志[9]。融冻泥流常发生于有高含冰量冻土，特别是含土冰层发育的斜坡上，系自然和人为原因造成斜坡上的地下冰融化而产生。因此融冻泥流的存在往往是高含冰量冻土，在大多数情况下是含土冰层存在的标志。一般滑动层上部的陡坎越高越陡，则地下冰层越厚越纯。融冻泥流堆积同时也是为上限附近地下冰的重复分凝提供了细粒土、充足的水分和适宜的共生条件，因此往往融冻泥流堆积越厚，地下冰的厚度就越大。

　　1.2.3 热融凹地和湖塘

　　热融凹地和湖塘是高含冰量多年冻土地表识别的标志[10]。在地势平坦的阶地、高平原地区等高含冰地段，因人 为 或 自 然 因 素 的 影 响，其 地 下 冰 融 化时，在地表形成凹地，凹地积水形成湖塘。凹地和湖塘部位的地下冰一般已融化或减少甚至消失，但却能指示其周围有高含冰冻土存在。

　　1.2.4 冻胀丘

　　冻胀丘同样是高含冰量多年冻土地表识别的标志。冻胀丘中不仅有厚层地下冰核存在，且不同类型的 冻 胀 丘 还 能 指 示 其 周 围 地 区 地 下 冰 的 分 布情况。

　　1.2.5 串珠状水系

　　串珠状水系为热融湖塘串通以后形成，往往指示周围有厚层地下冰存在，切割微弱、水系密集成树枝状或多支流同汇于浅洼地的串状水系反映该地段排水不良，有利于高含冰量冻土生成;而切割深的地区，排水条件好，不利于高含冰量冻土发育。

　　1.2.6 沼泽化湿地

　　沼泽化湿地中细粒土发育、植被茂盛、常有泥炭层存在、腐殖 质 含 量 高 且 水 分 充 足，是 高 含 冰 量 冻土，特别是 含 土 冰 层 存 在 的 一 个 良 好 的 判 别 标 志。但在多年冻土南界附近应注意区分多年冻土区的沼泽化湿地与季节冻土区的沼泽化湿地。在多年冻土区的沼泽化湿地中往往有冻胀草丘发育，其大小高低不一，直径一般50～70cm，高30～60cm，草丘间往往有寒冻裂缝。

　　2 多年冻土上限的勘察与确定

　　多年冻土上限的研究起始 于1973年。多年 冻土上限(下文简称上限)是最大融化季节时季节融化层与多年冻土层的冻融界面。由自然原因形成的上限称为天然上限;由人为活动影响导致天然上限的变化而形成新的上限称为人为上限。多年冻土的部位及其变化是各种自然条件综合作用的产物，其反映着季节融化层与多年冻土的特性，是进行公路工程设计的主要参数。

　　2.1 影响多年冻土上限的主要因素

　　影响多年冻土上限的因素可归纳为气候、地形、地貌、岩性及水文地质、植被、地表水等，这几类因素共同影响着季节融化层的深度。

　　2.1.1 气候因素

　　气候因素主要指环境气温条件，气温直接影响地表温度，而地表温度是控制季节融化深度的决定因素，在其他条件相同时气温越高，季节融化层深度也越大。多年冻土上限随地形、地貌单元的不同而变化，在同一冻土温度带内坡顶和坡腰比坡底上限浅，阴坡比阳坡上限浅，山地丘陵区比河谷平原区上限浅。

　　2.1.2 岩性及水文因素

　　岩性及水文地质因素是影响多年冻土形成的内在因素，在其他条件相同而岩性有差异时，上限埋深亦不同。一般情况下，粗粒土比细粒土的上限深，密度大的土比密度小的土上限深，如青藏公路沿线亚黏土天然上限一般为1.1～1.8m，而砂砾石层则为3.0～4.0m。

　　2.1.3 植被因素

　　植被可减少地表辐射，其根系可疏松 土 层。特别是草皮层根系密集而疏松，具有较好的隔热性能，植被发育好时上限较浅，植被差则上限较深。如青藏公路的五道梁北坡，无草皮比有草皮覆盖段上限深50cm。因此，青 藏 公 路 沿 线 有 植 被 覆 盖 比 无 植被覆盖地段上限一般要浅0.3～0.5m。2.2 多年冻土上限的确定多年冻土上限的确定方法一般有热工计算[11]、经验公式计 算、物 探[12]、坑探 和 钻 探。以 热 工 计 算或经验公式计算多年冻土上限时，应收集当地的气温、地温、降水及其变幅和年内分配等，调查当地的海拔、纬度、地形、地貌、地面坡度和坡向等，还应调查分析松散沉积物的岩性、成因类型、密实度与植被形态、地表的湿度状况等资料。

　　在物探、坑探和钻探3种勘探确定上限的方法中，物探简单易行，使用方便，在少量钻探(或坑探)配合下，可以满足公路工程初步设计的需要。坑探和钻探是公路施工图阶段进行工程地质勘探确定上限的主要手段，但需注意钻进方法和取样要求，否则将不能达到预期目的。对上限的确定应以现场对坑探和钻探的 鉴 定 为 主，根据融化百分率、冻 土 含 盐量、冻土含水量(湿度分析法则)以及热工计算等方法确定上限可作为辅助参考。

　　在选择确定上限的方法时，应视不同对象采取不同的方法或几种方法同时使用，互相校核，不应千篇一律，否则将导致资料的失真。一般初步勘察过程中适宜开展坑探和少量的钻探，坑探能迅速探明冻土上限深度且取样方便，但坑探的不足之处在于勘探深度较浅，无法获得深部冻土地质状况;钻探能有效探明多年冻土地质分布状况，是详勘阶段主要的勘察手段，但钻探需要专用设备，较为费时费力，效率不高;物探是3种方式中勘测效率最高的方法，但物探必须配合钻探成果进行解译，否则无法准确获得多年冻土地质状况。

　　3 多年冻土地温、区划及预报

　　青藏高原的晚近期构造活动导致高原抬升，气候变冷和冰川发育是形成多年冻土的主要原因。海拔高程使高原的气候不仅具有纬度地带性，而且具有明显的垂直地带性，围绕着青藏高原分布着大片连续多年冻土、岛状多年冻土及季节冻土。近期构造活动也控制着冻土的分布和发育，破坏了大片连续多年冻土的完整性，沿着活动断裂带及大河、大湖附近普遍形成融区。因此，在多年冻土地区进行工程地质区划时，主要考虑多年冻土类型和分布的地带性。将青藏高原按土的冻结状态分布的形态，并结合其保持时间的长短可划分为片状多年冻土区、岛状多年冻土区、多年冻土融区和季节冻土区。

　　3.1 多年冻土地温影响因素

　　冻土路基温度场对路基稳定性的影响主要体现为冻土上限的变化和冻土地基的弱化现象，其不仅受冻土温度、冻土类型等原生冻土条件和多年冻土地区公路建设历史的影响，而且受局部热源和其他人为活动的影响[13-15]。

　　3.1.1 冻土上限

　　冻土路基的人为上限变化是自然温度场、水分场和地质情况与人为因素综合作用的结果。多年冻土的上限变化和温度边界条件与该地区的水文地质情况、路基路面状况紧密相关。一般其他条件相同时，冻土温度升高后，人为上限有下移的趋势，尤其是在沥青路面下路基高度小于临界高度时，将不可避免地导致上限下移。人为上限因各种因素的增深致使路基下冻土上限在横断面方向上形成盘状的凹陷部分，即融化盘(或融化夹层)。

　　3.1.2 冻土地温

　　多年冻土年平均地温是影响冻土路基融化夹层形成及厚度大小的重要因素。观测结果表明，在低温多年冻土区天然状态下，冻结期约历时8个月，融化期约历时4个月;在沥青路面下，冻结期历时5个半月，融化期历时6个半月，融化深度与冻结深度基本相同，表明低温冻土区冻融过程的动态平衡基本稳定。

　　在高温冻土区，天然状态下冻结期历时5个月左右，融化期达7个月，融化深度略大于冻结深度，冻融过程呈现动态平衡状态;在沥青路面下，冻结期历时仅4个半月，融化期则达7个半月，融化深度远大于冻结深度，故难以维持冻融过程的热量平衡，融化深度呈逐年较大幅度增加的趋势[16]。

　　低温多年冻土地区路段一般在公路沿线的高山地区，如昆仑山、风火山、唐古拉山、头二九山等。该路段路基一般热稳定性好，路况也较好，路基下部多年冻土属于 衔 接 状 态，冻 土 年 平 均 地 温 低 于-1.5 ℃，天然上限一般在0.9～2.8m，而路基高度一般在2.0～2.5m，路中心人为上限在2.5～4.5m。

　　高温冻土地区一般在青藏公路跨越的高平原、山间凹地与河谷等地带。此类路段的公路路基一般高度 在 2.5～3.0 m，年 平 均 地 温 在 -0.6 ℃ ～-1.5 ℃，天然上限 一 般 为2.0～3.5m，路中 心 人为上限为6.0～7.5 m(不 包括多年冻土和融区边缘、高填方路堤等的特殊地段)。部分路基下部4～6.5m 处有大量冻结层上水聚集，而 且 每 年 在 不 断补充，加剧了这些地区路基底部地温的逐年上升，抑制了这一深度上的降温和回冻，使多年冻土形成不衔接现象。在冻土工程地质条件极差的地区，将使路基产生较大沉降变形[17]。

　　3.1.3 黑色沥青路面吸热

　　路面吸热及气候效应的必然结果是多年冻土的上限下降及年平均地温的升高[18-21]。低温冻土区路中的增温速率为0.02～0.06℃·年-1，天然状态的增温速率为0.05～0.06℃·年-1;高温冻土区路中的增温速率为0.01～0.05℃·年-1，天然状态的增温速率为0.01～0.03 ℃·年-1。高温冻土区与低温冻土区路中人为上限的变化规律基本相同，低温冻土区路中人为上限为2～4m，而高温冻土区则为6～11m，路中人为上限均逐年增加，在低温冻土区的融化速率为2～6cm·年-1，在高温冻土区 则 为16～32cm·年-1。

　　3.1.4 路基阴阳坡效应

　　由于左右路肩的太阳辐射、地表湍流等热交换条件的差异，使路基中的地温分布状态在左右路肩有较大差异，左路肩明显高于右路肩，这一现象无论在高温区还是低温区都存在，左右路肩地温年平均相对差值在2 ℃左右[22]。阴阳坡面地温差值的大小主要受公路走向和路基高低的控制。左右路肩温度场的不对称，引起了路基底部最大融深位置向公路阳坡侧偏移，偏移量的大小在公路走向相同条件下，主要受路基高低的控制，一般而言，路基越高，偏移量就越大。所以早期的青藏公路，大部分路段路基低于1m，阴阳面对冻土路基的影响不十分明显。路基底部融化盘最大深度在路基中心，而且融化盘形态处于横向，基本对称于路基中心，所以发生热融沉陷的路基，路中部沉陷量最大。路基竣工以后，路拱逐年减小，甚至发展成为反路拱。而在一、二期整治工程加高路基以后，阴阳坡效应就表现的十分明显，在冻土工程地质条件很差的路段，路基产生了向左倾斜和部分路面的较大纵向裂缝问题[23]，而且裂缝产生位置85%以上分布在向阳面的公路左侧，这充分说明在抬高路基以后，路基内部热平衡状态发生了较大变化，使路基底部融化盘形态产生了相应的调整和改变，在这一过程中路基下的最大融深不再是路基中心，而是向阳面的公路左侧偏移，使公路左侧产生了新的热融病害问题。

　　3.2 冻土区划

　　随着冻土公路工程地质研究的深入，不难发现冻土类型、冻土温度及其变化过程对冻土地区公路路基稳定性均产生较大影响;因此，从2002年起开展的公路冻土工程区划研究中，开始考虑多年冻土地区的公路与多年冻土相互作用、工程病害的产生机理及其发展规律，并将冻土类型与冻土地温作为主要区划指标。为了便于工程应用，在一、二级区划的基础上，将冻土分为高含冰量冻土(富冰冻土、饱冰冻土与含土冰层)和低含冰量冻土(少冰冻土、多冰冻土)两类，提出三级区划[24](表1)。

　　3.3 多年冻土地质工程评价

　　在多年冻土区划的基础上，考虑冻土的含冰量及冻土的融沉性和冻胀性等工程性质，对其工程地质评价可分为：①良好工程地质地段，一般在公路工程设计时可不考虑冻土地基的融化及冻胀问题;② 较好工程地质地段，有一些路基的冻胀和融沉问题，只需采取一些简单的工程措施即可防治道路破坏; ③不良工程地质地段，往往出现较大的融沉量，道路破坏严重，须采取特殊措施进行处理才能保持道路的稳定性。

　　3.4 多年冻土的预警预报

　　青藏公路沿线气候变化与冻土相互作用、人类活动与冻土的相互作用较为复杂，气候变化和人为活动是青藏公路沿线冻土环境、工程环境、沙漠化趋势及经济活动变化的最直接结果。

　　根据青藏公路沿线年平均地温与海拔、纬度的关系，年平均气温与年平均地温间的关系，以及多年冻土的稳定 性 分 类，采 用 英 国 Hadley气候 预 测 与研究中心 的 海 洋-大气 耦 合 型 的 GCM 气候 情 景 模型对青藏公路沿线地区的气候变化趋势进行了预测[25]。1999年时 通 过 GCM 模型 对 2009 年、2049年、2099年的定 态 变 化 预 测 结 果 表 明，气 候 转 暖 后青藏公路沿线 两 侧30km 范 围内各地温带相对面积会发生变化。极稳定带、稳定带和亚稳定带的多年冻土，随气温升高其空间分布相对面积将逐渐减小，分布下界向更高的海拔高度迁移(图2)。百年尺度内，极稳定带相对分布面积由现在的5.59%减小到2099年的0.65%，稳定带相对分布面积由现在的16.32%减小到2099年的3.28%，亚稳定带由现在的25.5%减小 到2099年的 17.43%。随着 气温升高，过渡 带、不稳定带相对分布面积在逐渐扩大，过渡带分布面积由现在的22.85%增加到2099年的 31.01%，不 稳 定 带 相 对 分 布 面 积 由 现 在 的10.8%增加到2099年的27.46%。这也 充 分 说 明了受气候转暖的影响，各地温带间正在发生转化：极稳定带向稳定带转化，稳定带向亚稳定带转化，亚稳定带向不稳定带转化，不稳定带处于长期的多年冻土退化阶段。——论文作者：汪双杰，王 佐，袁 堃，赵永国

文章名称：青藏公路多年冻土地区公路工程地质研究回顾与展望

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