青藏鐵路路基下多年凍土演化特征及規(guī)律研究

楊永鵬,孟進(jìn)寶,韓龍武,李勇

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海 格爾木 816000)

自從20世紀(jì)50年代以來，全球氣候發(fā)生著巨大變化，近30年來，每10年地表溫度的增幅均在提高，21世紀(jì)的第1個10年是歷史最暖時期，降水量也顯著增加[1-3]。與全球氣候一樣，青藏高原氣溫逐年升高，降水量也明顯增加[4-5]，劇烈影響著依賴于氣候環(huán)境的高原植被、冰川、凍土等的賦存狀態(tài)。

多年凍土是由特定的氣候及地質(zhì)環(huán)境共同作用形成的，其演化受到氣候環(huán)境變化的影響，而凍土的演化又直接影響到建設(shè)于其上的凍土工程的穩(wěn)定性。青藏鐵路沿線連續(xù)多年凍土地段長度約為547 km[6-8]。其中高含冰凍土地段累計長度222.16 km，占連續(xù)多年凍土地段長度的40.66%(其中厚層地下冰地段累計長度56.20 km)；低含冰凍土地段累計長度222.57 km，占連續(xù)多年凍土地段長度的40.73%；融區(qū)地段累計長度101.68 km，占連續(xù)多年凍土地段長度的18.61%。

路基下多年凍土的穩(wěn)定是青藏鐵路工程長期可靠運營的保障[9-14]。本文基于青藏鐵路多年凍土區(qū)長期監(jiān)測系統(tǒng)中的氣候要素變化，對青藏鐵路沿線天然場地及路基下多年凍土地溫變化進(jìn)行分析，研究青藏鐵路路基下多年凍土演化特征及規(guī)律。

1 青藏鐵路沿線氣候特征及變化

受全球氣候轉(zhuǎn)暖的影響，在1961—2011年期間，青藏鐵路沿線各地區(qū)氣溫基本以0.03 ℃/年的速度升高，進(jìn)入21世紀(jì)以后，升溫速率增大了2～4倍，見表1。

表1 青藏鐵路沿線氣溫年增長率統(tǒng)計 ℃/年

青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)大部分年降水量在250～450 mm，南部邊緣地區(qū)可達(dá)550 mm。近年來年降水量總體呈增大趨勢。表2為青藏鐵路沿線年降水量變化統(tǒng)計。

表2 青藏鐵路沿線年降水量變化統(tǒng)計

圖1和圖2分別為青藏鐵路沿線風(fēng)火山地區(qū)融化指數(shù)和凍結(jié)指數(shù)變化曲線?？芍?，風(fēng)火山地區(qū)融化指數(shù)以 0.206 4 ℃·月/年的幅度增大，而凍結(jié)指數(shù)以 0.336 9 ℃·月/年的幅度增大，融化指數(shù)增幅小于凍結(jié)指數(shù)增幅，說明沿線氣溫正在逐年升高，氣溫變暖主要在寒季，暖冬現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

圖1 青藏鐵路沿線風(fēng)火山地區(qū)融化指數(shù)變化曲線

圖2 青藏鐵路沿線風(fēng)火山地區(qū)凍結(jié)指數(shù)變化曲線

圖3為風(fēng)火山地區(qū)1976—2012年地表溫度變化曲線?？芍?，風(fēng)火山地區(qū)1976—1986年11年間年平均地表溫度均低于37年平均值，隨后1987—1992年6年間年平均地表溫度處于波動期，1993—2012年20年間該地區(qū)地表溫度明顯上升，增溫現(xiàn)象顯著，年平均地表溫度均高于37年平均值。風(fēng)火山地區(qū)近37年間年平均地表溫度增長率為0.060 8 ℃/年，是氣溫增長率的1.34倍。

圖3 風(fēng)火山地區(qū)1976—2012年平均地表溫度變化曲線

由此可見，青藏鐵路沿線氣候整體處于轉(zhuǎn)暖過程，且在21世紀(jì)以來轉(zhuǎn)暖力度進(jìn)一步加大。

2 青藏鐵路沿線天然場地多年凍土變化

多年凍土的賦存依賴于寒冷的氣候環(huán)境，氣候環(huán)境的變化將勢必影響到青藏鐵路沿線多年凍土的賦存。

2.1 沿線天然場地多年凍土天然上限變化

2006年青藏鐵路運營以來，沿線天然場地多年凍土天然上限發(fā)生了較大變化(見圖4)，從34個地溫監(jiān)測場的監(jiān)測資料可以看出：沿線多年凍土上限在2007—2015年間發(fā)生了較大幅度的變化，多年凍土整體處于退化狀態(tài)。

圖4 青藏鐵路運營以來沿線多年凍土天然上限變化

表3為2015年與2007年相比，青藏鐵路沿線多年凍土天然上限變化情況占比?？梢钥闯?，2015年與2007年相比，天然上限下降的占91%，其中天然上限下降0.5～1.0 m的占59%。

表3 2015年與2007年相比沿線多年凍土天然上限變化情況占比 %

2.2 沿線天然場地多年凍土不同深度處地溫變化

不同深度處地溫變化反映的是多年凍土總體熱狀況，通過分析可以研究多年凍土的穩(wěn)定狀態(tài)及退化速率等。為了清晰地研究青藏鐵路沿線天然場地多年凍土地溫變化，繪制了典型地段(K1496+750斷面)的2007年與2012年的地溫變化情況，見圖5。

圖5 青藏鐵路沿線典型地段地溫變化情況

從圖5可知，與2007年相比，K1496+750斷面2012年天然上限降低了將近0.5 m；2012年埋深6 m處地溫升高了0.05 ℃左右，埋深12 m處地溫升高了0.03 ℃左右；測溫范圍內(nèi)沒有觸及人為上限，但是通過-0.1 ℃線的位置可以看出，-0.1 ℃線抬升了將近0.5 m。由此可知，該斷面天然狀態(tài)下2012年地溫較2007年均升高，上限下降且下限抬升，多年凍土處于升溫退化狀態(tài)。可以認(rèn)為該斷面多年凍土是在上下2個熱源影響下發(fā)生退化的。

對此，本文選擇了多年凍土北界附近、昆侖山山區(qū)、楚瑪爾河高平原、烏麗-沱沱河地區(qū)、多年凍土南界附近等典型地段，分別對埋深2.5，5.0，10.0 m處的多年凍土地溫變化進(jìn)行了分析。

表4為2006—2015年青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)不同深度處的地溫升溫速率?？芍捎跉夂蛴绊?，近年來青藏鐵路沿線天然場地多年凍土均處于退化狀態(tài)；分析天然場地埋深2.5，5.0，10.0 m處的地溫升溫速率，基本都是埋深2.5 m處最大，說明多年凍土升溫退化主要還是自上而下進(jìn)行；從不同地區(qū)升溫速率可知，多年凍土北界附近升溫退化速率最大，唐古拉山以北多年凍土受氣候影響較唐古拉山以南明顯；烏麗-沱沱河地區(qū)由于受大河融區(qū)影響，升溫速率較大。

表4 2006—2015年青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)不同深度處的地溫升溫速率 10-4 ℃/d

埋深/m凍土北界附近昆侖山山區(qū)楚瑪爾河高平原烏麗-沱沱河地區(qū)凍土南界附近2.52.571.480.871.040.165.01.000.570.070.720.2310.01.380.460.370.440.15

2.3 沿線多年凍土不同深度處積溫變化

在凍土工程研究中，積溫代表某一區(qū)域或者某一點的凍結(jié)、融化能力，積溫變化也可以用來分析多年凍土的穩(wěn)定狀態(tài)和變化趨勢。對此，對青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)2007—2013年間不同深度處的年度積溫進(jìn)行了統(tǒng)計分析，見圖6。

圖6 2007—2013年多年凍土區(qū)不同深度處積溫變化曲線

從圖6可以看出，埋深2.5，5.0，10.0 m處正積溫均為0，負(fù)積溫比較低，但是隨著時間變化，負(fù)積溫逐年升高，即在不同深度處的多年凍土地溫逐年升高，凍土退化明顯。

在此基礎(chǔ)上，對青藏鐵路沿線多年凍土北界附近、昆侖山山區(qū)、楚瑪爾河高平原、烏麗-沱沱河地區(qū)、多年凍土南界等典型地段多年凍土不同深度處積溫進(jìn)行了計算。表5為青藏鐵路沿線典型地段積溫增長率。可知，在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)，積溫呈增長的趨勢，多年凍土的蓄冷能力降低，影響多年凍土的穩(wěn)定，退化明顯。烏麗-沱沱河地區(qū)增長率最大，昆侖山山區(qū)次之，說明近年來烏麗-沱沱河地區(qū)多年凍土升溫較其他地區(qū)更加明顯。

表5 青藏鐵路沿線典型地段積溫增長率 %

3 青藏鐵路路基下多年凍土變化

對于建設(shè)在多年凍土上的路基工程，其穩(wěn)定依賴于路基下多年凍土的穩(wěn)定。為了保證青藏鐵路多年凍土路基的穩(wěn)定，在青藏鐵路547 km的多年凍土路基中采取了片石(176.3 km)、熱棒(45.1 km)等保護(hù)路基下多年凍土的工程措施，其中普通填土路基約為204.06 km。

3.1 路基下多年凍土人為上限變化

圖7為路基左右路肩人為上限較原天然上限位置變化情況?？芍谇嗖罔F路剛開通的2007年，路基左右路肩人為上限相對原天然上限均抬升的占81%，而在2015年這一比例降至75%，且左路肩抬升而右路肩下降的比例由2007年的0增加至3%，其余比例不變。由此可見，近年來路基下多年凍土在氣候及工程影響下產(chǎn)生升溫退化。

圖7 路基左右路肩人為上限較原天然上限位置變化情況

3.2 普通填土路基多年凍土地溫演化

普通填土路基是指沒有采取特殊熱防護(hù)的多年凍土路基，如圖8所示。

圖8 普通填土路基示意

圖9 普通填土路基(K1068+758斷面)地溫變化情況

圖9為普通填土路基(K1068+758斷面)左右路肩地溫變化情況，可以看出多年凍土人為上限均出現(xiàn)不同程度的抬升。但是左路肩下多年凍土地溫略升，凍土處于輕微升溫退化狀態(tài)，而右路肩下多年凍土地溫降低，多年凍土基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，該斷面(路基填高2.5 m)路基陰陽坡差異明顯。通過2007年左右路肩融化進(jìn)程曲線對比，可以看出左路肩下6～7 m處存在融化夾層，整年未消除，而右路肩以下多年凍土已銜接。通過2012年左右路肩融化進(jìn)程曲線對比，可以看出陰陽坡差異不明顯，地溫場也趨于穩(wěn)定。

3.3 片石路基多年凍土地溫演化

片石路基就是在路基底部鋪設(shè)一層片石層，片石層中保證一定的空隙，如圖10所示。

圖10 片石路基示意

在暖季時環(huán)境氣溫高于路基本體內(nèi)部溫度，片石層上部溫度高于下部溫度，熱量主要通過片石的接觸熱傳導(dǎo)作用傳入路基，片石層內(nèi)部空隙中熱空氣的上升作用阻擋外部熱量的進(jìn)入，使片石層的有效導(dǎo)熱系數(shù)變小，片石層猶如一道熱屏障阻礙著外部熱量的傳入，具有一定隔熱效果。

在寒季時環(huán)境氣溫低于路基本體內(nèi)部溫度，片石層上部溫度低于下部溫度，片石層空隙內(nèi)的空氣發(fā)生對流換熱，同時片石之間以及片石和空氣之間還存在接觸熱傳導(dǎo)，熱量能較好地從路基和基底散發(fā)出來，且青藏高原寒季的多風(fēng)氣候使得片石層中發(fā)生強(qiáng)制對流，更有利于路基散熱，從而降低路基及基底的地溫。

圖11為片石路基(K1037+340斷面)左右路肩地溫變化情況?？梢钥闯觯孩?007年左路肩凍結(jié)銜接時間在4月初，而右路肩在1月初之前就已經(jīng)凍結(jié)銜接，路基左側(cè)較右側(cè)受熱影響更大；到了2013年左路肩凍結(jié)銜接時間為3月初，較2007年提前了1個月，但是陰陽坡地溫差異明顯。②2007年路基左右路肩各深度處地溫差異明顯，路基左側(cè)路肩以下10 m處地溫較右側(cè)高0.35 ℃，陰陽坡差異明顯；2013年路基左側(cè)路肩以下10 m處地溫較右側(cè)高了將近0.5 ℃，陰陽坡差異較2007年繼續(xù)增大。③2013年較2007年左右路肩以下各深度處多年凍土地溫升高明顯，路基左側(cè)路肩以下10 m處地溫升高了0.2 ℃，路基右側(cè)路肩以下10 m處地溫升高了0.15 ℃，可以看出在左右路肩以下多年凍土地溫均升高的情況下左側(cè)較右側(cè)升高幅度更大，進(jìn)一步說明該段路以下多年凍土處于升溫退化狀態(tài)，陰陽坡差異明顯。

片石路基對多年凍土路基工程的熱防護(hù)發(fā)揮了作用；左右路肩以下多年凍土溫度狀態(tài)差異明顯，各深度處多年凍土地溫升溫幅度差異明顯，這是由于線路路基陰陽坡受熱作用差異較大引起的，需要進(jìn)一步采取措施以解決該問題。

3.4 熱棒路基多年凍土地溫演化

熱棒是一種液、汽兩相轉(zhuǎn)換且對流循環(huán)的熱傳輸系統(tǒng)。熱棒是由1根封閉鋼管和鋼制散熱器組成。管中充以工質(zhì)，上部為冷凝器，下部為蒸發(fā)器。當(dāng)冷凝器與蒸發(fā)器之間存在溫差時，蒸發(fā)器中的工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，在壓差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成液體，附于管壁上，在重力作用下，液體工質(zhì)沿管壁流回蒸發(fā)段再蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)，將地基中熱量帶出。所以，熱棒是無需外加動力的人工制冷裝置。熱棒工作原理如圖12所示。

熱棒路基就是將熱棒埋設(shè)于路基中，利用其冷卻性能對路基下多年凍土進(jìn)行制冷，降低多年凍土地溫，保護(hù)地基多年凍土，如圖13所示。

圖14 熱棒路基(K0972+580斷面)地溫變化情況

圖14為熱棒路基(K0972+580斷面)左右路肩地溫變化情況?？梢钥闯觯孩僮笥衣芳缫韵?—4月在埋深0～10 m范圍內(nèi)地溫下降顯著，主要是熱棒在寒季的工作效果反映。②相較天然孔同一深度(路肩孔深度從基底(1 m)算起)地溫，左路肩原地面以下10 m處地溫在2007年降低了1.2 ℃，右路肩原地面以下10 m 處地溫在2007年降低了0.7 ℃；左路肩埋深10 m 處地溫在2013年降低了1.7 ℃，右路肩埋深10 m 處地溫在2007年降低了1.3 ℃，熱棒制冷效果顯著，陰陽坡差異明顯，同時隨著時間積累路肩以下多年凍土冷儲量進(jìn)一步增加。③在天然狀態(tài)下多年凍土處于升溫退化狀態(tài)的情況下，由于熱棒的制冷作用，該斷面左右路肩以下多年凍土處于降溫過程，路基下多年凍土穩(wěn)定。

綜上所述，青藏鐵路多年凍土區(qū)路基下多年凍土受到了氣候變化的影響，發(fā)生了升溫退化，但是相較天然場地條件下升溫退化速率明顯減小。采取的片石、熱棒等結(jié)構(gòu)形式路基對保護(hù)路基下多年凍土起到了良好的作用，也可以有效消除或緩解由于陰陽坡差異引起的多年凍土差異性退化問題。

4 結(jié)論

本文基于青藏鐵路沿線氣候要素變化，通過對青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)天然場地下、路基下多年來的大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對青藏鐵路路基下多年凍土演化特征及規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)論如下:

1)近年來，隨著全球氣候轉(zhuǎn)暖趨勢進(jìn)一步明顯，青藏高原氣候要素也發(fā)生了顯著變化。青藏鐵路沿線氣溫呈升高趨勢，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，升溫速率進(jìn)一步加大，降水量逐年增大，暖冬現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

2)青藏鐵路沿線天然場地條件下91%的多年凍土上限下降，沿線各區(qū)域不同深度處的多年凍土地溫升溫速率明顯，不同深度處積溫也發(fā)生了較大的改變，多年凍土總體處于退化狀態(tài)。多年凍土南北界及大河融區(qū)附近多年凍土退化速率較其他地區(qū)更加明顯。

3)青藏鐵路路基下多年凍土人為上限在2007年相對原天然上限均抬升的占比為81%，在2015年這一數(shù)據(jù)為75%?？梢娫谌驓夂蜣D(zhuǎn)暖及青藏鐵路沿線氣候要素變化的過程中，青藏鐵路路基下多年凍土也發(fā)生了升溫退化。

4)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基采取的片石路基、熱棒路基等工程措施具有較好的保護(hù)多年凍土的效果，有效地緩解了由于氣候變化引起的路基下多年凍土的升溫退化，保證了多年凍土路基工程的穩(wěn)定。

5)同為主動降溫措施，熱棒路基較片石路基對路基下多年凍土的保護(hù)效果更優(yōu)，對維護(hù)路基長期穩(wěn)定的效果更加明顯。

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