青藏鐵路路塹地基下多年凍土演化規(guī)律研究

孟進(jìn)寶,楊永鵬,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(diǎn)實驗室，青海 格爾木 816000)

青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路。格拉段(格爾木—拉薩)全長 1 142 km,海拔高于 4 000 m 的地段960 km，連續(xù)多年凍土地段約547 km。全球性氣候變暖等也將影響到地基下多年凍土的生存，影響青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的穩(wěn)定[1-4]。青藏鐵路自2006年通車運(yùn)營以來，沿線路基工程基本穩(wěn)定。近年來，大幅度增加的降水引起了嚴(yán)重的坡面沖刷問題，邊坡的凍結(jié)層上水發(fā)育，熱侵蝕導(dǎo)致多年凍土上限深度逐年加大。青藏鐵路格拉段路基狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多年凍土區(qū)的路塹邊坡病害問題較為突出[5-6]。針對多年凍土區(qū)邊坡的病害問題，凍土工程界進(jìn)行了大量相關(guān)的研究工作[7]。地基多年凍土的穩(wěn)定是青藏鐵路長期安全運(yùn)營的保障[8-13]，因此，研究地基下多年凍土的演化規(guī)律顯得尤為重要。本文根據(jù)青藏鐵路長期監(jiān)測系統(tǒng)地溫觀測資料,選取了K986+709和K1201+860這2個典型路塹監(jiān)測斷面，研究路塹地段多年凍土不同深度處地溫、多年凍土人為上限變化特征和地溫演化規(guī)律。

1 路塹地段天然狀態(tài)下地基多年凍土不同深度處地溫變化規(guī)律

根據(jù)K986+709和K1201+860這2個典型路塹斷面天然地面孔資料，分析2.5，5.0，10.0 m處的多年凍土地溫變化，研究典型路塹地段天然狀態(tài)下地基多年凍土不同深度處地溫變化規(guī)律。

K986+709斷面位于昆侖山南麓，地形起伏較大，坡度較陡，基巖出露，為高溫低含冰量多年凍土地段，植被覆蓋率10%～15%，線路走向為SW50°，年平均地溫-0.24 ℃，多年凍土天然上限為4.09 m。

圖1 K986+709斷面天然孔不同深度處地溫變化曲線

圖1為K986+709斷面天然孔2.5,5.0,10.0 m深度處地溫變化曲線。可知，地溫隨時間變化呈正余弦變化，受大氣溫度影響，地表以下2.5 m處地溫變化幅度較5.0,10.0 m處大； 2.5 m深度處升溫率為1.48×10-4℃/d，5.0 m深度處升溫率為0.57×10-4℃/d，10.0 m深度處升溫率為0.46×10-4℃/d。由此表明，青藏鐵路昆侖山山區(qū)天然狀態(tài)下多年凍土處于升溫退化狀態(tài)，地表以下2.5 m處升溫速率約為10.0 m處的3倍，多年凍土自上而下的退化趨勢明顯。

K1201+860斷面位于烏麗—沱沱河地區(qū)，植被覆蓋率80%，線路走向SW65°，該段為高溫低含冰量多年凍土區(qū)，年平均地溫-0.21 ℃，多年凍土天然上限為7.67 m。

圖2為K1201+860斷面天然孔2.5，5.0，10.0 m深度處地溫變化曲線?？芍販仉S時間變化呈正余弦變化，受大氣溫度影響，地表以下2.5 m處地溫變化幅度較5.0,10.0 m處大；2.5 m深度處升溫率為1.04×10-4℃/d，5.0 m深度處升溫率為0.72×10-4℃/d，10.0 m深度處升溫率為0.44×10-4℃/d。由此表明，青藏鐵路烏麗—沱沱河地區(qū)天然狀態(tài)下多年凍土處于升溫退化狀態(tài)，地表以下2.5 m處升溫速率約為10.0 m 處的2.5倍，多年凍土自上而下的退化趨勢明顯。

圖2 K1201+860斷面天然孔不同深度處地溫變化曲線

2 路塹地段地基下多年凍土演化規(guī)律

2.1 路塹地段地基下多年凍土人為上限變化特征

圖3 K986+709斷面人為上限變化曲線

圖3為K986+709斷面人為上限變化曲線?？芍?007年左塹底人為上限較天然孔人為上限下降1.0 m左右，其后2008—2013年天然孔人為上限逐年增大，而左塹底人為上限在2008年減小以后也是逐年增大，在2011—2013年人為上限埋深一致。可以看出在氣候影響下天然場地多年凍土人為上限發(fā)生變化，但其與路塹塹底變化一致，可見該段多年凍土上限變化主要是由于氣候環(huán)境引起。

圖4為K1201+860斷面人為上限變化曲線?？芍陙碛捎跉夂蜃兓挠绊懱烊粻顟B(tài)下多年凍土人為上限埋深加大，地基下多年凍土退化明顯；路塹左右側(cè)塹底人為上限埋深也在增大，基本與天然狀態(tài)下人為上限變化幅度接近；由于陰陽坡的差異影響，右側(cè)塹底人為上限埋深較左側(cè)大。

圖4 K1201+860斷面人為上限變化曲線

綜上所述，在氣候影響下青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹地段地基下多年凍土人為上限埋深均加深，多年凍土發(fā)生退化；同時可以看出路塹塹底人為上限變化基本與天然孔一致，可以認(rèn)為主要是由于氣候變化引起的；由于陰陽坡差異影響，路塹左右側(cè)塹底地基下多年凍土人為上限發(fā)生較大的差異性變化。

2.2 路塹地段地基下多年凍土地溫演化規(guī)律

圖5為K986+709斷面2007年和2013年天然地面孔的地溫變化?？芍?，2013年凍土上限較2007年增大了將近1.5 m；2007年凍土完全回凍時間在2月中旬，而2013年回凍時間已經(jīng)到了4月底；2013年各深度處凍土地溫較2007年均有增大；可見該段地基多年凍土在氣候及人為活動影響下升溫退化明顯。

圖5 K986+709斷面不同時間天然地面孔地溫變化

圖6為K986+709斷面2007年和2013年左側(cè)塹底孔地溫變化?？芍?，2013年較2007年左側(cè)塹底人為上限下降了1 m左右，各深度處多年凍土地溫均有所抬升，地基多年凍土處于升溫退化狀態(tài)。

圖6 K986+709斷面不同時間左側(cè)塹底孔地溫變化

綜上所述，K986+709斷面在2007年和2013年間，天然場地人為上限增大了將近1.5 m，各深度處多年凍土地溫均升高，在氣候變化影響下地基多年凍土處于升溫退化狀態(tài)；左側(cè)塹底2013年人為上限較2007年增大了近1 m，較天然場地地基多年凍土升溫退化速度快。

圖7為K1201+860斷面2007年和2013年天然地面孔地溫變化?？芍?013年相較2007年天然場地人為上限增大了1 m多；2007年的銜接性多年凍土在2013年退化為不銜接性多年凍土；各深度處地溫在2013年均有升高。由此，該斷面所處地段近年來由于氣候及人物活動影響，多年凍土處于退化狀態(tài)。

圖7 K1201+860斷面不同時間天然地面孔地溫變化

圖8為K1201+860斷面2007年、2013年塹底孔地溫變化?？芍孩?007年左側(cè)塹底人為上限較右側(cè)小了將近2 m，左側(cè)塹底在12月底之前已經(jīng)凍結(jié)銜接，而右側(cè)塹底在翌年2月才凍結(jié)銜接，左側(cè)塹底不同深度處多年凍土地溫均較右側(cè)低，陰陽側(cè)差異明顯；②2013 年左側(cè)塹底人為上限較右側(cè)小了2 m，左側(cè)塹底在2月凍結(jié)銜接，右側(cè)塹底在6～9 m間存在一個融化夾層，左側(cè)塹底不同深度處多年凍土地溫均較右側(cè)低，陰陽側(cè)差異較大；③2013年左側(cè)塹底人為上限較2007年增大了1.5 m，凍結(jié)銜接時間也退后了2個月，各深度處地溫均有所升高，左側(cè)塹底多年凍土退化嚴(yán)重；④2013年右側(cè)塹底人為上限較2007年增大了1.5 m，出現(xiàn)了一個較大的融化夾層，不銜接多年凍土出現(xiàn)，同時各深度處地溫均有所升高，左側(cè)塹底多年凍土退化嚴(yán)重；⑤相較天然場地多年凍土地溫變化，左右側(cè)塹底多年凍土升溫退化較嚴(yán)重。

圖8 K1201+860斷面不同時間塹底孔地溫變化

綜上所述，K1201+860斷面在2007年—2013年間天然場地多年凍土處于嚴(yán)重退化狀態(tài)，左右側(cè)塹底多年凍土較天然狀態(tài)下退化更嚴(yán)重，且左右側(cè)差異極為明顯。

3 結(jié)論

1)青藏鐵路多年凍土區(qū)天然狀態(tài)下多年凍土處于升溫退化狀態(tài)，地表以下2.5 m處升溫速率約為10 m 處的2.5～3倍，多年凍土自上而下的退化趨勢明顯。

2)在氣候影響下，青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹地段地基多年凍土人為上限埋深均加深，多年凍土發(fā)生退化。路塹塹底人為上限變化基本與天然孔一致，主要是由于氣候變化引起的。

3)K986+709斷面各深度處多年凍土地溫均升高，在氣候變化影響下地基多年凍土處于升溫退化狀態(tài)；左側(cè)塹底2013年人為上限較2007年增大了近 1 m，較天然場地地基多年凍土升溫退化速度快。

4)K1201+860斷面在2007—2013年天然場地多年凍土處于嚴(yán)重退化狀態(tài)，左右側(cè)塹底多年凍土較天然狀態(tài)下退化更嚴(yán)重，且左右側(cè)差異極為明顯。