泛北極多年凍土及重大線性工程穩(wěn)定性狀況

牛富俊，程國棟，石亞亞，尹國安，羅 京

(1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；2.天水師范學院 資源與環(huán)境工程學院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

多年凍土是指至少連續(xù)兩年以上溫度保持0 ℃或低于0 ℃且含有冰的巖土體[1]，其占據(jù)著北半球的1/4和全球裸露地表的17%[2]，主要分布在美國阿拉斯加、加拿大、俄羅斯和中國(圖1)。按照區(qū)域分布上的連續(xù)性，多年凍土可分為連續(xù)多年凍土、非連續(xù)多年凍土、島狀多年凍土和零星多年凍土。Obu等利用TTOP模型得出以上4種不同類型的多年凍土面積分別為10.7×106、3.1×106、3.5×106、3.5×106km2[3]。在北半球，高緯度地區(qū)多年凍土連續(xù)性較好，含冰量也較高，相對而言，中、低緯度地區(qū)和山區(qū)多為不連續(xù)、零星或島狀多年凍土，同時含冰量也較低[4]。中國多年凍土主要分布在被稱為“第三極”的青藏高原，多年凍土面積為1.15×106km2[5]。因此，大范圍的多年凍土主要分布在泛北極地區(qū)。對于泛北極，盡管沒有明確的區(qū)域和范圍劃分，研究中基本上將北極通常確定為地理上北極圈(約66°34′N)以北的海陸區(qū)域，也有以緯度及生態(tài)特征劃分北極的方式[6]。近年來，隨著北極氣候變化及冰凍圈研究的拓展，泛北極區(qū)域在涉及國家角度一般指環(huán)北冰洋國家及近北極利益相關(guān)國家[7-8]，在中國主要涉及區(qū)域為東北大、小興安嶺多年凍土區(qū)。

泛北極多年凍土區(qū)隱藏著豐富的礦產(chǎn)、油氣和水資源，為了開發(fā)利用資源促進經(jīng)濟發(fā)展，盡管在多年凍土區(qū)進行工程建設(shè)困難重重，近百年來在泛北極還是建成了諸多公路、鐵路及管道工程(圖1)。泛北極多年凍土區(qū)工程主要包括美國阿拉斯加(Alyeska)原油管道、加拿大羅曼井(Norman Wells)原油管道、中俄原油管道(漠河—大慶段)、阿拉斯加公路和鐵路、西伯利亞鐵路[9]，而在中國青藏高原多年凍土區(qū)主要有青藏鐵路、青藏公路、共玉高速公路及格爾木—拉薩成品油管道等[9-10]。此外，泛北極是中國“一帶一路”倡議的重要合作示范區(qū)域，在該區(qū)域擬建北京—莫斯科高速鐵路、北極油氣資源管道以及設(shè)想中的中俄加美高速鐵路等重大工程，這些寒區(qū)線性工程的順利建設(shè)均面臨多年凍土熱穩(wěn)定性降低和凍融災(zāi)害頻發(fā)等問題。

多年凍土是寒冷氣候的產(chǎn)物，受氣候變化影響顯著，反過來也是氣候變化的指示器[11-12]。IPCC第5次評估報告指出[13]：1880～2012年全球海陸表面氣溫升高了0.85 ℃；2003～2012年平均溫度比1850～1900年平均溫度上升了0.78 ℃。但受諸多因素的共同影響，不同地區(qū)氣溫變化程度并不一致。圖2是基于美國宇航局發(fā)布的GISTEMP數(shù)據(jù)(http:∥data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/)所繪制的1981～2016年冷季(11月至次年4月)和暖季(5月至10月)全球氣候變暖程度空間分布，冷季升溫幅度大于2 ℃的區(qū)域明顯大于暖季，而且泛北極升溫趨勢明顯大于其他地區(qū)。此外，氣候變化情景研究表明，20世紀初北極氣候變暖程度超過了全球氣候變暖程度的2倍[14]。同時，高海拔和高山地區(qū)氣溫升高速率較其他地區(qū)快[15-16]。作為氣候的產(chǎn)物，多年凍土對氣候變化十分敏感[17]，尤其是氣溫不斷上升的條件下，泛北極多年凍土的熱穩(wěn)定性受到了顯著影響[18-23]。目前不可否認的是，受全球氣候變暖和人類活動的共同影響，多年凍土呈強烈的退化狀態(tài)[24],如活動層厚度增加、地溫升高、地下冰融化以及融區(qū)范圍擴大等[25-28]。同時，多年凍土退化過程中冷凍封閉的有機物中大量碳將分解成二氧化碳和甲烷，反過來又會影響到氣候系統(tǒng)[29-31]。除了對氣候變化的反饋作用外，多年凍土退化對于凍土環(huán)境及區(qū)內(nèi)的重大工程均會造成嚴重的災(zāi)害效應(yīng)，主要表現(xiàn)為熱喀斯特發(fā)育過程中的系列災(zāi)害現(xiàn)象，包括地表塌陷、沉陷、熱融滑塌、熱喀斯特湖等凍土地質(zhì)災(zāi)害[32-34]。與此同時，凍土退化不可避免地對多年凍土區(qū)重大工程的修建、運營和維護產(chǎn)生了重要影響，特別是多年凍土溫度升高、凍土強度降低，會產(chǎn)生包括工程構(gòu)筑物不均勻沉陷、坍塌、裂縫等系列病害[35]。

數(shù)據(jù)引自網(wǎng)站:http:∥data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/圖2 1981～2016年全球氣候變暖空間分布Fig.2 Spatial Distributions of Global Warming During 1981-2016

氣候變化、多年凍土退化、防災(zāi)減災(zāi)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展是泛北極各國都需面對的重要議題。“一帶一路”倡議中重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實施，無疑更需要具體應(yīng)對多年凍土退化帶來的災(zāi)害及工程災(zāi)變效應(yīng)問題。為此，本文基于已有文獻，綜合相關(guān)研究及結(jié)合部分區(qū)域多年凍土熱融災(zāi)害及工程病害調(diào)查，整體上分析泛北極多年凍土狀況及其退化趨勢，進而分析區(qū)內(nèi)熱融災(zāi)害、重大線性工程穩(wěn)定性及病害現(xiàn)狀，以期促進對泛北極多年凍土狀況、災(zāi)害及工程病害效應(yīng)的認識，并為區(qū)內(nèi)重大線性工程穩(wěn)定性維護、病害防治及未來工程設(shè)計建造提供參考。

1 多年凍土現(xiàn)狀及變化

多年凍土地溫和活動層厚度是表征多年凍土熱狀態(tài)最直接的指標。土體溫度隨季節(jié)變化而變化，其變化幅度隨深度的增加而減??；在某一深度以下，地溫在一年內(nèi)相對不變，該深度從幾米到20 m不定，通常用此處的地溫即年平均地溫(Mean Annual Ground Temperature，MAGT)來指示多年凍土熱狀態(tài)的特征[20,22]。在國際極地年(International Polar Year,IPY)期間，泛北極國家聯(lián)合開展了加拿大、美國阿拉斯加、俄羅斯和北歐國家多年凍土的調(diào)查，至今部分鉆孔數(shù)據(jù)仍在監(jiān)測中，有一些地溫鉆孔歷史時間序列記錄超過了30年，這為后期多年凍土熱狀態(tài)變化研究提供了依據(jù)和參考。

圖3是基于Aalto等根據(jù)統(tǒng)計建模方法獲得的2000～2014年泛北極多年凍土MAGT分布[36]，以及結(jié)合Ding等利用鉆孔監(jiān)測資料統(tǒng)計得到的不同區(qū)域MAGT升溫率分布[27]。在泛北極連續(xù)多年凍土區(qū)，多年凍土MAGT隨著緯度的增加呈降低趨勢，然而受暖洋流對氣候的影響，格陵蘭東側(cè)斯瓦爾巴特島和東南側(cè)的斯堪的納維亞半島，以及俄羅斯西北部地區(qū)多年凍土的MAGT相比極地其他地區(qū)較高，最高MAGT接近于0 ℃[18-19](圖1、3)。在北歐和北美西部山區(qū)，海拔是影響多年凍土另外一個不可忽略的因子[20]，隨著海拔升高，凍土地溫降低。在東西伯利亞、阿拉斯加和北美洲北部北冰洋沿岸，多年凍土MAGT低至-15 ℃，如在加拿大Ellesmere島北部的高北極地區(qū)測得的最低MAGT為-15 ℃～-14 ℃[18-19]；在非連續(xù)多年凍土區(qū)，凍土MAGT一般在-2 ℃以上，但在一些地方受局地因素影響，如阿拉斯加公路走廊、加拿大西北育空地區(qū)南部、美國阿拉斯加—加拿大邊境附近，多年凍土MAGT在-3 ℃以下。

數(shù)據(jù)引自文獻[27]和[36]圖3 泛北極多年凍土MAGT分布(2000～2014年)及不同區(qū)域MAGT升溫率Fig.3 Distribution of MAGT (2000-2014) and Its Rising Rates of Permafrost in the Pan-Arctic Region

在地溫變化或多年凍土熱穩(wěn)定性狀況變化方面，根據(jù)一些鉆孔地溫數(shù)據(jù)記錄，多年凍土地溫整體呈升高的趨勢，極地低溫多年凍土地溫(MAGT低于-2 ℃)升高最明顯。自20世紀70年代末以來，泛北極高緯度低溫多年凍土溫度升高可達3 ℃(美國阿拉斯加北部，觀測深度為10～20 m)[11]；Halsey等對加拿大北部森林區(qū)的觀測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)自小冰期以來多年凍土不僅向北退化而且地溫也在升高[37]；自2000年以來，加拿大Ellesmere島北部觀測孔數(shù)據(jù)顯示多年凍土地溫變暖速率比之前更快，美國阿拉斯加北坡20 m處地溫是所有北美觀測鉆孔中升高最顯著的，在高溫多年凍土區(qū)(如在加拿大馬更些山谷的南部和中部、美國阿拉斯加內(nèi)陸、西伯利亞和北歐地區(qū))的不連續(xù)多年凍土地帶，多年凍土MAGT增加小于0.2 ℃，甚至有些站點的地溫變化很小或呈輕微的降低趨勢[19-20]。美國阿拉斯加內(nèi)地的多年凍土地溫2007年以后有減小趨勢，到2014年時該地區(qū)的一些鉆孔地溫要比遠處(美國阿拉斯加北部)的鉆孔地溫低，這可能與該時期氣溫未升高和較淺積雪有關(guān)[38]。同樣，在過去的30～35年，俄羅斯北部的多年凍土MAGT上升了1 ℃～2 ℃[19]；20世紀80年代后，極地多年凍土區(qū)俄羅斯烏拉爾山地溫觀測孔15 m深度處MAGT每10年增加大約0.5 ℃[39]，俄羅斯歐洲北部和西伯利亞西部的北極地區(qū)多年凍土10 m深度處地溫升溫率為每10年0.4 ℃～0.6 ℃，此外東西伯利亞北部大多數(shù)多年凍土鉆孔地溫呈變暖趨勢[40]。北歐地區(qū)斯瓦爾巴特島最北部的地溫增加較快，這與該地區(qū)氣溫變暖和極端氣候的共同作用有關(guān)[41]。在加拿大哈德森灣北巴芬島，多年凍土地溫升溫率為0.16 ℃·年-1～0.19 ℃·年-1(圖3)，但該處地溫監(jiān)測深度為5 m。近30年來美國阿拉斯加West Dock和Deadhorse觀測站點多年凍土50 m深度處的地溫上升了1 ℃。整體上，北歐、美國阿拉斯加和俄羅斯等泛北極大多數(shù)觀測站點揭示在過去幾十年多年凍土發(fā)生著明顯的退化[42-43]。多年凍土升溫除受到氣候變暖整體趨勢的影響外(據(jù)估算，1901～2015年泛北極地區(qū)凍結(jié)指數(shù)呈下降趨勢，融化指數(shù)呈上升趨勢，且1988年以后凍融指數(shù)的變化趨勢比以前更加明顯[44])，局地因素差異也是影響升溫差異的重要要素，包括雪蓋、坡向、植被及土質(zhì)等[45](如北極圈的凍土苔原緩沖層較薄，因此，相比森林地區(qū)的站點，其凍土地溫對氣候變化更為敏感[46-47])?？傊販卦黾釉跁r間和空間上都具有差異性，但整體上泛北極連續(xù)多年凍土區(qū)的低溫凍土地溫升溫程度較為明顯，而非連續(xù)多年凍土區(qū)的高溫凍土地溫升溫程度較小。這種升溫具有長期性，如歐洲PACE(Permafrost and Climate in Europe)山區(qū)多年凍土監(jiān)測網(wǎng)中提供的斯瓦爾巴特島和斯堪的納維亞半島的3個鉆孔凍土地溫剖面表明在過去幾十年中，至少在60 m深度處仍可監(jiān)測到地溫升高現(xiàn)象，近10年該地區(qū)多年凍土上限溫度平均每年增加0.04 ℃～0.07 ℃，相比過去有加速變暖的趨勢[48]。

數(shù)據(jù)引自文獻[36]和GTN-P(http:∥gtnpdatabase.org/)圖4 泛北極多年凍土活動層厚度分布(2000～2014年)及不同區(qū)域活動層厚度變化率Fig.4 Distribution of Active Layer Thickness (2000-2014) and Its Rising Rates of Permafrost in the Pan-Arctic Region

根據(jù)Aalto等的研究成果[36]及Global Terrestrial Network for Permafrost(GTN-P)數(shù)據(jù)，繪制了泛北極多年凍土活動層厚度分布及代表性監(jiān)測點獲得的活動層厚度變化情況(圖4)。從圖4可以看出，泛北極多年凍土活動層厚度分布隨著緯度變化顯著，除斯堪的納維亞半島外，北極圈至北冰洋沿岸范圍活動層厚度小于50 cm，向南至俄蒙邊境及中國東北地區(qū)，活動層厚度大于200 cm。美國阿拉斯加、加拿大西北地區(qū)多年凍土活動層厚度整體上處于50～100 cm。氣候變暖導致多年凍土地溫升高的同時，活動層厚度也發(fā)生著顯著變化，尤其是響應(yīng)夏季氣溫變化的活動層厚度表現(xiàn)出較大的年際波動[49]；從觀測站點數(shù)據(jù)記錄來看，近年來活動層厚度整體呈增加趨勢[50]。從圖4還可以看出，2000～2014年多年凍土活動層厚度基本沒有變化的監(jiān)測站點主要分布在美國阿拉斯加、加拿大西北部靠近北冰洋的區(qū)域以及俄羅斯西伯利亞東北部。在泛三極活動層厚度整體增加的背景下，其增加幅度存在區(qū)域性差異。根據(jù)Luo等的統(tǒng)計分析[28]，美國阿拉斯加大約25%的監(jiān)測孔和加拿大33%的監(jiān)測孔顯示活動層厚度顯著增加。但向多年凍土分布的南界方向，活動層厚度的增加趨于明顯，在俄蒙邊境地區(qū)，活動層厚度增速為3～5 cm·年-1，甚至部分監(jiān)測孔顯示超過5 cm·年-1。此外，F(xiàn)rauenfeld等根據(jù)長序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了1930～1990年俄羅斯242個監(jiān)測站點的凍土年際變化特征[51]。結(jié)果表明，凍土發(fā)生了以活動層厚度增大為表象的明顯退化，1956～1990年活動層深度整體上增加了20 cm，即使是季節(jié)凍土區(qū)的凍結(jié)深度都減少了34 cm。20世紀80年代以來，處于斯堪的納維亞半島的瑞典北部泥沼地的低地多年凍土在加速退化[52-53]，9處泥沼地監(jiān)測到多年凍土厚度在減小、活動層厚度在增加，3處泥沼地的多年凍土已經(jīng)完全消失[53-54]。

2 多年凍土退化的災(zāi)害效應(yīng)

圖(a)、(b)引自文獻[56]；圖(e)引自文獻[57]圖5 泛北極多年凍土熱融災(zāi)害Fig.5 Thermal Hazards of Permafrost in the Pan-Arctic Region

在全球氣候變暖的背景下，泛北極多年凍土正發(fā)生著不同程度的退化及消融，進而導致凍土熱融災(zāi)害現(xiàn)象頻繁發(fā)生。泛北極多年凍土區(qū)普遍出現(xiàn)了熱融災(zāi)害，與其有關(guān)的現(xiàn)象(主要為熱喀斯特滑坡和熱喀斯特湖)主要發(fā)生在美國阿拉斯加、加拿大北部和俄羅斯亞馬爾中心地區(qū)[55](圖5)。加拿大Banks Island地區(qū)約7.0×104km2的范圍內(nèi)，1984～2013年熱融滑塌數(shù)量增加了60倍[圖5(a)、(b)]，且預(yù)測在全球氣候變暖情景下，其今后增加幅度將更加顯著[56]。與此類似的是，單個熱喀斯特滑坡范圍也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，如由國際凍土協(xié)會(International Permafrost Association,IPA)出版的《Frozen Ground》2020年報告報道[57]，阿拉斯加公路K1456處的一處熱融滑塌自2014年以來，向公路方向的擴展速率高達8 m·年-1。

然而，泛北極熱喀斯特湖的變化趨勢有些特殊。盡管多年凍土退化、地下冰融化能夠為區(qū)域提供更多的水源，但實際上熱喀斯特湖的數(shù)量在一些區(qū)域趨于減少。Smith等研究表明：自20世紀80年代以來，泛北極變暖加速過程中，西伯利亞51.5×104km2范圍內(nèi)的大型湖泊(大于40 ha)在1973年至1997～1998年之間的數(shù)量和面積普遍減少，盡管期間降水量略有增加；大型湖泊總數(shù)由10 882個減少到9 712個，數(shù)量減少了11%，實際上大多數(shù)并沒有完全消失，而是縮小到40 ha以下；湖泊總面積減少93 000 ha，降幅達6%[58]。其主要是泛北極熱喀斯特湖融穿多年凍土后，湖水轉(zhuǎn)化為地下水，相當于發(fā)生了泄漏疏干了湖泊，導致熱喀斯特湖的數(shù)量減少[58-60]。這種變化與青藏高原熱喀斯特湖發(fā)展趨勢是相反的[61]，其主要原因在于地下巖土層透水性能存在差異。

多年凍土退化的主要災(zāi)害效應(yīng)表現(xiàn)為熱融沉陷。Hjort等按照沉降指數(shù)(活動層厚度增加值與多年凍土淺層體積含冰量的乘積)的思路[62]，綜合考慮了活動層厚度、地下含冰量、地溫、土體中細顆粒含量以及坡度5個要素的影響，采用要素相對影響度專家賦值及加權(quán)計算的方法，獲得了基于RCP4.5氣候變化預(yù)測情境下2041～2060年泛北極多年凍土熱融災(zāi)害潛在危險性評估結(jié)果。本文利用其計算結(jié)果重新繪制了該圖(圖6)。圖6將熱融災(zāi)害劃分為高、中及低危險性3個等級，評估結(jié)果認為高危險性以上區(qū)域占研究區(qū)的13.8%，中危險性區(qū)域占41.3%，低危險性區(qū)域占44.9%。根據(jù)評估結(jié)果，高危險性區(qū)域主要分布在泛北極連續(xù)多年凍土的南緣區(qū)域，包括俄羅斯新西伯利亞、俄羅斯—蒙古接壤一帶、鄂霍次克海沿岸、美國阿拉斯加南部等區(qū)域。該地區(qū)地溫較高(-1 ℃～0 ℃)，含冰量較高，地形變化較大，凍土對氣候變化極為敏感，斜坡穩(wěn)定性差，導致該區(qū)域極容易誘發(fā)熱融災(zāi)害。因此，未來在這些區(qū)域極地線性工程(公路、鐵路及油氣管道)設(shè)計與建設(shè)過程中應(yīng)當充分考慮熱融災(zāi)害的影響，在線路穿越高危險性區(qū)段時，應(yīng)考慮用橋梁通過的方式建造。

危險性區(qū)劃引自文獻[62]圖6 泛北極多年凍土2041～2060年潛在熱融災(zāi)害危險性評估Fig.6 Assessment of Potential Hazards Induced by Permafrost Thawing from 2041 to 2060 in the Pan-Arctic Region

3 多年凍土退化的工程病害效應(yīng)

多年凍土退化是發(fā)生在氣候變暖的大背景下，但在工程活動疊加效應(yīng)下，其退化程度將進一步加劇。James 等調(diào)查研究表明[63]：自1964年以來，沿著加拿大Yukon南部和加拿大北部阿拉斯加公路走廊，多年凍土嚴重退化，南緣多年凍土向北退化了至少25 km。顯然，在氣候變暖背景下疊加了工程影響后的多年凍土退化更為明顯，反過來則嚴重影響到凍土工程的穩(wěn)定性。根據(jù)對泛北極以及中國青藏高原一些重大凍土工程病害的統(tǒng)計，除青藏鐵路外的道路工程病害率基本大于30%[64]；俄羅斯先后在多年凍土區(qū)修建了外貝加爾和阿穆爾鐵路，工程病害率基本上均在30%左右；中國青藏公路病害率也達到33%；中國東北大、小興安嶺地區(qū)牙林線與嫩林線工程病害均超過30%。

根據(jù)文獻資料及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將泛北極多年凍土區(qū)鐵路、公路及管道等線性工程沿線主要凍土條件、工程病害類型及發(fā)育特征列于表1～3中。

從泛北極多年凍土區(qū)主要鐵路工程凍土條件及病害特征(表1)可以看出：泛北極阿拉斯加鐵路沿線分布大量以細顆粒土為主的多年凍土，且經(jīng)常發(fā)育冰楔[65-67]，所導致的凍土路基病害主要表現(xiàn)為沉降變形，并主要由細顆粒高含冰量凍土融沉及排水條件不良所導致[65]；西伯利亞鐵路沿線整體上多年凍土地溫較低，東段穿越連續(xù)多年凍土區(qū)，工程病害主要表現(xiàn)為凍土路基融沉，且在發(fā)育冰楔的路段出現(xiàn)冰楔融化導致路基塌陷、鋼軌懸空的極端現(xiàn)象[68-70]；中國東北大、小興安嶺路林區(qū)鐵路穿越山麓、洪積扇及河漫灘等不同地貌單元凍土條件復雜，病害以差異變形、開裂、涎流冰及邊坡坍塌為主[71]。整體上，多年凍土區(qū)鐵路路基以融沉為主的工程病害發(fā)育程度與土體含冰量、土質(zhì)細顆粒含量成正相關(guān)關(guān)系，但工程周邊環(huán)境也是影響工程穩(wěn)定性的重要因素，不利的排水條件在各類環(huán)境因素中影響最為顯著；多次反復的凍融以及路基陰陽坡溫度差異效應(yīng)會導致不均勻變形，并造成坍塌、裂縫、構(gòu)筑物變形等破壞。

表1 泛北極多年凍土區(qū)主要鐵路工程凍土條件及病害特征Tab.1 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Main Railways in the Pan-Arctic Region

泛北極多年凍土區(qū)的公路工程病害(表2)相對于鐵路而言更為嚴重。從表2統(tǒng)計結(jié)果可以看出：阿拉斯加公路發(fā)生病害的主要原因在于路基下伏多年凍土升溫顯著高于天然環(huán)境下凍土升溫，導致凍土及地下冰楔融化，誘發(fā)不均勻沉降及邊坡坍塌等病害[66]；中國東北地區(qū)多年凍土區(qū)漠北公路穿越了中國最北端的連續(xù)和島狀多年凍土區(qū)，因高溫高含冰量凍土，路基不均勻沉降變形嚴重[72]。若考慮漠北公路因通車時間長才病害嚴重，但實際上若在處于強烈退化過程中的多年凍土之上修筑高等級公路，通車后即使在較短的時間內(nèi)，因公路黑色路面強吸熱等因素影響，路基病害也會快速出現(xiàn)。如通車近5年的共玉高速公路，穿越了青藏高原東緣處于強烈退化的高溫多年凍土區(qū)，盡管采取了一些主動冷卻、保護多年凍土的工程技術(shù)，但因凍土退化強烈、黑色路面強吸熱、路基側(cè)積水等因素影響，以沉降、波浪、裂縫等為主的病害問題逐漸趨于顯著[10]。此類工程病害問題尤其是病害發(fā)展趨勢不僅為未來“一帶一路”倡議中高等級道路工程穿越多年凍土區(qū)的建設(shè)提供了經(jīng)驗和教訓，也提出了新的挑戰(zhàn)。

表2 泛北極多年凍土區(qū)主要公路工程凍土條件及病害特征Tab.2 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Main Highways in the Pan-Arctic Region

泛北極多年凍土區(qū)油氣資源豐富，為開采油氣，早在20世紀70年代就建造了全長1 277 km的阿拉斯加輸油管道，管道沿線3/4的長度下伏多年凍土段，主要以架空方式通過；但在部分埋地式通過區(qū)段，管道周圍形成融化圈，形成軟弱帶，造成沉降及斜坡地帶的流變病害[73-75]。盡管如此，以樁基與熱棒復合體形成的熱樁支撐為主的阿拉斯加輸油管道，以其長距離穿越多年凍土區(qū)且保持冷卻地基長期穩(wěn)定性而成為世界上多年凍土區(qū)最為成功的管道工程。加拿大羅曼井輸油管道全長869 km，在運營30余年期間，融沉和凍脹問題嚴重[73-75]。于2011年開通的中俄原油管道一線工程全長965 km，其中凍土區(qū)段長440 km，所穿越的多年凍土處于高緯度凍土區(qū)南緣，凍土熱穩(wěn)定性差，且采用的埋地式建造

表3 泛北極多年凍土區(qū)管道工程凍土條件及病害特征Tab.3 Permafrost Conditions and Engineering Problem Characteristics of Pipelines in the Pan-Arctic Region

方式在管道中油溫為正溫的影響下發(fā)生了周邊凍土融化，在誘發(fā)沉降的同時，地表、地下水聚集進而引起了冬季凍脹問題，造成了較為嚴重的差異變形乃至斷裂風險[76-78]。中俄原油管道二線工程盡管目前沒有嚴重的病害，但隨著時間推移和變形累積，工程穩(wěn)定性問題將逐漸顯現(xiàn)[79]。

4 重大線性工程狀況及工程措施評價

泛北極已修建和擬建的基礎(chǔ)設(shè)施因下伏多年凍土特殊的工程地質(zhì)條件面臨著一系列挑戰(zhàn)，如極端凍脹、熱融沉降、融凍泥流、滑坡等。這些挑戰(zhàn)不僅體現(xiàn)在工程的修建和維護上，甚至會對構(gòu)筑物使用者安全造成一定的威脅。凍土工程問題通常與多年凍土活動層厚度、地溫、含冰量、天然或人為條件下形成的地表環(huán)境等有很大的關(guān)系。某一因素的改變都會擾動該區(qū)域的熱平衡狀態(tài)，進而影響工程建設(shè)與運營維護[64]。例如，施工過程中破壞了具有保護特性的植被層，其長期的熱平衡狀態(tài)受到了相應(yīng)的擾動，多年凍土上限深度加大，活動層厚度增加以及地下冰融化使得土體含水量增加。因此，一方面在夏季活動層融化、巖土體強度降低發(fā)生沉降；另一方面在冬季凍結(jié)時，地面發(fā)生更為明顯的凍脹隆起。多年凍土以其特殊的物理力學性質(zhì)以不同方式影響著基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性。以下針對鐵路工程、公路工程和管道工程等3類泛北極多年凍土區(qū)的主要重大線性工程采取的工程措施及效果進行了概括總結(jié)。

4.1 鐵路工程

凍脹和融沉的交替發(fā)生是影響路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要原因，凍脹引起路基開裂、路面裂縫與破損以及結(jié)構(gòu)層不均勻沉降等，融沉導致路基工程結(jié)構(gòu)沉降甚至在路肩發(fā)生側(cè)向變形等。

北美早期修建于1910年的阿拉斯加鐵路從Seward到Fairbanks全線長756 km，通過多年凍土區(qū)的路段長達378 km，其建造按照常規(guī)路基完成，后期部分路段采用了塊碎石護坡。該鐵路Murphy Dome段因凍土融化引發(fā)的路基不均勻沉降，如果路基沉降變形當年沒有及時維修，變形累積持續(xù)加重[65]。運營期間病害治理主要針對改善路基水熱狀況，采用了包括保溫護道、塊碎石護坡、熱棒等措施；但因冬季凍脹、夏季融沉的反復破壞，其維修成本高昂，如自Dunbar到Happy的50 km距離，1969年報道的維修成本達每年200 000美元[65]。

俄羅斯在19世紀末修筑了世界上最長的連貫鐵路——橫貫西伯利亞鐵路。該鐵路從莫斯科出發(fā)到太平洋海岸的符拉迪沃斯托克，全長為9 446 km。20世紀70年代末，俄羅斯又修建了新西伯利亞鐵路貝加爾—阿穆爾鐵路(簡稱“貝阿鐵路”)干線，全長4 200 km，包括烏斯基庫特—阿穆爾河畔共青城鐵路干線、泰謝特—勒拿鐵路復線以及巴姆—泰達—別爾卡基特鐵路支線，全線有86%路段穿越多年凍土，凍土層厚度從1～3 m到數(shù)十米不等[69]。

2002年，中國鐵路考察團對1988年修建的巴姆鐵路恰卡至琴那路段進行了實地考察。該段鐵路海拔約為1 800 m，但位于高緯度河谷段多年凍土區(qū)，MAGT為-7 ℃～-5 ℃，線路主要以陡填、半填半挖、路堤、路塹等形式通過。路基工程主要采用基底以下3 m換填掉高含冰量凍土、沼澤段路堤大于3 m及部分路堤段采用塊石護坡、設(shè)置保溫護道等措施，也曾開展過遮陽防雪棚以及縱向、橫向通風管路基試驗[70]。沿線地溫較低路段因凍土相對穩(wěn)定而病害不多，但部分病害嚴重路段的病害形式以融沉和開裂變形為主。例如，沿線兩處挖方地段為高含冰量凍土，施工設(shè)計通常要求路基基底3 m厚范圍內(nèi)的凍土進行換填，但實際上僅換填了1.5 m，致使施工完成后路基就已經(jīng)發(fā)生了下沉。此外，路橋過渡段未處理好導致差異沉降顯著[68]。值得指出的是，相較于泛北極多年凍土區(qū)眾多道路工程，中國修建于“第三極”的青藏鐵路在凍土區(qū)段根據(jù)凍土條件針對性地采用了“冷卻路基”結(jié)構(gòu)措施[35]，凍土路基整體穩(wěn)定，盡管存在一定的病害，但病害率至今未超過5%，且一直維持著100 km·h-1的設(shè)計時速，目前依然是世界上多年凍土區(qū)行車速度最快的鐵路。這說明在退化型多年凍土上修建鐵路，“主動保護、冷卻路基”的設(shè)計和建造思路對于保持工程長期穩(wěn)定性有重要意義。

4.2 公路工程

美國阿拉斯加主次干道公路超過了3 200 km，大多數(shù)路段都受到下伏多年凍土的影響。公路修建后，路基下多年凍土地溫對氣候變化更為敏感。兩年期間，氣溫變化4 ℃會引起路基下1.5～3.0 m深度處地溫改變2.5 ℃[65]，但天然地表下相應(yīng)位置地溫變化小于1 ℃。因此，路基下伏多年凍土對季節(jié)溫度變化的更高敏感性更易引起路基病害的發(fā)生。阿拉斯加公路采用填筑一定高度的路基以延緩和防止凍土融化，但經(jīng)常缺乏適合的路基填料，即使在靠近Barrow一帶可采用河床卵礫石作為填料，因需要草皮和粉土作為黏合物保障路基的整體強度，卻帶來了排水不暢導致的新問題[66]。因此，阿拉斯加公路保通需要經(jīng)常性的養(yǎng)護與維修，尤其在部分細顆粒土分布區(qū)且發(fā)育冰楔的路段，因差異沉降嚴重而不得不廢棄，但近年來在沿線也開展了“冷卻路基”措施現(xiàn)場試驗與措施效果工作[35]。

中國東北海拔為500～2 000 m，冬季漫長干寒，夏季短促濕熱，為大陸性季風氣候。該地區(qū)分布著高緯度多年凍土，多年凍土面積約為4×105km2[80]，多年凍土厚度從數(shù)米到50～75 m不等。多年凍土區(qū)的公路根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件采用的工程設(shè)計和防護措施有挖除凍土換填砂礫、預(yù)先融化凍土、臨時路面、保護凍土等[81-83]。以漠北公路漠河機場至北極村區(qū)段為例，凍土路段長16.95 km，路基寬21.50 m，路線為南北走向，凍土上限深度為1.1～3.6 m，地溫為-3.0 ℃～-0.1 ℃不等，該區(qū)段最突出的病害問題是島狀多年凍土分布的不連續(xù)性和不均勻性導致的不均勻沉降，工程采取的措施是清除天然地表填筑及換填凍土軟弱層[83]。沿線監(jiān)測結(jié)果顯示[72]：路基病害多為沉降變形；路基下伏土體變形具有延遲性，不能全部實時反映到路面上，隨著地溫的升高、含冰量的增加，不均勻變形量在增大；路基暖季的變形要大于冷季的變形。該區(qū)段根據(jù)凍土類型、路基填高、凍土上限和凍土地溫的不同采取了清除天然地表、清除多年凍土軟弱層、保持原地表直接填筑等工程措施。

4.3 管道工程

泛北極蘊藏著豐富的油氣資源，北極地區(qū)未開采的資源占全世界探明儲量的1/3，泛北極還有大量未勘探的油氣資源[6]，這使得管道建設(shè)、運營和維護等得到了廣泛重視。針對多年凍土區(qū)的管道建設(shè)需要采取相應(yīng)的措施以防治凍脹和融沉引起的病害。泛北極已建成并運營至今的管道有阿拉斯加原油管道、中俄原油管道一線、加拿大羅曼井原油管道和中俄原油管道二線。寒區(qū)負溫環(huán)境下，管道周圍土體凍脹容易引起管道的變形或破裂，土體含水量、地表溫度、管道埋深、管道直徑、油溫和流速等都會影響管道凍結(jié)損傷[84]。

阿拉斯加原油管道輸送溫度為60 ℃，管道沿線75%為多年凍土，一半以上含有大量地下冰。埋地式管道完成后的第一年，周圍多年凍土融化深度可達10 m，后經(jīng)勘探調(diào)查及重新設(shè)計，大約610 km管道設(shè)置在地表以上，且采用了熱樁技術(shù)主動冷卻地基以保障其熱穩(wěn)定性。在高溫多年凍土區(qū)，高溫原油管道如果不采取凍土融化防護措施，管道周圍的凍土融化會形成一個“融化圈”，且管道周圍的融化深度逐漸增加，盡管融化速率會遞減，但融化狀態(tài)很難達到一個平衡狀態(tài)[74]。

1985年，加拿大完成了多年凍土區(qū)第一條埋地原油管道——羅曼井管道的建設(shè)，管道油溫約為-1 ℃[85]。管道從北到南，多年凍土的溫度在升高、厚度在減小。管道北部的年平均地表溫度為-3 ℃～-1 ℃，管道南部的多年凍土溫度為-1 ℃～0 ℃，厚度小于20 m。原油管道沿線融化易發(fā)區(qū)的邊坡采用木屑層保溫[74]。此外，管道施工過程中破壞植被、清除有機土、開挖管溝等都會加大凍土融化深度。因在管道施工設(shè)計和運營時考慮了預(yù)期融沉所產(chǎn)生的應(yīng)力，且通常實測的融化深度小于預(yù)測值，所以融沉影響較小。但在一些含冰量高的有機土地區(qū)，融沉量超過了容許值。

中俄原油管道在中國境內(nèi)管道長933 km，設(shè)計年輸送量1.5×107t，管道采用傳統(tǒng)的溝埋敷設(shè)方式，埋深為1.6～2.0 m，接近多年凍土上限[86]。高溫運行的管道會不斷地對周圍凍土進行加熱，使高含冰量土逐漸融化發(fā)生固結(jié)沉降，融化后聚集在管溝內(nèi)的融水會進一步加速地基土的沉降變形，甚至造成管道破裂。中俄原油管道處在一個受溫度場、水分場、應(yīng)力應(yīng)變場等多因素影響的耦合空間中，而這些因素相互影響和制約，發(fā)生在整個凍融全過程[87]。王偉等通過對中國大興安嶺地區(qū)中俄原油管道各因素對凍脹融沉的敏感性分析得到[88]：季節(jié)性活動層中細顆粒土和泥炭土對管道融沉有很大的影響，可以采取排水或者阻水的方式降低地基土的含水率或者提高密實度來降低融沉性；實際工程中，凍脹和融沉的防治可針對含泥量、含水率、凍融循環(huán)次數(shù)等主要影響因素進行改善。2008年對中俄原油管道的凍害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：凍脹丘、冰錐受地形地貌影響較為顯著，高緯度地區(qū)伊勒呼里山嶺地帶泉冰錐極其發(fā)育；低山丘陵地帶多為島狀多年凍土，凍脹丘較為發(fā)育，管道拱管漏油現(xiàn)象也多發(fā)生在此處；另外，管道沿線地區(qū)的凍融循環(huán)和管溝凍脹也是凍脹性病害的主要體現(xiàn)形式[88]。2011～2012年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示多年凍土區(qū)管道的主要風險為融沉。為了控制凍融災(zāi)害的發(fā)生，管道不同區(qū)段采用了地基土換填、保溫管道、埋設(shè)熱管、增加壁厚等措施防治凍土大量融化而產(chǎn)生管道破裂的問題。

4.4 工程應(yīng)對原則與建議

整體上，對于凍融災(zāi)害及凍融工程病害的防治，需從氣候變化的凍土災(zāi)害效應(yīng)、凍土退化的工程危害效應(yīng)、工程措施的機理及長期效應(yīng)等角度綜合規(guī)劃、綜合設(shè)計、針對性實施。其一，在大尺度上，針對泛北極脆弱凍土環(huán)境，加強多年凍土區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘、再分析，以捕捉區(qū)域尺度多年凍土條件的空間異質(zhì)性，以降低預(yù)測結(jié)果的不確定性，保障工程規(guī)劃的科學性、合理性；同時也可以用多種氣候驅(qū)動數(shù)據(jù)或不同類型的遙感數(shù)據(jù)模擬凍土分布特征、環(huán)境特征來評估工程環(huán)境承載力[89]。其二，需提高氣候變化、凍土退化背景下熱融災(zāi)害的防范與應(yīng)對水平。例如，加拿大針對凍土工程研究的重點之一是提高多年凍土對氣候變化的響應(yīng)評估的準確度，其次是制定了多年凍土工程適應(yīng)氣候變化的技術(shù)準則，以減緩多年凍土退化對工程建設(shè)的穩(wěn)定性影響[90]。挪威曾考慮到受極端氣候影響下的滑坡是挪威公路網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)(如每年大約有2 000次滑坡干擾道路)，為更好地把握氣候變化與極端天氣事件的頻率、強度和分布之間的聯(lián)系，完成了一個為期4年針對預(yù)測極端天氣對基礎(chǔ)設(shè)施的影響研究項目，其方法也可以應(yīng)用于北極的若干地區(qū)[91]。俄羅斯對北極地區(qū)一些最大的多年凍土定居點承載力變化的評估表明，1970～2050年，多年凍土帶南部邊緣的承載力下降幅度最大。綜合對比泛北極多年凍土區(qū)線性工程營運狀況，以阿拉斯加輸油管道采用冷卻樁基保持了良好的穩(wěn)定性為代表，泛北極道路工程部分段落也采用了“冷卻路基”的措施進行工程維護與改造。需要強調(diào)的是，在氣候變暖、多年凍土退化大背景下，“主動保護、冷卻地基”仍然是多年凍土區(qū)線性工程設(shè)計的首選原則[92-93]，但開展針對性的工程措施優(yōu)化研究將依然是保障工程長期服役性能的基礎(chǔ)性工作。

5 結(jié) 語

(1)凍土作為氣候變化的靈敏指示器，在氣候變暖的背景下，泛北極多年凍土與環(huán)境、工程之間以復雜的方式相互作用。多年凍土對氣候變化的響應(yīng)主要體現(xiàn)在多年凍土面積減小、多年凍土MAGT升高、活動層厚度增加、融區(qū)擴大等一系列現(xiàn)象。多年凍土退化過程中以熱喀斯特滑坡為主的熱融災(zāi)害呈現(xiàn)劇烈增加的趨勢。

(2)多年凍土退化勢必對泛北極各類工程穩(wěn)定性造成嚴重影響。鐵路、公路以及管道等重大線性工程均遭受著凍脹和融沉問題，如路基沉陷、裂縫、橋梁隆起、陰陽坡效應(yīng)誘發(fā)的差異沉降等，泛北極多年凍土區(qū)道路工程病害率大于30%。原油管道也發(fā)生了沉降、管道翹曲、管道彎曲甚至斷裂等病害。多年凍土區(qū)線性工程病害整體上以融沉為主。

(3)泛北極重大線性工程在氣候變化的背景下都面臨著熱融災(zāi)害及工程穩(wěn)定性問題。區(qū)域性凍土退化、災(zāi)害效應(yīng)及工程危害評估是保障凍土工程規(guī)劃科學性、合理性的基礎(chǔ)工作；“主動保護、冷卻地基”依然是凍土工程設(shè)計的首選原則；而研發(fā)和優(yōu)化針對性工程措施是保障退化型多年凍土區(qū)工程長期服役性能和病害防治的必要工作。

謹以此文慶祝長安大學七十周年華誕，祝愿母校教學、科研雙雙取得更高成就，培養(yǎng)更多優(yōu)秀人才，在“雙一流”建設(shè)中取得更大成就，成為特色鮮明、成績斐然的西北名校！我于1992年、1995年和1998年在西安地質(zhì)學院分別取得學士、碩士和博士學位，在母校十余年的求學情景歷歷在目，仿佛感覺時光可以倒流。博士畢業(yè)后，我入職中國科學院冰川凍土研究所，研究所2000年合并為中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，2016年再次合并為中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，工作單位和母校一樣，順應(yīng)時代需求經(jīng)歷了兩次改革、更名。20余年的科研歷程、每項重大科研項目都和母校師生有著緊密合作，維持著求學時、科研中濃濃的長大師生情！