呼倫貝爾多年凍土區(qū)工程病害與凍土工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)

殷 玲 方明偉 遲占穎 錢秀杰 李福祥

(1.呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)多年凍土勘察工程技術(shù)研究中心 內(nèi)蒙古 牙克石 022150)

呼倫貝爾多年凍土屬于我國(guó)高緯度低海拔的東北大興安嶺多年凍土。在不同的凍土結(jié)構(gòu)中，由于水的存在，不論是凍結(jié)狀態(tài)或是融化狀態(tài), 都發(fā)生著一系列不良地質(zhì)現(xiàn)象，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)各類工程造成的病害是十分嚴(yán)重的。多年凍土工程地質(zhì)評(píng)價(jià)是工程建設(shè)重要的基礎(chǔ)資料，其準(zhǔn)確與否決定著工程設(shè)計(jì)原則是否合理、工程措施是否得當(dāng)。項(xiàng)目組自2009年開展了工程病害和凍土工程地質(zhì)特征研究的相關(guān)工作，取得了基礎(chǔ)性成果。[1]本次工作在進(jìn)一步調(diào)查分析工程病害的基礎(chǔ)上，探討凍土工程地質(zhì)特征并對(duì)其評(píng)價(jià)，旨在為地區(qū)工程建設(shè)及病害的防治提供一定的參考。

1 不良地質(zhì)現(xiàn)象與工程病害

1.1 凍脹

季節(jié)活動(dòng)層通常是多年凍土區(qū)建筑物地基的組成部分。活動(dòng)層凍結(jié)時(shí)在水分遷移凍結(jié)的作用下，土體凍脹產(chǎn)生法向和切向凍脹力，通過(guò)基礎(chǔ)底面和側(cè)面?zhèn)鬟f至建筑物。活動(dòng)層每年周期性地凍融交替作用可導(dǎo)致墻體開裂、道路損毀、涵洞凍脹塌腰。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)路基寒凍縱向裂縫、凍脹隆起現(xiàn)象尤為突出。

1.2 冰錐、涎流冰

冬季地下水活動(dòng)通道受阻，在地質(zhì)構(gòu)造薄弱地段出露形成冰椎；地下水順著地形坡度的起伏形成涎流冰。冰錐、涎流冰的發(fā)生可使路基路塹邊坡結(jié)冰掛冰、橋孔涵洞堵塞凍脹、基礎(chǔ)移位傾斜。如牙林線、嫩林線部分路段常因發(fā)生冰錐，導(dǎo)致施工中原設(shè)計(jì)方案被迫修改或增大后期維護(hù)難度。[2-4]

涎流冰在呼倫貝爾北部廣泛分布，僅對(duì)額爾古納西北部奇乾-伊木河和荒火地-牛耳河兩條公路統(tǒng)計(jì)，涎流冰達(dá)125處之多。涎流冰地段易導(dǎo)致交通事故或引起公路翻漿、山體滑坡、邊坡滑塌、路基和橋涵水毀等病害。

1.3 冰丘

寒冷季節(jié)，地下水活動(dòng)受凍結(jié)土層的阻擋在薄弱地帶凍結(jié)膨脹，造成地表變形隆起形成冰丘。冰丘形成時(shí)，產(chǎn)生巨大的隆脹力可將路堤抬起、路基凍脹隆起；緊鄰橋墩的冰丘可使橋墩產(chǎn)生傾斜、橋梁涵管脫節(jié)錯(cuò)牙。

1.4 厚層地下冰

多年凍土層內(nèi)一般厚度大于30cm的冰層稱為厚層地下冰，主要存在于粘性土中。在根河的牛耳河、金林、嘎啦牙一帶厚層地下冰分布較典型。厚層地下冰的形成和融化是導(dǎo)致多年凍土區(qū)地表變形、造成諸多工程破壞的主要原因。

1.5 熱融下沉(沉陷)、熱融湖和熱融滑塌

人為活動(dòng)和自然條件變化帶來(lái)的熱干擾導(dǎo)致多年凍土上限下降、下限上升，引起凍土衰退產(chǎn)生熱融下沉。凍土區(qū)因熱融下沉引起的病害占1/4以上。本次調(diào)查結(jié)果也驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。

熱融下沉地面積水后可形成熱融湖，融沉?xí)r常與熱融滑塌循環(huán)發(fā)生，這些現(xiàn)象不僅引起邊坡陷裂等問(wèn)題，同時(shí)亦加劇工程的沉陷和凍脹。如牙林線、嫩林線發(fā)生的熱融下沉、熱融湖及滑塌對(duì)道路造成了嚴(yán)重病害。[5-7]

2 典型路段不良地質(zhì)現(xiàn)象與工程病害

2.1 調(diào)查線路

不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生與凍土分布特征有一定關(guān)系。前期研究呼倫貝爾多年凍土分區(qū)為：I-大片連續(xù)多年凍土區(qū)、II-島狀多年凍土區(qū)和III-稀疏及零星島狀多年凍土區(qū)。[8]

本次調(diào)查根據(jù)多年凍土分布特征及交通線路情況，確定路線沿著大興安嶺西麓滿歸以北(漠河附近)-額爾古納-博克圖布設(shè)，沿線路分布有大片連續(xù)多年凍土區(qū)(Ⅰ區(qū))、島狀多年凍土區(qū)(Ⅱ區(qū))，最后進(jìn)入稀疏及零星島狀多年凍土區(qū)(Ⅲ區(qū))。具體調(diào)查線路如下：

Ⅰ區(qū)五條線路：①國(guó)道京漠公路樟嶺-西林吉段建設(shè)項(xiàng)目；②嫰林線中段；③奇(乾)-伊(木河)和荒(火地)-牛(耳河)公路；④阿龍山-滿歸段道路；⑤牙林線(西線)。

Ⅱ區(qū)兩條線路：①拉布達(dá)林-根河段道路；②牙林線。

Ⅲ區(qū)線路：僅選擇了大興安嶺東西坡丘嶺病害發(fā)生率較高的博克圖-烏努爾段公路和鐵路。

2.2 調(diào)查情況

典型路段不良地質(zhì)現(xiàn)象與病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)見表1：

表1 典型路段不良地質(zhì)現(xiàn)象與病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

2.3 不良地質(zhì)現(xiàn)象與工程病害分析

從表1可以看出三個(gè)區(qū)均有沉陷發(fā)生，Ⅰ和Ⅱ區(qū)病害基本相同。由于氣溫升高、人為活動(dòng)等因素，Ⅱ區(qū)熱融現(xiàn)象活躍，熱融湖較多出現(xiàn)。地處Ⅰ區(qū)南部與Ⅱ區(qū)交界的牙林線(西線)朝中-莫爾道嘎段路堤出現(xiàn)了熱融滑塌，表明地溫相對(duì)較低的Ⅰ區(qū)凍土溫度亦升高。Ⅲ區(qū)濱洲線博克圖附近路段受高溫不穩(wěn)定多年凍土退化的影響，活動(dòng)層季節(jié)性凍脹病害發(fā)病率明顯增高。

基于上述，研究區(qū)工程遭受沉陷的破壞相對(duì)嚴(yán)重。其次，活動(dòng)層反復(fù)凍融作用引起的凍脹病害也不能忽視?？梢灶A(yù)測(cè)，自然因素和人為生產(chǎn)活動(dòng)的影響必將引發(fā)熱融現(xiàn)象的加劇，繼而導(dǎo)致凍土退化和病害發(fā)生愈加顯著。因此，防治病害應(yīng)在查明病害成因和類型的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同特點(diǎn)和影響因素制定防范和整治措施。

3 多年凍土工程地質(zhì)評(píng)價(jià)原則和方法

3.1 凍土工程類型和融沉性分級(jí)[9]

多年凍土按含冰特征分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層五種工程類型。前兩種統(tǒng)稱為低含冰量?jī)鐾?，后三種統(tǒng)稱為高含冰量?jī)鐾痢?/p>

依據(jù)融沉性的強(qiáng)弱將融沉系數(shù)劃分為五級(jí)：少冰凍土，Ⅰ級(jí)，不融沉；多冰凍土，Ⅱ級(jí)，弱融沉；富冰凍土，Ⅲ級(jí)，融沉；飽冰凍土，Ⅳ級(jí)，強(qiáng)融沉；含土冰層，Ⅴ級(jí)，融陷。

3.2 多年凍土地溫區(qū)(帶)劃分[10]

根據(jù)多年凍土的年平均地溫Tcp (C°)劃分：低溫穩(wěn)定區(qū)(帶)，Tcp<-2.0；低溫基本穩(wěn)定區(qū)(帶)，-2.0≤Tcp<-1.0；高溫不穩(wěn)定區(qū)(帶)，-1.0≤Tcp<-0.5；高溫極不穩(wěn)定區(qū)(帶)，Tcp≥-0.5。

3.3 多年凍土工程地質(zhì)評(píng)價(jià)原則和方法[11]

如上所述，多年凍土區(qū)建筑物的破壞主要由融沉造成的。凍土含冰量不同，其融沉特性不同。本次工作依據(jù)凍土含冰特征、融沉性強(qiáng)弱，再結(jié)合年平均地溫、土層類別及對(duì)工程的影響，劃分為不同的工程地質(zhì)地段，評(píng)價(jià)為較好、一般、較差、極差。具體地質(zhì)地段評(píng)價(jià)方法見表2：

表2 不同工程地質(zhì)地段評(píng)價(jià)方法

4 多年凍土工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)

為更有針對(duì)性地開展研究?jī)鐾凉こ痰刭|(zhì)特征，結(jié)合實(shí)際選擇Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)部分典型勘察資料進(jìn)行探討分析。

4.1 國(guó)道京漠公路樟嶺至西林吉段(K409+170～K409+400)工程建設(shè)項(xiàng)目

4.1.1 勘察基本情況

項(xiàng)目位于大興安嶺北部，所處地帶為大片連續(xù)多年凍土區(qū)?？碧絽^(qū)處于堆積山間凹地邊緣，場(chǎng)地存在凍土層上水， K409+170～K409+320路段南側(cè)積水，冬季凍結(jié)形成冰錐和冰丘，隨控山水及巖石裂隙水補(bǔ)給冰錐和冰丘逐漸擴(kuò)大。

地層由上至下：①素填土；②腐植土；③含土冰層：含泥炭質(zhì)土；鉆孔揭露純冰夾層；④圓礫: 孔隙充填砂類土及粉粘類土，可見冰粒及薄層狀冰；鉆孔揭露純冰夾層；⑤全風(fēng)化凝灰?guī)r：局部含碎石及塊石，可見冰粒及細(xì)小冰晶。

場(chǎng)地為銜接性多年凍土，季節(jié)活動(dòng)層深度最大2.30m。鉆孔觀測(cè)地溫見表3：

表3 樟嶺至西林吉段地溫Tcp觀測(cè)表(單位：℃)

4.1.2 季節(jié)活動(dòng)層凍脹特征和多年凍土融沉特征

季節(jié)活動(dòng)層凍脹特征判別(略)。

多年凍土融沉特征判別見表4：

表4 樟嶺至西林吉段多年凍土融沉性分級(jí)表

4.1.3 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

依據(jù)表2判斷該場(chǎng)地工程地質(zhì)條件為較差-極差。

4.2 牙林線巖山-育林段( K92+500～K108+000)路基病害整治工程

4.2.1 勘察基本情況[12]

工程處于島狀多年凍土區(qū)。線路行進(jìn)于庫(kù)都爾河寬闊谷地，線路兩側(cè)低洼地帶積水融沉形成熱融湖雛形，沿線路呈“串珠狀”分布,并不斷擴(kuò)大危害路基。地表水滲入路基基底與多年凍土層上水產(chǎn)生熱交換,使凍土上限明顯下降產(chǎn)生融沉?；顒?dòng)層凍脹與融化導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹變形。

勘探區(qū)季節(jié)凍土和多年凍土均存在銜接性多年凍土和非銜接性多年凍土,多年凍土上限2.0m～7.4m。據(jù)鉆孔測(cè)溫曲線分析,平均地溫-0.5℃≤Tcp<0℃。

4.2.2 季節(jié)活動(dòng)層凍脹特征和多年凍土融沉特征

季節(jié)活動(dòng)層土層自上而下：①泥炭；②粉質(zhì)黏土：凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw≤2.0m；③圓礫、角礫?；顒?dòng)層凍脹特征判別見表5：

表5 巖山-育林段季節(jié)活動(dòng)層凍脹性分級(jí)

多年凍土土層由上至下：①粉質(zhì)黏土：主要為飽冰凍土、富冰凍土,局部含土冰層；②圓礫、角礫：主要為多冰凍土,局部富冰凍土、少冰凍土。多年凍土融沉特征判別見表6：

表6 巖山-育林段多年凍土融沉性分級(jí)表

4.2.3 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

依據(jù)表2判斷該場(chǎng)地工程地質(zhì)條件為較差-極差。

4.3 扎敦水利樞紐工程建設(shè)項(xiàng)目

4.3.1 勘察基本情況

項(xiàng)目所在扎敦河谷地，地處大興安嶺多年凍土南界附近，屬稀疏及零星島狀多年凍土區(qū)。勘察查明，場(chǎng)地多年凍土沿壩軸線起于K0+070m，向水庫(kù)左岸(南側(cè))、右岸(北側(cè))尖滅于K0+200m，凍土最大厚度在壩軸線K0+150m附近，約8.50m，整體上呈中間厚兩側(cè)薄的狀態(tài)分布。

多年凍土自上而下：(1)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；(2)級(jí)配良好圓礫；(3)粉土質(zhì)圓礫。

勘探區(qū)為非銜接性多年凍土。以鄰區(qū)資料推測(cè)平均地溫-0.3℃≤Tcp<0℃。

4.3.2 季節(jié)活動(dòng)層凍脹特征和多年凍土融沉特征

季節(jié)活動(dòng)層凍脹特征判別(略)。

本次勘察是根據(jù)野外鑒別判斷多年凍土融沉特征。相關(guān)結(jié)果見表7：

表7 扎敦水利樞紐工程多年凍土融沉性特征野外鑒別表

4.3.3 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

依據(jù)表2判斷該場(chǎng)地工程地質(zhì)條件為較差。

4.4 多年凍土工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)

總體來(lái)說(shuō)，呼倫貝爾多年凍土工程類型多為富冰凍土、飽冰凍土、含土冰層，大片連續(xù)多年凍土區(qū)和島狀多年凍土區(qū)的含土冰層更為發(fā)育；融沉等級(jí)Ⅲ-Ⅴ，融沉類別融沉-融陷。不同區(qū)段地溫有差異，除大片連續(xù)多年凍土區(qū)西北部有低溫不穩(wěn)定區(qū)，其余地段為高溫不穩(wěn)定區(qū)和高溫極不穩(wěn)定區(qū)；稀疏及零星島狀多年凍土區(qū)凍土多呈塑性狀態(tài)。凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育對(duì)工程影響大，工程地質(zhì)條件較差、極差的地段交錯(cuò)分布。工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮這些因素，采取有針對(duì)性的工程措施，保證多年凍土區(qū)工程的穩(wěn)定性。

本研究在已有成果的基礎(chǔ)上對(duì)地區(qū)工程病害、凍土工程地質(zhì)特征做了進(jìn)一步分析，對(duì)不良地質(zhì)現(xiàn)象與病害發(fā)生特征、凍土工程地質(zhì)條件有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，為下一步開展相關(guān)工作奠定了一定基礎(chǔ)。由于受人力、物力和研究水平所限，研究成果的深度、廣度還有待持續(xù)開展。