中天山腹地G218線那拉提至巴侖臺段凍土分布研究分析

李祥東，韓曉東

(1.新疆交通科學(xué)研究院有限責任公司 烏魯木齊市 830000；2.新疆交通投資(集團)有限責任公司 烏魯木齊市 830000)

1 項目簡介

G218線那拉提至巴侖臺公路建設(shè)項目位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，路線勘察起點位于艾肯達坂南側(cè)，穿越艾肯達坂后在巴音郭勒高山草原緊鄰G218南側(cè)坡地布設(shè)，地勢起伏不大，在察汗諾爾達坂西側(cè)約5km左右到達勘察終點，全線長92.1km。

項目地處中天山腹地，地勢北高南低，海拔高度在2630～3260m之間。途經(jīng)地貌單元較多，地表植被發(fā)育，低洼處多見不規(guī)則水洼，地表可見由冰川搬運形成的巨型漂石，項目地區(qū)為典型的大陸性氣候，平原區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷、少雪；山區(qū)地處逆溫帶，冬季溫暖雪厚，夏季涼爽，與平原區(qū)氣候差異顯著，形成垂直分帶的氣候特征[1]。

2 凍土的巖性及水文地質(zhì)

項目區(qū)域內(nèi)凍土區(qū)主要分布在山前傾斜平原、洪積扇、山間谷地和河谷地帶[1]。路線表層均為第四系覆蓋，凍土層主要以角礫與碎石為主。山前傾斜平原地下水埋藏局部較淺，含水介質(zhì)主要為砂、卵礫石，孔隙發(fā)育，透水性好，由于受基底起伏影響，含水層厚度變化較大，地下水位及富水性極不穩(wěn)定并隨地勢起伏運動。在低中山區(qū)，地形切割深度大，山勢陡峭，基巖裸露，受構(gòu)造及風化作用的影響，巖石破碎，裂隙發(fā)育，分布埋藏基巖裂隙水，其富水程度嚴格受斷裂構(gòu)造的控制區(qū)內(nèi)地下水的影響，一般由高勢面向低勢面作復(fù)雜的三維運動，最后在河流浸蝕基準面位置呈線狀出露成泉，匯入溪流。

3 季節(jié)性凍土勘察分析

季節(jié)凍土受季節(jié)性的影響，冬季凍結(jié)，夏季全部融化。因其周期性的凍結(jié)、融化，對路基的穩(wěn)定性影響較大，因此需要對季節(jié)融化層中土的凍脹性進行分級。根據(jù)項目區(qū)內(nèi)鉆探、挖探及地質(zhì)雷達掃描結(jié)果得出，季節(jié)性凍層的頂層一般在0.5～1.0m，底層一般在2.6～3.0m，凍層土體主要為粗粒土(粒徑小于0.075mm的顆粒含量>15%)，季節(jié)性凍層含水率介于2%～19%之間，項目區(qū)域內(nèi)季節(jié)性凍土主要分為不凍脹(Ⅰ)、弱凍脹(Ⅱ)、強凍脹(Ⅳ)[2]。一般情況下，季節(jié)性凍土的凍脹等級越高，其工程地質(zhì)條件越差。項目區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土詳情如表1。

4 多年凍土分布特征分析

4.1 鉆探

通過對凍土層取樣進行含水率測試，得到凍土層的含水率，并結(jié)合含冰量對凍土類型進行劃分。通過分析地質(zhì)鉆探結(jié)果，項目區(qū)主要位于洪積扇地貌，以粉土、角礫、卵石、碎石土為主，孔隙中冰晶含量較高，5～15m含較多土冰透鏡體(圖1)，可見一層含土冰層厚度約4cm，凍結(jié)強度較高，凍土融化后體積縮小，有大量水分滲出。碎石土分布于坡腳或破面揭示厚度2.0～6.5m，2.4m見凍土，呈次棱角狀，粗顆粒土呈現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)，粗顆粒土中可見冰透鏡體，凍土融化后體積縮小，有水分滲出，凍結(jié)強度一般。

圖1 巖心照片

4.2 物探分析

凍土與融土的導(dǎo)電性能、介電特性等特征差異明顯，因此可采用地質(zhì)雷達、高密度電法等物探方法對多年凍土區(qū)域進行劃分。由于鉆探設(shè)計孔位于設(shè)計路線上，對線路兩側(cè)50m范圍外的凍土分區(qū)不精準，因此采用物探方式根據(jù)文獻[3]附錄N對路線范圍的凍土區(qū)進行更精確的劃分。

(1)高密度電法檢測分析

高密度電阻率法是根據(jù)施加電場作用下的地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體分布情況，并通過電阻率差異對地層進行區(qū)分。

多年凍土是由巖土顆粒、未凍水、冰、未完全風化巖體等構(gòu)成的介質(zhì)，且存在凍土層上水、凍土層下水和凍土層中未凍水等。由于水是導(dǎo)體，融化層中的水和凍土中的未凍水仍是導(dǎo)電體，凍土中的冰起阻隔作用，使凍土的導(dǎo)電通道變長變窄。因此，凍土的電阻率要比融化層電阻率大幾個數(shù)量級，凍土的導(dǎo)電性差，融化層的導(dǎo)電性相對較好，電法解譯圖見圖2。同時，由于融化層的凍融作用，會使部分融化層變得疏松，電阻率增大，而凍土層內(nèi)含冰量的變化，都會使凍土層內(nèi)、凍土與融化層之間產(chǎn)生明顯的電性差異。本標段通過高密度電法對部分凍土區(qū)域地層進行分析，得到的解析結(jié)果如下：

圖2 高密度電法解譯圖

該測點剖面長度48m，檢測有效深度16m。范圍5～40m內(nèi)，深度2～9m間，電阻值存在突變，且4～6m間的電阻值明顯高于表層與底層電阻值，可初步判斷此區(qū)域范圍深度2～9m內(nèi)存在多年凍土。

(2)地質(zhì)雷達檢測分析

探地雷達是通過發(fā)射和接收電磁波對地下介質(zhì)體進行探測的儀器。發(fā)射天線向地下目標體發(fā)射高頻電磁波(一般在1MHz～1000MHz范圍內(nèi))，傳播中的電磁波在電磁阻抗差異界面發(fā)生透射、反射或折射，并通過天線接收,進而通過反射或者折射波的傳播時間、振幅強度、相位特征等計算出目標體的電磁屬性、空間位置及幾何特征。

融土與凍土的雷達反射特征存在明顯差異，融土雷達反射波為低頻強寬振幅的稀疏波，波形較雜亂；凍土反射波為高頻低振幅細密波，波形較為規(guī)則。探地雷達可較為準確地劃分地層、識別多年凍土上限、確定多年凍土分布范圍。本標段通過地質(zhì)雷達對部分凍土區(qū)域地層進行分析，得到如下結(jié)論：

該檢測段落長度30m，檢測有效深度20m，檢測深度小于2.5m時，地質(zhì)雷達解析圖像的波形較紊亂(融土層)，當檢測深度大于2.5m時，地質(zhì)雷達解析圖像的波形連續(xù)性好，波形變化幅度小(多年凍土層)。初步判斷此區(qū)域存在多年凍土，凍土上限介于2.0～3.0m間。

4.3 地溫監(jiān)測

多年凍土的年平均地溫是評價多年凍土熱穩(wěn)定性的重要指標，決定了土的熱交換狀態(tài)，以及凍結(jié)過程的特點，并影響凍土的物理力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。低溫多年凍土(T<-1.5℃)熱狀態(tài)穩(wěn)定，工程性質(zhì)較穩(wěn)定，而高溫多年凍土(Tcp≥-1.5℃)熱狀態(tài)不穩(wěn)定，含有大量未凍水，表現(xiàn)出較為明顯的流變特征，并且在氣溫變暖及工程活動影響下極易發(fā)生融化，具有較低的凍土強度和工程性質(zhì)不穩(wěn)定性[3]。

為查明凍土區(qū)地溫變化規(guī)律，在鉆孔中埋設(shè)了地溫管進行地溫觀測，并使用熱敏地溫測試儀器對其溫度變化進行監(jiān)測，地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如圖3。

圖3 地溫與深度變化曲線圖

從圖3中可以看出，不同凍土區(qū)溫度變化有所差異，但整體變化趨勢基本相同，測溫深度小于2m時，地溫大于0℃。測溫深度為2～3m時(凍土上限區(qū)間)，地溫介于-0.5～0.5℃間。當測溫深度大于3m時，地溫介于-1.5～-0.5℃間，且溫度變化較穩(wěn)定。當測溫深度接近凍土下限范圍時，地溫介于-0.5～0℃間。從本標段多年凍土區(qū)域地溫隨深度的變化規(guī)律可知，本標段內(nèi)多年凍土上下限范圍內(nèi)地溫介于-0.74～-0.48℃間。

5 多年凍土凍脹及融沉等級判別

多年凍土地區(qū)最為突出的問題為多年凍土融化或上限下移引起的融沉破壞，造成道路(不均勻)沉降、縱向裂縫等病害。其融沉特性與多年凍土含冰類型關(guān)系密切，因此多年凍土的含冰類型對公路穩(wěn)定性影響極為顯著。通過多年凍土含冰類型、總含水量與融沉系數(shù)，項目區(qū)域凍土融沉等級及類別劃分結(jié)果如表2所示。

6 凍土分布特征

通過分析得出，多年凍土是氣候和地質(zhì)地理因素綜合作用的產(chǎn)物，氣候是控制凍土形成發(fā)展的主要因素，各種地質(zhì)地理因素不同程度對局地格局產(chǎn)生影響。項目區(qū)凍土分布主要與下列因素有關(guān)。

(1)海拔

項目區(qū)內(nèi)K382+600～K450+000段海拔介于2660～2910m間，該段落內(nèi)多年凍土不發(fā)育，K455+000～K474+690段海拔介于3040～3230m間，該段落內(nèi)多年凍土較發(fā)育。由此可見隨著海拔升高，多年凍土的溫度降低，凍土越發(fā)育[4]。

(2)地形地貌

地形對多年凍土分布最為顯著的影響往往通過坡向和坡度表現(xiàn)出來，分水嶺、斜坡和各地的換熱條件也必然不一致，相應(yīng)的，其多年凍土厚度也存在差異；坡洪積扇地貌坡腳處多年凍土較發(fā)育，而該段坡頂處凍土不發(fā)育，是因為山頂部位地熱梯度值最小，而在谷底最大，因此多年凍土中的地熱梯度與地形部位有密切的關(guān)系。同時，地形地貌也決定了多年凍土含冰量情況，河谷侵蝕堆積地貌地段水分補給條件良好且地形較平緩，往往分布有含冰量較高的多年凍土，而地形較陡的地段多年凍土含冰量較低。

(3)水體

水體的影響通常表現(xiàn)為對多年凍土的熱侵蝕，造成多年凍土分布格局的改變。項目凍土區(qū)段分布在河谷侵蝕堆積地貌單元內(nèi)，離河流較近的形成了貫通融區(qū)，而離河流較遠的區(qū)段則一般形成非貫通融區(qū)，但影響多年凍土上限的深度和多年凍土地溫。項目多年凍土段由于多年凍土的隔水作用，在低洼和山前的平緩地帶往往形成了凍土沼澤濕地，這些區(qū)域植被相對發(fā)育，腐殖層厚度較大，其良好的保溫作用使得其下部多年凍土十分發(fā)育，多年凍土厚度較大，含冰量較高。

(4)植被

項目凍土區(qū)多分布于植被生長茂盛、植被覆蓋率高的區(qū)域，這是因為植被在夏季能夠有效地遮擋和反射太陽的輻射加上其根系持水和疏松的孔隙結(jié)構(gòu)具有良好的保溫性能，能顯著減小融化深度。而冬季植物枯萎和凍結(jié)的土體結(jié)構(gòu)則有利于土中熱量的釋放，因此，植被能夠起到顯著的降溫作用。若地表形成沼澤化則蓄積大量水分，有利于形成高含冰量凍土，該類地區(qū)往往地下冰發(fā)育，并且季節(jié)融化深度小，多年凍土的年平均地溫也較非沼澤化地段低[4]。

(5)巖性

不同巖性的巖土體其熱物理性質(zhì)不同，表面熱交換條件、保水能力、滲透性均存在差異，因而凍土的發(fā)育程度也不一樣。同時各類巖體的導(dǎo)熱性能差異也造成地中熱流值差別，影響到多年凍土下限的位置。凍土含冰量的高低與巖層中土的粒度成分關(guān)系密切，尤其對于細粒土其含冰量則與分凝成冰作用有關(guān)。分凝冰的形成在不同粒度成分的土中具有顯著的差異，粒徑0.002～0.075mm為分凝冰形成最佳粒度范圍，對細粒土而言，其分凝析冰能力的高低可按如下順序排列：粉質(zhì)粘土、粉土、粘土、粉砂。而對粗粒土而言，一般當小于0.075mm顆粒含量大于15%時，在充分飽和條件下也能形成高含冰量凍土。而對粗粒土，則主要取決于小于0.075mm顆粒含量的多少，一般當小于0.075mm顆粒含量大于15%時，在充分飽和條件下也能形成高含冰量凍土。結(jié)合調(diào)繪資料，可得凍土區(qū)域分布圖，見圖4。

圖4 凍土分布區(qū)域圖

7 地基處理措施

7.1 季節(jié)性凍土路基設(shè)計原則及建議處理方案

結(jié)合項目沿線地質(zhì)條件、地層組成以沖洪積、碎石層為主，表層有粉土層沉積，清除表層粉土后，不凍脹及弱凍脹段季節(jié)性凍土區(qū)域的公路路基土可不做其他特殊處理，強凍脹段落內(nèi)季節(jié)性凍土區(qū)域的公路路基土需做特殊處理，施工過程中應(yīng)保證路基填料以抗凍脹能力較強的礫石土為主，沿線路基防護、橋、涵構(gòu)筑物基礎(chǔ)，埋置深度需在季節(jié)性凍土深度以下[5]。

7.2 多年凍土路基設(shè)計原則及建議處理方案

對本項目段內(nèi)凍土擬定如下處置原則：路線應(yīng)盡量避開多年凍土區(qū)或繞開高含冰凍土區(qū)。遵循“寧填勿挖”的設(shè)計原則[5]，采取保護凍土、控制融化速率、加強側(cè)向排水與保護、綜合治理的總原則。對于多年凍土下限在4m以內(nèi)的路段，一般采取融化的原則，全部清除多年凍土層，回填砂礫、碎石或片塊石的設(shè)計方案。對于凍土下限大于4m的路段，一般采用控制融化的原則，采取主動和被動措施來維護凍土路基的穩(wěn)定性。本項目所在區(qū)域內(nèi)凍土多為少冰、多冰、富冰多年凍土，多年凍土段整體式路基寬度為24.5m，分幅式路基寬度單幅為12.25m，因此建議本項目施工設(shè)計時采用復(fù)合措施加強凍土冷卻效果[6]。

8 結(jié)論

多年凍土形成與構(gòu)造、地貌、巖性、地表水等地質(zhì)和自然地理因素密切相關(guān)，決定了項目區(qū)內(nèi)沿線多年凍土的分布和發(fā)育特征。一般情況下，多年凍土的溫度、厚度受到海拔高度、緯度的影響，海拔及緯度越高，多年凍土分布下限越低、溫度越低，且厚度越大。項目區(qū)內(nèi)緯度變化不大，其凍土發(fā)育受海拔高度影響較為顯著。