多年凍土區(qū)熱融湖塘狀態(tài)及侵蝕路基病害防治措施

摘 要：近年來，隨著氣候變暖和青藏高原降水的逐年增加，青藏鐵路沿線的熱融湖塘數(shù)量和面積也明顯增加，開始影響青藏鐵路路基安全。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)青藏鐵路多年凍土的熱融湖塘發(fā)育狀態(tài)和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行研究，研究結(jié)論包括，隨著氣候變暖和青藏高原降水的逐年增加，青藏鐵路沿線的熱融湖塘數(shù)量和面積也明顯增加，且離路基越來越近；青藏鐵路路基兩側(cè)20 m范圍內(nèi)發(fā)育熱融湖塘14處，部分熱融湖塘已延伸至路基坡腳，嚴(yán)重影響地基多年凍土的穩(wěn)定，進(jìn)而影響路基穩(wěn)定性；對(duì)影響鐵路路基安全的2處典型熱融湖塘進(jìn)行分析，提出包括地表水、地下水雙隔離及太陽(yáng)能熱棒增強(qiáng)凍土穩(wěn)定性的措施。

關(guān)鍵詞：青藏鐵路；多年凍土區(qū)；熱融湖塘；應(yīng)對(duì)措施；路基

中圖分類號(hào)：U216.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0110-04

Abstract： In recent years， with the climate warming and the annual increase of precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau， the number and area of hot-melt lakes and ponds along the Qinghai-Tibet Railway have also increased significantly， which began to affect the safety of the Qinghai-Tibet Railway roadbed. Through on-the-spot investigation and statistical analysis， the development status and countermeasures of hot-thawed lakes and ponds in permafrost of Qinghai-Tibet Railway are studied. The conclusions include： With the warming of climate and the increase of precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau year by year， the number and area of hot-thawed lakes and ponds along the Qinghai-Tibet Railway also increase obviously， and they are getting closer and closer to the roadbed. There are 14 thermal thawing lakes and ponds developed within 20 m on both sides of the Qinghai-Tibet railway roadbed， and some of them have been extended to the foot of the roadbed slope， which seriously affects the stability of permafrost and roadbed. Two typical thermal thawing lakes and ponds that affect the safety of railway roadbed are analyzed， including the double isolation of surface water and groundwater and the measures of solar heat rod to enhance the stability of permafrost.

Keywords： Qinghai-Tibet Railway; permafrost region; thermal thawing lakes and ponds; countermeasures; roadbed

熱融湖塘是指多年凍土層中地下冰層融化以后的融水和地表水滲浸進(jìn)入或匯聚于洼地形成的湖塘，也稱其為熱喀斯特湖塘[1]。研究表明，受熱融湖塘熱侵蝕的影響，分布于邊緣的多年凍土溫度會(huì)顯著升高，上限也明顯增大，同時(shí)對(duì)深部多年凍土溫度和厚度有較大的影響[2]。因此，熱融湖塘湖底及邊緣融化層的形成和發(fā)展，會(huì)對(duì)局部多年凍土層的理化性質(zhì)及地貌形態(tài)產(chǎn)生非常重要的影響，從而引起多年凍土的加速退化[3-6]。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，熱融湖塘邊緣的地溫逐年升高，其升高速率明顯大于天然升溫狀態(tài)[7]。當(dāng)熱融湖塘邊緣因多年凍土退化而接近路基時(shí)，會(huì)對(duì)多年凍土路基產(chǎn)生側(cè)向的熱侵蝕影響。高溫融化層不斷向路基下低溫多年凍土傳輸熱量，從而使路基下多年凍土溫度升高，造成多年凍土承載力下降，在路基路面表現(xiàn)出下沉或開裂，會(huì)嚴(yán)重影響多年凍土區(qū)建筑物的性能。

近年來，青藏高原的熱融湖塘不斷發(fā)育，研究表明[8]2000—2018年青藏高原大于1 000 m2的熱融湖塘數(shù)量增加了70 537處，面積增加了1 321.16 km2，平均每年增加73.40 km2。青藏鐵路多年凍土段的熱融湖塘也在不斷變化，本文結(jié)合運(yùn)營(yíng)以來的多次調(diào)查，對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)的熱融湖塘發(fā)育現(xiàn)狀進(jìn)行研究，針對(duì)熱融湖塘對(duì)鐵路路基穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)典型熱融湖塘病害提出了應(yīng)對(duì)措施。

1 青藏鐵路多年凍土區(qū)熱融湖塘發(fā)育現(xiàn)狀

1.1 青藏鐵路沿線熱融湖塘分布現(xiàn)狀

基于2號(hào)遙感影像解譯及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)青藏鐵路沿線（青藏鐵路兩側(cè)各20 km范圍）熱融湖塘進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共發(fā)現(xiàn)熱融湖塘34 915處（圖1），其面積從17.6 m2至944 600 m2不等。

這些熱融湖塘的總面積為187.6 km2，占整個(gè)走廊總面積的8.3%。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，距離青藏鐵路路基兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)共有熱融湖塘169處，這些熱融湖塘隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)未來30～50年可能會(huì)對(duì)路基產(chǎn)生影響，目前影響較小。

1.2 運(yùn)營(yíng)以來青藏鐵路沿線熱融湖塘發(fā)育特征

統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)以來對(duì)青藏鐵路沿線熱融湖塘數(shù)量的調(diào)查結(jié)果見表1，由表1可以看出，運(yùn)營(yíng)初期，青藏鐵路沿線路基兩側(cè)熱融湖塘分布較少，且對(duì)青藏鐵路路基無影響。2023年以來，熱融湖塘數(shù)量開始增多，距離青藏鐵路路基越來越近，部分熱融湖塘甚至已經(jīng)與路基坡腳相接，開始影響路基穩(wěn)定性。

以2009年調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)熱融湖塘分布區(qū)域繪制柱狀圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

通過圖2可知，楚瑪爾河高平原區(qū)為熱融湖塘分布的主要區(qū)域，占到了總數(shù)的約50%，其余則以盆地地段區(qū)域居多，山區(qū)地段分布較少。由此可以看出，不同地貌單元區(qū)對(duì)熱融湖塘有較大的影響，平原、盆地等區(qū)域熱融湖分布多于山區(qū)和溝谷地帶。

2 熱融湖塘對(duì)鐵路路基穩(wěn)定性的影響

2.1 近鐵路路基熱融湖塘分布特征

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，圖3所示的距離青藏鐵路兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)且對(duì)青藏鐵路具有潛在影響的熱融湖塘共有14處，主要分布在楚瑪爾河至北麓河一帶，由于熱融湖塘的側(cè)向熱侵蝕作用，這些熱融湖塘發(fā)育可能引起路基下部的多年凍土融化，造成橋臺(tái)和路基沉陷等病害，如圖4所示，其具體的形態(tài)和位置參數(shù)見表2。其中有2處距離坡腳為0 m，已經(jīng)侵蝕到線路路基，將對(duì)路基穩(wěn)定性造成影響。

2.2 近鐵路路基熱融湖塘影響評(píng)價(jià)

以前人研究成果作為基準(zhǔn)對(duì)2.1章節(jié)近鐵路路基熱融湖塘進(jìn)行評(píng)價(jià)，崔巍等[9]提出熱融湖塘對(duì)多年凍土上限的影響范圍至距湖塘邊緣50 m處，對(duì)多年凍土下限的影響范圍可至距湖塘邊緣100 m處。羅京等[10]提出湖邊2～15 m范圍內(nèi)凍土?xí)臒崛诤链罅课諢崃俊Ｔu(píng)價(jià)結(jié)果見表3。從表3中可以看出，調(diào)查的14處近鐵路路基熱融湖塘大部分已經(jīng)開始影響路基處地基多年凍土，進(jìn)而影響鐵路穩(wěn)定性。

3 典型熱融湖塘病害應(yīng)對(duì)措施研究

3.1 單側(cè)路基受熱融湖塘侵蝕

3.1.1 病害概況

位于沖洪積高平原，地勢(shì)較為平坦，多年凍土上限2.4～3.6 m，富冰、飽冰凍土，地溫分區(qū)為Tcp-III。如圖5所示，該處熱融湖塘位于線路左側(cè)，距路基坡腳6 m，湖水已侵蝕防護(hù)柵欄，湖水面積較大，現(xiàn)場(chǎng)沒有引排條件，且該處熱融湖塘面積在逐年增大，湖水長(zhǎng)期侵蝕將導(dǎo)致該段路基基底高含冰量多年凍土融化，造成路基沉降變形，存在安全隱患。

3.1.2 應(yīng)對(duì)措施

1）路基左側(cè)增設(shè)土護(hù)道，土護(hù)道中部1 m高位置鋪設(shè)保溫板，土護(hù)道內(nèi)存增設(shè)太陽(yáng)能熱棒對(duì)基底多年凍土進(jìn)行凍結(jié)。

2）土護(hù)道下部增設(shè)防排水系統(tǒng)，如圖6所示，排水系統(tǒng)位于既有防護(hù)柵欄內(nèi)側(cè)，施工困難時(shí)（柵欄外側(cè)有水時(shí)）可先在外側(cè)回填部分土護(hù)道擋水后開挖。溝內(nèi)靠近路基一側(cè)坑壁上鋪設(shè)止水板。

3.2 雙側(cè)路基受熱融湖塘侵蝕

3.2.1 病害情況

位于沖洪積高平原，地勢(shì)較為平坦，多年凍土上限2.3～3.5 m，局部富冰、飽冰凍土，地溫分區(qū)Tcp-III。熱融湖塘位于線路右側(cè)，距路基坡腳15 m，且湖塘與河流相連。隨著青藏高原降水逐年增多，雨季時(shí)水流一方面從右側(cè)對(duì)路基造成侵蝕，一方面經(jīng)過兩橋后回流從左側(cè)對(duì)路基造成侵蝕。水流侵蝕作用下，一方面泥沙對(duì)既有片石護(hù)坡等防護(hù)措施進(jìn)行掩埋，極大地削弱了其保護(hù)凍土的作用，另一方面水流對(duì)地基多年凍土造成水熱侵蝕，導(dǎo)致地基高含冰量?jī)鐾寥诔镣嘶?，引起路基沉降變形?/p>

3.2.2 應(yīng)對(duì)措施

1）路基兩側(cè)修筑土護(hù)道，如圖7所示，土護(hù)道高2 m，寬5 m，坡度與路基坡度一致，土護(hù)道中部1 m高位置鋪設(shè)保溫板，如圖8所示，土護(hù)道內(nèi)存增設(shè)太陽(yáng)能熱棒對(duì)基底多年凍土進(jìn)行凍結(jié)。

2）土護(hù)道下部增設(shè)防排水系統(tǒng)，溝槽底開挖至多年凍土上限以下0.5 m處，溝底及靠近路基一側(cè)坑壁上鋪設(shè)防水土工布。

4 結(jié)論

本研究聚焦青藏高原氣溫升高和降水增加條件下，針對(duì)多年凍土區(qū)熱融湖塘的變化狀態(tài)及對(duì)路基的熱侵蝕影響和防治措施，主要得到如下結(jié)論：

1）2000—2018年，青藏高原面積大于1 000 m2的熱融湖塘數(shù)量及面積增加速率分別為3 918.7處/a、4.01 km2/a。

2）青藏鐵路路基兩側(cè)20 m范圍內(nèi)存在14處發(fā)育的熱融湖塘，已影響到路基坡腳，對(duì)多年凍土路基的熱穩(wěn)定產(chǎn)生較嚴(yán)重威脅；路基兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)未來30～50年將有169處熱融湖塘對(duì)路基產(chǎn)生影響。

3）針對(duì)熱融湖塘侵蝕路基特點(diǎn)，且經(jīng)實(shí)體應(yīng)用驗(yàn)證表明，采用地表水和地下水的雙隔離措施，以及利用太陽(yáng)能熱棒主動(dòng)制冷增強(qiáng)凍土穩(wěn)定性的工程補(bǔ)強(qiáng)措施，能夠有效解決熱融湖塘對(duì)路基的侵蝕問題。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（QZ2022-G04）；中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（實(shí)用技術(shù)2022-重點(diǎn)-14）；中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（K2022G107）

第一作者簡(jiǎn)介：李青海（1970-），男，工程師。研究方向?yàn)殍F道工務(wù)的研究與管理。