青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律研究

2018-06-04杨永鹏孟进宝韩龙武李勇

铁道建筑 2018年5期

杨永鹏,孟进宝,韩龙武,李勇

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木 816000)

自从20世纪50年代以来，全球气候发生着巨大变化，近30年来，每10年地表温度的增幅均在提高，21世纪的第1个10年是历史最暖时期，降水量也显著增加[1-3]。与全球气候一样，青藏高原气温逐年升高，降水量也明显增加[4-5]，剧烈影响着依赖于气候环境的高原植被、冰川、冻土等的赋存状态。

多年冻土是由特定的气候及地质环境共同作用形成的，其演化受到气候环境变化的影响，而冻土的演化又直接影响到建设于其上的冻土工程的稳定性。青藏铁路沿线连续多年冻土地段长度约为547 km[6-8]。其中高含冰冻土地段累计长度222.16 km，占连续多年冻土地段长度的40.66%(其中厚层地下冰地段累计长度56.20 km)；低含冰冻土地段累计长度222.57 km，占连续多年冻土地段长度的40.73%；融区地段累计长度101.68 km，占连续多年冻土地段长度的18.61%。

路基下多年冻土的稳定是青藏铁路工程长期可靠运营的保障[9-14]。本文基于青藏铁路多年冻土区长期监测系统中的气候要素变化，对青藏铁路沿线天然场地及路基下多年冻土地温变化进行分析，研究青藏铁路路基下多年冻土演化特征及规律。

1 青藏铁路沿线气候特征及变化

受全球气候转暖的影响，在1961—2011年期间，青藏铁路沿线各地区气温基本以0.03 ℃/年的速度升高，进入21世纪以后，升温速率增大了2～4倍，见表1。

表1 青藏铁路沿线气温年增长率统计 ℃/年

青藏铁路沿线多年冻土区大部分年降水量在250～450 mm，南部边缘地区可达550 mm。近年来年降水量总体呈增大趋势。表2为青藏铁路沿线年降水量变化统计。

表2 青藏铁路沿线年降水量变化统计

图1和图2分别为青藏铁路沿线风火山地区融化指数和冻结指数变化曲线。可知，风火山地区融化指数以 0.206 4 ℃·月/年的幅度增大，而冻结指数以 0.336 9 ℃·月/年的幅度增大，融化指数增幅小于冻结指数增幅，说明沿线气温正在逐年升高，气温变暖主要在寒季，暖冬现象越来越严重。

图1 青藏铁路沿线风火山地区融化指数变化曲线

图2 青藏铁路沿线风火山地区冻结指数变化曲线

图3为风火山地区1976—2012年地表温度变化曲线。可知，风火山地区1976—1986年11年间年平均地表温度均低于37年平均值，随后1987—1992年6年间年平均地表温度处于波动期，1993—2012年20年间该地区地表温度明显上升，增温现象显著，年平均地表温度均高于37年平均值。风火山地区近37年间年平均地表温度增长率为0.060 8 ℃/年，是气温增长率的1.34倍。

图3 风火山地区1976—2012年平均地表温度变化曲线

由此可见，青藏铁路沿线气候整体处于转暖过程，且在21世纪以来转暖力度进一步加大。

2 青藏铁路沿线天然场地多年冻土变化

多年冻土的赋存依赖于寒冷的气候环境，气候环境的变化将势必影响到青藏铁路沿线多年冻土的赋存。

2.1 沿线天然场地多年冻土天然上限变化

2006年青藏铁路运营以来，沿线天然场地多年冻土天然上限发生了较大变化(见图4)，从34个地温监测场的监测资料可以看出：沿线多年冻土上限在2007—2015年间发生了较大幅度的变化，多年冻土整体处于退化状态。

图4 青藏铁路运营以来沿线多年冻土天然上限变化

表3为2015年与2007年相比，青藏铁路沿线多年冻土天然上限变化情况占比。可以看出，2015年与2007年相比，天然上限下降的占91%，其中天然上限下降0.5～1.0 m的占59%。

表3 2015年与2007年相比沿线多年冻土天然上限变化情况占比 %

2.2 沿线天然场地多年冻土不同深度处地温变化

不同深度处地温变化反映的是多年冻土总体热状况，通过分析可以研究多年冻土的稳定状态及退化速率等。为了清晰地研究青藏铁路沿线天然场地多年冻土地温变化，绘制了典型地段(K1496+750断面)的2007年与2012年的地温变化情况，见图5。

图5 青藏铁路沿线典型地段地温变化情况

从图5可知，与2007年相比，K1496+750断面2012年天然上限降低了将近0.5 m；2012年埋深6 m处地温升高了0.05 ℃左右，埋深12 m处地温升高了0.03 ℃左右；测温范围内没有触及人为上限，但是通过-0.1 ℃线的位置可以看出，-0.1 ℃线抬升了将近0.5 m。由此可知，该断面天然状态下2012年地温较2007年均升高，上限下降且下限抬升，多年冻土处于升温退化状态。可以认为该断面多年冻土是在上下2个热源影响下发生退化的。

对此，本文选择了多年冻土北界附近、昆仑山山区、楚玛尔河高平原、乌丽-沱沱河地区、多年冻土南界附近等典型地段，分别对埋深2.5，5.0，10.0 m处的多年冻土地温变化进行了分析。

表4为2006—2015年青藏铁路沿线多年冻土区不同深度处的地温升温速率。可知，由于气候影响，近年来青藏铁路沿线天然场地多年冻土均处于退化状态；分析天然场地埋深2.5，5.0，10.0 m处的地温升温速率，基本都是埋深2.5 m处最大，说明多年冻土升温退化主要还是自上而下进行；从不同地区升温速率可知，多年冻土北界附近升温退化速率最大，唐古拉山以北多年冻土受气候影响较唐古拉山以南明显；乌丽-沱沱河地区由于受大河融区影响，升温速率较大。

表4 2006—2015年青藏铁路沿线多年冻土区不同深度处的地温升温速率 10-4 ℃/d

埋深/m冻土北界附近昆仑山山区楚玛尔河高平原乌丽-沱沱河地区冻土南界附近2.52.571.480.871.040.165.01.000.570.070.720.2310.01.380.460.370.440.15

2.3 沿线多年冻土不同深度处积温变化

在冻土工程研究中，积温代表某一区域或者某一点的冻结、融化能力，积温变化也可以用来分析多年冻土的稳定状态和变化趋势。对此，对青藏铁路沿线多年冻土区2007—2013年间不同深度处的年度积温进行了统计分析，见图6。

图6 2007—2013年多年冻土区不同深度处积温变化曲线

从图6可以看出，埋深2.5，5.0，10.0 m处正积温均为0，负积温比较低，但是随着时间变化，负积温逐年升高，即在不同深度处的多年冻土地温逐年升高，冻土退化明显。

在此基础上，对青藏铁路沿线多年冻土北界附近、昆仑山山区、楚玛尔河高平原、乌丽-沱沱河地区、多年冻土南界等典型地段多年冻土不同深度处积温进行了计算。表5为青藏铁路沿线典型地段积温增长率。可知，在青藏铁路沿线多年冻土区，积温呈增长的趋势，多年冻土的蓄冷能力降低，影响多年冻土的稳定，退化明显。乌丽-沱沱河地区增长率最大，昆仑山山区次之，说明近年来乌丽-沱沱河地区多年冻土升温较其他地区更加明显。

表5 青藏铁路沿线典型地段积温增长率 %

3 青藏铁路路基下多年冻土变化

对于建设在多年冻土上的路基工程，其稳定依赖于路基下多年冻土的稳定。为了保证青藏铁路多年冻土路基的稳定，在青藏铁路547 km的多年冻土路基中采取了片石(176.3 km)、热棒(45.1 km)等保护路基下多年冻土的工程措施，其中普通填土路基约为204.06 km。

3.1 路基下多年冻土人为上限变化

图7为路基左右路肩人为上限较原天然上限位置变化情况。可知，在青藏铁路刚开通的2007年，路基左右路肩人为上限相对原天然上限均抬升的占81%，而在2015年这一比例降至75%，且左路肩抬升而右路肩下降的比例由2007年的0增加至3%，其余比例不变。由此可见，近年来路基下多年冻土在气候及工程影响下产生升温退化。

图7 路基左右路肩人为上限较原天然上限位置变化情况

3.2 普通填土路基多年冻土地温演化

普通填土路基是指没有采取特殊热防护的多年冻土路基，如图8所示。

图8 普通填土路基示意

图9 普通填土路基(K1068+758断面)地温变化情况

图9为普通填土路基(K1068+758断面)左右路肩地温变化情况，可以看出多年冻土人为上限均出现不同程度的抬升。但是左路肩下多年冻土地温略升，冻土处于轻微升温退化状态，而右路肩下多年冻土地温降低，多年冻土基本处于稳定状态，该断面(路基填高2.5 m)路基阴阳坡差异明显。通过2007年左右路肩融化进程曲线对比，可以看出左路肩下6～7 m处存在融化夹层，整年未消除，而右路肩以下多年冻土已衔接。通过2012年左右路肩融化进程曲线对比，可以看出阴阳坡差异不明显，地温场也趋于稳定。

3.3 片石路基多年冻土地温演化

片石路基就是在路基底部铺设一层片石层，片石层中保证一定的空隙，如图10所示。

图10 片石路基示意

在暖季时环境气温高于路基本体内部温度，片石层上部温度高于下部温度，热量主要通过片石的接触热传导作用传入路基，片石层内部空隙中热空气的上升作用阻挡外部热量的进入，使片石层的有效导热系数变小，片石层犹如一道热屏障阻碍着外部热量的传入，具有一定隔热效果。

在寒季时环境气温低于路基本体内部温度，片石层上部温度低于下部温度，片石层空隙内的空气发生对流换热，同时片石之间以及片石和空气之间还存在接触热传导，热量能较好地从路基和基底散发出来，且青藏高原寒季的多风气候使得片石层中发生强制对流，更有利于路基散热，从而降低路基及基底的地温。

图11为片石路基(K1037+340断面)左右路肩地温变化情况。可以看出：①2007年左路肩冻结衔接时间在4月初，而右路肩在1月初之前就已经冻结衔接，路基左侧较右侧受热影响更大；到了2013年左路肩冻结衔接时间为3月初，较2007年提前了1个月，但是阴阳坡地温差异明显。②2007年路基左右路肩各深度处地温差异明显，路基左侧路肩以下10 m处地温较右侧高0.35 ℃，阴阳坡差异明显；2013年路基左侧路肩以下10 m处地温较右侧高了将近0.5 ℃，阴阳坡差异较2007年继续增大。③2013年较2007年左右路肩以下各深度处多年冻土地温升高明显，路基左侧路肩以下10 m处地温升高了0.2 ℃，路基右侧路肩以下10 m处地温升高了0.15 ℃，可以看出在左右路肩以下多年冻土地温均升高的情况下左侧较右侧升高幅度更大，进一步说明该段路以下多年冻土处于升温退化状态，阴阳坡差异明显。

片石路基对多年冻土路基工程的热防护发挥了作用；左右路肩以下多年冻土温度状态差异明显，各深度处多年冻土地温升温幅度差异明显，这是由于线路路基阴阳坡受热作用差异较大引起的，需要进一步采取措施以解决该问题。

3.4 热棒路基多年冻土地温演化

热棒是一种液、汽两相转换且对流循环的热传输系统。热棒是由1根封闭钢管和钢制散热器组成。管中充以工质，上部为冷凝器，下部为蒸发器。当冷凝器与蒸发器之间存在温差时，蒸发器中的工质吸热蒸发，在压差作用下，蒸汽沿管腔上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，附于管壁上，在重力作用下，液体工质沿管壁流回蒸发段再蒸发。如此往复循环，将地基中热量带出。所以，热棒是无需外加动力的人工制冷装置。热棒工作原理如图12所示。

热棒路基就是将热棒埋设于路基中，利用其冷却性能对路基下多年冻土进行制冷，降低多年冻土地温，保护地基多年冻土，如图13所示。

图14 热棒路基(K0972+580断面)地温变化情况

图14为热棒路基(K0972+580断面)左右路肩地温变化情况。可以看出：①左右路肩以下1—4月在埋深0～10 m范围内地温下降显著，主要是热棒在寒季的工作效果反映。②相较天然孔同一深度(路肩孔深度从基底(1 m)算起)地温，左路肩原地面以下10 m处地温在2007年降低了1.2 ℃，右路肩原地面以下10 m 处地温在2007年降低了0.7 ℃；左路肩埋深10 m 处地温在2013年降低了1.7 ℃，右路肩埋深10 m 处地温在2007年降低了1.3 ℃，热棒制冷效果显著，阴阳坡差异明显，同时随着时间积累路肩以下多年冻土冷储量进一步增加。③在天然状态下多年冻土处于升温退化状态的情况下，由于热棒的制冷作用，该断面左右路肩以下多年冻土处于降温过程，路基下多年冻土稳定。

综上所述，青藏铁路多年冻土区路基下多年冻土受到了气候变化的影响，发生了升温退化，但是相较天然场地条件下升温退化速率明显减小。采取的片石、热棒等结构形式路基对保护路基下多年冻土起到了良好的作用，也可以有效消除或缓解由于阴阳坡差异引起的多年冻土差异性退化问题。