青藏高原多年凍土區(qū)凍害類型及防治

邊 疆，寇麗娜，綻蓓蕾

（1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007；2.青海省地震局，青海 西寧 810001）

0 引言

地處亞洲大陸的青藏高原，屬高寒亞大陸性氣候區(qū)，其具有獨(dú)特的冰緣氣候特征。以其海拔高（平均海拔高度在4700m以上）、氣候嚴(yán)寒（年平均氣溫 －3℃以下）、多年凍土廣布（凍土分布面積1470000km2）交通不便而著稱。多年凍土區(qū)極為發(fā)育的各種地質(zhì)災(zāi)害，極大地限制了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，多年凍土區(qū)各種地質(zhì)災(zāi)害的防治原理及其方法，仍是今后探索和研究的主要內(nèi)容。

1 概況

青藏高原具有高原型和高山型兩種多年凍土類型，約占我國(guó)多年凍土分布面積的60％。是全球中低緯度海拔最高、分布面積最廣、溫度最低、厚度最大的多年凍土地區(qū)。在切割微弱且仍然保留著原始高原面的廣大青藏高原地區(qū)，基本類型屬低緯度高海拔型多年凍土，在喜馬拉雅山、昆侖山及祁連山，則屬于中低緯度高海拔高山型多年凍土。這兩種類型的多年凍土，都具有明顯的地帶性特征。

多年凍土的下界高度隨緯度增高而降低的規(guī)律十分明顯（圖 1）［1－2］，隨經(jīng)度也有較大變化。

圖1 青藏高原東部?jī)鐾料陆纾c緯度關(guān)系曲線圖Fig.1 Relatinshipbetweenlatitudeandlow-boundary ofthepermafrostofEastemQinghai-Tibetanplateau

在念青唐古拉山、喜馬拉雅山，雪線分布的海拔高度分別為4200m、4300m，其多年凍土下界海拔高度為4600～4900m、4900～5000m；雪線高度比多年凍土下界低400～700m。多年凍土下界由南向北隨緯度增高而逐漸降低，平均每增高緯度1°，多年凍土下界降低80～100m。在祁連山脈南部的拉脊山，青海南山及柴達(dá)木山南坡，由東往西多年凍土下界大致由3700m升高到3900m，由高原南部到高原北部的祁連山北坡，多年凍土下界的降低1250～1460m/°。緯度每增高1°，年平均地溫增加0.9℃ ～1℃。

多年凍土厚度隨海拔高度增加而增厚的垂直分帶性也很明顯，在西大灘地區(qū)，海拔4150～4200m即由季節(jié)凍土過(guò)度為島狀多年凍土區(qū)，到昆侖山北麓，海拔4350m以上才進(jìn)入連續(xù)多年凍土區(qū)。大約海拔每上升100m，凍土厚度增加15～20m，最大多年凍土厚度128.09m（表1）。

表1 青藏高原腹部地區(qū)多年凍土厚度表Table1 Thicknessofthepermafrostof mainQinhai—Tibetanplateau

2 凍害類型

高大的山體，干寒的氣候，導(dǎo)致了凍土的發(fā)育，強(qiáng)烈的冰緣作用有利于冰緣地貌的生成，其類型豐富，分布也相當(dāng)廣泛，主要有：

寒凍風(fēng)化作用：是青藏高原凍土地區(qū)最普遍最多見和最主要的凍害之一。通常指基巖表層因節(jié)理和裂隙中水分凍結(jié)，體積膨脹，使巖石破碎成塊的現(xiàn)象。破碎巖石經(jīng)重力、凍漲作用再搬運(yùn)，不同巖性形成不同的地貌景觀，常見的有寒凍巖屑坡、石河、石海等，在昆侖山北坡發(fā)育的石冰川，寬50～100m，長(zhǎng)200～1000m，十幾條大小不等的石冰川依次排列，規(guī)模相當(dāng)宏偉。在巴顏喀拉山，鄂拉山、祁連山主脊等地亦可見到寒凍剝蝕巖柱，受冰劈和寒凍剝蝕作用，形成高3～5m的獨(dú)立巖柱，最高達(dá)10m，也可成排出現(xiàn)。

凍脹作用（也包括凍融分選作用），是凍土區(qū)常見的特殊地質(zhì)類型。最多見的為凍脹丘［3］，是一種含有冰核的圓錐形隆起土丘，它可以作為多年凍土區(qū)判示地下水的一種標(biāo)志。一般高出地表1～2cm，長(zhǎng)軸長(zhǎng)5～10m不等，頂部及周邊裂隙較發(fā)育，裂縫寬1～2m，主裂縫與長(zhǎng)軸方向一致，凍脹丘中有厚0.5～1m的冰核并在側(cè)方有出口，頂部出現(xiàn)塌坑。在瑪多黃河源區(qū)，玉樹巴塘河谷地均可見到。最大的為昆侖山北坡超大型凍脹丘，長(zhǎng)180m，寬90m，高18m，現(xiàn)已開裂，夏季形成積水湖塘，向外排水，冬季結(jié)冰形成再生凍脹丘。在清水河和治多縣一帶，亦有水中凍脹丘和石質(zhì)凍脹丘的分布。唐古拉山南坡兩種類型的石環(huán)和昆侖山北坡的微型多邊形土均屬此類。

凍拔作用：則是可以直接危害工程建筑的災(zāi)害類型。在昆侖山石冰川頂部和巴顏喀拉山北坡均可見凍拔石的發(fā)育。據(jù)昆侖山、沱沱河和雁石坪等地鉆孔觀測(cè)鋼管［4］，從1979～1989年10年間向上抬升了1.1～1.8m，曲麻萊、尕朵一帶可見電線桿成排被拔倒，據(jù)當(dāng)?shù)厝罕娊榻B，木質(zhì)電線桿幾乎兩年就要重栽一次。

融凍泥流：是堆積在山坡和丘陵坡地的第四紀(jì)松散物質(zhì)，在凍融作用下土體結(jié)構(gòu)受到破壞，內(nèi)聚力減弱，在重力作用下保水的土體沿多年凍土上界面徐徐向低洼處蠕動(dòng)，最后堆積下來(lái)形成泥流扇及泥流扇裙帶。年復(fù)一年，新泥流扇推擠老泥流扇并覆蓋其上，因此在泥流扇表面常形成拱起的階地狀地面或泥流階地。在祁連山、鄂拉山北坡、曲麻萊等地多見分布。泥流個(gè)體一般5～20m，最寬50～60m，長(zhǎng)15～30m。在治多縣扎河谷地［5］，左側(cè)山坡發(fā)育為一巨大規(guī)模的泥流群體，長(zhǎng)150～200m，高0.8m，寬達(dá)500m余的泥流階地，直接影響其鄉(xiāng)際公路。

熱融滑塌：多年發(fā)育在山地丘陵的緩坡地帶，往往分布在土顆粒細(xì)，土層含冰量較大，地下水埋藏淺的地段。在自然因素影響及人為作用下，局部土體整體坍塌下滑，使其穩(wěn)定性遭破壞而變形，形成熱融滑塌，尤以風(fēng)火山地區(qū)為甚。

3 青藏線自然災(zāi)害特征

青藏公路曾是我國(guó)西北連接西南的一條唯一交通干線，它南北縱穿青藏高原腹地的多年凍土地帶550km，青藏鐵路通車以來(lái)，交通運(yùn)輸格局發(fā)生較大變化，但青藏公路仍然是通往西藏的一條重要生命線。1984年全面改建通車以來(lái)，地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響交通安全。

主要發(fā)生的有：凍土地質(zhì)災(zāi)害在青藏線上集中表現(xiàn)為道路翻漿，熱融坍塌，融凍泥流的阻塞及地基不均勻融沉等。

3.1 道路翻漿

西大灘－唐古拉山段均有不同程度的翻漿現(xiàn)象，在由碎石細(xì)粒土堆積的山前和山間地帶。尤以不凍泉－五道梁段為甚，最嚴(yán)重地段路面高差達(dá)50cm，造成瀝青表層大片不規(guī)則脫落成坑，嚴(yán)重影響行車安全和車速，致使過(guò)往車輛車速僅達(dá)到其他正常路段的20％，交通部門不得不年年整修維護(hù)。

3.2 熱融滑塌及融凍泥流

熱融滑塌以風(fēng)火山段最為典型，見有坍塌沉陷式和牽引滑動(dòng)式兩種。

坍塌沉陷式滑塌體發(fā)展速度較慢，地表覆蓋完整，地形平緩，坡度 3°～8°，規(guī)模小者直徑 25m，深 1～2m，大者東西延展近 1000m，據(jù)調(diào)查資料［6］，1979～1985年6年間平均每年溯源發(fā)展1.3m。目前仍在繼續(xù)活動(dòng)，造成電桿傾倒位移和格爾木—拉薩輸油管線外露。

牽引滑動(dòng)式滑塌體，其發(fā)育地段地面坡度6°～16°，土中富含地下冰，且分布面積大，巖性復(fù)雜。由人為因素破壞地表而引起，滑塌發(fā)生后，造成邊緣坎壁的地下冰長(zhǎng)期外露，反復(fù)融化后再坍塌，加快了溯源發(fā)展速度，直至冰層消失才會(huì)停止。此類滑塌發(fā)展速度較快，對(duì)工程建筑物危害較大，其中比較典型和規(guī)模較大的發(fā)展有6處。如風(fēng)火山凍土觀測(cè)站北側(cè)滑塌，是1975年由修筑公路取土引起，寬15～28m，長(zhǎng)50m，坎高1.1～1.5m，滑體表面有 16級(jí)蠕變臺(tái)階，每級(jí)高0.3～0.4m，近10年內(nèi)年平均發(fā)展速度為5m，目前仍在活動(dòng)。78道班滑塌體，為1981年因取土而坍塌，形成面積達(dá)160m×250m的大型滑塌體，并在中部形成一積水坑，每年以3～4m的速度繼續(xù)發(fā)展，對(duì)青藏公路有很大威脅，正向公路逼近。

在青藏公路940km驚仙谷地西側(cè)見有融凍泥流和泥流扇發(fā)育，每到雨季，泥流由山坡涌上公路，常阻塞交通。

3.3 地基不均勻凍融沉陷

主要指凍土區(qū)反復(fù)交替凍融而使土體造成不均勻下沉，致使公路沿線橋梁，房屋發(fā)生的變型破壞現(xiàn)象。

沱沱河大橋建成后不久即受凍害而開裂，主要為融沉作用使南一號(hào)橋墩變形，導(dǎo)致橋面產(chǎn)生裂縫，無(wú)法使用，現(xiàn)已改建新橋。清水河大橋同樣遭受凍害橋面開裂無(wú)法治理而徹底毀棄，迫使道路改建，大橋重修。新建的清水河鐵路大橋，就有一個(gè)橋墩因凍融問(wèn)題而出現(xiàn)滲水情況。

沱沱河兵站1989年修建的江源賓館，由于坐落在凍土與融區(qū)交界部位，在交付使用后的當(dāng)年，就發(fā)現(xiàn)了地基不均勻沉陷產(chǎn)生的工程地質(zhì)問(wèn)題，采取地基處理補(bǔ)救措施后，仍有不同程度上的墻體開裂等損害。

在三岔河—納赤臺(tái)段約10km路段，路基本身為濕陷性黃土狀土，在凍融作用下，近地表層普遍形成了凍脹撓曲［7］，造成公路路面不均勻下沉而高低不平，納赤臺(tái)老兵站圍墻也因此而開裂。

洪水災(zāi)害，本是常見的自然災(zāi)害之一，但在多年凍土區(qū)，由于多年凍土層的存在以及融冰融雪水的加入，在極端天氣條件下，則更易突發(fā)性大洪水的發(fā)生。洪水以兩種方式對(duì)公路進(jìn)行侵害，一是側(cè)蝕危害路基；二是洪流破壞路面。

側(cè)蝕在納赤臺(tái)附近，驚仙谷地和五道梁—風(fēng)火山段較多見，主要表現(xiàn)為路基的坍塌和毀棄，輸油管線的外露。例如1989年7月僅五道梁南一處就因路基毀壞而使格拉輸油管線外露架空36m。同樣這場(chǎng)洪水僅在納赤臺(tái)—唐古拉山約500km路段就沖毀橋涵41處，沖斷道路6處，中斷交通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)90小時(shí)，數(shù)千車輛受阻。

4 防治途徑

4.1 凍土災(zāi)害防治

4.1.1 路基處理

通常情況下，一般路基大都低于1.5m，而當(dāng)?shù)氐募竟?jié)融化層可達(dá)到0.8～2.9m，根據(jù)蘭州冰川所程國(guó)棟同志分析［8］，在 550km凍土區(qū)中，含冰凍土為103.5km，飽冰凍土108.6km富冰凍土84km。由于瀝青路面有較強(qiáng)的吸熱作用和封閉了地基土層中的水分蒸發(fā)，使地基堤坡受氣溫或其他熱源影響而發(fā)生形變。因此，路基應(yīng)抬高＞2.9m，在加高路堤的同時(shí)鋪設(shè)一層保溫層，以限制凍土的上限位置。由于灰土具有較高的耐凍性和水穩(wěn)性，鋪設(shè)路面時(shí)最好用灰土作為路基材料，是防止道路翻漿的有效措施。

4.1.2 地基處理

在冰土區(qū)的建筑物地基處理不同于非凍土區(qū)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明［9－10］，建筑物不宜直接坐落于凍土層之上，地基宜以混凝土樁為主，將建筑物直接抬高于地面之上，基本保持凍土的天然狀態(tài)不受或少受干擾，延長(zhǎng)建筑的使用壽命，在青藏高原大部分地區(qū)均采用此辦法，祁連山江倉(cāng)地區(qū)、青藏公路沿線都可見到。新修的青藏鐵路即采用4個(gè)小徑樁支撐一個(gè)平臺(tái)，而橋柱則建于該平臺(tái)之上。

通信電桿和電力鐵塔的埋設(shè)，宜以底大上小的混凝土樁為好，深置于當(dāng)?shù)丶竟?jié)融化層之下，以降低凍拔作用對(duì)其的影響。

4.1.3 環(huán)境保護(hù)

高原多年凍土地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境十分脆弱，要十分注意保護(hù)，在地下冰富集地段，尤其是產(chǎn)生融凍泥流或熱融滑塌地區(qū)，根本措施是以防為主，盡量避繞地下冰層不受擾動(dòng)，嚴(yán)格禁止在建筑物附近挖方，保證凍土層在天然狀態(tài)下不遭受人為破壞。新建的青藏鐵路工程當(dāng)屬環(huán)保模范，沿路的取土均在指定的取土點(diǎn)開挖，盡量保證了原始的地質(zhì)地貌環(huán)境得以保存。在已發(fā)生滑塌的地段，治理原理—是在滑塌體下方修筑工程措施。不使其直接危害建筑物或工程設(shè)施和減緩其移動(dòng)速度，就地堆積；二是設(shè)擋水土埝，使埝下凍土層天然上限抬高，控制溯源坍塌的繼續(xù)發(fā)展，逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

4.2 洪水災(zāi)害的防治

造成災(zāi)害的主要原因：一是大部分橋梁年久失修，橋洞淤積過(guò)水?dāng)嗝婵s小，洪水排泄不暢所致；二是1989年的特大洪水超過(guò)了百年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)因而造成僅容納幾個(gè)方量的橋涵要疏導(dǎo)十幾倍方量的洪水，致使洪水毀棄橋涵，漫上公路，造成災(zāi)害；三是自然環(huán)境的變遷，原來(lái)的小河道遷移，在沒有橋涵的地段沖毀公路；四是部分沿河路段防護(hù)網(wǎng)損壞后未及時(shí)更新，失去了擋水意義，洪水直接側(cè)蝕造成毀路。

根據(jù)成災(zāi)原因，防治措施是疏導(dǎo)與攔阻相結(jié)合，對(duì)毀壞橋梁的改建中，均按百年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工，尤其對(duì)橋梁和道路的結(jié)合部位重點(diǎn)加固，并根據(jù)洪水跡象增設(shè)部分橋涵。二是在靠近公路的順河地段，增設(shè)永久性攔擋壩，以公路安全為原則，堅(jiān)固耐用。

5 建議

青藏高原凍土區(qū)自然災(zāi)害嚴(yán)重，類型復(fù)雜，但其地廣人稀，具有現(xiàn)實(shí)意義的仍是青藏公路、青藏鐵路以及城鎮(zhèn)建筑物的危害。近年來(lái)，對(duì)其產(chǎn)生的諸多凍土地質(zhì)災(zāi)害多采取臨時(shí)補(bǔ)救措施，沒有從根本上解決問(wèn)題，致使有些問(wèn)題遠(yuǎn)未解決。鑒于青藏公路，青藏鐵路的重要性，還得花大力氣，長(zhǎng)時(shí)間去研究解決，目前仍在對(duì)青藏公路某些路段進(jìn)行隔熱試驗(yàn)，地溫監(jiān)測(cè)，凍土觀測(cè)等試驗(yàn)，還應(yīng)對(duì)兩路的重要橋梁，隧道的變形、變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析、確保天路的萬(wàn)無(wú)一失。還應(yīng)對(duì)青藏公路550km凍土區(qū)含冰路段的勘察論證，為其個(gè)別路段的改線和待建的高速公路做好前期準(zhǔn)備，應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。

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