青藏鐵路楚瑪爾河地區(qū)復(fù)合路基地溫狀況分析

劉 娟

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

青藏鐵路格爾木至拉薩段全長(zhǎng)1 142 km，穿越連續(xù)多年凍土地區(qū)長(zhǎng)度約550 km，是青藏鐵路建設(shè)面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題[1]。凍土路基設(shè)計(jì)采用“冷卻路基”設(shè)計(jì)理念[2]，設(shè)置管道通風(fēng)路基、片石氣冷路基、碎石護(hù)坡路基、片石氣冷及碎石護(hù)坡復(fù)合路基[3-4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“復(fù)合路基”)等保護(hù)多年凍土措施?；诔敔柡拥貐^(qū)復(fù)合路基(DK1043+500)，并對(duì)比一般路基(DK1052+000)分析復(fù)合路基結(jié)構(gòu)保溫效果。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)基本條件

1.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

監(jiān)測(cè)區(qū)位于楚瑪爾河高平原，海拔4 500～4 700 m，地形平坦，地表植被較發(fā)育，熱融湖塘分布較多，分布有多冰凍土、飽冰凍土及厚層地下冰，凍土厚15～40 m，天然上限2.0～5.0 m，年平均地溫-1.0～-2.0 ℃，屬低溫基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ區(qū))。

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)

地溫測(cè)試：于左右路肩、左右坡腳各設(shè)置1個(gè)測(cè)溫孔，測(cè)試深度約16 m；于路基坡腳20 m外設(shè)置1個(gè)地溫測(cè)試孔做為天然對(duì)比孔。

沉降測(cè)試：于左右路肩、坡腳各布置1個(gè)沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)；于路基坡腳50 m以外設(shè)置變形基準(zhǔn)點(diǎn)。

每年2～12月份每月觀(guān)測(cè)2次，1月份觀(guān)測(cè)1次，本文分析的數(shù)據(jù)為2003年～2011年。

2 地溫分析

2.1 DK1052+000人為上限狀況及熱流分析

2.1.1 天然上限位置溫度狀況

圖1為DK1052+000天然上限深度(2.1 m)處的地溫隨時(shí)間變化情況，表1為天然上限深度處年平均溫度，由圖1、表1可知：

路基左側(cè)天然上限溫度在監(jiān)測(cè)期間逐年升高，其中左坡腳于2003年夏季天然上限處溫度高于0 ℃，表明原多年凍土上部已經(jīng)發(fā)生了融化，至2010年最高溫度達(dá)1.63 ℃，年平均溫度由2005年的-0.83 ℃升高至2010年的-0.18 ℃，說(shuō)明天然上限深度處地溫顯著升高；

左路肩孔中天然上限溫度于2005年和2006年出現(xiàn)了正溫，即其下凍土出現(xiàn)了融化，至2007年有所下降，之后維持了相對(duì)穩(wěn)定；2005年天然上限處平均地溫為-0.24 ℃，2006年為-0.17 ℃，之后又降至2010年的-0.26 ℃；

路基右肩孔和右坡腳孔內(nèi)天然上限深度處溫度都在負(fù)溫范圍內(nèi)波動(dòng)變化，右路肩下孔內(nèi)平均地溫基本保持在-1 ℃。右坡腳孔內(nèi)天然上限地溫變幅大于右路肩孔；

對(duì)比該斷面路基左右兩側(cè)上限溫度變化，顯示由于陰陽(yáng)坡效應(yīng)造成的差異在天然上限深度處也表現(xiàn)的十分顯著。

圖1 DK1052+000天然上限處溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

℃

2.1.2 不同位置人為上限深度變化

1.以合同管理為主線(xiàn)，健全對(duì)外經(jīng)濟(jì)交往管理制度體系。在對(duì)外經(jīng)濟(jì)交往中，合同管理工作是主線(xiàn)，既是雙方經(jīng)濟(jì)合作的前導(dǎo)，又是雙方履約和解決糾紛的依據(jù)。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)合同實(shí)行全過(guò)程管理。

圖2顯示了該斷面不同部位人為上限變化情況，其中左坡腳處人為上限深度變化緩慢、階段性增加；左路肩處早期人為上限深度大幅逐年增加(2007年前)，之后大幅減小；右路肩整體人為上限深度較淺(處于路堤填土中)，且呈進(jìn)一步減小趨勢(shì)；右坡腳人為上限一直維持在1.8 m深度處。

圖2 DK1052+000人為上限深度變化情況

2.1.3進(jìn)入多年凍土的熱流狀況[5-9]

路基下多年凍土的溫度變化和分布主要受地表熱交換及凍土地溫梯度或地?zé)崃鞯挠绊?，在研究地溫?chǎng)變化和多年凍土的變化時(shí)需要計(jì)算進(jìn)入凍土的熱流量，選取上限(2.1 m)及其下0.5 m深度作為熱流通量的計(jì)算區(qū)域。

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，垂直一維方向上進(jìn)入上限至其下0.5 m深度范圍的熱流通量可以近似描述為

式中，qz為熱流通量，W·m-2；λu/f為填土融化和凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，λu=1.278(W·m-1·K-1)，λf=1.84 (W·m-1·K-1)；t為溫度，下標(biāo)表示深度和上限；Δz=0.5 m。

利用(1)式將監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到表2。

表2 DK1052+000 2.5～3.0 m深度的熱量 kJ·m-2

表2表明，由于路基填土的熱影響， 一般填土路基， 路基左肩原地面下2.1～2.6 m深度一直經(jīng)歷著吸熱過(guò)程，且吸熱幅度在2006年前呈逐年增加的趨勢(shì)，之后保持了相對(duì)的穩(wěn)定；路基右肩下相同層位出現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的吸熱-放熱過(guò)程；左右坡腳下，深度2.1～2.6 m內(nèi)同樣呈現(xiàn)吸熱-放熱過(guò)程，但左側(cè)熱交換幅度更大，且吸熱高于放熱。

監(jiān)測(cè)段多年凍土的熱流量在路基左右側(cè)差異顯著：左坡腳和左路肩下多年凍土的熱收支都表現(xiàn)為吸熱，且左路肩下在監(jiān)測(cè)期內(nèi)都沒(méi)有發(fā)生過(guò)放熱過(guò)程；右路肩和右坡腳基本表現(xiàn)了吸熱和放熱量的平衡。這種熱量變化過(guò)程導(dǎo)致了上述多年凍土在路基左側(cè)的升溫現(xiàn)象。

2.2 DK1043+500復(fù)合路基人為上限狀況及熱流分析

2.2.1 天然上限位置溫度狀況

圖3為DK1043+500斷面各孔中天然上限深度處(2.0 m)地溫隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，表3為各孔天然上限深度處年平均溫度，可以看出：

天然狀態(tài)下天然上限溫度呈現(xiàn)波動(dòng)升高趨勢(shì)，最高溫度由2004年的-0.47 ℃升高至2009年的0.81 ℃，最低溫度變化不大；在路基左坡腳處，地溫顯著高于其他部位，2006～2007年間處于-3.58～3.59 ℃；左右路肩下天然上限深度處地溫都呈下降趨勢(shì)，其中左路肩下地溫呈緩慢近似線(xiàn)性變化，2003年最低溫度為-0.33 ℃，2010年降低為-0.89 ℃；右路肩下最高溫度由2003年的-0.6 ℃降低為2010年的-1.21 ℃，最低溫度由2004年的-1.63 ℃降低為2010年的-1.96 ℃。

圖3及表3反應(yīng)了復(fù)合路基下原多年凍土上限深度處地溫呈下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了復(fù)合路基片石層對(duì)冷卻下伏多年凍土的作用[10-11]。

圖3 DK1043+500天然上限處溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.2.2 不同位置人為上限深度變化

圖4表明：2003～2010年凍土人為上限深度由1.72 m降至2.33 m；路肩處人為上限位置在2003～2004年間呈顯著抬升趨勢(shì)，之后抬升幅度減小，其中左路肩2003～2010年抬升了2.54 m，至原地面上1.71 m；右路肩處2003～2010年間抬升了1.72 m，至原地面上2.71 m；左坡腳處上限深度大于天然孔上限，且呈緩慢加深趨勢(shì)，2006～2010年間上限位置增加了0.98 m。

表3 DK1043+500 天然上限深度處年平均溫度 ℃

圖4 DK1043+500人為上限深度變化情況

2.2.3 熱流狀況

2.0～2.5 m深度凍土中的熱流量列于表4中。數(shù)據(jù)顯示，天然孔和路基左坡腳孔中各年進(jìn)入2.0～2.5 m深度范圍的熱量為正。右路肩孔年熱收支為負(fù)值的部位，即表現(xiàn)為放熱，且放熱量保持了相對(duì)穩(wěn)定。原多年凍土這種熱交換變化過(guò)程及年熱收支狀況決定了其溫度的狀況，表現(xiàn)在溫度上為天然狀態(tài)下多年凍土的緩慢升溫，在路基下多年凍土緩慢降溫，體現(xiàn)了復(fù)合路基的工程效果[12]。

3 結(jié)論

(1)一般路基凍土天然上限深度處地溫除路基右肩處維持了相對(duì)穩(wěn)定，年平均地溫基本保持在-1 ℃，其他部位地溫都有所升高，左坡腳處年平均地溫從2004至2010年升高了0.38 ℃，左路肩處年平均地溫從2004年至2006升高了0.35 ℃。路基左坡腳人為上限位置雖呈下降趨勢(shì)，但地溫增加的趨勢(shì)明顯，整體上地溫場(chǎng)朝著不利于穩(wěn)定性的趨勢(shì)發(fā)展，該類(lèi)路基難以起到全面保護(hù)多年凍土的作用。

(2)復(fù)合路基左右路肩下凍土天然上限深度處地溫都呈明顯降低趨勢(shì)，左路肩下年平均地溫由2004年的-0.44 ℃降至2010年的-0.88 ℃，右路肩下年平均地溫由2004年的-1.24 ℃降至2010年的-1.60 ℃。多年凍土人為上限位置都得到顯著抬升，目前處于近地表處或路堤填土范圍中。復(fù)合路基在降低地溫和維

護(hù)地溫場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性方面都具有顯著效果，能主動(dòng)冷卻凍土路基，很好地保護(hù)多年凍土。

表4 DK1043+500 2.0～2.5 m深度的熱量 kJ·m-2

[1] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.青藏鐵路建設(shè)總結(jié)·勘察設(shè)計(jì)卷[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，2007．

[2] 程國(guó)棟.青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及環(huán)境效應(yīng)[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2002(1)：21-25．

[3] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.青藏鐵路2003年冬季調(diào)查報(bào)告[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，2004．

[4] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.青藏鐵路2005年冬季調(diào)查報(bào)告[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，2006．

[5] 孫志忠，馬巍，李東慶.凍土區(qū)塊石護(hù)坡路基調(diào)溫效果試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2006，27(11)：2001-2004．

[6] 張建明，張金釗，劉永智.青藏鐵路凍土路基合理路堤高度研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(5)：28-34．

[7] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè).路基[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1995．

[8] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

[9] 金曉娟，高波.青藏鐵路碎石路基降溫機(jī)理的研究現(xiàn)狀與思考[J].路基工程，2009(5)：1-2．

[10] 汪生軍，黃波，馬春珊.多年凍土砂礫路面公路下凍土融化過(guò)程預(yù)測(cè)[J].路基工程，2009(4)：16-17．

[11] 贛遠(yuǎn)明，張魯新，張淑娟，等.氣候變暖條件下青藏鐵路拋石路基的降溫效果[J].科學(xué)通報(bào)，2003，48(3)：292-297．

[12] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.青藏鐵路高原凍土區(qū)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定(2003年局部修訂版)[S].蘭州：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，2003：1-41．