關于青藏高原公路凍土病害防治問題
2015-07-29
一、青藏高原凍土特征分析
青藏高原是地球上最雄偉、最年輕的隆起區(qū),平均海拔在4000 m以上,號稱“世界屋脊”或“地球第三極”。它北起阿爾金山和祁連山,南至喜馬拉雅山,西自喀拉昆侖山,東抵橫斷山脈,面積約240余萬平方公里。青藏高原是聳立于中低緯度區(qū)的巨大隆起,其海拔高、氣候嚴寒的特點決定著高原凍土的存在和廣泛分布。
青藏高原多年凍土區(qū)是世界中低緯度區(qū)海拔最高、面積最大的凍土區(qū),也是典型的高原凍土區(qū),凍土區(qū)面積達150萬平方公里。青藏高原凍土區(qū)南北跨越12個緯度,東西橫亙近30
個經度,其地勢特點是西北高、東南低,氣候特點是西北部寒冷干旱,東南部溫暖濕潤。凍土區(qū)中心位于羌塘盆地,這里的凍土基本連續(xù)或大片分布,溫度低,地下冰厚。由此向周邊地區(qū),
隨海拔高度降低,地溫逐漸升高,連續(xù)或大片凍土區(qū)逐漸過渡為島狀多年凍土區(qū)。青藏高原地處中低緯度地帶,緯度和海拔高度是控制高原氣溫的兩個主要因素。青藏高原年平均氣溫的分布呈現(xiàn)以高原為中心向四周逐漸增高的閉合形式,同時又表現(xiàn)出東高西低、南高北低的分布格局。
高原總體上分為三個低溫中心:羌塘一可可西里低溫中心,巴顏喀拉低溫中心,和喜瑪拉雅低溫中心。其中羌塘一可可西里低溫中心是三個低溫中心中溫度最低的一個,位于可可西里山至唐古拉山間的東經90℃、北緯34℃附近,其值低于一6℃。此外,高原月平均氣溫可低至一18℃,部分地區(qū)日均溫度不高于0℃的天數(shù)一年中最多可達329天,特殊的地理環(huán)境和極高的海拔高度決定了高原低溫空間分布的廣泛性和時間分布的持續(xù)性。青藏高原多年凍土在平面上的分布基本上與地形的變化山脈的走向一致。根據(jù)地理位置和多年凍土的分布特征可將青藏高原凍土區(qū)大致分成4個區(qū)域,即阿爾金山一祁連山高山多年凍土區(qū);以羌塘盆地為主體的大片連續(xù)多年凍土區(qū);青南山原不口東部高山島狀多年凍土區(qū);念青唐古拉山和喜馬拉雅山高山島狀多年凍土區(qū)。其中羌塘大片連續(xù)多年凍上區(qū)是青藏高原多年凍土的主體,面積約60 .7x104km ,海拔高度在4500一5000 m之間,湖泊發(fā)育,年均氣溫在一3 .6℃以下,低溫中心位于西北部。遺憾的是由于工作條件極為惡劣,羌塘盆地中四部凍土的研究叢本空白,現(xiàn)有的研究資料主要集中在東部邊緣青藏公路沿線的狹窄地帶,但據(jù)氣溫分布特征估計,西北部多年凍土應該更為發(fā)育。從總體來看,青藏高原多年凍土的特征是溫度高、厚度薄。
青藏高原多年永久凍土層實測厚度10一175 m。
二、青藏高原公路凍土病害防治措施
1、凍脹危害防治措施
(1)合理路基高度。在含土冰層、飽冰凍土以及富冰凍土路段按保護凍土原則設計時,則必須要使凍土上限不下降,較好的處理辦法就是加大路基填土高度。這種情況下的路基填土高度可按《公路路基設計手冊.路基》(第二版)第二篇第九章第四節(jié)公式(2 - 2 - 23)計算。
(2)基土換填。在強凍脹性土上修建橋涵、路基,常去掉強凍脹性土,填入非凍脹性土。換填方法包括基底換填和基側換填,換填料應為含粉、粘粒不超過12 %的粗顆粒土,換填深度和換填率根據(jù)當?shù)氐膬鼋Y深度和建筑物的特點決定,對于路堤,換填深度與路堤高度之和不小于保溫層計算厚度的115～210倍?；翐Q填法簡單適用,基本能永久消除凍脹危害。
(3)防滲隔水與排水。主要措施有:在路基下墊層設置砂墊層以隔斷毛細水上升;切方坡以上設置截水溝;填方路堤兩側設置斷面形式寬而淺的排水溝;地下水采用設置盲溝方法導流排至路基以外;坡腳積水路段可在路基10 m以外設置積水坑來降低地下水位。防滲隔水與排水系統(tǒng)應盡量遠離路基坡腳,排水應通常,并保證路堤坡腳5 m范圍以內無積水洼地。
(4)保溫。當埋藏較淺的地下冰可能融化或頻繁人為活動會破壞坡腳凍土時,可采用保溫層措施,如設置保溫護道、護腳等等,常用的保溫材料有泥炭、草皮、樹皮、爐渣、陶塊、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫或粘性土等。但多數(shù)保溫材料隨吸濕其保溫效果會下降,且抗壓強度較低,如用塑膜軟包裝防止保溫材料潮濕,效果會更好。
(5)基土強夯。主要是將夯擊能作用在土表層上,以波的形式將能量傳給土體,在瞬間可將土體壓縮數(shù)厘米至幾十厘米。用此方法處理粘土、亞粘土、淤泥質粘土、新近填土以及強凍脹、嚴重翻漿的軟弱土,可使其密實度大為提高、含水量大為降低、滲透能力極大減小、地下水埋藏深度大大增加、地基承載力大大提高,最終使凍脹基本消除。212
2、冰丘和冰椎危害防治措施
(1)凍結溝。當含水層較薄、隔水底板埋藏不深、涌水量及動水壓力不大時,可在冰椎場或凍脹丘場的上游開挖與地下水流向垂直的天溝。在凍結季節(jié)前作為排水溝,在凍結季節(jié),溝下土層首先凍結,便形成一道凍結“墻”,起到攔截地下水的作用。
(2)截冰墻。在涌水量不大路段設置橫向截冰墻,阻擋水分或冰上路。截冰墻多修建在路肩外或邊溝外,一般用漿砌片石筑成,可與凍結溝聯(lián)合配置使用。
(3)聚冰坑。多用于水量較小、邊坡不高的塹坡冰椎,用以聚積冬季冰椎,使之不上路,可與截冰墻聯(lián)合使用。
(4)地下排水措施。主要由集水滲池(或滲井)和排水暗管(或盲溝)兩部分組成,其目的是將地下水排到路基以外的河溝或洼地中。集水滲井適用于山坡地下水露頭較集中處,滲池適用于山坡地下水較分散處,由集水滲井和滲池匯集的水再用盲溝或暗管排出路基外。
3、熱融危害防治措施
防治熱融危害的基本出發(fā)點是避免擾動厚層地下冰和融沉性較強的多年凍土。如果難以避免擾動,可按以下一些措施預先融化或換填。
(1)寧填勿挖。在有熱融滑坍路段盡量用填方而避免挖方,并使路堤的填高大于臨界高度,以保證凍土上限不下降,同時嚴格做好排水措施。
(2)綜合防治。在厚層地下冰或飽冰凍土段開挖路塹,應在滿足邊坡穩(wěn)定的條件下盡可能減少對凍土的擾動;對邊坡及坡腳進行清理,將難以保持穩(wěn)定的滑坍部分清除,換填其它透水性材料和保溫材料;放緩邊坡或在坡腳加支擋,以建立新的穩(wěn)定的熱平衡和力平衡;加強排水措施,塹頂設擋水埝和埝后排水溝,坡腳設淺寬側溝,以防止在水的作用下重新加劇熱融滑坍。
(3)其它措施。路堤穿過熱融湖塘時,水下部分路堤必須以滲水性土填筑,滲水性土的填筑標高應高出湖塘最高水位015 m ;同時應結合熱融湖塘基底土質、地下冰、上限深度等因素,綜合考慮基底的預留沉落量;另外路堤兩側水不得排入熱融湖塘。
4、其它防治措施
(1)加強路面結構。在有可能發(fā)生凍脹的中、重季節(jié)凍結區(qū)和多年凍土區(qū)的高級、次高級路面結構中加設防凍層,使路面總厚度不小于路面防凍最小厚度;在路面結構層中加設排水墊層,阻止地下毛細水上升,兼起排水和緩沖路基凍脹作用,從而減輕路面凍脹;路面層中盡量使用整體性好的二灰土、石灰土、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定砂礫等半剛性結構層,以加強路面結構;面層瀝青混凝土中添加能提高抗低溫縮裂性能的改性劑,如SBR等,以增強路面的抗低溫縮裂性能。
(2)施工措施。換填基底段、凍區(qū)路塹開挖段等宜安排在寒凍季節(jié)施工,其它部分工程安排在融化季節(jié)施工,這種施工安排可以使全年施工相對較均衡,既保證了工程進度,又避免因凍土層暴露太久,凍土上限會下降而引起路基沉陷破壞,從而保證了工程質量和工期;另外在施工過程中不得破壞路基兩側一定范圍內的植被,使之繼續(xù)起隔熱、保護凍土和減弱地表水下滲之作用。
(3)幾種特殊措施。如采用片塊石作為路基填料、在路基中埋設通風管等,目的是讓路基成為透風結構,從而不改變路基兩側多年凍土的外部溫度環(huán)境,最終保護凍土;另外還可采用熱管、導管、液管、遮陽蓬等措施,目的都是要保護凍土,使之不融沉。但由于使用形式特殊,
一般情況下用得不多。
