青藏工程走廊凍土環境工程地質區劃及評價

  在青藏高原腹地西大灘-那曲這一數百米至公里寬的凍土工程敏感區和生態脆弱帶內, 5 條重大工程并行:青藏公路自1954 年建成通車后, 經歷了多次改建和整治;1974 ～ 1977 年鋪設了格拉輸油管道, 并于2001 ～ 2004 年間整改;20 世紀90 年代初埋設了蘭西拉光纜, 并架設了110 輸變線;最近又修筑了青藏鐵路。

 

  這5 條線路均為線性建筑物, 呈南北向穿越青藏高原中部多年凍土區, 近似垂直于高原各大地貌單元和大地構造的走向。青藏線的凍土環境工程地質條件呈現明顯的地帶性和差異性規律, 它們相互之間、與凍土工程地質及寒旱區生態環境強烈相互作用, 形成了南北向貫穿多年凍土區的“青藏工程走廊” 。走廊的凍土環境工程地質條件改變, 并對各項工程基礎本身產生不利影響。為了科學有效地管理(保護)沿線寒區生態環境, 預防和治理各項工程中可能出現的凍融地質災害,本文在廣泛的野外調查、工程勘察、凍土和工程建筑物穩定性長期監測和室內大量試驗的資料基礎上, 采用層次分析法和綜合評判, 論述了沿線凍土環境工程地質條件, 然后劃分出區、亞區和段分別進行評價。

 

  1  凍土環境工程地質條件

 

  研究區北起西大灘谷地東段, 南至安多—兩道河高地之南的那曲谷地(原126 道班附近), 全長670km。

 

  以大片連續多年凍土區為主, 并包括南北兩側的島狀多年凍土區及鄰區小范圍的季節凍土區。研究區地勢高、氣候干寒、新構造活動強烈和多年凍土廣布。海拔、緯度和區域地質背景和大型地貌單元等要素控制著本區凍土和地下冰的區域分布規律。巖性、植被、含冰(水)量、活動層厚度、地溫和不良凍土地質現象等局地因素的變化, 均可造成小范圍內凍土環境工程地質條件的差異。本文重點論述與環境工程地質有關的凍土方面的基本條件。

 

  1.1  凍土分布

 

  調查表明, 目前青藏線島狀多年凍土的北下界在西大灘谷地西端海拔4 200 ～ 4 250m 和年平均氣溫-2～ -3 ℃處;連續多年凍土北下界在昆侖山北坡海拔4 400～ 4 560m 和年平均氣溫約-4 ℃處;連續多年凍土南下界在安多縣城以北, 海拔約4 780m 和年平均氣溫-3.5 ～ -4 ℃處;從安多向南穿越兩道河地區至原125 道班北約有90km 長的島狀多年凍土區, 其南下界海拔約4 650m, 年平均氣溫-2.0 ～ -2.5 ℃。沿青藏線, 平均緯度每下降1°, 多年凍土下界海拔上升80 ～100m;海拔每上升100m, 年平均地溫降低0.5 ～ 0.6 ℃,多年凍土厚度增加15 ～ 20m。高原氣溫年較差小、冷季平均氣溫較高, 而暖季平均氣溫較低, 因此沒有明顯的四季之分, 決定了青藏高原多年凍土年平均地溫普遍較高、活動層較薄、熱穩定性差等特征。

 

  1.2  地下冰

 

  青藏公路沿線地下冰廣泛分布于低山丘陵的緩坡坡中下部及高平原、河谷和盆地較低處。高原上除一些湖相沉積外, 一般低山丘陵地下冰含量總體大于中高山區及高原內盆地和河谷地段。在剖面上, 凍土上限附近地下冰最富集。由于其接近地表, 易受自然和人為因素變化的影響而變化。因此, 是工程建筑中最為關心的對象, 尤其是凍土上限下1m 深度范圍內地下冰, 在3 ～ 5 年后直接威脅著路基穩定性。可見, 地下冰含量及其空間分布是最基本的凍土環境工程地質條件。目前公路沿線瀝青路面下凍土上限一般下降至6 ～ 8m 深度。在西大灘等個別地段已達9 ～ 10m 深度,綜合考慮全線公 鐵路將來最終達到準穩定狀態的最大融化深度, 便于評價路基最終的穩定性, 作者利用大量鉆孔勘探資料, 按凍土層中總含水量確定出凍土含冰量類型, 分別統計出沿線630km 的凍土區內各地段凍土上限下1m 深度內和1 ～ 10m 深度不同凍土類型的青藏公路里程數和分布狀況(表2)[ 2] , 為青藏線凍土環境工程地質評價提供了衡量指標。

 

  從垂向上分析, 一般高原凍土中地下冰含量從淺層向深層逐漸減少, 如表2 總計欄所示:含土冰層類別分布狀況, 在上限以下1 m 內所占比例為16.0 %, 1 ～10 m 深段為10.1 %。

 

  1.3  年平均地溫

 

  年平均地溫可以反映出凍土的地帶性規律, 并能對應地反映出年平均氣溫、凍土厚度和平面上的連續性, 以及凍土穩定性和對氣候變化和人為影響的敏感性。本文綜合各種分帶標準, 按年平均地溫將凍土劃分成4 種熱穩定性類型。這種劃分直觀地反映出青藏公路沿線多年凍土分布的地帶性規律;同時也反映出凍土工程地質環境的穩定性:年平均地溫越低, 凍土越穩定;凍土熱融敏感性越弱, 凍土對人為活動影響的響應過程亦越遲緩。

 

  1.4  松散層成因類型及巖性與凍土類別的關系松散土的巖性較復雜:低山丘陵區中下部位的松散堆積物多為坡積和泥流堆積, 一般較厚、顆粒較細、含水量較大, 以亞粘土和亞砂土為主, 地表植被覆蓋較好、年平均地溫較低, 為地下冰的發育提供了良好的細粒土、水分及凍土共生條件;中高山區的松散堆積物較薄, 多為殘積物, 以碎石類土為主, 植被覆蓋度較小, 甚至基巖裸露, 寒凍風化強烈, 但土中水分少, 雖降水量相對較大、年平均地溫較低, 也不利于地下冰的形成;在河谷階地廣泛發育著沖、洪積相的砂礫石土, 年平均地溫較高, 往往不利于地下冰的發育;惟獨湖相沉積的亞砂土、亞粘土及粘土等, 厚度大、水分充足, 有利于地下冰的形成和發育。所以, 地下冰的分布狀況及發育程度往往與松散土的成因類型有關。

 

  1.5  活動層

 

  活動層厚度是凍土區工程建筑設計的基本參數。

 

  活動層凍融過程影響因素眾多、變化復雜, 如地形地貌、海拔、氣溫和地表溫度、地表水體、植被和巖性等。

 

  但是, 在小范圍內, 巖性可視為決定性因素。表5 統計出青藏線各大地貌單元內天然狀態下不同巖性的活動層厚度差異。

 

  2  凍土環境工程地質評價的指標選擇

 

  凍土環境工程地質評價綜合反映了凍土區環境和凍土工程地質條件的地域分異規律及凍土穩定性。選擇評價參數是一個綜合性問題。任意單一因素都不能全面反映沿線凍土環境工程地質特性。凍土熱穩定性是凍土環境工程地質研究的核心問題。因此, 作者主張應用凍土熱穩定性來綜合評價凍土和環境工程質量。現將各類凍土環境工程地質特性描述如下:

 

  穩定型:多年凍土在人為活動作用下工程性質和熱穩定性輕微變化。年平均地溫雖有升高, 但凍土變化基本是可逆的, 熱融敏感性較弱。建筑物變形可保持在允許范圍之內[ 5] 。在目前的大型工程運營的時間尺度(25 ～ 100a)內, 可保持相對穩定。

 

  準穩定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質和熱穩定性產生明顯影響, 年平均地溫逐年升高, 人為凍土上限緩慢下降。凍土變化過程部分是不可逆的。

 

  凍土變化已經影響工程建筑物的穩定性。

 

  不穩定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質和熱穩定性產生強烈影響, 凍土環境破壞嚴重、年平均地溫明顯升高, 人為凍土上限大幅度下降。凍土變化過程大多是不可逆的。凍土變化嚴重影響工程建筑物的穩定性及其周圍寒區生態環境。

 

  極不穩定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質和熱穩定性產生破壞性影響, 促使多年凍土加劇退化, 其過程基本是不可逆的。凍土變化對工程建筑物的破壞極其嚴重, 凍土環境隨之發生明顯變化。

 

  因此, 以年平均地溫指標為基礎確定的凍土穩定性類型, 可以作為劃分區段的依據。它能綜合反映出各區段凍土環境工程地質條件的差異。凍土層中的含冰(水)量是決定該層凍土環境工程地質的關鍵性指標。以凍土含冰量類別為基礎劃分出的地段可基本反映出該地段的凍土環境工程地質特性, 為工程設計和凍融災害防治提供依據。特別強調的是, 目前青藏高原多年凍土總體處于區域性退化的趨勢[ 6 ～ 7] 。凍土退化和人為活動對青藏線凍土環境工程地質的疊加影響主要體現在對凍土工程性質的改變和地表生態系統的作用。因此, 應充分重視其影響程度及發展趨勢。

 

  3  凍土環境工程地質區劃原則及分區評價

 

  凍土環境工程地質分區是對青藏線凍土工程地質條件及生態環境問題的綜合概括和總結。基于上述評價參數的選擇, 本文遵循相似性和差異性的原則, 采用層次分析法和相互關聯法, 采用三級區劃的方法力求全面反映出青藏線凍土環境工程地質的總體規律。

 

  區劃是在綜合分析公路沿線影響凍土環境工程地質條件各因素的基礎上, 重點考慮各區段內凍土分布、地溫狀況、凍土層中的含冰量及其物理、力學性質、活動層厚度, 并參考凍土生態環境、不良凍土現象和現有建筑物的穩定狀況而劃分。依據上述條件, 并考慮到現有資料的精度和分區圖比例尺的要求, 可劃分為3級:凍土環境工程地質區、亞區和地段。

 

  然后分區段依次評價。

 

  3.1  一級區劃系統———凍土環境工程地質區主要考慮不同類型的凍土在區域分布和工程地質條件的差異, 分成下列三個區:

 

  Ⅰ :季節凍土區。主要包括西大灘東段和島狀凍土南部下界以南的那曲谷地(原125 ～ 126 道班之間)。

 

  這兩段均位于谷地內, 表層以沖洪積物為主, 最大季節凍結深度2.5 ～ 4.0m 。除個別地點有深層的凍脹和翻漿外, 大多數地段的凍土環境工程地質條件均良好。

 

  Ⅱ :島狀多年凍土區。在西大灘西段海拔4 200 ～4 560m 的部位和青藏線南段安多-兩道河4 650 ～4 700以上高地為島狀凍土區。區內凍土環境工程地質條件較為復雜。尤其在凍土島地段內個別地點凍土層中含冰量較高, 厚度變化大, 年平均地溫高, 凍土普遍處于強烈退化狀態。區內生態環境、凍土層厚度及熱狀況極易發生變化。

 

  Ⅲ :大片連續多年凍土區。從昆侖山驚仙谷北口(海拔4560m)至安多北14km 處(全長531km), 為大片連續凍土區。該區凍土的公路里程約占沿線凍土區總里程的84.3 %, 為重點研究區。區內年平均地溫0 ～-4 ℃;凍土實測厚度變化于幾米至幾十米, 個別高山區可達100 ～ 120m(表1)。凍土環境工程地質條件復雜多變。在地下冰發育地段, 凍土生態環境變化明顯,不良凍土現象極其發育。凍脹和融沉作用強烈, 各類建筑物均遭到不同程度的破壞。但是, 區內仍有部分地段條件良好, 如融區、松散層很薄、無裂隙冰發育的基巖和風化殼及地下冰不發育的地段。

 

  3.2  二級區劃系統———凍土環境工程地質亞區在一級區劃的基礎上, 根據各大地貌單元凍土和地下冰分布的差異性, 按凍土熱穩定性類型綜合反映凍土年平均地溫指標及其它特征(表1 , 表3), 劃分出次一級的工程地質亞區。二級區劃主要體現出各大地貌單元的凍土分布特征及凍土環境工程地質條件的穩定性。全區共分20 個亞區:

 

  Ⅰ1 :西大灘東段季節凍土亞區;Ⅰ2 :那曲谷地季節凍土亞區。

 

  Ⅱ1 :西大灘西段極不穩定型島狀多年凍土亞區;Ⅱ2 :安多—兩道河間高地極不穩定型島狀多年凍土亞區。

 

  Ⅲ1 :昆侖山埡口段穩定型連續多年凍土亞區;

 

  Ⅲ2 :風火山埡口段穩定型連續多年凍土亞區;Ⅲ3 :唐古拉山埡口段穩定型連續多年凍土亞區;Ⅲ4 :昆侖山溝谷段準穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ5 :可可西里低山準穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ6 :風火山溝谷段準穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ7 :唐古拉山溝谷段準穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ8 :楚瑪爾河高平原不穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ9 :北麓河盆地不穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ10 :開心嶺低山不穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ11 :桃爾九低山不穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ12 :捷布曲谷地不穩定型大片連續多年凍土亞區;Ⅲ13 :沱沱河盆地極不穩定型片狀多年凍土亞區;Ⅲ14 :通天河盆地極不穩定型片狀多年凍土亞區;Ⅲ15 :布曲河谷地極不穩定型片狀多年凍土亞區;Ⅲ16 :溫泉谷地極不穩定型片狀多年凍土亞區。

 

  3.3  三級區劃系統———凍土環境工程地質地段它是研究區內最基本的區劃單元, 是選擇設計方案和工程整治措施的依據。多年凍土含冰量類別這個定量指標基本上能綜合反映出上述的主要影響因素,因為土的凍脹和融沉主要與土的性質與總含水量相關, 而多年凍土含冰量類別恰好是按土中含水量和巖性確定的。在非多年凍土區, 可根據松散層厚度、巖性、季節凍結深度、含水量和地下水為等因素, 并參照現有工程基礎出現的凍害現象及程度來確定凍土環境工程地質地段。在各亞區內, 應用上述區劃原則, 采用綜合聚類分析法,再劃分出4 種凍土環境工程地質地段。

 

  A :良好凍土環境工程地質地段。該類地段多集中于季節凍土區、島狀和片狀凍土區內的融區及個別的多年凍土地段。巖性一般為(半)堅硬巖石或粗碎石土類, 含水量小, 已有建筑物未出現凍害現象。

 

  B :一般凍土環境工程地質地段。包括多年凍土中富冰凍土類型及非多年凍土區內輕微凍害的地段。

 

  C :不良凍土環境工程地質地段。包括多年凍土層中的飽冰凍土類型及非多年凍土區凍害較嚴重的地段、地下水位埋藏淺、不良凍土現象發育、凍土生態環境穩定性差。

 

  D :極差凍土環境工程地質地段。主要指多年凍土區內的含土冰層類型及厚層地下冰發育地段, 地下水位埋藏淺, 地表水充足, 不良凍土現象非常發育, 凍土生態環境極其脆弱, 凍土環境工程地質條件相當復雜。

 

  按照上述三級區劃原則, 研究區內共劃分出3 個區, 20 個亞區和51 個地段。因本文篇幅限制,每個地段不能在本文中進行單獨評價。

 

  由表6 所示, 研究區內“良好” 和“一般” 地段兩者占總長度的約60 %。由此表明, 在凍土區內同樣存在著很多較好的凍土環境工程地質地段。在區劃過程中發現, 在不穩定型和極不穩定型多年凍土亞區內有些較好地段;相反, 在穩定型和準穩定型多年凍土亞區內, 亦有“極差”和“不良”地段。各種因素交互作用共同構成目前青藏線凍土環境工程地質條件分布格局。

 

  4  討論和結論

 

  (1)在青藏工程走廊內共劃出3 個工程地質區、20個工程地質亞區和51 個工程地質地段:

 

  Ⅰ級區劃主要考慮不同類型的凍土區域分布和凍土環境工程地質條件的差異, 劃分出大片連續、島狀多年凍土和季節凍土工程地質區。在特殊環境下, 個別季節凍土段的工程地質環境條件可能比多年凍土差。

 

  Ⅱ級區劃是在Ⅰ 級區劃的基礎上, 按凍土熱穩定性類別綜合反映凍土年平均地溫、所分布的主要地貌部位及其它基本特征。按照四種熱穩定類型的指標區內共劃分出20 個工程地質亞區。從各亞區的地貌部位可明顯反映出青藏高原凍土環境工程地質同樣具有明顯的高度地帶性規律。年平均地溫在反映凍土熱穩定性方面有一定的局限性。

 

  Ⅲ級區劃是研究區內最基本的凍土工程地質區劃單元。主要采用凍土含冰量類別綜合反映出某一地段內凍土的工程地質特性和生態環境狀況。可歸納為4種類型的工程地質地段, 即良好、一般、不良和極差。

 

  以往的調查結果表明, 青藏工程走廊建筑物的破壞由融沉占主導, 其次是凍脹。以凍土含冰量類別劃分的四種工程地質地段與融沉和凍脹分類均有很好的對應關系, 它可被有效利用于預報建筑物基礎在運營過程中的變形特征。所劃分出的51 個工程地質地段已被區內線性建筑物的設計和施工項目所采納。

 

  (2)青藏線許多房屋經多年使用仍無明顯變形或破損的事實證明, 在凍土區進行工程建設時, 只要充分認識和掌握凍土分布規律及凍土層的工程地質特性,全面科學地評價工程地質條件, 合理選址(線), 精心勘察、設計和施工, 并在設計、施工和運行中注意管理和保護寒區生態環境, 就能大量減少或基本消除凍融災害。在個別凍土環境工程地質條件特差地段, 需要采取特殊工程措施, 并進行長期監測, 確保將工程隱患預先消除或控制在允許變形范圍之內。