柴木铁路冻土沼泽湿地地区倾填片石路基的稳定性探讨

2014-11-27应忠旺

铁道标准设计 2014年1期

应忠旺

(兰州铁道设计院有限公司，兰州730000)

柴达尔至木里铁路，位于青海省东北部的刚察县和天峻县境内，与青藏铁路西宁至格尔木段的哈尔盖至柴达尔铁路支线的柴达尔车站相接。地形上该铁路线路主要走行于祁连山中东段的冷龙岭与大通山之间的大通河上游谷地，区内地形相对平坦，坡度较为平缓，属高原亚寒带半干旱气候区域。铁路沿线区域海拔高度介于3 500～4 600 m，沿热水(海拔3 600 m)、江仓(海拔3 800 m)至木里(海拔4 299 m)海拔逐渐抬升［1］，地表发育有大通河、江仓河、上下哆嗦河等河流，植被类型以高寒草甸和沼泽化草甸为主，气候高寒，区内多年冻土广泛发育，是典型的高山多年冻土分布区［2］。

柴木铁路全长142 km，区间路基长度为119 km，全线多年冻土沼泽湿地段落约61处，总长约79 km。根据现场调查与工务部门的资料显示，全线发生路基下沉的段落共计64处，均处于多年冻土沼泽湿地中。受全球气候变暖，沼泽湿地退化，路基工程措施不当等因素的影响，路基的下沉量有逐年加大的趋势［3］，对列车的运行安全造成了潜在的威胁。

1 柴木铁路沿线冻土沼泽湿地的现状

柴木铁路沿线地形平坦、地表水排泄不畅的高平原及山间谷地广泛分布着冻土沼泽湿地，规模较大，一般为圆形、椭圆形，直径数十米至数百米不等，沼泽湿地的岩性以第四系松散层细颗粒土为主，植被茂盛。在地质演化和气候变迁背景下，受区域地理环境、地质构造、岩性、水文和海拔高程等因素的共同影响下，柴木铁路沿线冻土沼泽湿地下客观存在着多年冻土。

沼泽湿地是过湿或浅积水环境与其发育的水成土壤及生物群所构成的地理综合体，冻土是含水岩土的一种热物理状态，水分和负温度场是其存在的必要条件［4］。沼泽湿地的多水及其结构的热物理特性，必然要对其下的冻土产生重要影响，而冻土的融冻过程也对上部的沼泽施加作用，这两种作用相辅相成［5］，也即冻土促进沼泽湿地发展，沼泽湿地保护了冻土［6］。

自20世纪70代以来，在全球气候变暖的大趋势下，脆弱的青藏高原多年冻土环境发生了深刻的变化，主要表现为多年冻土面积或厚度的减少，甚至有些多年冻土已消失。随着多年冻土的退缩，也即多年冻土层上季节性活动层的增大，水位也随之下降，在时空上受多年冻土严格控制的沼泽湿地随即出现了退化［7］。资料表明，青藏高原高平原和宽谷地带的多年冻土厚度减薄3～5 m，伴随着多年冻土上限的下移，土壤水分含量明显降低，沼泽草甸开始向高寒草甸演替，土壤层含水率降低，植被盖度降低，沙漠化加剧。此外，因新构造的隆升运动和河流下切，导致区域地下水下垫面改变，地下水位一般都在1～2.5 m，均大于沼泽湿地发育地区地下水位的理想埋深1 m的要求，致使沼泽湿地中的热融湖塘也随之萎缩或消失［8］。

2 柴木铁路倾填片石路基的结构特点

多年冻土层的顶板隔水作用和稳定的地表水和多年冻土层上水是冻土沼泽湿地形成和存在的基本条件。柴木铁路沿线的冻土沼泽湿地正是具备这两个基本条件而存在的。在季节融化层细颗粒土发育和赋水条件良好的冻土沼泽湿地地段修筑路基时，应充分考虑水分输送的工程措施，而避免减弱水流量或改变水流方向的工程措施。

此外，实现冻土沼泽湿地路基稳定的原则主要有以下3点:

(1)冻土沼泽湿地路基基底具有足够的承载力;

(2)路基本体填料与基底以下土体的冻胀融沉变形在可控范围之内;

(3)防止暖季冻土沼泽湿地的地表水和多年冻土层上水流动不畅，对路基基底的多年冻土造成侧向热侵蚀，使上限下移。

基于冻土沼泽湿地存在的特点与铁路路基的稳定原则，柴木铁路在冻土沼泽湿地地段近53 km长的路基采用了倾填片石的结构形式，结构形式如图1所示［9］。

图1 柴木铁路DK74+000冻土沼泽湿地倾填片石路基(单位:m)

倾填片石路基的作用主要表现为3点:

(1)通过在沼泽湿地上部倾倒片石的方式，增加了基底淤泥质土的承载力;

(2)大孔隙的透水作用，使沼泽湿地中路基两侧的水流通畅，不致单侧积水而使路基下多年冻土发生不均匀融沉;

(3)外界空气能够在倾填片石内部孔隙中自由流通，即热空气上升冷空气下降，起到了主动保护下伏多年冻土的目的。

合格的片石粒径和厚度是保证路堤质量的前提。柴木铁路的设计与修筑施工中，要求使用的片石无级配，粒径在10～40 cm，个别不平整处，用细石块找平，同时采用25t振动压路机进行碾压密实。对含水量过大、深度在2 m以内的潮湿土，通常挖去湿土而换填为适用的干土或挖方石渣、天然砂砾等，并分层压实达到标准。在高含冰量多年冻土地段，片石厚度为1.2 m，孔隙率要求达到最大，且为保证下伏多年冻土层的长期稳定性，一般在路基两侧设1.0～2.0 m宽的护道［10］。

3 倾填片石路基的稳定性分析

3.1 基本稳定状态分析

柴木铁路冻土沼泽湿地倾填片石路基地温场监测点始建于2007年10月，2008年5月完成了包括坡面在内的所有测温元器件的埋设，当年6月下旬开始了部分断面的数据采集工作。图2、图3、图4分别为柴木铁路冻土沼泽湿地倾填片石路基 DK94+340、DK94+660、DK94+900三个地温监测断面在2008年至2010年之间的上限变化对比曲线。

图2 DK94+340监测断面上限变化对比曲线

图3 DK94+660监测断面上限变化对比曲线

图4 DK94+900监测断面上限变化对比曲线

从图2～图4可以看出，天然地面下的多年冻土受全球气候变暖与修筑铁路时的热扰动，上限埋深2009年～2010年较2008年～2009年均有所加大，加大深度为0.07～0.31 m。路基左侧(阳侧)与右侧(阴侧)比较时发现，各观测断面左坡脚、左路肩下的人为上限埋深2009年～2010年较2008年～2009年均有所加大，加大深度为0.01～0.40 m;而右路肩、右坡脚下的人为上限埋深则有所抬升或基本保持不动，最大抬升幅度为0.25 m。

此外，根据2011年、2012年工务部门的调查资料显示，柴木铁路冻土沼泽湿地段的倾填片石路基共64处发生了不均匀沉降变形，但最大累计下沉量为0.12 m，小于规范中不大于0.3 m的规定。目前柴木铁路冻土沼泽湿地中的倾填片石路基总体上处于稳定状态。

3.2 稳定趋势推测与应对措施

受全球气候变暖趋势与倾填片石路基本身结构特点的影响，冻土沼泽湿地中倾填片石路基的长期稳定性存在着诸多不确定因素。

(1)全球气候变暖趋势的影响

全球气候变暖已为地球气候与环境变化不可逆转的趋势。研究发现，未来20年青藏高原厚度小于10 m的多年冻土将消失［8］。这就意味着青藏高原多年冻土将由片状向岛状转化，沟谷地带及冲洪积平原上的大面积多年冻土厚度将减薄或消失，区域地下水位将因融区的逐渐扩大而下降，届时沼泽湿地中土壤养分及水分含量将明显降低，植被逐步退化，沼泽化草甸中的藏嵩草将向高山草甸中的矮嵩草、杂草过渡，也就意味着沼泽湿地将随着多年冻土的退化或消失而萎缩乃至消失。

对于处于地球第三极——青藏高原中的柴达尔至木里冻土沼泽湿地来说，对全球气候变暖的趋势存在着敏感性与脆弱性，修筑于其上的铁路路基，将会产生较大规模的沉降变形而失稳。

(2)倾填片石路基本身结构特点的影响

倾填片石路基基底的片石层易过水，受外来水的侵蚀，地基下多年冻土易产生热融下沉，促使片石层下陷成为积水囊道，从而增加了水对地基下多年冻土的热侵蚀。另一方面在上部荷载的作用下，片石易陷入地基土内，片石空隙被土体充填，使片石作用失效，如图5所示。