共和-玉树高速公路多格茸段冻胀丘与公路路基的相互影响

2021-05-24吴吉春

冰川冻土 2021年2期

吴吉春，盛煜

（中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000）

0 引言

多年冻土作为一类特殊岩土体，在寒区工程建设中受到广泛关注［1-2］。在全球气候变暖背景下，北半球多年冻土处于持续退化中［3-5］，人类活动的影响对多年冻土的退化起到推波助澜的作用［6］。青藏高原多年冻土大多处于高温不稳定状态，对外界扰动的响应十分敏感，工程活动显著改变其地表状况，促使多年冻土加速退化［7-8］。特别是公路工程建设，由于路面材料特殊的热物理性质和道路交通载荷等因素的作用下，对多年冻土的影响十分显著［9-11］。多年冻土融沉是青藏高原公路工程中面临的最主要的冻土工程问题［12-13］，特别在高含冰多年冻土地段［15］。所以在公路建设中，查明高含冰地段的分布是一项重要工作。冻胀丘是一类特殊的高含冰地段，在多年冻土区工程建设中应需要避让。

饱和土冻结时水分向冻结锋面迁移，水分冻结体积膨胀，遂产生冻胀。冻胀丘是地层冻结发生冻胀的一种极端表现形式，主要表现为地表隆起呈丘状，其典型特征是具有厚层纯冰核或高含冰地层［15-16］。理论上，冻胀在地表的隆起高度即代表了地下冰层累计厚度，是一类典型的高含冰地段。从冻胀丘发育和保存时间分类，冻胀丘可以分为季节性和多年生两种类型［17］。其中季节性冻胀丘多分布在多年冻土或深季节冻土区，地下冰层主要分布在活动层厚度以内，规模比较小，一般在地表回冻到一定深度时开始形成，到次年融化季节来临前达到最大，在融化季节末完全消融、消失［18］。由于季节性冻胀丘冰层埋藏较浅，表层覆盖土层受冰层顶托而张裂，多形成源于顶部的放射状裂缝，在地表容易辨识［17-18］，在工程勘查中可以规避，也可以由于工程建设改变水分运移通道和（或）地层热状况，甚至由于工程实体的压力抑制其发生，在工程建设中其危害不太显著。多年生冻胀丘形成时间多超过千年，有些甚至超过万年［19-20］，顶部的裂缝可能被风沙填充，如果没有表面塌陷等现象，则无明显痕迹显示其为冻胀地形，往往可能被误判为孤山、固定沙丘、冰砾阜等孤立的丘状地貌，从而在勘查中被忽略。多年生冻胀丘一般比较高大，也即意味着其地下冰层厚度和分布范围均较季节性冻胀丘大，发生融沉时，其沉降量十分可观，对工程建设，特别是公路工程影响显著。

共和-玉树高速（简称共玉高速）是我国在多年冻土区建设的第一条高速公路，全线和G214 国道并行。线路穿越多年冻土区路段约360 km，其中多年冻土路段总长约200 km。在查明沿线多年冻土分布及主要含冰特性的基础上，在相应地段，路基建设采取了适当的工程措施来预防多年冻土融沉的发生［21］。其中，长石头山到黄河谷地之间的多格茸盆地堆积了厚层细颗粒沉积物，地下冰比较发育，是典型高含冰路段。盆地中南部分布着众多孤立的丘状地形，经过表面形态调查和钻探勘察，确定为一类多年生冻胀丘［22］。新建的共玉高速有几处横切这类冻胀丘而过，冻胀丘下伏巨厚的地下冰层对公路投入运营以后的路基稳定形成潜在的威胁。在青藏高原公路建设中，公路跨越冻胀丘布设尚属首次，本文拟以公路K430+070 处冻胀丘为例，初步分析冻胀丘对公路路基稳定性的影响。

1 多格茸盆地冻胀丘基本特征

1.1 区域介绍

多格茸盆地是一小型山间盆地，大致呈北西-南东走向，长约40 km，北东向宽约20 km，盆地平均海拔4 300 m。盆地东北方向为布青山脉支脉长石头山，南部由一些低缓丘陵与黄河主河道宽阔谷地相隔，形成相对封闭的独立盆地，仅通过其西南方向一条相对宽展、平坦的河谷与黄河主河道相通。214 国道和新修的共玉高速公路并行翻越长石头山后，俯冲进入盆地，向西南方向横穿盆地，从盆地出口河谷边缘穿出盆地。盆地底部平坦，从东北部的长石头山向西南方向的出口略有倾斜，大致每千米降低7 m。受地形影响，盆地西南部位地表水体较丰富，大大小小的湖泊星罗棋布，数条蜿蜒回环的季节性溪流向出口汇集。在湖泊之间地面隆起高低、形态各异的小型土丘或台地，经过表面形态调查和钻探勘察，证实这些隆起地形为一类多年生冻胀丘，这些冻胀丘较密集地分布在多格茸盆地中部-西南部，形成了高原罕见的冻胀丘群。这些冻胀丘从外观形态上看，大多为近圆形和椭圆形底面的浑圆丘体，相对高度在3～8 m，底面直径从数十米到数百米不等；侧面看，有些似锥形，有些似穹盖形，有些底面直径很大且无明显顶部，形成冻胀台地。和常见的季节性冻胀丘不同，这些冻胀丘顶部并没有放射状延伸的张裂缝，部分冻胀丘在阳坡面或顶部形成明显的热融沉陷，有的沉陷洼地中积水。

1.2 地层基本特征

共玉高速K430 附近位于多格茸盆地中南部，靠近盆地出口，是盆地地表、地下水汇集的场所。该地段冻胀丘分布比较密集，往往数个冻胀丘相邻伴生。该地段松散沉积物主要有三层，表层约1 m厚度全新世黄土状粉质土，中部为厚约数米的晚更新世风积细砂或粉砂，7～8 m 以下为河湖相细砂-粉黏土互层沉积物。充足的水分和有利于水分迁移从而发生分凝作用的细颗粒土地层结合，形成了冻胀丘发育的良好场所。该地多年冻土上限约在1.8 m，冻胀丘下高含冰地层出现在约4～30 m 深度区间。其中，在细砂地层中形成微层冰透镜和细小冰脉，在粉质土层中往往形成含土冰层或厚达20 cm 的纯冰层，黏性土层中形成厚约2～4 cm 的纯冰层（图1）。

图1 冻胀丘中的地下冰Fig.1 Ground ice underlying frost mound：lenticular ice（a）；layered ice（b）；pure ice layer（c）

1.3 K430+070处公路跨切冻胀丘概况

在多格茸盆地中，G214 国道横穿而过，但是均避开冻胀丘布设，所以并没有冻胀丘对路基稳定构成威胁。新建的共玉高速与214 国道并行，在多格茸盆地采用分幅修筑，两幅路基有多处横切冻胀丘顶部或边坡，其中，左幅路基在K430+070 处从一冻胀丘顶部横切而过，在冻胀丘顶部最大开挖深度超过3 m，路基铺筑以后路面距丘顶2.5 m（图2）。此处冻胀丘分布比较密集，附近紧邻214 国道左侧存在一座较大冻胀丘，高度超过8 m，底面直径约80 m，顶部和侧面部分塌陷，塌陷坑内积水。公路所切的冻胀丘与214 国道边冻胀丘相伴而生，由于前期取土以及新建公路挖方，此冻胀丘地表形态已不完整，后期又对残余部分进行了整平，目前在地表已经没有明显的冻胀丘形态（图3）。

图2 共玉高速K430+070附近横切冻胀丘路段Fig.2 Frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway at mileage K430+070

图3 K430+070附近冻胀位置及周围环境Fig.3 Location and surroundings of frost mound site at Gonghe-Yushu Highway mileage K430+070

为了了解此处冻胀丘在公路沥青路面影响下的热状况及评估冻胀丘地下冰融化对路基稳定性的影响，布设了多年冻土地温监测剖面。监测剖面包括路基中心、左右路肩和天然地面4个地温孔，其位置如图2。监测断面布设在冻胀丘顶部偏东位置，开挖深度大约2 m。天然孔位于路基左侧约20 m 处，从地面形态和土质看，天然孔位置可能在早期施工中被开挖，地表以细砂为主，而盆地地表普遍发育的细粒粉质土缺失，零星生长着几株禾本科植物，明显和该地段原生植被不同，属于次生种群。天然孔地面虽然曾经遭扰动，但地温数据反映多年冻土上限依然保持在1.8 m 左右，年平均地温约为-0.3 ℃。

2 公路路基修筑对冻胀丘下地层热状况的影响

K430+070附近路基及路面水稳层在2013年11月以前修筑完成，2014 年6 月完成沥青路面铺筑。冻胀丘两侧由路堤过渡，路堤高约1.0～1.5 m，底层铺设0.5 m 厚的块石，冻胀丘开挖段也填埋了一定厚度的块石，地表没有显露（图3）。监测断面钻孔布设在2013 年9 月前完成，测温探头布线、数采设备调试安装在2013 年11 月初完成，开始采集数据。测温探头来自中国科学院冻土工程国家重点实验室标定的热敏电阻，测温精度为±0.05 ℃，数采设备用Campbell 公司CR3000 型数据采集仪，每4 小时采集一次数据。2015 年因为更换设备，数据采集暂时中止。目前获得了从2013 年11 月到2015 年3 月期间包含一个完整冻融周期的地温数据，也涵盖了沥青路面铺筑前后一定时段，可以满足进行初步地温分析的需要。本文中天然孔深度均自地面算起，路面钻孔深度自水稳层面算起，右路肩孔由于数据异常，分析中没有采用。图4中，我们选择了三个监测孔0.5 m 和5.0 m 两个深度处的地温，显示了地温的时间变化过程。

2.1 路基施工对冻胀丘下冻土层的影响

在K430+070 监测剖面上，路基中心孔和左右路肩孔均存在挖方，原天然地表被破坏，随后经历了压实、换填块石、铺筑水稳层等一系列工程扰动，改变了地表热状况，使得路基导热效率更高，浅层地温对外界气温变化响应迅速，能够明显反映出地面状况的变化。图4（a）中2013—2014 年冬季天然孔和路基孔0.5 m 地温对比明确体现了这种变化，表现在：（1）进入冷季，路基下地温快速下降，天然孔经历了大约1 个月的零点幕阶段才开始下降，暖季开始，天然孔零点幕阶段远大于路基孔，反映了经过工程活动改造的路基土较天然地表浅层土层中的含水量小很多；（2）路基下0.5 m 地温变化远大于天然孔，而且路基下地温小幅波动在天然孔地温中几乎被完全“过滤”，说明路基地层导热效率较天然地层高。在图4（b）中，天然孔地温约为-0.5 ℃，略能看出年变化的波动；而路基下两孔地温约为-0.2 ℃，中心孔略低，两孔地温均无明显年变化，而且随着时间推移显出持续升温趋势。

图4 监测孔0.5 m和5.0 m地温随时间的变化Fig.4 Developing process curves of ground temperature in depth of 0.5 m and 5.0 m in various borehole

在铺筑沥青路面以前（2014 年6 月以前），路基表面仍然保持浅色，相比原天然地面吸热能力没有明显变化，路基下地温相比天然孔变化幅度增加，源于换填、压实等工程活动对表层物质热物理性质的改变，可以看作施工过程对下伏多年冻土的影响。图5是2013年11月28日和2014年5月28日各孔地温曲线对比。从11 月28 日地温曲线图中可以看出，浅地表已经回冻，其表层地温远低于天然地表。路基上两个钻孔0.5 m 深度处地温已经下降至-6 ℃左右，而天然孔相同深度地温约-0.1 ℃。但是天然孔多年冻土上限较浅，此时活动层已经完全回冻，与多年冻土层衔接。同时，路基下多年冻土上限（以路面算，达到3.8 m左右）相比天然孔（1.8 m）增加了2.0 m，尽管表层有较高的散热效率，但远没有达到衔接状态，依然保留了约2 m 厚的融化夹层。路基下两孔多年冻土层地温在12 m 深度以上均高于天然孔，以15 m 深度地温作为年平均地温，路基中心孔和路肩孔均比天然孔略低，随着深度增加，这一差值有增加趋势。说明路基位置在公路施工以前，原天然地表条件下多年冻土保存条件较现天然孔位置更好一些，也说明施工对多年冻土造成的热影响在一年时间内已经波及到12 m 深度，考虑到挖除的2 m 厚度，这一深度应该达到14 m。5 月底，本地区已经进入融化季节，地温曲线反映经过一个完整的冬季，下伏多年冻土放热状况。5 月地温曲线再次明确显示路基表层高效的传热性能，天然孔融化深度只有0.3 m，0.5 m 地温只有-0.4 ℃，路基下融化已经达到或超过2 m，0.5 m 地温达5.7 ℃。在2～12 m 深度区间，天然孔显示了正地温梯度，说明多年冻土层在冬季正常放热；而路基下保持负地温梯度，多年冻土层中暖季吸收的热量在冷季不能有效释放，处于热积累状态。12 m 以下地温变化不大。

图5 监测断面钻孔地温对比Fig.5 Ground temperature profile of various borehole

自从2012年开始公路施工至2013年年底，由于施工造成路基下多年冻土显著退化，表现为多年冻土上限大幅下降（考虑挖除部分，上限下降了约4 m），多年冻土上层地温明显上升，在1年多的路基施工期间，这一影响波及到12 m 深度处。高原施工多在融化季节开展，施工过程对多年冻土的热扰动包括三个方面：（1）地表挖方，使得原多年冻土埋藏深度变浅，热量由地表传递至多年冻土层的热阻减小，多年冻土原上限接受的热量和传入多年冻土层的热量增加；（2）路基土及路基填料的压实加强了表层导热效率，使夏季有更多的热量进入多年冻土层中，但是也有利于冬季散热，综合来看，表层填土导热性能的改变不是路基下热量积累的主要贡献者。然而，夏季施工填土本身的热量对加热下伏土层却不可忽视；（3）工程机械在施工过程中对地面的摩擦、震动可能对地层中的热量积累也有所贡献。

2.2 沥青路面铺设对下伏多年冻土的影响

2014 年6 月以后，该路段完成了沥青路面的铺筑。黑色路面强烈的吸热作用显著改变地气间的热量交换过程，加剧下伏地层中的热量积累。图6对比了沥青路面铺设前后2013 年和2014 年相同日期（11 月28 日）钻孔的地温。对比天然孔两个年份的地温，2014 年天然地面（0.2 m 深度）温度较2013年低约1 ℃左右。位于路基下的两孔对比发现，季节融化层中地温存在较大差异，表现为沥青路面铺设以后地温较铺设以前大幅升高，0.5 m 深度处升高幅度可达6 ℃，向下逐渐递减，在多年冻土上限（约4 m）以下，两个年份的地温几乎完全相同。如果考虑天然孔反映的2014年更冷一些的情况，则沥青路面铺筑以后引起的表层地温升温幅度应该更大一些。说明铺设沥青路面比路基施工过程对路面下地层热量积累更大，而且是在施工扰动基础上的进一步增加。在工程初期，这些积累的热量在冬季会被部分释放到外界，来保持活动层回冻过程中的衔接状态；长期来看，路基下保持着热量净积累状态，形成融化夹层不可避免。同时，活动层中热量积累状态阻止了下伏多年冻土层中热量的散失，使其保持持续升温，发生融化也是必然结果。

图6 沥青路面铺筑前后同一时期地温对比Fig.6 Comparing ground temperature between before and after asphalt paved

为了使对比更具一般性，同样从图4 中沥青路面铺筑前后两个冬季路基下0.5 m 地温变化过程曲线可以显著地看出这种差异。表1 列出了各孔0.5 m深度处监测期内最冷月（1月）和最热月（8月）地温月平均值。首先，天然孔2015 年1 月0.5 m 地温较2014 年低1.1 ℃，表明同期2014—2015 年冬季比2013—2014 年冬季更冷，然而路基下两孔2015年1 月平均地温较2014 年分别高7.8 ℃（中心）和5.3 ℃（左路肩）。造成升高幅度不同的原因是路肩孔紧贴沥青路面边缘，并没有直接覆盖沥青面层，所以，沥青路面的增温效应应该以中心孔增温来计算。其次，我们对比中心孔和天然孔同期的0.5 m平均地温，2014 年1 月，沥青尚未铺设，由于高效的散热能力，中心孔0.5 m 地温较天然孔低11.1 ℃，而2015 年1 月，沥青铺设以后，它们之间的差值仅为2.2 ℃，路面冬季散热能力极大削弱。在夏季，2014年8月中心孔0.5 m地温较天然孔高8.5 ℃，即路面吸热能力很强。和施工期路基比较，沥青路面铺设以后，其强吸热性能抵消了冬季路基下土层向外界散热，夏季则增强了向下伏土层的传热，从而形成了下伏土层中强烈的热量积累，加速多年冻土升温和融化。

表1 各孔0.5 m 深度最冷月和最热月地温平均值（单位：℃）Table 1 Mean ground temperature of the coldest and warmest month at depth 0.5 m from different boreholes（unit：℃）

3 冻胀丘路段多年冻土变化趋势及对公路的影响预估

近年来气候变暖，青藏高原普遍出现多年冻土上限下降［4-5］，多格茸盆地的大多数冻胀丘形态完整，没有明显的塌陷迹象，这与冻胀丘地下冰埋藏深度有关，高含冰地层一般出现在4～5 m 深度，而多年冻土上限在1.8 m，也就是说自然升温条件还不足以引起冻胀丘地下冰层融化（个别冰层埋藏较浅部位除外）。然而，公路工程活动挖除了表层保护地层，使得地下冰埋藏变浅，而且极大地改变了原来地气热交换过程，造成路基下大量热量积累，将会促使地下冰开始融化，进而出现路基沉陷［7，10］，影响道路安全。

3.1 冻胀丘路段下多年冻土目前状态及路基稳定性

监测断面上天然孔位置曾经挖方，目测挖除深度在1.5～2.0 m，扰动后多年冻土上限调整到目前地面以下1.8 m 位置，这与周围其他天然地表条件下上限深度接近。当时挖方对地面的扰动似乎对上限位置没有影响，然而根据前面分析，路基下由于施工影响造成的升温只波及到12 m 深度处，12 m以下天然孔地温高于路基中心孔。假设没有扰动前各孔地温一致（事实上，断面上各孔位置相近，地面、地层状况相似，地形相同，理论上地温是一致的），那么说明天然孔地温在挖方以后有所升高，当时挖除地表粉质土层暴露出下伏的砂土层造成的影响仅表现为促使多年冻土地温升高。钻探结果表明，天然孔现地面以下1.8 m 出现含土冰层，正是该层丰富地下冰阻止了冻土层融化，因地表改变进入地中的热量增量有足够时间向下传递，从而保持上限位置，仅仅使地温升高。

公路路基位置经历了挖方和填方、压实、铺设沥青等工程活动以后，扰动远比前期挖方严重，目前冻土上限在路面以下3.8 m 深度，原地面距离路面2.0 m，冻土天然上限按1.8 m 计算，则因为公路施工造成冻土上限实际下降了约4 m（图7）。路基中心孔钻探结果揭示，路面约4 m 深度以下出现含土冰层或纯冰层。目前多年冻土上限已经接近或处于高含冰地层位置。这一现状我们也可以在地温分析中得到证实。在图4（b）中，路基下两孔5.0 m 深度处地温均保持在-0.2 ℃左右，在监测时期内基本不变，即是说路基下两孔年变化深度均在5 m 左右，虽然路基填方有较高的导热效率，但夏季热量向下传递没有突破这一深度。与高原其他地区10～15 m 的年变化深度相比，说明该断面上4～5 m 附近地层水分（包括地下冰和未冻水）含量较高，该层热量的收支主要用于水分的相变（地下冰和未冻水之间的相互转化），而抑制了地温的变化，这一推测与冻胀丘地下冰埋藏深度相符。观察2014 年5 月28 日地温（图5）曲线形态细节，发现路基下两孔在2～4 m 深度存在两处明显的地温曲线拐点，上面拐点代表暖季开始地表升温传递深度，下面拐点表示之前的冬季地表降温传递深度，也就是说，2013 年冬季路面温度很低（见前面论述），但这种降温趋势只是传递到上限位置3.8 m 附近，此处地温接近0 ℃，已经处于相变阶段的冰水混合状态，只有足够的未冻水在相变时释放潜热才能补偿活动层中冬季散失的热量，从而保持地温在0 ℃附近基本不变。另一方面，如前所述，沥青路面铺筑以后路面下热量积累更加显著，然而对比沥青路面铺筑前后的2013 年11 月28 日和2014 年11 月28 日地温曲线（图6），发现下多年冻土上限并没有明显变化，说明即使铺设了沥青路面，一个夏季在活动层中积累的热量没有使上限位置的地下冰完全融化，也只有充足的冰含量才能阻挡积累的热量继续向下融化冻土层，来加深上限。总之，从钻探资料和地温分析均充分证明了目前上限位置已经处于高含冰地层。

图7 K430+070附近冻胀丘监测剖面地表及冻土上限变化Fig.7 Sketch of permafrost table changes in profile of frost mound transected by Gonghe-Yushu Highway

由于路基下多年冻土上限没有加深，截至目前，该段跨冻胀丘路段路基还算稳定，路面没有出现显著变形。路基下填方的块石在后期平整过程中完全掩埋失去通风的作用，对路基稳定性起不到应有作用。

3.2 冻胀丘路段未来冻土变化和路基稳定性

在未来一段时期内，由于沥青路面强吸热特性，填方块石又起不到相应的降温作用，路基下活动层内的热量积累造成多年冻土的持续融化，由于含冰量较高，其融化短期内不能直观显现（比如2013 年底到2014 年底，图6 所示），但随着时间累积，最终会直接以路基沉降的方式呈现。粗略估计，在公路建成通车后几年时间内，冻胀丘路段路基沉降即会出现，因为地层均为高含冰地层，沉降会持续发展［14，23］。由于冻胀丘段地层高含冰量会形成较大的融沉量，在正常地段向冻胀丘路段过渡段，发生差异沉降，可能形成横向裂缝。在冻胀丘段内，由于路面沉陷的不均匀性，会形成波浪起伏，严重影响行车安全。根据青藏公路的检测结果，沥青路面铺设以后几年到十几年的时间，多年冻土上限下降到路面以下7～8 m［24］，当多年冻土上限深度超过路面宽度时，路基两侧冻土层对路基下地层的侧向影响超过路面自上而下的影响，上限下降将趋于稳定，路基有可能达到稳定。对于冻胀丘路段来说，连续的高含冰地层可能会减缓冻土上限下降速度，但会保持较大沉降量，同时也延缓了沉降趋于稳定的时间，也就是说在公路运营以后很长时间内该地段将处于持续沉降变形中，而且沉降量较一般多年冻土路段大。

冻胀丘中心部位自地面隆起高度超过3.5 m，意味着冻胀丘下伏分凝冰总厚度超过3.5 m。分凝冰在7～8 m 深度以内以微层状冰透镜为主形成冰土混合的饱冰冻土或含土冰层，估计地下冰的累计厚度超过1 m。8 m 以下为薄层纯冰层与土层互层结构，冰层累计厚度超过2.5 m。以此推算，未来几十年内，路基下多年冻土上限如果在7～8 m 达到稳定，路基沉降总量可能超过1 m。如果将来气候升温，使本区多年冻土全面退化，则冻胀丘下冰层全部融化，路基沉降最终可能达到3.5 m 以上，不加处理，该处将发展成为热融湖塘。