中天山腹地G218线那拉提至巴仑台段冻土分布研究分析

2022-04-28李祥东韩晓东

北方交通 2022年4期

李祥东，韩晓东

(1.新疆交通科学研究院有限责任公司乌鲁木齐市 830000；2.新疆交通投资(集团)有限责任公司乌鲁木齐市 830000)

1 项目简介

G218线那拉提至巴仑台公路建设项目位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，路线勘察起点位于艾肯达坂南侧，穿越艾肯达坂后在巴音郭勒高山草原紧邻G218南侧坡地布设，地势起伏不大，在察汗诺尔达坂西侧约5km左右到达勘察终点，全线长92.1km。

项目地处中天山腹地，地势北高南低，海拔高度在2630～3260m之间。途经地貌单元较多，地表植被发育，低洼处多见不规则水洼，地表可见由冰川搬运形成的巨型漂石，项目地区为典型的大陆性气候，平原区夏季炎热、冬季寒冷、少雪；山区地处逆温带，冬季温暖雪厚，夏季凉爽，与平原区气候差异显著，形成垂直分带的气候特征[1]。

2 冻土的岩性及水文地质

项目区域内冻土区主要分布在山前倾斜平原、洪积扇、山间谷地和河谷地带[1]。路线表层均为第四系覆盖，冻土层主要以角砾与碎石为主。山前倾斜平原地下水埋藏局部较浅，含水介质主要为砂、卵砾石，孔隙发育，透水性好，由于受基底起伏影响，含水层厚度变化较大，地下水位及富水性极不稳定并随地势起伏运动。在低中山区，地形切割深度大，山势陡峭，基岩裸露，受构造及风化作用的影响，岩石破碎，裂隙发育，分布埋藏基岩裂隙水，其富水程度严格受断裂构造的控制区内地下水的影响，一般由高势面向低势面作复杂的三维运动，最后在河流浸蚀基准面位置呈线状出露成泉，汇入溪流。

3 季节性冻土勘察分析

季节冻土受季节性的影响，冬季冻结，夏季全部融化。因其周期性的冻结、融化，对路基的稳定性影响较大，因此需要对季节融化层中土的冻胀性进行分级。根据项目区内钻探、挖探及地质雷达扫描结果得出，季节性冻层的顶层一般在0.5～1.0m，底层一般在2.6～3.0m，冻层土体主要为粗粒土(粒径小于0.075mm的颗粒含量>15%)，季节性冻层含水率介于2%～19%之间，项目区域内季节性冻土主要分为不冻胀(Ⅰ)、弱冻胀(Ⅱ)、强冻胀(Ⅳ)[2]。一般情况下，季节性冻土的冻胀等级越高，其工程地质条件越差。项目区内季节性冻土详情如表1。

4 多年冻土分布特征分析

4.1 钻探

通过对冻土层取样进行含水率测试，得到冻土层的含水率，并结合含冰量对冻土类型进行划分。通过分析地质钻探结果，项目区主要位于洪积扇地貌，以粉土、角砾、卵石、碎石土为主，孔隙中冰晶含量较高，5～15m含较多土冰透镜体(图1)，可见一层含土冰层厚度约4cm，冻结强度较高，冻土融化后体积缩小，有大量水分渗出。碎石土分布于坡脚或破面揭示厚度2.0～6.5m，2.4m见冻土，呈次棱角状，粗颗粒土呈现冻结状态，粗颗粒土中可见冰透镜体，冻土融化后体积缩小，有水分渗出，冻结强度一般。

图1 岩心照片

4.2 物探分析

冻土与融土的导电性能、介电特性等特征差异明显，因此可采用地质雷达、高密度电法等物探方法对多年冻土区域进行划分。由于钻探设计孔位于设计路线上，对线路两侧50m范围外的冻土分区不精准，因此采用物探方式根据文献[3]附录N对路线范围的冻土区进行更精确的划分。

(1)高密度电法检测分析

高密度电阻率法是根据施加电场作用下的地层传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率的地质体分布情况，并通过电阻率差异对地层进行区分。

多年冻土是由岩土颗粒、未冻水、冰、未完全风化岩体等构成的介质，且存在冻土层上水、冻土层下水和冻土层中未冻水等。由于水是导体，融化层中的水和冻土中的未冻水仍是导电体，冻土中的冰起阻隔作用，使冻土的导电通道变长变窄。因此，冻土的电阻率要比融化层电阻率大几个数量级，冻土的导电性差，融化层的导电性相对较好，电法解译图见图2。同时，由于融化层的冻融作用，会使部分融化层变得疏松，电阻率增大，而冻土层内含冰量的变化，都会使冻土层内、冻土与融化层之间产生明显的电性差异。本标段通过高密度电法对部分冻土区域地层进行分析，得到的解析结果如下：

图2 高密度电法解译图

该测点剖面长度48m，检测有效深度16m。范围5～40m内，深度2～9m间，电阻值存在突变，且4～6m间的电阻值明显高于表层与底层电阻值，可初步判断此区域范围深度2～9m内存在多年冻土。

(2)地质雷达检测分析

探地雷达是通过发射和接收电磁波对地下介质体进行探测的仪器。发射天线向地下目标体发射高频电磁波(一般在1MHz～1000MHz范围内)，传播中的电磁波在电磁阻抗差异界面发生透射、反射或折射，并通过天线接收,进而通过反射或者折射波的传播时间、振幅强度、相位特征等计算出目标体的电磁属性、空间位置及几何特征。

融土与冻土的雷达反射特征存在明显差异，融土雷达反射波为低频强宽振幅的稀疏波，波形较杂乱；冻土反射波为高频低振幅细密波，波形较为规则。探地雷达可较为准确地划分地层、识别多年冻土上限、确定多年冻土分布范围。本标段通过地质雷达对部分冻土区域地层进行分析，得到如下结论：

该检测段落长度30m，检测有效深度20m，检测深度小于2.5m时，地质雷达解析图像的波形较紊乱(融土层)，当检测深度大于2.5m时，地质雷达解析图像的波形连续性好，波形变化幅度小(多年冻土层)。初步判断此区域存在多年冻土，冻土上限介于2.0～3.0m间。

4.3 地温监测

多年冻土的年平均地温是评价多年冻土热稳定性的重要指标，决定了土的热交换状态，以及冻结过程的特点，并影响冻土的物理力学和热学性质。低温多年冻土(T<-1.5℃)热状态稳定，工程性质较稳定，而高温多年冻土(Tcp≥-1.5℃)热状态不稳定，含有大量未冻水，表现出较为明显的流变特征，并且在气温变暖及工程活动影响下极易发生融化，具有较低的冻土强度和工程性质不稳定性[3]。

为查明冻土区地温变化规律，在钻孔中埋设了地温管进行地温观测，并使用热敏地温测试仪器对其温度变化进行监测，地温监测数据分析如图3。

图3 地温与深度变化曲线图

从图3中可以看出，不同冻土区温度变化有所差异，但整体变化趋势基本相同，测温深度小于2m时，地温大于0℃。测温深度为2～3m时(冻土上限区间)，地温介于-0.5～0.5℃间。当测温深度大于3m时，地温介于-1.5～-0.5℃间，且温度变化较稳定。当测温深度接近冻土下限范围时，地温介于-0.5～0℃间。从本标段多年冻土区域地温随深度的变化规律可知，本标段内多年冻土上下限范围内地温介于-0.74～-0.48℃间。

5 多年冻土冻胀及融沉等级判别

多年冻土地区最为突出的问题为多年冻土融化或上限下移引起的融沉破坏，造成道路(不均匀)沉降、纵向裂缝等病害。其融沉特性与多年冻土含冰类型关系密切，因此多年冻土的含冰类型对公路稳定性影响极为显著。通过多年冻土含冰类型、总含水量与融沉系数，项目区域冻土融沉等级及类别划分结果如表2所示。

6 冻土分布特征

通过分析得出，多年冻土是气候和地质地理因素综合作用的产物，气候是控制冻土形成发展的主要因素，各种地质地理因素不同程度对局地格局产生影响。项目区冻土分布主要与下列因素有关。

(1)海拔

项目区内K382+600～K450+000段海拔介于2660～2910m间，该段落内多年冻土不发育，K455+000～K474+690段海拔介于3040～3230m间，该段落内多年冻土较发育。由此可见随着海拔升高，多年冻土的温度降低，冻土越发育[4]。

(2)地形地貌

地形对多年冻土分布最为显著的影响往往通过坡向和坡度表现出来，分水岭、斜坡和各地的换热条件也必然不一致，相应的，其多年冻土厚度也存在差异；坡洪积扇地貌坡脚处多年冻土较发育，而该段坡顶处冻土不发育，是因为山顶部位地热梯度值最小，而在谷底最大，因此多年冻土中的地热梯度与地形部位有密切的关系。同时，地形地貌也决定了多年冻土含冰量情况，河谷侵蚀堆积地貌地段水分补给条件良好且地形较平缓，往往分布有含冰量较高的多年冻土，而地形较陡的地段多年冻土含冰量较低。

(3)水体

水体的影响通常表现为对多年冻土的热侵蚀，造成多年冻土分布格局的改变。项目冻土区段分布在河谷侵蚀堆积地貌单元内，离河流较近的形成了贯通融区，而离河流较远的区段则一般形成非贯通融区，但影响多年冻土上限的深度和多年冻土地温。项目多年冻土段由于多年冻土的隔水作用，在低洼和山前的平缓地带往往形成了冻土沼泽湿地，这些区域植被相对发育，腐殖层厚度较大，其良好的保温作用使得其下部多年冻土十分发育，多年冻土厚度较大，含冰量较高。

(4)植被

项目冻土区多分布于植被生长茂盛、植被覆盖率高的区域，这是因为植被在夏季能够有效地遮挡和反射太阳的辐射加上其根系持水和疏松的孔隙结构具有良好的保温性能，能显著减小融化深度。而冬季植物枯萎和冻结的土体结构则有利于土中热量的释放，因此，植被能够起到显著的降温作用。若地表形成沼泽化则蓄积大量水分，有利于形成高含冰量冻土，该类地区往往地下冰发育，并且季节融化深度小，多年冻土的年平均地温也较非沼泽化地段低[4]。

(5)岩性

不同岩性的岩土体其热物理性质不同，表面热交换条件、保水能力、渗透性均存在差异，因而冻土的发育程度也不一样。同时各类岩体的导热性能差异也造成地中热流值差别，影响到多年冻土下限的位置。冻土含冰量的高低与岩层中土的粒度成分关系密切，尤其对于细粒土其含冰量则与分凝成冰作用有关。分凝冰的形成在不同粒度成分的土中具有显著的差异，粒径0.002～0.075mm为分凝冰形成最佳粒度范围，对细粒土而言，其分凝析冰能力的高低可按如下顺序排列：粉质粘土、粉土、粘土、粉砂。而对粗粒土而言，一般当小于0.075mm颗粒含量大于15%时，在充分饱和条件下也能形成高含冰量冻土。而对粗粒土，则主要取决于小于0.075mm颗粒含量的多少，一般当小于0.075mm颗粒含量大于15%时，在充分饱和条件下也能形成高含冰量冻土。结合调绘资料，可得冻土区域分布图，见图4。

图4 冻土分布区域图

7 地基处理措施

7.1 季节性冻土路基设计原则及建议处理方案

结合项目沿线地质条件、地层组成以冲洪积、碎石层为主，表层有粉土层沉积，清除表层粉土后，不冻胀及弱冻胀段季节性冻土区域的公路路基土可不做其他特殊处理，强冻胀段落内季节性冻土区域的公路路基土需做特殊处理，施工过程中应保证路基填料以抗冻胀能力较强的砾石土为主，沿线路基防护、桥、涵构筑物基础，埋置深度需在季节性冻土深度以下[5]。

7.2 多年冻土路基设计原则及建议处理方案

对本项目段内冻土拟定如下处置原则：路线应尽量避开多年冻土区或绕开高含冰冻土区。遵循“宁填勿挖”的设计原则[5]，采取保护冻土、控制融化速率、加强侧向排水与保护、综合治理的总原则。对于多年冻土下限在4m以内的路段，一般采取融化的原则，全部清除多年冻土层，回填砂砾、碎石或片块石的设计方案。对于冻土下限大于4m的路段，一般采用控制融化的原则，采取主动和被动措施来维护冻土路基的稳定性。本项目所在区域内冻土多为少冰、多冰、富冰多年冻土，多年冻土段整体式路基宽度为24.5m，分幅式路基宽度单幅为12.25m，因此建议本项目施工设计时采用复合措施加强冻土冷却效果[6]。