连续多年冻土区渠道冻土地基地温观测初步研究

韩洪武，郑 郧，李玉恩，穆彦虎，柴明堂

（1.青海省水利水电工程局有限责任公司，青海 西宁 810001； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010； 3.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）

在多年冻土区进行工程建设，工程活动和构筑物修筑将不可避免地改变地形、地貌、植被、地表水体、径流等局地要素，进而打破地表能量平衡过程、引发下伏多年冻土热状况的显著改变［1］。 作为一种特殊的岩土体，冻土的物理、力学、水力学等工程性质表现出高度的温度相关性，因此冻土的热状况是决定冻土地基承载力与变形以及上部结构物长期稳定性的关键因素［2-4］。 通过科学系统的现场监测，揭示和掌握工程建设和运营期间多年冻土地基热状况，对于工程构筑物的安全运营、预测预警和科学维护至关重要［5］。

然而，受工程实践需求引导，我国在重大冻土工程与多年冻土相互作用研究方面主要集中于交通工程领域，而对于水利工程与多年冻土的相互作用尚未开展系统深入的研究。 作为世界高海拔多年冻土分布的代表性区域，青藏高原同时也是我国三大湖泊分布区之一，其湖泊面积占全国湖泊总面积的50%以上［6-7］。近年来，在区域气候变暖、变湿趋势加剧背景下，区内湖泊发育环境发生显著变化，出现了一系列与湖泊扩张相关的水患事件［8-12］，相关的治理工程建设在逐步开展。 由此，水利工程建设与多年冻土相互作用方面的研究工作日趋紧迫。

笔者针对高海拔连续多年冻土区某渠道工程，开展了工程区域多年冻土地温现场观测，并基于已经获取的地温观测数据，初步研究了工程开挖活动和过流水体对下部多年冻土的热扰动规律和程度，以期为冻土区的水利工程建设和运维提供参考和数据支撑。

1 研究区域与工程概况

1.1 研究区域

研究区属于青藏高原连续多年冻土区（见图1），区内山高滩多，整体地势西高东低，南高北低，并呈自西南向东北倾斜状态。 大部分地区海拔在4 200 ～5 000 m 范围内，平均海拔在4 500 m 以上。 区内为冲洪积高平原地貌，湖、塘遍布，植被稀疏，植被盖度为5%～30%。 距离研究区域最近气象站点1961—2018年气象数据表明，该区域多年平均气温为-5.1 ℃，年平均降水量为313.8 mm。 近50 a 来，工程区气候呈显著暖湿化趋势，其中气温上升速率为0.33 ℃／10 a，降水量增加速率为23.4 mm／10 a［13-15］。 局部河流狭窄地段为贯穿融区。 根据现场钻探及相关资料，区域内活动层厚度（季节融化层深度）为2 ～3 m，岩性大部分为含砾砂土及砾砂，呈散体状。 2 m 以下的砾砂及含砾砂土大部分为整体构造。 多年冻土以富冰冻土为主，局部为饱冰-含土冰层，多分布于多年冻土上限至5 m 深度范围。

图1 青藏高原多年冻土分布与研究区域

1.2 工程概况

在过去40 余a，受区域气候暖湿化过程以及冰川退缩、多年冻土退化等因素影响，青藏高原地表水体（包括大型湖泊、热融湖塘、积水）的面积和水量呈现显著增加趋势［16-18］。 高原地表水体的变化，不仅会显著改变区域内生态环境和水循环过程，而且会影响高原的工农业生产、居民生活以及基础设施安全［19］。 在多年冻土区，地表水体作为典型局地要素之一，可显著影响区域内多年冻土的空间分布和热状况。 相较于静止水体，流动水体具有强大的携热能力，可引发多年冻土活动层厚度的快速增大和下伏多年冻土层的快速升温。 因此，对于工程构筑物而言，工程周边积水或径流往往是多年冻土区工程病害的重要诱因［20］。

为消除研究区内地表水体扩张对基础设施的影响，通过人工开挖渠道方式将水体安全有序引流至下游已有河道。 对于多年冻土区而言，新建渠道工程施工过程中的开挖活动和后期流动水体可对下伏多年冻土产生强烈热扰动，引发地基承载力劣化和工程稳定性下降。 为减缓这一过程，渠道工程往往利用保温材料来减少多年冻土的吸热过程。 该工程采用了防水土工布、保温材料和合金钢丝笼等措施，以保证渠道溢口的长期稳定性。

2 多年冻土地温观测方案

2.1 地温观测孔布设

为掌握溢口开挖和长期过流条件下，下伏多年冻土热状况的时空演化规律，在溢口上下游布设了系列多年冻土地温观测孔（见图2）。 考虑到溢口结构的对称性，采用了半幅布设方式，同时由于主槽内流水地温孔布设难度大，因此沿副槽上、下游边界布设地温孔（上游、下游地温观测孔编号分别为S1 ～S7、X1 ～X7）。上游、下游地温观测剖面采用相同地温孔间距，其中S1、X1 两个孔位紧邻主槽过水断面边缘，S2 ～S4、X2 ～X4 依次往外布设，孔位间距均为9 m。 S5、X5 孔位在上、下副槽边缘，S6、X6 孔位距副槽边缘5 m，S7、X7孔位距副槽边缘15 m，均布设在天然场地上，用于地温对比和溢口热影响范围的评估。

图2 地温观测孔分布示意

地温孔深度均为20 m，每个地温孔内布设32 个地温测试传感器。 考虑到开挖过程及长期过流对浅层多年冻土地温的强烈影响，0 ～10 m 深度范围内地温传感器布设间距为0.5 m，10 m 深度以下间距为1 m。

2.2 测温传感器及数据采集系统

地温观测采用高精度热敏电阻温度传感器，其主要元器件为负温度系数热敏电阻，其电阻值随温度的升高而减小。 与热电偶相比，热敏电阻输出信号强，对二次仪表的要求低，同时不需要冷端温度补偿，因此室内和野外使用方便。 同时，因为是电阻测量，不受任何电磁干扰，对引线要求不高，所以使用一般导线作为引线即可［21］。 测温传感器主要技术指标：测温范围为-40～40 ℃；温度分辨率负温条件下为0.005～0.010 ℃，正温条件下为0.01～0.03 ℃；测温精度高于0.05 ℃。

地温观测数据采用美国Compbell Scientific 公司的数据采集仪自动采集，其工作温度范围为-40 ～70 ℃。该数据采集仪采用太阳能板加蓄电池联合供电模式，可确保地温数据的连续、正常采集。 通过无线传输模块，可实现计算机远程对数据采集仪的控制及数据查看、读取和下载，方便及时掌握数据采集仪的工作状态。 现场测温传感器布设、数据采集系统和太阳能供电、无线传输模块的安装调试工作于2019 年11 月底完成，地温监测频率为每4 h 一次。

3 地温观测结果及分析

3.1 地温—深度分布规律

图3 给出了2020 年2 月15 日上游7 个测温孔和下游7 个测温孔的地温日平均值沿深度分布对比情况。 下游7 个测温孔地温沿深度分布规律较为一致，随着深度的增加，地温逐渐升高；至3 m 深度多年冻土顶板附近，即活动层底部，地温达到最高值；随着深度的进一步增加，地温基本保持不变。 上游7 个孔位浅层地温相差较大，尤其靠近主槽边缘一侧3 个孔位浅层地温明显较高，这与地温孔施工后地表存在扰动有关。 但是，随深度的进一步增大，上游地温分布规律整体与下游情况一致。 通过下游、上游剖面7 个地温孔的地温对比来看，天然场地多年冻土温度最低，越靠近主槽过水断面，多年冻土地温越高，监测结果很好地反映了施工开挖过程和过水对下部多年冻土的热影响。

图3 下游和上游地温监测剖面各测孔地温对比（2020-02-15）

3.2 浅层地温变化过程

图4 给出了上、下游3 个孔位2.0 m 深度地温变化过程，3 个孔位分别为天然孔（S7、X7）、副槽边缘孔（S4、X4）和主槽边缘孔（S1、X1）。

从图4（a）可以明显看出，随冬季环境气温降低，上游天然孔2.0 m 深度地温不断降低，并于2 月中旬前后达到最低值。 此后，随着环境气温的逐步回暖，该深度地温逐步升高。 与天然孔位明显不同，上游槽内两个孔位的地温并未随环境气温的降低和逐步升高出现相应的变化过程，表明副槽内的积水和主槽内的流水显著影响了地-气能量交换过程，静止水体的热容和相变潜热及流动水体的强大携热能力很大程度上阻隔了浅层土体地温对环境气温的响应。

图4 上、下游孔位2.0 m 深度地温变化过程

图4（b）下游3 个孔位2.0 m 深度地温随时间变化过程同样存在上述规律。 与上游副槽边缘孔位有所不同，下游副槽边缘孔位地温有一个较为明显的降低过程，与环境气温存在着响应关系，这主要与该孔位处副槽内地面较高、水深较浅有关。 因此，通过上游S4和下游X4 孔位的对比，可以很好地反映副槽内水体的深度对浅层地温变化过程的影响。

3.3 多年冻土地温对比

图5 给出了上、下游7 个孔位6 m 和15 m 深度多年冻土地温对比情况。 监测期内，这两个深度的多年冻土地温随时间变化基本保持不变，因此这里给出的是监测期内的平均温度。 可以看出，不论是上游还是下游，越靠近主槽边缘，两个深度的多年冻土地温越高，反映了溢口开挖和主槽过水对下部多年冻土地温的影响。

图5 上游和下游孔位6 m 和15 m 深度多年冻土地温对比

上游副槽内S5、S4、S3 孔位6 m、15 m 深度的多年冻土地温差异不大，同时与主槽边缘孔位S1 的地温接近，与上游4 个孔位内的积水较多有关，反映了地表条件对下部多年冻土地温分布的影响。 下游情况略有不同，自天然孔X7 开始，随着孔位越靠近主槽，两个深度的地温越高。 这主要与下游副槽内的积水情况有关，即下游副槽边缘处积水较少，而越靠近主槽边缘积水越深。 总体而言，溢口周边多年冻土地温的空间分布规律与工程实施后场地条件、积水深度及靠近主槽过水断面的距离密切相关。

4 结 语

结合高海拔连续多年冻土区某渠道工程，重点针对溢口开展了工程开挖和主槽过水对下伏多年冻土的热影响现场监测研究。 首先简要介绍了区域多年冻土的分布特征与工程概况，在此基础上详细介绍了溢口多年冻土地温监测系统组成和方法，并结合已获取的地温监测数据详细分析了溢口开挖及过水后地温沿深度的分布情况、浅层地温在冬季的变化过程及不同深度多年冻土的分布。

考虑溢口结构对称性和场地条件，建立了一套完整的溢口地温观测系统，包括上游、下游监测剖面，每个剖面包括天然场地地温孔、副槽地温孔和靠近主槽过水断面地温孔共计7 个地温孔，目前监测系统工作正常。 通过上、下游监测剖面及相应地温监测孔的布设，能够较好地掌握溢口工程施工和长期过水对下伏多年冻土的热影响。

从已获取的监测结果来看，工程开挖、副槽内积水和主槽过水对溢口下伏多年冻土产生了一定的热影响。 观测期正好为冬季，前期环境气温逐渐降低而后逐步开始回暖。 随环境气温的变化，天然场地浅层地温（以2 m 深度为例）经历了降低和升高两个过程，与环境气温变化有较好的响应关系。 但在副槽内和主槽边缘，受副槽积水和主槽过水影响，积水的热容和相变成冰过程及流水的强大携热能力很大程度上阻断了浅层地温对气温季节波动的响应。 从下部多年冻土（以6 m 和15 m 两个深度为例）地温的空间分布来看，天然场地多年冻土地温最低，越靠近主槽多年冻土地温越高，反映了溢口施工和后期过水对下伏多年冻土的热扰动。

从对多年冻土热状况的扰动来看，溢口施工带来的热影响相对较快，而主槽过水的热影响则相对较为缓慢。 但是，随着工程运营时间的延长，过水过程对溢口周边多年冻土的热影响将持续发展，其发展速率则与过水的水深、流速、水温、含盐量等参数密切相关，同时与冷季、暖季等季节变化及槽内水体的结冰过程与冰层厚度等因素有关。 考虑到多年冻土的强度与变形特性具有很强的温度敏感性，随着多年冻土地温的升高和活动层厚度的增大，溢口面临着沉降和差异沉降问题，影响其长期功能性和稳定性。 因此，建议在开展溢口多年冻土地温监测的基础上，同步开展渠道内水深、流速、水温、含盐量等关键参数及结构变形过程的观测。 并在此基础上，结合室内试验和数值模拟手段，开展溢口下伏多年冻土热状况及其自身长期沉降变形的预测，为渠道工程的长期安全运营和后期科学维护提供依据。