关于青藏高原公路冻土病害防治问题
2015-07-29
一、青藏高原冻土特征分析
青藏高原是地球上最雄伟、最年轻的隆起区,平均海拔在4000 m以上,号称“世界屋脊”或“地球第三极”。它北起阿尔金山和祁连山,南至喜马拉雅山,西自喀拉昆仑山,东抵横断山脉,面积约240余万平方公里。青藏高原是耸立于中低纬度区的巨大隆起,其海拔高、气候严寒的特点决定着高原冻土的存在和广泛分布。
青藏高原多年冻土区是世界中低纬度区海拔最高、面积最大的冻土区,也是典型的高原冻土区,冻土区面积达150万平方公里。青藏高原冻土区南北跨越12个纬度,东西横亘近30
个经度,其地势特点是西北高、东南低,气候特点是西北部寒冷干旱,东南部温暖湿润。冻土区中心位于羌塘盆地,这里的冻土基本连续或大片分布,温度低,地下冰厚。由此向周边地区,
随海拔高度降低,地温逐渐升高,连续或大片冻土区逐渐过渡为岛状多年冻土区。青藏高原地处中低纬度地带,纬度和海拔高度是控制高原气温的两个主要因素。青藏高原年平均气温的分布呈现以高原为中心向四周逐渐增高的闭合形式,同时又表现出东高西低、南高北低的分布格局。
高原总体上分为三个低温中心:羌塘一可可西里低温中心,巴颜喀拉低温中心,和喜玛拉雅低温中心。其中羌塘一可可西里低温中心是三个低温中心中温度最低的一个,位于可可西里山至唐古拉山间的东经90℃、北纬34℃附近,其值低于一6℃。此外,高原月平均气温可低至一18℃,部分地区日均温度不高于0℃的天数一年中最多可达329天,特殊的地理环境和极高的海拔高度决定了高原低温空间分布的广泛性和时间分布的持续性。青藏高原多年冻土在平面上的分布基本上与地形的变化山脉的走向一致。根据地理位置和多年冻土的分布特征可将青藏高原冻土区大致分成4个区域,即阿尔金山一祁连山高山多年冻土区;以羌塘盆地为主体的大片连续多年冻土区;青南山原不口东部高山岛状多年冻土区;念青唐古拉山和喜马拉雅山高山岛状多年冻土区。其中羌塘大片连续多年冻上区是青藏高原多年冻土的主体,面积约60 .7x104km ,海拔高度在4500一5000 m之间,湖泊发育,年均气温在一3 .6℃以下,低温中心位于西北部。遗憾的是由于工作条件极为恶劣,羌塘盆地中四部冻土的研究丛本空白,现有的研究资料主要集中在东部边缘青藏公路沿线的狭窄地带,但据气温分布特征估计,西北部多年冻土应该更为发育。从总体来看,青藏高原多年冻土的特征是温度高、厚度薄。
青藏高原多年永久冻土层实测厚度10一175 m。
二、青藏高原公路冻土病害防治措施
1、冻胀危害防治措施
(1)合理路基高度。在含土冰层、饱冰冻土以及富冰冻土路段按保护冻土原则设计时,则必须要使冻土上限不下降,较好的处理办法就是加大路基填土高度。这种情况下的路基填土高度可按《公路路基设计手册.路基》(第二版)第二篇第九章第四节公式(2 - 2 - 23)计算。
(2)基土换填。在强冻胀性土上修建桥涵、路基,常去掉强冻胀性土,填入非冻胀性土。换填方法包括基底换填和基侧换填,换填料应为含粉、粘粒不超过12 %的粗颗粒土,换填深度和换填率根据当地的冻结深度和建筑物的特点决定,对于路堤,换填深度与路堤高度之和不小于保温层计算厚度的115～210倍。基土换填法简单适用,基本能永久消除冻胀危害。
(3)防渗隔水与排水。主要措施有:在路基下垫层设置砂垫层以隔断毛细水上升;切方坡以上设置截水沟;填方路堤两侧设置断面形式宽而浅的排水沟;地下水采用设置盲沟方法导流排至路基以外;坡脚积水路段可在路基10 m以外设置积水坑来降低地下水位。防渗隔水与排水系统应尽量远离路基坡脚,排水应通常,并保证路堤坡脚5 m范围以内无积水洼地。
(4)保温。当埋藏较浅的地下冰可能融化或频繁人为活动会破坏坡脚冻土时,可采用保温层措施,如设置保温护道、护脚等等,常用的保温材料有泥炭、草皮、树皮、炉渣、陶块、泡沫混凝土、聚苯乙烯泡沫或粘性土等。但多数保温材料随吸湿其保温效果会下降,且抗压强度较低,如用塑膜软包装防止保温材料潮湿,效果会更好。
(5)基土强夯。主要是将夯击能作用在土表层上,以波的形式将能量传给土体,在瞬间可将土体压缩数厘米至几十厘米。用此方法处理粘土、亚粘土、淤泥质粘土、新近填土以及强冻胀、严重翻浆的软弱土,可使其密实度大为提高、含水量大为降低、渗透能力极大减小、地下水埋藏深度大大增加、地基承载力大大提高,最终使冻胀基本消除。212
2、冰丘和冰椎危害防治措施
(1)冻结沟。当含水层较薄、隔水底板埋藏不深、涌水量及动水压力不大时,可在冰椎场或冻胀丘场的上游开挖与地下水流向垂直的天沟。在冻结季节前作为排水沟,在冻结季节,沟下土层首先冻结,便形成一道冻结“墙”,起到拦截地下水的作用。
(2)截冰墙。在涌水量不大路段设置横向截冰墙,阻挡水分或冰上路。截冰墙多修建在路肩外或边沟外,一般用浆砌片石筑成,可与冻结沟联合配置使用。
(3)聚冰坑。多用于水量较小、边坡不高的堑坡冰椎,用以聚积冬季冰椎,使之不上路,可与截冰墙联合使用。
(4)地下排水措施。主要由集水渗池(或渗井)和排水暗管(或盲沟)两部分组成,其目的是将地下水排到路基以外的河沟或洼地中。集水渗井适用于山坡地下水露头较集中处,渗池适用于山坡地下水较分散处,由集水渗井和渗池汇集的水再用盲沟或暗管排出路基外。
3、热融危害防治措施
防治热融危害的基本出发点是避免扰动厚层地下冰和融沉性较强的多年冻土。如果难以避免扰动,可按以下一些措施预先融化或换填。
(1)宁填勿挖。在有热融滑坍路段尽量用填方而避免挖方,并使路堤的填高大于临界高度,以保证冻土上限不下降,同时严格做好排水措施。
(2)综合防治。在厚层地下冰或饱冰冻土段开挖路堑,应在满足边坡稳定的条件下尽可能减少对冻土的扰动;对边坡及坡脚进行清理,将难以保持稳定的滑坍部分清除,换填其它透水性材料和保温材料;放缓边坡或在坡脚加支挡,以建立新的稳定的热平衡和力平衡;加强排水措施,堑顶设挡水埝和埝后排水沟,坡脚设浅宽侧沟,以防止在水的作用下重新加剧热融滑坍。
(3)其它措施。路堤穿过热融湖塘时,水下部分路堤必须以渗水性土填筑,渗水性土的填筑标高应高出湖塘最高水位015 m ;同时应结合热融湖塘基底土质、地下冰、上限深度等因素,综合考虑基底的预留沉落量;另外路堤两侧水不得排入热融湖塘。
4、其它防治措施
(1)加强路面结构。在有可能发生冻胀的中、重季节冻结区和多年冻土区的高级、次高级路面结构中加设防冻层,使路面总厚度不小于路面防冻最小厚度;在路面结构层中加设排水垫层,阻止地下毛细水上升,兼起排水和缓冲路基冻胀作用,从而减轻路面冻胀;路面层中尽量使用整体性好的二灰土、石灰土、水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾等半刚性结构层,以加强路面结构;面层沥青混凝土中添加能提高抗低温缩裂性能的改性剂,如SBR等,以增强路面的抗低温缩裂性能。
(2)施工措施。换填基底段、冻区路堑开挖段等宜安排在寒冻季节施工,其它部分工程安排在融化季节施工,这种施工安排可以使全年施工相对较均衡,既保证了工程进度,又避免因冻土层暴露太久,冻土上限会下降而引起路基沉陷破坏,从而保证了工程质量和工期;另外在施工过程中不得破坏路基两侧一定范围内的植被,使之继续起隔热、保护冻土和减弱地表水下渗之作用。
(3)几种特殊措施。如采用片块石作为路基填料、在路基中埋设通风管等,目的是让路基成为透风结构,从而不改变路基两侧多年冻土的外部温度环境,最终保护冻土;另外还可采用热管、导管、液管、遮阳蓬等措施,目的都是要保护冻土,使之不融沉。但由于使用形式特殊,
一般情况下用得不多。
