青藏工程走廊冻土环境工程地质区划及评价

  在青藏高原腹地西大滩-那曲这一数百米至公里宽的冻土工程敏感区和生态脆弱带内, 5 条重大工程并行:青藏公路自1954 年建成通车后, 经历了多次改建和整治;1974 ～ 1977 年铺设了格拉输油管道, 并于2001 ～ 2004 年间整改;20 世纪90 年代初埋设了兰西拉光缆, 并架设了110 输变线;最近又修筑了青藏铁路。

 

  这5 条线路均为线性建筑物, 呈南北向穿越青藏高原中部多年冻土区, 近似垂直于高原各大地貌单元和大地构造的走向。青藏线的冻土环境工程地质条件呈现明显的地带性和差异性规律, 它们相互之间、与冻土工程地质及寒旱区生态环境强烈相互作用, 形成了南北向贯穿多年冻土区的“青藏工程走廊” 。走廊的冻土环境工程地质条件改变, 并对各项工程基础本身产生不利影响。为了科学有效地管理(保护)沿线寒区生态环境, 预防和治理各项工程中可能出现的冻融地质灾害,本文在广泛的野外调查、工程勘察、冻土和工程建筑物稳定性长期监测和室内大量试验的资料基础上, 采用层次分析法和综合评判, 论述了沿线冻土环境工程地质条件, 然后划分出区、亚区和段分别进行评价。

 

  1  冻土环境工程地质条件

 

  研究区北起西大滩谷地东段, 南至安多—两道河高地之南的那曲谷地(原126 道班附近), 全长670km。

 

  以大片连续多年冻土区为主, 并包括南北两侧的岛状多年冻土区及邻区小范围的季节冻土区。研究区地势高、气候干寒、新构造活动强烈和多年冻土广布。海拔、纬度和区域地质背景和大型地貌单元等要素控制着本区冻土和地下冰的区域分布规律。岩性、植被、含冰(水)量、活动层厚度、地温和不良冻土地质现象等局地因素的变化, 均可造成小范围内冻土环境工程地质条件的差异。本文重点论述与环境工程地质有关的冻土方面的基本条件。

 

  1.1  冻土分布

 

  调查表明, 目前青藏线岛状多年冻土的北下界在西大滩谷地西端海拔4 200 ～ 4 250m 和年平均气温-2～ -3 ℃处;连续多年冻土北下界在昆仑山北坡海拔4 400～ 4 560m 和年平均气温约-4 ℃处;连续多年冻土南下界在安多县城以北, 海拔约4 780m 和年平均气温-3.5 ～ -4 ℃处;从安多向南穿越两道河地区至原125 道班北约有90km 长的岛状多年冻土区, 其南下界海拔约4 650m, 年平均气温-2.0 ～ -2.5 ℃。沿青藏线, 平均纬度每下降1°, 多年冻土下界海拔上升80 ～100m;海拔每上升100m, 年平均地温降低0.5 ～ 0.6 ℃,多年冻土厚度增加15 ～ 20m。高原气温年较差小、冷季平均气温较高, 而暖季平均气温较低, 因此没有明显的四季之分, 决定了青藏高原多年冻土年平均地温普遍较高、活动层较薄、热稳定性差等特征。

 

  1.2  地下冰

 

  青藏公路沿线地下冰广泛分布于低山丘陵的缓坡坡中下部及高平原、河谷和盆地较低处。高原上除一些湖相沉积外, 一般低山丘陵地下冰含量总体大于中高山区及高原内盆地和河谷地段。在剖面上, 冻土上限附近地下冰最富集。由于其接近地表, 易受自然和人为因素变化的影响而变化。因此, 是工程建筑中最为关心的对象, 尤其是冻土上限下1m 深度范围内地下冰, 在3 ～ 5 年后直接威胁着路基稳定性。可见, 地下冰含量及其空间分布是最基本的冻土环境工程地质条件。目前公路沿线沥青路面下冻土上限一般下降至6 ～ 8m 深度。在西大滩等个别地段已达9 ～ 10m 深度,综合考虑全线公 铁路将来最终达到准稳定状态的最大融化深度, 便于评价路基最终的稳定性, 作者利用大量钻孔勘探资料, 按冻土层中总含水量确定出冻土含冰量类型, 分别统计出沿线630km 的冻土区内各地段冻土上限下1m 深度内和1 ～ 10m 深度不同冻土类型的青藏公路里程数和分布状况(表2)[ 2] , 为青藏线冻土环境工程地质评价提供了衡量指标。

 

  从垂向上分析, 一般高原冻土中地下冰含量从浅层向深层逐渐减少, 如表2 总计栏所示:含土冰层类别分布状况, 在上限以下1 m 内所占比例为16.0 %, 1 ～10 m 深段为10.1 %。

 

  1.3  年平均地温

 

  年平均地温可以反映出冻土的地带性规律, 并能对应地反映出年平均气温、冻土厚度和平面上的连续性, 以及冻土稳定性和对气候变化和人为影响的敏感性。本文综合各种分带标准, 按年平均地温将冻土划分成4 种热稳定性类型。这种划分直观地反映出青藏公路沿线多年冻土分布的地带性规律;同时也反映出冻土工程地质环境的稳定性:年平均地温越低, 冻土越稳定;冻土热融敏感性越弱, 冻土对人为活动影响的响应过程亦越迟缓。

 

  1.4  松散层成因类型及岩性与冻土类别的关系松散土的岩性较复杂:低山丘陵区中下部位的松散堆积物多为坡积和泥流堆积, 一般较厚、颗粒较细、含水量较大, 以亚粘土和亚砂土为主, 地表植被覆盖较好、年平均地温较低, 为地下冰的发育提供了良好的细粒土、水分及冻土共生条件;中高山区的松散堆积物较薄, 多为残积物, 以碎石类土为主, 植被覆盖度较小, 甚至基岩裸露, 寒冻风化强烈, 但土中水分少, 虽降水量相对较大、年平均地温较低, 也不利于地下冰的形成;在河谷阶地广泛发育着冲、洪积相的砂砾石土, 年平均地温较高, 往往不利于地下冰的发育;惟独湖相沉积的亚砂土、亚粘土及粘土等, 厚度大、水分充足, 有利于地下冰的形成和发育。所以, 地下冰的分布状况及发育程度往往与松散土的成因类型有关。

 

  1.5  活动层

 

  活动层厚度是冻土区工程建筑设计的基本参数。

 

  活动层冻融过程影响因素众多、变化复杂, 如地形地貌、海拔、气温和地表温度、地表水体、植被和岩性等。

 

  但是, 在小范围内, 岩性可视为决定性因素。表5 统计出青藏线各大地貌单元内天然状态下不同岩性的活动层厚度差异。

 

  2  冻土环境工程地质评价的指标选择

 

  冻土环境工程地质评价综合反映了冻土区环境和冻土工程地质条件的地域分异规律及冻土稳定性。选择评价参数是一个综合性问题。任意单一因素都不能全面反映沿线冻土环境工程地质特性。冻土热稳定性是冻土环境工程地质研究的核心问题。因此, 作者主张应用冻土热稳定性来综合评价冻土和环境工程质量。现将各类冻土环境工程地质特性描述如下:

 

  稳定型:多年冻土在人为活动作用下工程性质和热稳定性轻微变化。年平均地温虽有升高, 但冻土变化基本是可逆的, 热融敏感性较弱。建筑物变形可保持在允许范围之内[ 5] 。在目前的大型工程运营的时间尺度(25 ～ 100a)内, 可保持相对稳定。

 

  准稳定型:人为活动作用对多年冻土的工程性质和热稳定性产生明显影响, 年平均地温逐年升高, 人为冻土上限缓慢下降。冻土变化过程部分是不可逆的。

 

  冻土变化已经影响工程建筑物的稳定性。

 

  不稳定型:人为活动作用对多年冻土的工程性质和热稳定性产生强烈影响, 冻土环境破坏严重、年平均地温明显升高, 人为冻土上限大幅度下降。冻土变化过程大多是不可逆的。冻土变化严重影响工程建筑物的稳定性及其周围寒区生态环境。

 

  极不稳定型:人为活动作用对多年冻土的工程性质和热稳定性产生破坏性影响, 促使多年冻土加剧退化, 其过程基本是不可逆的。冻土变化对工程建筑物的破坏极其严重, 冻土环境随之发生明显变化。

 

  因此, 以年平均地温指标为基础确定的冻土稳定性类型, 可以作为划分区段的依据。它能综合反映出各区段冻土环境工程地质条件的差异。冻土层中的含冰(水)量是决定该层冻土环境工程地质的关键性指标。以冻土含冰量类别为基础划分出的地段可基本反映出该地段的冻土环境工程地质特性, 为工程设计和冻融灾害防治提供依据。特别强调的是, 目前青藏高原多年冻土总体处于区域性退化的趋势[ 6 ～ 7] 。冻土退化和人为活动对青藏线冻土环境工程地质的叠加影响主要体现在对冻土工程性质的改变和地表生态系统的作用。因此, 应充分重视其影响程度及发展趋势。

 

  3  冻土环境工程地质区划原则及分区评价

 

  冻土环境工程地质分区是对青藏线冻土工程地质条件及生态环境问题的综合概括和总结。基于上述评价参数的选择, 本文遵循相似性和差异性的原则, 采用层次分析法和相互关联法, 采用三级区划的方法力求全面反映出青藏线冻土环境工程地质的总体规律。

 

  区划是在综合分析公路沿线影响冻土环境工程地质条件各因素的基础上, 重点考虑各区段内冻土分布、地温状况、冻土层中的含冰量及其物理、力学性质、活动层厚度, 并参考冻土生态环境、不良冻土现象和现有建筑物的稳定状况而划分。依据上述条件, 并考虑到现有资料的精度和分区图比例尺的要求, 可划分为3级:冻土环境工程地质区、亚区和地段。

 

  然后分区段依次评价。

 

  3.1  一级区划系统———冻土环境工程地质区主要考虑不同类型的冻土在区域分布和工程地质条件的差异, 分成下列三个区:

 

  Ⅰ :季节冻土区。主要包括西大滩东段和岛状冻土南部下界以南的那曲谷地(原125 ～ 126 道班之间)。

 

  这两段均位于谷地内, 表层以冲洪积物为主, 最大季节冻结深度2.5 ～ 4.0m 。除个别地点有深层的冻胀和翻浆外, 大多数地段的冻土环境工程地质条件均良好。

 

  Ⅱ :岛状多年冻土区。在西大滩西段海拔4 200 ～4 560m 的部位和青藏线南段安多-两道河4 650 ～4 700以上高地为岛状冻土区。区内冻土环境工程地质条件较为复杂。尤其在冻土岛地段内个别地点冻土层中含冰量较高, 厚度变化大, 年平均地温高, 冻土普遍处于强烈退化状态。区内生态环境、冻土层厚度及热状况极易发生变化。

 

  Ⅲ :大片连续多年冻土区。从昆仑山惊仙谷北口(海拔4560m)至安多北14km 处(全长531km), 为大片连续冻土区。该区冻土的公路里程约占沿线冻土区总里程的84.3 %, 为重点研究区。区内年平均地温0 ～-4 ℃;冻土实测厚度变化于几米至几十米, 个别高山区可达100 ～ 120m(表1)。冻土环境工程地质条件复杂多变。在地下冰发育地段, 冻土生态环境变化明显,不良冻土现象极其发育。冻胀和融沉作用强烈, 各类建筑物均遭到不同程度的破坏。但是, 区内仍有部分地段条件良好, 如融区、松散层很薄、无裂隙冰发育的基岩和风化壳及地下冰不发育的地段。

 

  3.2  二级区划系统———冻土环境工程地质亚区在一级区划的基础上, 根据各大地貌单元冻土和地下冰分布的差异性, 按冻土热稳定性类型综合反映冻土年平均地温指标及其它特征(表1 , 表3), 划分出次一级的工程地质亚区。二级区划主要体现出各大地貌单元的冻土分布特征及冻土环境工程地质条件的稳定性。全区共分20 个亚区:

 

  Ⅰ1 :西大滩东段季节冻土亚区;Ⅰ2 :那曲谷地季节冻土亚区。

 

  Ⅱ1 :西大滩西段极不稳定型岛状多年冻土亚区;Ⅱ2 :安多—两道河间高地极不稳定型岛状多年冻土亚区。

 

  Ⅲ1 :昆仑山垭口段稳定型连续多年冻土亚区;

 

  Ⅲ2 :风火山垭口段稳定型连续多年冻土亚区;Ⅲ3 :唐古拉山垭口段稳定型连续多年冻土亚区;Ⅲ4 :昆仑山沟谷段准稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ5 :可可西里低山准稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ6 :风火山沟谷段准稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ7 :唐古拉山沟谷段准稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ8 :楚玛尔河高平原不稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ9 :北麓河盆地不稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ10 :开心岭低山不稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ11 :桃尔九低山不稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ12 :捷布曲谷地不稳定型大片连续多年冻土亚区;Ⅲ13 :沱沱河盆地极不稳定型片状多年冻土亚区;Ⅲ14 :通天河盆地极不稳定型片状多年冻土亚区;Ⅲ15 :布曲河谷地极不稳定型片状多年冻土亚区;Ⅲ16 :温泉谷地极不稳定型片状多年冻土亚区。

 

  3.3  三级区划系统———冻土环境工程地质地段它是研究区内最基本的区划单元, 是选择设计方案和工程整治措施的依据。多年冻土含冰量类别这个定量指标基本上能综合反映出上述的主要影响因素,因为土的冻胀和融沉主要与土的性质与总含水量相关, 而多年冻土含冰量类别恰好是按土中含水量和岩性确定的。在非多年冻土区, 可根据松散层厚度、岩性、季节冻结深度、含水量和地下水为等因素, 并参照现有工程基础出现的冻害现象及程度来确定冻土环境工程地质地段。在各亚区内, 应用上述区划原则, 采用综合聚类分析法,再划分出4 种冻土环境工程地质地段。

 

  A :良好冻土环境工程地质地段。该类地段多集中于季节冻土区、岛状和片状冻土区内的融区及个别的多年冻土地段。岩性一般为(半)坚硬岩石或粗碎石土类, 含水量小, 已有建筑物未出现冻害现象。

 

  B :一般冻土环境工程地质地段。包括多年冻土中富冰冻土类型及非多年冻土区内轻微冻害的地段。

 

  C :不良冻土环境工程地质地段。包括多年冻土层中的饱冰冻土类型及非多年冻土区冻害较严重的地段、地下水位埋藏浅、不良冻土现象发育、冻土生态环境稳定性差。

 

  D :极差冻土环境工程地质地段。主要指多年冻土区内的含土冰层类型及厚层地下冰发育地段, 地下水位埋藏浅, 地表水充足, 不良冻土现象非常发育, 冻土生态环境极其脆弱, 冻土环境工程地质条件相当复杂。

 

  按照上述三级区划原则, 研究区内共划分出3 个区, 20 个亚区和51 个地段。因本文篇幅限制,每个地段不能在本文中进行单独评价。

 

  由表6 所示, 研究区内“良好” 和“一般” 地段两者占总长度的约60 %。由此表明, 在冻土区内同样存在着很多较好的冻土环境工程地质地段。在区划过程中发现, 在不稳定型和极不稳定型多年冻土亚区内有些较好地段;相反, 在稳定型和准稳定型多年冻土亚区内, 亦有“极差”和“不良”地段。各种因素交互作用共同构成目前青藏线冻土环境工程地质条件分布格局。

 

  4  讨论和结论

 

  (1)在青藏工程走廊内共划出3 个工程地质区、20个工程地质亚区和51 个工程地质地段:

 

  Ⅰ级区划主要考虑不同类型的冻土区域分布和冻土环境工程地质条件的差异, 划分出大片连续、岛状多年冻土和季节冻土工程地质区。在特殊环境下, 个别季节冻土段的工程地质环境条件可能比多年冻土差。

 

  Ⅱ级区划是在Ⅰ 级区划的基础上, 按冻土热稳定性类别综合反映冻土年平均地温、所分布的主要地貌部位及其它基本特征。按照四种热稳定类型的指标区内共划分出20 个工程地质亚区。从各亚区的地貌部位可明显反映出青藏高原冻土环境工程地质同样具有明显的高度地带性规律。年平均地温在反映冻土热稳定性方面有一定的局限性。

 

  Ⅲ级区划是研究区内最基本的冻土工程地质区划单元。主要采用冻土含冰量类别综合反映出某一地段内冻土的工程地质特性和生态环境状况。可归纳为4种类型的工程地质地段, 即良好、一般、不良和极差。

 

  以往的调查结果表明, 青藏工程走廊建筑物的破坏由融沉占主导, 其次是冻胀。以冻土含冰量类别划分的四种工程地质地段与融沉和冻胀分类均有很好的对应关系, 它可被有效利用于预报建筑物基础在运营过程中的变形特征。所划分出的51 个工程地质地段已被区内线性建筑物的设计和施工项目所采纳。

 

  (2)青藏线许多房屋经多年使用仍无明显变形或破损的事实证明, 在冻土区进行工程建设时, 只要充分认识和掌握冻土分布规律及冻土层的工程地质特性,全面科学地评价工程地质条件, 合理选址(线), 精心勘察、设计和施工, 并在设计、施工和运行中注意管理和保护寒区生态环境, 就能大量减少或基本消除冻融灾害。在个别冻土环境工程地质条件特差地段, 需要采取特殊工程措施, 并进行长期监测, 确保将工程隐患预先消除或控制在允许变形范围之内。