在青藏高原腹地西大灘-那曲這一數(shù)百米至公里寬的凍土工程敏感區(qū)和生態(tài)脆弱帶內(nèi), 5 條重大工程并行:青藏公路自1954 年建成通車后, 經(jīng)歷了多次改建和整治;1974 ～ 1977 年鋪設(shè)了格拉輸油管道, 并于2001 ～ 2004 年間整改;20 世紀(jì)90 年代初埋設(shè)了蘭西拉光纜, 并架設(shè)了110 輸變線;最近又修筑了青藏鐵路。

 

  這5 條線路均為線性建筑物, 呈南北向穿越青藏高原中部多年凍土區(qū), 近似垂直于高原各大地貌單元和大地構(gòu)造的走向。青藏線的凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件呈現(xiàn)明顯的地帶性和差異性規(guī)律, 它們相互之間、與凍土工程地質(zhì)及寒旱區(qū)生態(tài)環(huán)境強烈相互作用, 形成了南北向貫穿多年凍土區(qū)的“青藏工程走廊” 。走廊的凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件改變, 并對各項工程基礎(chǔ)本身產(chǎn)生不利影響。為了科學(xué)有效地管理(保護)沿線寒區(qū)生態(tài)環(huán)境, 預(yù)防和治理各項工程中可能出現(xiàn)的凍融地質(zhì)災(zāi)害,本文在廣泛的野外調(diào)查、工程勘察、凍土和工程建筑物穩(wěn)定性長期監(jiān)測和室內(nèi)大量試驗的資料基礎(chǔ)上, 采用層次分析法和綜合評判, 論述了沿線凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件, 然后劃分出區(qū)、亞區(qū)和段分別進行評價。

 

  1  凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件

 

  研究區(qū)北起西大灘谷地東段, 南至安多—兩道河高地之南的那曲谷地(原126 道班附近), 全長670km。

 

  以大片連續(xù)多年凍土區(qū)為主, 并包括南北兩側(cè)的島狀多年凍土區(qū)及鄰區(qū)小范圍的季節(jié)凍土區(qū)。研究區(qū)地勢高、氣候干寒、新構(gòu)造活動強烈和多年凍土廣布。海拔、緯度和區(qū)域地質(zhì)背景和大型地貌單元等要素控制著本區(qū)凍土和地下冰的區(qū)域分布規(guī)律。巖性、植被、含冰(水)量、活動層厚度、地溫和不良凍土地質(zhì)現(xiàn)象等局地因素的變化, 均可造成小范圍內(nèi)凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件的差異。本文重點論述與環(huán)境工程地質(zhì)有關(guān)的凍土方面的基本條件。

 

  1.1  凍土分布

 

  調(diào)查表明, 目前青藏線島狀多年凍土的北下界在西大灘谷地西端海拔4 200 ～ 4 250m 和年平均氣溫-2～ -3 ℃處;連續(xù)多年凍土北下界在昆侖山北坡海拔4 400～ 4 560m 和年平均氣溫約-4 ℃處;連續(xù)多年凍土南下界在安多縣城以北, 海拔約4 780m 和年平均氣溫-3.5 ～ -4 ℃處;從安多向南穿越兩道河地區(qū)至原125 道班北約有90km 長的島狀多年凍土區(qū), 其南下界海拔約4 650m, 年平均氣溫-2.0 ～ -2.5 ℃。沿青藏線, 平均緯度每下降1°, 多年凍土下界海拔上升80 ～100m;海拔每上升100m, 年平均地溫降低0.5 ～ 0.6 ℃,多年凍土厚度增加15 ～ 20m。高原氣溫年較差小、冷季平均氣溫較高, 而暖季平均氣溫較低, 因此沒有明顯的四季之分, 決定了青藏高原多年凍土年平均地溫普遍較高、活動層較薄、熱穩(wěn)定性差等特征。

 

  1.2  地下冰

 

  青藏公路沿線地下冰廣泛分布于低山丘陵的緩坡坡中下部及高平原、河谷和盆地較低處。高原上除一些湖相沉積外, 一般低山丘陵地下冰含量總體大于中高山區(qū)及高原內(nèi)盆地和河谷地段。在剖面上, 凍土上限附近地下冰最富集。由于其接近地表, 易受自然和人為因素變化的影響而變化。因此, 是工程建筑中最為關(guān)心的對象, 尤其是凍土上限下1m 深度范圍內(nèi)地下冰, 在3 ～ 5 年后直接威脅著路基穩(wěn)定性?？梢? 地下冰含量及其空間分布是最基本的凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件。目前公路沿線瀝青路面下凍土上限一般下降至6 ～ 8m 深度。在西大灘等個別地段已達9 ～ 10m 深度,綜合考慮全線公 鐵路將來最終達到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的最大融化深度, 便于評價路基最終的穩(wěn)定性, 作者利用大量鉆孔勘探資料, 按凍土層中總含水量確定出凍土含冰量類型, 分別統(tǒng)計出沿線630km 的凍土區(qū)內(nèi)各地段凍土上限下1m 深度內(nèi)和1 ～ 10m 深度不同凍土類型的青藏公路里程數(shù)和分布狀況(表2)[ 2] , 為青藏線凍土環(huán)境工程地質(zhì)評價提供了衡量指標(biāo)。

 

  從垂向上分析, 一般高原凍土中地下冰含量從淺層向深層逐漸減少, 如表2 總計欄所示:含土冰層類別分布狀況, 在上限以下1 m 內(nèi)所占比例為16.0 %, 1 ～10 m 深段為10.1 %。

 

  1.3  年平均地溫

 

  年平均地溫可以反映出凍土的地帶性規(guī)律, 并能對應(yīng)地反映出年平均氣溫、凍土厚度和平面上的連續(xù)性, 以及凍土穩(wěn)定性和對氣候變化和人為影響的敏感性。本文綜合各種分帶標(biāo)準(zhǔn), 按年平均地溫將凍土劃分成4 種熱穩(wěn)定性類型。這種劃分直觀地反映出青藏公路沿線多年凍土分布的地帶性規(guī)律;同時也反映出凍土工程地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性:年平均地溫越低, 凍土越穩(wěn)定;凍土熱融敏感性越弱, 凍土對人為活動影響的響應(yīng)過程亦越遲緩。

 

  1.4  松散層成因類型及巖性與凍土類別的關(guān)系松散土的巖性較復(fù)雜:低山丘陵區(qū)中下部位的松散堆積物多為坡積和泥流堆積, 一般較厚、顆粒較細(xì)、含水量較大, 以亞粘土和亞砂土為主, 地表植被覆蓋較好、年平均地溫較低, 為地下冰的發(fā)育提供了良好的細(xì)粒土、水分及凍土共生條件;中高山區(qū)的松散堆積物較薄, 多為殘積物, 以碎石類土為主, 植被覆蓋度較小, 甚至基巖裸露, 寒凍風(fēng)化強烈, 但土中水分少, 雖降水量相對較大、年平均地溫較低, 也不利于地下冰的形成;在河谷階地廣泛發(fā)育著沖、洪積相的砂礫石土, 年平均地溫較高, 往往不利于地下冰的發(fā)育;惟獨湖相沉積的亞砂土、亞粘土及粘土等, 厚度大、水分充足, 有利于地下冰的形成和發(fā)育。所以, 地下冰的分布狀況及發(fā)育程度往往與松散土的成因類型有關(guān)。

 

  1.5  活動層

 

  活動層厚度是凍土區(qū)工程建筑設(shè)計的基本參數(shù)。

 

  活動層凍融過程影響因素眾多、變化復(fù)雜, 如地形地貌、海拔、氣溫和地表溫度、地表水體、植被和巖性等。

 

  但是, 在小范圍內(nèi), 巖性可視為決定性因素。表5 統(tǒng)計出青藏線各大地貌單元內(nèi)天然狀態(tài)下不同巖性的活動層厚度差異。

 

  2  凍土環(huán)境工程地質(zhì)評價的指標(biāo)選擇

 

  凍土環(huán)境工程地質(zhì)評價綜合反映了凍土區(qū)環(huán)境和凍土工程地質(zhì)條件的地域分異規(guī)律及凍土穩(wěn)定性。選擇評價參數(shù)是一個綜合性問題。任意單一因素都不能全面反映沿線凍土環(huán)境工程地質(zhì)特性。凍土熱穩(wěn)定性是凍土環(huán)境工程地質(zhì)研究的核心問題。因此, 作者主張應(yīng)用凍土熱穩(wěn)定性來綜合評價凍土和環(huán)境工程質(zhì)量?，F(xiàn)將各類凍土環(huán)境工程地質(zhì)特性描述如下:

 

  穩(wěn)定型:多年凍土在人為活動作用下工程性質(zhì)和熱穩(wěn)定性輕微變化。年平均地溫雖有升高, 但凍土變化基本是可逆的, 熱融敏感性較弱。建筑物變形可保持在允許范圍之內(nèi)[ 5] 。在目前的大型工程運營的時間尺度(25 ～ 100a)內(nèi), 可保持相對穩(wěn)定。

 

  準(zhǔn)穩(wěn)定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質(zhì)和熱穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響, 年平均地溫逐年升高, 人為凍土上限緩慢下降。凍土變化過程部分是不可逆的。

 

  凍土變化已經(jīng)影響工程建筑物的穩(wěn)定性。

 

  不穩(wěn)定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質(zhì)和熱穩(wěn)定性產(chǎn)生強烈影響, 凍土環(huán)境破壞嚴(yán)重、年平均地溫明顯升高, 人為凍土上限大幅度下降。凍土變化過程大多是不可逆的。凍土變化嚴(yán)重影響工程建筑物的穩(wěn)定性及其周圍寒區(qū)生態(tài)環(huán)境。

 

  極不穩(wěn)定型:人為活動作用對多年凍土的工程性質(zhì)和熱穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞性影響, 促使多年凍土加劇退化, 其過程基本是不可逆的。凍土變化對工程建筑物的破壞極其嚴(yán)重, 凍土環(huán)境隨之發(fā)生明顯變化。

 

  因此, 以年平均地溫指標(biāo)為基礎(chǔ)確定的凍土穩(wěn)定性類型, 可以作為劃分區(qū)段的依據(jù)。它能綜合反映出各區(qū)段凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件的差異。凍土層中的含冰(水)量是決定該層凍土環(huán)境工程地質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。以凍土含冰量類別為基礎(chǔ)劃分出的地段可基本反映出該地段的凍土環(huán)境工程地質(zhì)特性, 為工程設(shè)計和凍融災(zāi)害防治提供依據(jù)。特別強調(diào)的是, 目前青藏高原多年凍土總體處于區(qū)域性退化的趨勢[ 6 ～ 7] 。凍土退化和人為活動對青藏線凍土環(huán)境工程地質(zhì)的疊加影響主要體現(xiàn)在對凍土工程性質(zhì)的改變和地表生態(tài)系統(tǒng)的作用。因此, 應(yīng)充分重視其影響程度及發(fā)展趨勢。

 

  3  凍土環(huán)境工程地質(zhì)區(qū)劃原則及分區(qū)評價

 

  凍土環(huán)境工程地質(zhì)分區(qū)是對青藏線凍土工程地質(zhì)條件及生態(tài)環(huán)境問題的綜合概括和總結(jié)?；谏鲜鲈u價參數(shù)的選擇, 本文遵循相似性和差異性的原則, 采用層次分析法和相互關(guān)聯(lián)法, 采用三級區(qū)劃的方法力求全面反映出青藏線凍土環(huán)境工程地質(zhì)的總體規(guī)律。

 

  區(qū)劃是在綜合分析公路沿線影響凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件各因素的基礎(chǔ)上, 重點考慮各區(qū)段內(nèi)凍土分布、地溫狀況、凍土層中的含冰量及其物理、力學(xué)性質(zhì)、活動層厚度, 并參考凍土生態(tài)環(huán)境、不良凍土現(xiàn)象和現(xiàn)有建筑物的穩(wěn)定狀況而劃分。依據(jù)上述條件, 并考慮到現(xiàn)有資料的精度和分區(qū)圖比例尺的要求, 可劃分為3級:凍土環(huán)境工程地質(zhì)區(qū)、亞區(qū)和地段。

 

  然后分區(qū)段依次評價。

 

  3.1  一級區(qū)劃系統(tǒng)———凍土環(huán)境工程地質(zhì)區(qū)主要考慮不同類型的凍土在區(qū)域分布和工程地質(zhì)條件的差異, 分成下列三個區(qū):

 

  Ⅰ :季節(jié)凍土區(qū)。主要包括西大灘東段和島狀凍土南部下界以南的那曲谷地(原125 ～ 126 道班之間)。

 

  這兩段均位于谷地內(nèi), 表層以沖洪積物為主, 最大季節(jié)凍結(jié)深度2.5 ～ 4.0m 。除個別地點有深層的凍脹和翻漿外, 大多數(shù)地段的凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件均良好。

 

  Ⅱ :島狀多年凍土區(qū)。在西大灘西段海拔4 200 ～4 560m 的部位和青藏線南段安多-兩道河4 650 ～4 700以上高地為島狀凍土區(qū)。區(qū)內(nèi)凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜。尤其在凍土島地段內(nèi)個別地點凍土層中含冰量較高, 厚度變化大, 年平均地溫高, 凍土普遍處于強烈退化狀態(tài)。區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境、凍土層厚度及熱狀況極易發(fā)生變化。

 

  Ⅲ :大片連續(xù)多年凍土區(qū)。從昆侖山驚仙谷北口(海拔4560m)至安多北14km 處(全長531km), 為大片連續(xù)凍土區(qū)。該區(qū)凍土的公路里程約占沿線凍土區(qū)總里程的84.3 %, 為重點研究區(qū)。區(qū)內(nèi)年平均地溫0 ～-4 ℃;凍土實測厚度變化于幾米至幾十米, 個別高山區(qū)可達100 ～ 120m(表1)。凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變。在地下冰發(fā)育地段, 凍土生態(tài)環(huán)境變化明顯,不良凍土現(xiàn)象極其發(fā)育。凍脹和融沉作用強烈, 各類建筑物均遭到不同程度的破壞。但是, 區(qū)內(nèi)仍有部分地段條件良好, 如融區(qū)、松散層很薄、無裂隙冰發(fā)育的基巖和風(fēng)化殼及地下冰不發(fā)育的地段。

 

  3.2  二級區(qū)劃系統(tǒng)———凍土環(huán)境工程地質(zhì)亞區(qū)在一級區(qū)劃的基礎(chǔ)上, 根據(jù)各大地貌單元凍土和地下冰分布的差異性, 按凍土熱穩(wěn)定性類型綜合反映凍土年平均地溫指標(biāo)及其它特征(表1 , 表3), 劃分出次一級的工程地質(zhì)亞區(qū)。二級區(qū)劃主要體現(xiàn)出各大地貌單元的凍土分布特征及凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件的穩(wěn)定性。全區(qū)共分20 個亞區(qū):

 

  Ⅰ1 :西大灘東段季節(jié)凍土亞區(qū);Ⅰ2 :那曲谷地季節(jié)凍土亞區(qū)。

 

  Ⅱ1 :西大灘西段極不穩(wěn)定型島狀多年凍土亞區(qū);Ⅱ2 :安多—兩道河間高地極不穩(wěn)定型島狀多年凍土亞區(qū)。

 

  Ⅲ1 :昆侖山埡口段穩(wěn)定型連續(xù)多年凍土亞區(qū);

 

  Ⅲ2 :風(fēng)火山埡口段穩(wěn)定型連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ3 :唐古拉山埡口段穩(wěn)定型連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ4 :昆侖山溝谷段準(zhǔn)穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ5 :可可西里低山準(zhǔn)穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ6 :風(fēng)火山溝谷段準(zhǔn)穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ7 :唐古拉山溝谷段準(zhǔn)穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ8 :楚瑪爾河高平原不穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ9 :北麓河盆地不穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ10 :開心嶺低山不穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ11 :桃爾九低山不穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ12 :捷布曲谷地不穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ13 :沱沱河盆地極不穩(wěn)定型片狀多年凍土亞區(qū);Ⅲ14 :通天河盆地極不穩(wěn)定型片狀多年凍土亞區(qū);Ⅲ15 :布曲河谷地極不穩(wěn)定型片狀多年凍土亞區(qū);Ⅲ16 :溫泉谷地極不穩(wěn)定型片狀多年凍土亞區(qū)。

 

  3.3  三級區(qū)劃系統(tǒng)———凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段它是研究區(qū)內(nèi)最基本的區(qū)劃單元, 是選擇設(shè)計方案和工程整治措施的依據(jù)。多年凍土含冰量類別這個定量指標(biāo)基本上能綜合反映出上述的主要影響因素,因為土的凍脹和融沉主要與土的性質(zhì)與總含水量相關(guān), 而多年凍土含冰量類別恰好是按土中含水量和巖性確定的。在非多年凍土區(qū), 可根據(jù)松散層厚度、巖性、季節(jié)凍結(jié)深度、含水量和地下水為等因素, 并參照現(xiàn)有工程基礎(chǔ)出現(xiàn)的凍害現(xiàn)象及程度來確定凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。在各亞區(qū)內(nèi), 應(yīng)用上述區(qū)劃原則, 采用綜合聚類分析法,再劃分出4 種凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。

 

  A :良好凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。該類地段多集中于季節(jié)凍土區(qū)、島狀和片狀凍土區(qū)內(nèi)的融區(qū)及個別的多年凍土地段。巖性一般為(半)堅硬巖石或粗碎石土類, 含水量小, 已有建筑物未出現(xiàn)凍害現(xiàn)象。

 

  B :一般凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。包括多年凍土中富冰凍土類型及非多年凍土區(qū)內(nèi)輕微凍害的地段。

 

  C :不良凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。包括多年凍土層中的飽冰凍土類型及非多年凍土區(qū)凍害較嚴(yán)重的地段、地下水位埋藏淺、不良凍土現(xiàn)象發(fā)育、凍土生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性差。

 

  D :極差凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。主要指多年凍土區(qū)內(nèi)的含土冰層類型及厚層地下冰發(fā)育地段, 地下水位埋藏淺, 地表水充足, 不良凍土現(xiàn)象非常發(fā)育, 凍土生態(tài)環(huán)境極其脆弱, 凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。

 

  按照上述三級區(qū)劃原則, 研究區(qū)內(nèi)共劃分出3 個區(qū), 20 個亞區(qū)和51 個地段。因本文篇幅限制,每個地段不能在本文中進行單獨評價。

 

  由表6 所示, 研究區(qū)內(nèi)“良好” 和“一般” 地段兩者占總長度的約60 %。由此表明, 在凍土區(qū)內(nèi)同樣存在著很多較好的凍土環(huán)境工程地質(zhì)地段。在區(qū)劃過程中發(fā)現(xiàn), 在不穩(wěn)定型和極不穩(wěn)定型多年凍土亞區(qū)內(nèi)有些較好地段;相反, 在穩(wěn)定型和準(zhǔn)穩(wěn)定型多年凍土亞區(qū)內(nèi), 亦有“極差”和“不良”地段。各種因素交互作用共同構(gòu)成目前青藏線凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件分布格局。

 

  4  討論和結(jié)論

 

  (1)在青藏工程走廊內(nèi)共劃出3 個工程地質(zhì)區(qū)、20個工程地質(zhì)亞區(qū)和51 個工程地質(zhì)地段:

 

  Ⅰ級區(qū)劃主要考慮不同類型的凍土區(qū)域分布和凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件的差異, 劃分出大片連續(xù)、島狀多年凍土和季節(jié)凍土工程地質(zhì)區(qū)。在特殊環(huán)境下, 個別季節(jié)凍土段的工程地質(zhì)環(huán)境條件可能比多年凍土差。

 

  Ⅱ級區(qū)劃是在Ⅰ 級區(qū)劃的基礎(chǔ)上, 按凍土熱穩(wěn)定性類別綜合反映凍土年平均地溫、所分布的主要地貌部位及其它基本特征。按照四種熱穩(wěn)定類型的指標(biāo)區(qū)內(nèi)共劃分出20 個工程地質(zhì)亞區(qū)。從各亞區(qū)的地貌部位可明顯反映出青藏高原凍土環(huán)境工程地質(zhì)同樣具有明顯的高度地帶性規(guī)律。年平均地溫在反映凍土熱穩(wěn)定性方面有一定的局限性。

 

  Ⅲ級區(qū)劃是研究區(qū)內(nèi)最基本的凍土工程地質(zhì)區(qū)劃單元。主要采用凍土含冰量類別綜合反映出某一地段內(nèi)凍土的工程地質(zhì)特性和生態(tài)環(huán)境狀況。可歸納為4種類型的工程地質(zhì)地段, 即良好、一般、不良和極差。

 

  以往的調(diào)查結(jié)果表明, 青藏工程走廊建筑物的破壞由融沉占主導(dǎo), 其次是凍脹。以凍土含冰量類別劃分的四種工程地質(zhì)地段與融沉和凍脹分類均有很好的對應(yīng)關(guān)系, 它可被有效利用于預(yù)報建筑物基礎(chǔ)在運營過程中的變形特征。所劃分出的51 個工程地質(zhì)地段已被區(qū)內(nèi)線性建筑物的設(shè)計和施工項目所采納。

 

  (2)青藏線許多房屋經(jīng)多年使用仍無明顯變形或破損的事實證明, 在凍土區(qū)進行工程建設(shè)時, 只要充分認(rèn)識和掌握凍土分布規(guī)律及凍土層的工程地質(zhì)特性,全面科學(xué)地評價工程地質(zhì)條件, 合理選址(線), 精心勘察、設(shè)計和施工, 并在設(shè)計、施工和運行中注意管理和保護寒區(qū)生態(tài)環(huán)境, 就能大量減少或基本消除凍融災(zāi)害。在個別凍土環(huán)境工程地質(zhì)條件特差地段, 需要采取特殊工程措施, 并進行長期監(jiān)測, 確保將工程隱患預(yù)先消除或控制在允許變形范圍之內(nèi)。