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。為了科學有效地管理(保護)沿線寒區(qū)生態(tài)環(huán)境, 預防和治理各項工程中可能出現(xiàn)的凍融地質(zhì)災害,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。可見, 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。

 

  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準, 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、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, 作者主張應用凍土熱穩(wěn)定性來綜合評價凍土和環(huán)境工程質(zhì)量。現(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。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)。基于上述評價參數(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 :昆侖山溝谷段準穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ5 :可可西里低山準穩(wěn)定型大片連續(xù)多年凍土亞區(qū);Ⅲ6 :風火山溝谷段準穩(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)條件相當復雜。

 

  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, 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關(guān)系, 它可被有效利用于預報建筑物基礎(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, 確保將工程隱患預先消除或控制在允許變形范圍之內(nèi)。