柴木鐵路凍土路基工程措施效果實測分析

林文佳

1 工程概況

青海省柴木鐵路位于剛察縣、祁連縣和天峻縣境內,賽諾和讓臺地地形起伏較大,地表植被蓋度較好,緩坡地帶以高寒草甸為主,山前斜坡以高寒草原為主,屬于連續多年凍土地區。

該區凍土地溫、上限和凍土厚度變化較大,草原地帶,凍土地溫一般在-0.5℃～0℃之間,屬于高溫極不穩定多年凍土,凍土上限較淺,一般在2.5 m左右,凍土厚度一般小于20 m;草甸地帶,凍土地溫一般在-1.5℃～-1.0℃之間,屬于低溫基本穩定多年凍土,凍土上限在1.5 m以內,凍土厚度估計在50 m。

草原地帶凍土含冰量較小,一般為少冰凍土,凍土工程地質條件較好,凍土路基不需要采取特殊措施;草甸地帶凍土含冰量較大,一般為富冰、飽冰凍土,局部發育含土冰層,凍土工程地質條件不良或極差,由于低溫較低,施工時采用了主動冷卻地基措施,譬如片石路基、熱棒等,為確保這些措施的效果,施工時同時布設了一些監測斷面,本文將結合監測結果對上述措施進行分析。

2 監測斷面布置

賽諾和讓臺地布設兩處監測路段,分別是熱棒試驗段和片石通風路基試驗段,分別位于DK99+100～DK99+200與DK114+730～DK114+780之間。

該區段凍土路基測溫孔和凍土調查孔的鉆探工作始于2007年11月17日,終于2007年12月 6日,共有4個監測斷面。

地溫監測包括路基的左右坡腳、左右路肩、全斷面坡面及對比用天然孔,每個斷面采用82個探頭。除了監測斷面布設測溫探頭外,在沿線凍土調查孔也布設了55個測溫探頭,用以了解沿線的凍土地溫變化規律。所有地溫觀測探頭均采用凍土工程國家重點實驗室研制的高精度、高可靠性熱敏電阻式溫度傳感器,此種探頭已在青藏公路、青藏鐵路等國家重大工程中被廣泛應用。

3 凍土路基冷卻措施

3.1 片石路基

塊石層內部有大小不等的大量貫通或非貫通的孔隙,因此塊石層的熱傳導性能除了受傳導傳熱的影響,在某些條件下還會受到對流傳熱的影響。在夏季,塊石層上部的溫度一般較高,上部空氣密度小,下部空氣密度大,不具備空氣對流的條件,因此塊石層的導熱系數較小,從外界侵入到塊石層及其下部熱量的傳遞速率就比較小,塊石層就像是一個保溫層,不利于塊石層夏季的升溫;在冬季,外界溫度低于塊石層及其下部的土層,此時在塊石層內部發生空氣對流,整個塊石層就像是一個熱的導體,大大加快了塊石層及其下部熱量的釋放。從整個年度來看,塊石層發揮了二極管傳熱作用,在塊石路基沒有達到穩定之前,塊石層內一個年度周期中所釋放的熱量要大于吸收的熱量,有利于冷卻下部的多年凍土,從而提高凍土路基的熱穩定性。在青藏高原多年凍土地區,冬季的風更強,塊石層的熱二極管效應更顯著。

3.2 用熱棒來冷卻凍土路基

熱棒由密閉真空腔體注入低沸點工質(如氨、氟利昂等)而構成,管的上部(散熱段)裝有散熱片,管的下部(蒸發段)埋入多年凍土中,中間為絕熱段,管中裝有液體工質。在寒冷季節,由于空氣溫度低于多年凍土溫度,熱管中的液體工質吸收多年凍土中的熱量,蒸發成氣體(吸收汽化潛熱)。蒸汽在壓差的驅動下,沿熱管中心通道向上流動至熱管上部,遇到較冷的管壁放出汽化潛熱,冷凝成液體,液體工質薄膜在重力作用下,沿管壁流回蒸發段再蒸發,如此循環,把地基多年凍土中的熱量源源不斷地傳輸到大氣中。在溫暖季節,空氣溫度高于多年凍土溫度,液體工質蒸發的蒸汽到熱管上部后,由于管壁溫度較高,蒸汽不能冷凝,達到氣液相平衡后,液體停止蒸發,熱管停止工作(熱管的單向傳熱特性),這樣大氣中的熱量就不會通過熱管傳到多年凍土中。

4 工程措施的冷卻效果

4.1 熱棒在凍土路基中的冷卻效果

熱棒試驗段有兩處監測斷面,位于DK99+100和DK99+200。監測斷面所處已經退化的凍土濕地上,地形上屬于大通河的二級階地,距大通河河道約800 m遠。地表植被較好,遍布已經退化的凍脹草丘,積水坑較多。凍土年平均地溫在-0.98℃左右,屬于高溫不穩定多年凍土,凍土上限1.5 m左右,凍土含冰量10%～50%,屬于富冰～飽冰凍土。第四系松散層以礫砂、卵石土為主,厚度較薄,一般在10 m以內,下部即為強風化泥巖,凍土路基高度在2 m～3 m之間。該試驗段的熱棒在2008年1月中旬開始動工,2008年2月底完工,比較熱棒施工前后坡腳孔與天然孔同一水平位置的溫差可以初步判斷熱棒措施的效果。

表1 DK99+100斷面的溫差表

表1和表2列出了DK99+100斷面、DK99+200斷面坡腳孔與天然孔在熱棒施工前后的溫差對比。表1說明,在熱棒施工

片石通風路基試驗段的監測斷面位于DK114+730和DK114+800。試驗段正處于一個極發育的凍土斜坡濕地上,同時也是大通河的南岸階地上,距大通河河道約400 m,地形坡度較大,約8°。地表植被發育,凍脹草丘密布,分布有較多積水坑。凍土年平均地溫-1.3℃左右,屬于地溫基本穩定多年凍土,凍土上限在1 m左右,凍土含冰量極高,屬于含土冰層路段,地下發育有厚達0.5 cm～5 m的幾乎為純冰的含土冰層。第四系松散層的厚度變化較大,松散層底部為強風化泥巖。凍土路基高度在5 m以上,其中含有厚約1.2 m的通風片石層;兩處凍土路基走向一致,均為245°,即南偏西65°。該試驗段的片石通風路基在2008年2月上旬開始動工,2008年3月中旬完工。完成后,4 m以下的坡腳溫度正在不斷地向天然孔溫度靠近,這說明熱棒正在克服路基前期施工的擾動,使得路基下的地溫正在向原天然地溫場恢復。之所以在4 m以下出現這一趨勢,這可能與熱棒的工作原理有關。熱棒內部的工質在冷凝以后到達蒸發端的過程中,熱棒中間部分與外界的熱交換較少,冷凝工質主要靠底部的蒸發端來實現降溫,因此坡腳孔底部的降溫幅度要比上部的更加顯著。表 2則說明,在DK99+200斷面,整個坡腳孔在熱棒的作用下都產生了顯著的降溫,地溫場向天然狀態的恢復速度要比DK99+100斷面更快。斷面坡腳孔與天然孔溫差隨時間的變化結果足以說明,熱棒可以有效地降低凍土路基的溫度。

4.2 片石通風路基的冷卻效果

表 3和表 4列出了DK114+730斷面、DK114+800斷面坡腳孔與天然孔在片石通風路基施工前后的溫差對比。表3說明,片石通風路基對兩側坡腳的表層土正在發揮積極的冷卻作用。表4與DK114+730的分析結論一致,通風片石層同樣對表土層產生了降溫作用。

5 結語

根據上述分析結果,柴木鐵路賽諾和讓臺地所采用的片石通風路基以及熱棒措施都具有冷卻凍土路基的作用,都能起到較好甚至良好的工程效果,基本能滿足路基的穩定性要求。目前,采用熱棒措施的效果比較顯著,但是兩種措施最終的效能如何還需要進一步的觀測來確定。

表2 DK99+200斷面的溫差表

表3 DK114+730斷面的溫差表

表4 DK114+800斷面的溫差表