青藏鐵路楚瑪爾河地區復合路基地溫狀況分析

劉 娟

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1 142 km，穿越連續多年凍土地區長度約550 km，是青藏鐵路建設面臨的主要地質問題[1]。凍土路基設計采用“冷卻路基”設計理念[2]，設置管道通風路基、片石氣冷路基、碎石護坡路基、片石氣冷及碎石護坡復合路基[3-4](以下簡稱“復合路基”)等保護多年凍土措施。基于楚瑪爾河地區復合路基(DK1043+500)，并對比一般路基(DK1052+000)分析復合路基結構保溫效果。

1 監測區基本條件

1.1 場地工程地質條件

監測區位于楚瑪爾河高平原，海拔4 500～4 700 m，地形平坦，地表植被較發育，熱融湖塘分布較多，分布有多冰凍土、飽冰凍土及厚層地下冰，凍土厚15～40 m，天然上限2.0～5.0 m，年平均地溫-1.0～-2.0 ℃，屬低溫基本穩定區(Ⅲ區)。

1.2 監測設備布設

地溫測試：于左右路肩、左右坡腳各設置1個測溫孔，測試深度約16 m；于路基坡腳20 m外設置1個地溫測試孔做為天然對比孔。

沉降測試：于左右路肩、坡腳各布置1個沉降觀測點；于路基坡腳50 m以外設置變形基準點。

每年2～12月份每月觀測2次，1月份觀測1次，本文分析的數據為2003年～2011年。

2 地溫分析

2.1 DK1052+000人為上限狀況及熱流分析

2.1.1 天然上限位置溫度狀況

圖1為DK1052+000天然上限深度(2.1 m)處的地溫隨時間變化情況，表1為天然上限深度處年平均溫度，由圖1、表1可知：

路基左側天然上限溫度在監測期間逐年升高，其中左坡腳于2003年夏季天然上限處溫度高于0 ℃，表明原多年凍土上部已經發生了融化，至2010年最高溫度達1.63 ℃，年平均溫度由2005年的-0.83 ℃升高至2010年的-0.18 ℃，說明天然上限深度處地溫顯著升高；

左路肩孔中天然上限溫度于2005年和2006年出現了正溫，即其下凍土出現了融化，至2007年有所下降，之后維持了相對穩定；2005年天然上限處平均地溫為-0.24 ℃，2006年為-0.17 ℃，之后又降至2010年的-0.26 ℃；

路基右肩孔和右坡腳孔內天然上限深度處溫度都在負溫范圍內波動變化，右路肩下孔內平均地溫基本保持在-1 ℃。右坡腳孔內天然上限地溫變幅大于右路肩孔；

對比該斷面路基左右兩側上限溫度變化，顯示由于陰陽坡效應造成的差異在天然上限深度處也表現的十分顯著。

圖1 DK1052+000天然上限處溫度隨時間變化曲線

℃

2.1.2 不同位置人為上限深度變化

1.以合同管理為主線，健全對外經濟交往管理制度體系。在對外經濟交往中，合同管理工作是主線，既是雙方經濟合作的前導，又是雙方履約和解決糾紛的依據。因此，應當對合同實行全過程管理。

圖2顯示了該斷面不同部位人為上限變化情況，其中左坡腳處人為上限深度變化緩慢、階段性增加；左路肩處早期人為上限深度大幅逐年增加(2007年前)，之后大幅減小；右路肩整體人為上限深度較淺(處于路堤填土中)，且呈進一步減小趨勢；右坡腳人為上限一直維持在1.8 m深度處。

圖2 DK1052+000人為上限深度變化情況

2.1.3進入多年凍土的熱流狀況[5-9]

路基下多年凍土的溫度變化和分布主要受地表熱交換及凍土地溫梯度或地熱流的影響，在研究地溫場變化和多年凍土的變化時需要計算進入凍土的熱流量，選取上限(2.1 m)及其下0.5 m深度作為熱流通量的計算區域。

根據熱傳導原理，垂直一維方向上進入上限至其下0.5 m深度范圍的熱流通量可以近似描述為

式中，qz為熱流通量，W·m-2；λu/f為填土融化和凍結時的導熱系數，W·m-1·K-1，根據實驗測定，λu=1.278(W·m-1·K-1)，λf=1.84 (W·m-1·K-1)；t為溫度，下標表示深度和上限；Δz=0.5 m。

利用(1)式將監測周期內的溫度數據進行計算得到表2。

表2 DK1052+000 2.5～3.0 m深度的熱量 kJ·m-2

表2表明，由于路基填土的熱影響， 一般填土路基， 路基左肩原地面下2.1～2.6 m深度一直經歷著吸熱過程，且吸熱幅度在2006年前呈逐年增加的趨勢，之后保持了相對的穩定；路基右肩下相同層位出現相對穩定的吸熱-放熱過程；左右坡腳下，深度2.1～2.6 m內同樣呈現吸熱-放熱過程，但左側熱交換幅度更大，且吸熱高于放熱。

監測段多年凍土的熱流量在路基左右側差異顯著：左坡腳和左路肩下多年凍土的熱收支都表現為吸熱，且左路肩下在監測期內都沒有發生過放熱過程；右路肩和右坡腳基本表現了吸熱和放熱量的平衡。這種熱量變化過程導致了上述多年凍土在路基左側的升溫現象。

2.2 DK1043+500復合路基人為上限狀況及熱流分析

2.2.1 天然上限位置溫度狀況

圖3為DK1043+500斷面各孔中天然上限深度處(2.0 m)地溫隨時間變化曲線，表3為各孔天然上限深度處年平均溫度，可以看出：

天然狀態下天然上限溫度呈現波動升高趨勢，最高溫度由2004年的-0.47 ℃升高至2009年的0.81 ℃，最低溫度變化不大；在路基左坡腳處，地溫顯著高于其他部位，2006～2007年間處于-3.58～3.59 ℃；左右路肩下天然上限深度處地溫都呈下降趨勢，其中左路肩下地溫呈緩慢近似線性變化，2003年最低溫度為-0.33 ℃，2010年降低為-0.89 ℃；右路肩下最高溫度由2003年的-0.6 ℃降低為2010年的-1.21 ℃，最低溫度由2004年的-1.63 ℃降低為2010年的-1.96 ℃。

圖3及表3反應了復合路基下原多年凍土上限深度處地溫呈下降趨勢，體現了復合路基片石層對冷卻下伏多年凍土的作用[10-11]。

圖3 DK1043+500天然上限處溫度隨時間變化曲線

2.2.2 不同位置人為上限深度變化

圖4表明：2003～2010年凍土人為上限深度由1.72 m降至2.33 m；路肩處人為上限位置在2003～2004年間呈顯著抬升趨勢，之后抬升幅度減小，其中左路肩2003～2010年抬升了2.54 m，至原地面上1.71 m；右路肩處2003～2010年間抬升了1.72 m，至原地面上2.71 m；左坡腳處上限深度大于天然孔上限，且呈緩慢加深趨勢，2006～2010年間上限位置增加了0.98 m。

表3 DK1043+500 天然上限深度處年平均溫度 ℃

圖4 DK1043+500人為上限深度變化情況

2.2.3 熱流狀況

2.0～2.5 m深度凍土中的熱流量列于表4中。數據顯示，天然孔和路基左坡腳孔中各年進入2.0～2.5 m深度范圍的熱量為正。右路肩孔年熱收支為負值的部位，即表現為放熱，且放熱量保持了相對穩定。原多年凍土這種熱交換變化過程及年熱收支狀況決定了其溫度的狀況，表現在溫度上為天然狀態下多年凍土的緩慢升溫，在路基下多年凍土緩慢降溫，體現了復合路基的工程效果[12]。

3 結論

(1)一般路基凍土天然上限深度處地溫除路基右肩處維持了相對穩定，年平均地溫基本保持在-1 ℃，其他部位地溫都有所升高，左坡腳處年平均地溫從2004至2010年升高了0.38 ℃，左路肩處年平均地溫從2004年至2006升高了0.35 ℃。路基左坡腳人為上限位置雖呈下降趨勢，但地溫增加的趨勢明顯，整體上地溫場朝著不利于穩定性的趨勢發展，該類路基難以起到全面保護多年凍土的作用。

(2)復合路基左右路肩下凍土天然上限深度處地溫都呈明顯降低趨勢，左路肩下年平均地溫由2004年的-0.44 ℃降至2010年的-0.88 ℃，右路肩下年平均地溫由2004年的-1.24 ℃降至2010年的-1.60 ℃。多年凍土人為上限位置都得到顯著抬升，目前處于近地表處或路堤填土范圍中。復合路基在降低地溫和維

護地溫場對稱性方面都具有顯著效果，能主動冷卻凍土路基，很好地保護多年凍土。

表4 DK1043+500 2.0～2.5 m深度的熱量 kJ·m-2

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