柴木鐵路凍土沼澤濕地地區傾填片石路基的穩定性探討

應忠旺

(蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州730000)

柴達爾至木里鐵路，位于青海省東北部的剛察縣和天峻縣境內，與青藏鐵路西寧至格爾木段的哈爾蓋至柴達爾鐵路支線的柴達爾車站相接。地形上該鐵路線路主要走行于祁連山中東段的冷龍嶺與大通山之間的大通河上游谷地，區內地形相對平坦，坡度較為平緩，屬高原亞寒帶半干旱氣候區域。鐵路沿線區域海拔高度介于3 500～4 600 m，沿熱水(海拔3 600 m)、江倉(海拔3 800 m)至木里(海拔4 299 m)海拔逐漸抬升［1］，地表發育有大通河、江倉河、上下哆嗦河等河流，植被類型以高寒草甸和沼澤化草甸為主，氣候高寒，區內多年凍土廣泛發育，是典型的高山多年凍土分布區［2］。

柴木鐵路全長142 km，區間路基長度為119 km，全線多年凍土沼澤濕地段落約61處，總長約79 km。根據現場調查與工務部門的資料顯示，全線發生路基下沉的段落共計64處，均處于多年凍土沼澤濕地中。受全球氣候變暖，沼澤濕地退化，路基工程措施不當等因素的影響，路基的下沉量有逐年加大的趨勢［3］，對列車的運行安全造成了潛在的威脅。

1 柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地的現狀

柴木鐵路沿線地形平坦、地表水排泄不暢的高平原及山間谷地廣泛分布著凍土沼澤濕地，規模較大，一般為圓形、橢圓形，直徑數十米至數百米不等，沼澤濕地的巖性以第四系松散層細顆粒土為主，植被茂盛。在地質演化和氣候變遷背景下，受區域地理環境、地質構造、巖性、水文和海拔高程等因素的共同影響下，柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地下客觀存在著多年凍土。

沼澤濕地是過濕或淺積水環境與其發育的水成土壤及生物群所構成的地理綜合體，凍土是含水巖土的一種熱物理狀態，水分和負溫度場是其存在的必要條件［4］。沼澤濕地的多水及其結構的熱物理特性，必然要對其下的凍土產生重要影響，而凍土的融凍過程也對上部的沼澤施加作用，這兩種作用相輔相成［5］，也即凍土促進沼澤濕地發展，沼澤濕地保護了凍土［6］。

自20世紀70代以來，在全球氣候變暖的大趨勢下，脆弱的青藏高原多年凍土環境發生了深刻的變化，主要表現為多年凍土面積或厚度的減少，甚至有些多年凍土已消失。隨著多年凍土的退縮，也即多年凍土層上季節性活動層的增大，水位也隨之下降，在時空上受多年凍土嚴格控制的沼澤濕地隨即出現了退化［7］。資料表明，青藏高原高平原和寬谷地帶的多年凍土厚度減薄3～5 m，伴隨著多年凍土上限的下移，土壤水分含量明顯降低，沼澤草甸開始向高寒草甸演替，土壤層含水率降低，植被蓋度降低，沙漠化加劇。此外，因新構造的隆升運動和河流下切，導致區域地下水下墊面改變，地下水位一般都在1～2.5 m，均大于沼澤濕地發育地區地下水位的理想埋深1 m的要求，致使沼澤濕地中的熱融湖塘也隨之萎縮或消失［8］。

2 柴木鐵路傾填片石路基的結構特點

多年凍土層的頂板隔水作用和穩定的地表水和多年凍土層上水是凍土沼澤濕地形成和存在的基本條件。柴木鐵路沿線的凍土沼澤濕地正是具備這兩個基本條件而存在的。在季節融化層細顆粒土發育和賦水條件良好的凍土沼澤濕地地段修筑路基時，應充分考慮水分輸送的工程措施，而避免減弱水流量或改變水流方向的工程措施。

此外，實現凍土沼澤濕地路基穩定的原則主要有以下3點:

(1)凍土沼澤濕地路基基底具有足夠的承載力;

(2)路基本體填料與基底以下土體的凍脹融沉變形在可控范圍之內;

(3)防止暖季凍土沼澤濕地的地表水和多年凍土層上水流動不暢，對路基基底的多年凍土造成側向熱侵蝕，使上限下移。

基于凍土沼澤濕地存在的特點與鐵路路基的穩定原則，柴木鐵路在凍土沼澤濕地地段近53 km長的路基采用了傾填片石的結構形式，結構形式如圖1所示［9］。

圖1 柴木鐵路DK74+000凍土沼澤濕地傾填片石路基(單位:m)

傾填片石路基的作用主要表現為3點:

(1)通過在沼澤濕地上部傾倒片石的方式，增加了基底淤泥質土的承載力;

(2)大孔隙的透水作用，使沼澤濕地中路基兩側的水流通暢，不致單側積水而使路基下多年凍土發生不均勻融沉;

(3)外界空氣能夠在傾填片石內部孔隙中自由流通，即熱空氣上升冷空氣下降，起到了主動保護下伏多年凍土的目的。

合格的片石粒徑和厚度是保證路堤質量的前提。柴木鐵路的設計與修筑施工中，要求使用的片石無級配，粒徑在10～40 cm，個別不平整處，用細石塊找平，同時采用25t振動壓路機進行碾壓密實。對含水量過大、深度在2 m以內的潮濕土，通常挖去濕土而換填為適用的干土或挖方石渣、天然砂礫等，并分層壓實達到標準。在高含冰量多年凍土地段，片石厚度為1.2 m，孔隙率要求達到最大，且為保證下伏多年凍土層的長期穩定性，一般在路基兩側設1.0～2.0 m寬的護道［10］。

3 傾填片石路基的穩定性分析

3.1 基本穩定狀態分析

柴木鐵路凍土沼澤濕地傾填片石路基地溫場監測點始建于2007年10月，2008年5月完成了包括坡面在內的所有測溫元器件的埋設，當年6月下旬開始了部分斷面的數據采集工作。圖2、圖3、圖4分別為柴木鐵路凍土沼澤濕地傾填片石路基 DK94+340、DK94+660、DK94+900三個地溫監測斷面在2008年至2010年之間的上限變化對比曲線。

圖2 DK94+340監測斷面上限變化對比曲線

圖3 DK94+660監測斷面上限變化對比曲線

圖4 DK94+900監測斷面上限變化對比曲線

從圖2～圖4可以看出，天然地面下的多年凍土受全球氣候變暖與修筑鐵路時的熱擾動，上限埋深2009年～2010年較2008年～2009年均有所加大，加大深度為0.07～0.31 m。路基左側(陽側)與右側(陰側)比較時發現，各觀測斷面左坡腳、左路肩下的人為上限埋深2009年～2010年較2008年～2009年均有所加大，加大深度為0.01～0.40 m;而右路肩、右坡腳下的人為上限埋深則有所抬升或基本保持不動，最大抬升幅度為0.25 m。

此外，根據2011年、2012年工務部門的調查資料顯示，柴木鐵路凍土沼澤濕地段的傾填片石路基共64處發生了不均勻沉降變形，但最大累計下沉量為0.12 m，小于規范中不大于0.3 m的規定。目前柴木鐵路凍土沼澤濕地中的傾填片石路基總體上處于穩定狀態。

3.2 穩定趨勢推測與應對措施

受全球氣候變暖趨勢與傾填片石路基本身結構特點的影響，凍土沼澤濕地中傾填片石路基的長期穩定性存在著諸多不確定因素。

(1)全球氣候變暖趨勢的影響

全球氣候變暖已為地球氣候與環境變化不可逆轉的趨勢。研究發現，未來20年青藏高原厚度小于10 m的多年凍土將消失［8］。這就意味著青藏高原多年凍土將由片狀向島狀轉化，溝谷地帶及沖洪積平原上的大面積多年凍土厚度將減薄或消失，區域地下水位將因融區的逐漸擴大而下降，屆時沼澤濕地中土壤養分及水分含量將明顯降低，植被逐步退化，沼澤化草甸中的藏嵩草將向高山草甸中的矮嵩草、雜草過渡，也就意味著沼澤濕地將隨著多年凍土的退化或消失而萎縮乃至消失。

對于處于地球第三極——青藏高原中的柴達爾至木里凍土沼澤濕地來說，對全球氣候變暖的趨勢存在著敏感性與脆弱性，修筑于其上的鐵路路基，將會產生較大規模的沉降變形而失穩。

(2)傾填片石路基本身結構特點的影響

傾填片石路基基底的片石層易過水，受外來水的侵蝕，地基下多年凍土易產生熱融下沉，促使片石層下陷成為積水囊道，從而增加了水對地基下多年凍土的熱侵蝕。另一方面在上部荷載的作用下，片石易陷入地基土內，片石空隙被土體充填，使片石作用失效，如圖5所示。

圖5 傾填片石路基切入地基土中示意

水的熱侵蝕和片石層失效又反過來加大了多年凍土地基的熱融下沉。如此惡性循環，導致片石路基的片石層不斷下陷，產生較大沉降，致使路基整體失穩。

(3)應對措施

針對凍土沼澤濕地退化與傾填片石路基的結構特點，對路基的穩定性維護應采取如下所述的積極應對措施。

①采取熱棒、太陽能制冷裝置等主動降溫及保溫的附加措施增強地基土的凍結能力，抬升人為上限［11-12］。

②加強防排水設施和改善地表條件，消除因積水或排水不暢而使多年凍土退化所產生的融化下沉。

③對已經下沉的地段采取幫寬、設置護肩及擋砟墻來抬高道砟。

4 結語

(1)柴木鐵路凍土沼澤濕地中的傾填片石路基最大累計變形量為0.12 m，小于規范規定的不大于0.3 m的要求，當前總體上是穩定的。

(2)受全球氣候變暖、局域環境的變遷，以及受鐵路路基的熱擾動，柴木鐵路沿線凍土沼澤濕地在加速萎縮，下部多年凍土在加速退化，致使修筑于其上部的鐵路路基處于加速失穩狀態。

(3)為確保柴木鐵路凍土沼澤濕地中傾填片石路基的長期穩定與列車運營安全，應采取積極的應對措施。如，采取熱棒、太陽能制冷裝置等主動降溫及保溫的附加措施;同時，加強防排水設施和改善地表條件;對已經下沉的地段采取幫寬、設置護肩及擋砟墻來抬高道砟等。

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