青藏鐵路高溫多年凍土區(qū)典型路基的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性研究

徐岳震， 申明德， 周志偉， 馬 巍， 李國(guó)玉

（1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

青藏鐵路是全球海拔最高和里程最長(zhǎng)的高原高寒地區(qū)鐵路，全線運(yùn)營(yíng)里程約1 925 km，格爾木-拉薩段約1 118 km，其中在海拔4 000 m 以上約965 km。青藏鐵路穿越高原多年凍土區(qū)達(dá)到632 km，包括：島狀、片狀不連續(xù)多年凍土區(qū)約82 km，大區(qū)域連續(xù)多年凍土區(qū)約550 km，其中高溫高含冰量多年凍土區(qū)約為355 km［1-4］。青藏鐵路在多年凍土區(qū)的安全運(yùn)行首要解決的問(wèn)題是保證高溫高含冰量?jī)鐾谅坊娜诔磷冃卧诳煽氐陌踩秶鷥?nèi)，相關(guān)“主動(dòng)冷卻路基”工程措施的目的就是確保多年凍土熱穩(wěn)定性，使得多年凍土上限不發(fā)生明顯下移，控制凍土地溫的升溫速率，避免多年凍土區(qū)路基產(chǎn)生過(guò)大的融化沉降變形和高溫凍土的蠕變沉降變形［5-9］。

青藏鐵路采用“主動(dòng)冷卻路基”思路積極保護(hù)多年凍土，利用塊碎石材料、通風(fēng)管、遮陽(yáng)棚（板）、熱棒等工程措施，通過(guò)調(diào)整和控制熱對(duì)流、太陽(yáng)輻射或熱傳導(dǎo)的思路，降低傳入路基內(nèi)部的熱量，避免路基下多年凍土溫度的升高［10-14］。其中，通過(guò)調(diào)控?zé)醾鲗?dǎo)換熱機(jī)制的塊石基底路基、塊石護(hù)坡路基、U型塊石路基在不同的路段被大量采用，三種類型的塊石路基結(jié)構(gòu)在青藏鐵路多年凍土區(qū)運(yùn)營(yíng)里程中占到了60%以上［15-17］：（1）塊石基底路基結(jié)構(gòu)是不同高度的路基填料層下鋪設(shè)一定厚度的塊石層基底；（2）塊石護(hù)坡路基結(jié)構(gòu)是指路基邊坡鋪設(shè)一定厚度的塊石層護(hù)坡；（3）U型路基結(jié)構(gòu)是綜合上述兩種路基結(jié)構(gòu)，在路基填料層下鋪設(shè)塊石層，在邊坡再鋪設(shè)一定厚度的塊石層護(hù)坡。塊石路基主動(dòng)降溫的原理主要是由于塊石層內(nèi)存在的強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流，基于冬季的空氣對(duì)流換熱作用和夏季的隔熱作用，可以有效地主動(dòng)冷卻塊石路基下的多年凍土層［18-20］。但也有研究表明，塊石路基在低溫凍土區(qū)的降溫效果較好，而在高溫多年凍土區(qū)降溫效果不太理想［21-23］。此外，青藏高原多年凍土區(qū)對(duì)近年來(lái)全球氣候變暖的響應(yīng)極其敏感，青藏高原凍土工程走廊內(nèi)線性工程的修筑和運(yùn)營(yíng)，又進(jìn)一步疊加了人類活動(dòng)對(duì)多年凍土地區(qū)溫度場(chǎng)的影響，并引起了廣大多年凍土區(qū)的漸進(jìn)退化，威脅到多年凍土區(qū)內(nèi)的青藏鐵路路基熱穩(wěn)定，尤其是位于高溫、富冰區(qū)的路基地段［4，24-28］。到目前為止，多年凍土區(qū)內(nèi)的青藏鐵路已建成并安全運(yùn)行了16 年以上。在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，多年凍土區(qū)內(nèi)未采取冷卻措施的某些普通路基路段，已出現(xiàn)路基下多年凍土加速退化的趨勢(shì)，特別是在高溫及富冰的多年凍土區(qū)［29-31］。對(duì)普通路基的維修補(bǔ)強(qiáng)措施主要以塊石護(hù)坡、護(hù)道為主，并在個(gè)別地段增設(shè)了熱棒，對(duì)路基下的多年凍土取得了一定的主動(dòng)降溫效果［32-34］。在青藏鐵路穿越的個(gè)別沙漠化較為嚴(yán)重的多年凍土區(qū)段，風(fēng)積沙堵塞了塊石路基的孔隙，降低了塊石結(jié)構(gòu)的孔隙率，影響了塊石結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)多年凍土溫度的能力［35-37］。此前已有大量文獻(xiàn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，分析了不同路基結(jié)構(gòu)的熱狀況［9，12，14，21-23］，但這些研究大多基于短期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后路基熱穩(wěn)定狀態(tài)的相關(guān)研究仍然較少，考慮到高溫凍土區(qū)內(nèi)的多年凍土對(duì)溫度變化的敏感性更高，因此，對(duì)于青藏鐵路高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的不同路基結(jié)構(gòu)，其在長(zhǎng)周期條件下的多年凍土路基熱穩(wěn)定性是迫切值得關(guān)注的問(wèn)題。

本文基于青藏鐵路長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取的長(zhǎng)達(dá)15年完整周期的地溫監(jiān)測(cè)資料（2006—2020年），分別選取了高溫多年凍土區(qū)內(nèi)三個(gè)典型路基結(jié)構(gòu)斷面（普通路基、U型塊石路基、塊石護(hù)坡路基）的地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析和討論了15年間三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的溫度場(chǎng)、年平均地層溫度和年最高地層溫度的長(zhǎng)期演化規(guī)律以及引起相應(yīng)變化的主要原因，旨在加深對(duì)高溫多年凍土區(qū)內(nèi)這幾類路基長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)，為青藏鐵路多年凍土區(qū)路基的維護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)提供科學(xué)依據(jù)及指導(dǎo)意見。

1 監(jiān)測(cè)斷面介紹

選用青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)內(nèi)的三個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（圖1 中P17、P30、P43）均位于高溫多年凍土區(qū)，年平均地溫高于 -1 ℃，且含冰豐富，為飽冰、富冰凍土（以體積含冰量iv劃分，20%＜iv≤30%，富冰凍土；30%＜iv≤50%，飽冰凍土［38］）。其中P17 斷面位于二道溝西段谷地坡腳，P30 斷面位于布曲河西岸階地，P43 斷面位于多年凍土南界附近的托居谷地西側(cè)斜坡，監(jiān)測(cè)斷面具體信息如表1。監(jiān)測(cè)斷面的路基結(jié)構(gòu)是青藏鐵路最常見的三種典型路基結(jié)構(gòu)形式，即普通路基（P17 斷面）、U 型塊石路基（P30 斷面）以及塊石護(hù)坡路基（P43斷面）。從3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的路基走向來(lái)看，路基左側(cè)對(duì)應(yīng)陽(yáng)坡側(cè)，右側(cè)對(duì)應(yīng)陰坡側(cè)（路基左右側(cè)是以格爾木到拉薩的方向定義）。U型塊石路基斷面，基底為厚度1.0 m、粒徑25～30 cm的塊石層，左右兩側(cè)護(hù)坡厚度分別為1.2 m、0.7 m，碎石粒徑10～15 cm。塊石護(hù)坡路基斷面，左右兩側(cè)護(hù)坡厚度分別為1.0 m、0.8 m，碎石粒徑10～15 cm。路基邊坡坡率為1∶1.5，在歷年維修中，U 型塊石路基及塊石護(hù)坡路基的左右側(cè)補(bǔ)強(qiáng)了寬度2～3 m、粒徑25～30 cm 的塊石護(hù)道，具體維修時(shí)間不詳，由于未發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)塊石護(hù)道導(dǎo)致的左、右路肩地溫變化規(guī)律的異常，故在分析這三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，仍按原路基結(jié)構(gòu)分析各孔的地溫變化規(guī)律。

表1 監(jiān)測(cè)斷面信息Table 1 The information of the observation profiles

圖1 青藏鐵路及三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位置Fig.1 Qinghai-Tibet Railway and the selected observation profiles

三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均布設(shè)了天然場(chǎng)地、左路肩和右路肩3 個(gè)測(cè)溫孔，其測(cè)溫孔布設(shè)位置如圖2 所示，其中天然場(chǎng)地測(cè)溫孔距路基左坡腳的垂直距離為20 m，天然場(chǎng)地測(cè)溫孔深度為18 m，左、右路肩測(cè)溫孔深度均為20 m。三個(gè)測(cè)溫孔的溫度探頭自地表到10 m 深度每隔0.5 m 布設(shè)一個(gè)，10 m 深度以下每隔1.0 m 布設(shè)一個(gè)，溫度探頭采用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的熱敏電阻，測(cè)量精度為±0.05 ℃，溫度數(shù)據(jù)的記錄采用DT500 型自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)溫頻率為每日1 次。目前已積累了2005 年10 月—2021 年1 月總計(jì)15 年完整周期的長(zhǎng)期連續(xù)地溫監(jiān)測(cè)資料。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面地溫孔布設(shè)示意圖Fig.2 Layout of the ground temperature boreholes at observation profile

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 地溫整體變化

圖3分別為三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面左右路肩及天然孔的地溫等溫線圖，路基左右路肩地溫孔深度自路基表面算起，天然地溫孔深度自天然地表算起，以下各圖的孔深計(jì)算點(diǎn)無(wú)特殊說(shuō)明的均依照此規(guī)定。

如圖3（a）所示，普通路基左路肩孔的年最大融化深度在2014 年之前增速較為緩慢，自4.8 m 增加至5.6 m，在2015 年后由于年最大凍結(jié)深度不能到達(dá)年最大融化深度位置，該深度土層出現(xiàn)融化夾層［39-42］，隨著融化夾層的出現(xiàn)，導(dǎo)致其下的多年凍土加速退化，截至2020年，6年時(shí)間內(nèi)最大融化深度自5.6 m 增加至6.8 m。右路肩孔的年最大融化深度在2014 年之前變化與左路肩基本一致，自4.4 m 增加至5.6 m，在2014 年之后融化速率增大，至2020年，6 年時(shí)間內(nèi)最大融化深度自5.6 m 增加至6.4 m，增大速率略低于左路肩孔。天然孔的年最大融化深度在2016 年前基本保持在4.0 m 深，在2016 年之后逐漸增加，至2020 年約4.8 m 深，同時(shí)4.0～6.0 m 深度的地溫相對(duì)之前的年份有升高的趨勢(shì)。分析認(rèn)為2014 年之后左右路肩孔融化速率增大的原因與融化夾層的出現(xiàn)有關(guān)。考慮到該路基斷面高度僅為0.9 m，這表明由于路基工程及運(yùn)營(yíng)的熱擾動(dòng)影響，普通路基斷面下的多年凍土人為上限已略低于原天然凍土上限，這不利于路基的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定。值得注意的是，左路肩的融化深度始終大于右路肩的融化深度，其差值除了鐵路運(yùn)營(yíng)第一年（2006 年）達(dá)到1.0 m 以外，其他年份均小于0.5 m，陰陽(yáng)坡效應(yīng)［43-47］對(duì)左右路肩融深差異的影響不顯著。

圖3 三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的等溫線圖Fig.3 Isothermals of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖3（b）所示，對(duì)于U 型塊石路基，左路肩在2015年之前其最大融化深度基本保持在5.6～6.0 m之間，2015 年之后最大融化深度略微減小，保持在4.4～5.5 m 之間。右路肩各年份的最大融化深度基本保持在約4.2～4.5 m 之間，相同年份下右路肩的最大融化深度始終小于左路肩。天然孔2006—2013 年的最大融化深度保持在2.4～4.0 m 之間，2012年后融化速度變快，2014年后的數(shù)據(jù)缺失。考慮到該斷面路基高度為5.7 m，這表明U 型塊石路基對(duì)多年凍土溫度場(chǎng)的主動(dòng)降溫效果明顯，人為多年凍土上限已提升至路基本體內(nèi)，但是陰陽(yáng)坡效應(yīng)使得左右路肩下部地溫出現(xiàn)較為明顯的差值。

如圖3（c）所示，塊石護(hù)坡路基左路肩在2005—2012 年以及2015—2018 年兩個(gè)連續(xù)時(shí)間段出現(xiàn)了融化夾層，最大融化深度在7.2～8.2 m，最大凍結(jié)深度始終在多年凍土上限之上，且保持了1.0～2.0 m的深度差距。由于塊石護(hù)坡以及后期維修增加的塊石護(hù)道的存在，導(dǎo)致左路肩下多年凍土的融化速度沒有因?yàn)槿诨瘖A層的出現(xiàn)而變快，這與普通路基略有區(qū)別。而右路肩的最大融化深度保持在4.7～5.3 m 之間，且沒有出現(xiàn)融化夾層。天然孔的最大融化深度有逐年增加的趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)在2016年之后較為明顯，最大融化深度維持在3.2～4.6 m。考慮到該斷面路基高度為7.0 m，這表明塊石護(hù)坡路基下的人為多年凍土上限有一定程度提升，右路肩下的人為多年凍土上限已提升至路基本體內(nèi)。綜合對(duì)比左右路肩和天然孔的地溫等溫線表明，塊石護(hù)坡路基對(duì)控制多年凍土上限的退化具有一定作用，但是陰陽(yáng)坡效應(yīng)降低了塊石護(hù)坡路基的降溫效果。

2.2 年平均地層溫度變化

圖4 分別為15 年間三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面左右路肩及天然孔不同深度的年平均地層溫度曲線，整體可以看出，淺部地層年平均溫度變化幅度較大，這里我們重點(diǎn)關(guān)注0 ℃年平均地層溫度在地層中的位置及不同地溫孔淺部地層的地溫狀態(tài)。

圖4 三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面年平均地層溫度Fig.4 Mean annual ground temperature of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖4（a）所示，普通路基斷面左右路肩和天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在6.5 m、6.0 m 和4.0 m處，且三處0 ℃年平均地層溫度所對(duì)應(yīng)的地層深度在15 年中基本沒有變化。左路肩和天然孔的年平均地層溫度最大值出現(xiàn)在0～1.5 m 深的近地表，該深度地層的年平均溫度在2006 年時(shí)最高，在2006—2008 年下降迅速，2008 年之后基本穩(wěn)定。右路肩近地表層的年平均溫度在2006—2008 年下降迅速，在2008—2012 年趨于穩(wěn)定，2012 年后出現(xiàn)波動(dòng)上升，由于普通路基斷面高度僅0.9 m，右路肩年平均地層溫度最大值對(duì)應(yīng)的地層深度約為1.0～1.5 m，再結(jié)合此路基的工程實(shí)際，右路肩近地表層的年平均溫度的異常波動(dòng)可能與該側(cè)的側(cè)向水熱擾動(dòng)有關(guān)，未來(lái)可通過(guò)獲取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)等方式進(jìn)一步開展相關(guān)研究。對(duì)比來(lái)看，排除近地表3 m 內(nèi)年平均地層溫度異常的情況，3 m 以下年平均地層溫度變化速率隨深度增加而減小，以3 m 深地層的年平均溫度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值最高不超過(guò)0.93 ℃，經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，說(shuō)明普通路基下的土層經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的溫度調(diào)整后，并不能保持地溫的穩(wěn)定性。左右路肩年平均地層溫度差值最高不超過(guò)0.8 ℃，經(jīng)歷了一個(gè)先增加后穩(wěn)定的過(guò)程，說(shuō)明路基邊坡熱效應(yīng)導(dǎo)致的陰、陽(yáng)坡路肩淺層地溫差異不明顯，這或與該截面較低的路基高度有關(guān)。

如圖4（b）所示，在2006 年初，U 型塊石路基斷面左右路肩及天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在6.0 m、2.5 m 和1.5 m處，15年間各孔0 ℃年平均地層溫度變化差異較大。左路肩0 ℃年平均地層溫度所對(duì)應(yīng)的地層深度，近15 年以來(lái)沒有明顯變化，基本保持在6 m 深度。左路肩年平均地層溫度大于0 ℃的深度范圍內(nèi)，除2018 年和2020 年數(shù)據(jù)變化波動(dòng)較大，其他年份6 m 深度范圍內(nèi)的年平均地層溫度變化波動(dòng)較小，均在0.5～2.5 ℃范圍內(nèi)變化。對(duì)于右路肩0 ℃年平均地層溫度，對(duì)應(yīng)的深度在0～2.5 m 之內(nèi)，值得注意的是2006 年地表層年平均溫度在6.3 ℃，而其他年份的地表層平均溫度均在0～-4 ℃范圍內(nèi)，這是由于青藏鐵路運(yùn)營(yíng)前的工程施工熱擾動(dòng)對(duì)路基地表層的影響還較為顯著所致。對(duì)于天然孔，由于2014 年之后的數(shù)據(jù)缺失，圖中只給出了2006—2014 年的年平均地層溫度數(shù)據(jù)。2006 年的0 ℃年平均地層溫度對(duì)應(yīng)深度為1.5 m，除了2007 年、2009 年和2014 年出現(xiàn)某一深度地層年平均溫度超過(guò)0 ℃以上，其他年份所有深度的年平均地層溫度均小于0 ℃。對(duì)比來(lái)看，盡管不同年份4 m 以上深度年平均地層溫度數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)，但是在4 m 以下深度的年平均地層溫度數(shù)據(jù)變化較有規(guī)律。對(duì)于4～8 m 深度土層，同等深度的年平均地層溫度，左路肩高于天然孔，天然孔高于右路肩，溫差隨深度增加而減小。考慮該斷面的路基高度為5.7 m，以6 m 深度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值自2006 年的0.50 ℃逐漸降低至2014年的0.34 ℃，左右路肩年平均地層溫度差值自2006年的0.60 ℃逐漸增加至2020 年的0.91 ℃，這表明U型塊石路基結(jié)構(gòu)對(duì)路基下的淺部土層主動(dòng)降溫效果明顯，但對(duì)路基陰、陽(yáng)坡路肩下的土體溫差調(diào)節(jié)效果較差，這可能與兩側(cè)塊碎石護(hù)坡的碎石粒徑及鋪設(shè)厚度等有關(guān)系。

如圖4（c）所示，在2006 年初，塊石護(hù)坡路基斷面左右路肩及天然孔的0 ℃年平均地層溫度分別在7.5 m、3.0 m和1.5 m處，15年間左路肩7.5 m以上深度的年平均地層溫度在-0.75～1.6 ℃之間波動(dòng)，而7.5 m 以下深度的年平均地層溫度均在-0.75～0 ℃小范圍波動(dòng)。右路肩在近地表1 m 深度范圍內(nèi)不同年份的年平均地層溫度波動(dòng)較大，特別是地表層從2006 年的-2.0 ℃升溫至2020 年的9.2 ℃。天然孔3.5 m 深度以下所有年份的年平均地層溫度均在0 ℃以下，而在3.5 m 深度以上2016—2020 年之間的年平均地層溫度明顯高于其他年份的年平均地層溫度，且在同一深度（約0.5 m）出現(xiàn)年平均地層溫度峰值，結(jié)合文獻(xiàn)［48］中的氣象數(shù)據(jù)，這或與近年來(lái)的氣候變暖有關(guān)。考慮該斷面的路基高度為7.0 m，以7.0 m 深度地層的年平均溫度為例，左路肩和天然孔年平均地層溫度差值自2006 年的0.36 ℃逐漸降低至2020年的0.11 ℃，左右路肩年平均地層溫度差值自2006 年的0.12 ℃逐漸增加至2020 年的0.46 ℃，這表明塊石護(hù)坡路基結(jié)構(gòu)對(duì)路基下淺部土層具有一定的降溫效果，但對(duì)陰陽(yáng)坡效應(yīng)造成的淺部土層溫差增大的情況同樣不能有效控制。

為進(jìn)一步對(duì)比和分析三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面深部土層年平均地層溫度的發(fā)展變化趨勢(shì)，圖5 給出了三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面左右路肩以及天然孔15 m 深度的年平均地溫變化曲線。如圖5（a）所示，普通路基左路肩年平均地溫在2006 年略低于右路肩0.025 ℃，隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，左路肩年平均地溫增長(zhǎng)速率高于右路肩，至2020 年左路肩年平均地溫略高于右路肩0.027 ℃。值得注意的是，到了2020 年左右路肩以及天然孔的年平均地溫值基本接近吻合，最大差值為0.028 ℃。一般而言，地溫梯度在凍土層上部為負(fù)，下部為正（規(guī)定地溫隨地層深度增加時(shí)為正，反之為負(fù)）［49］，即凍土地溫在某一深度的年平均地層溫度最小，在此深度以下的年平均地層溫度隨深度增加而增加，這里選取的路基左右路肩孔15.0 m 深度（深度起算點(diǎn)為路基表面）對(duì)應(yīng)天然孔14.1 m深度（天然孔深度起算點(diǎn)為天然地表，路基高度0.9 m），因此，在2006 年初期，天然孔15.0 m 深度的年平均地溫要高于路基左右路肩孔15.0 m 深度的年平均地溫。鐵路的施工及運(yùn)營(yíng)給路基下的凍土帶來(lái)了新增熱擾動(dòng)，隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，這種熱擾動(dòng)由路基淺部土層傳遞到深層凍土，表現(xiàn)為路基左右路肩孔15.0 m 深度年平均地溫的增長(zhǎng)速率高于天然孔的增長(zhǎng)速率，且左路肩增長(zhǎng)速率高于右路肩。

圖5 三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面年平均地溫變化Fig.5 The variations of mean annual ground temperature in the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖5（b）所示，U 型塊石路基左右路肩的年平地溫均保持在-0.43～-0.67 ℃之間，而天然孔的年平均地溫始終保持較高水平，從2006 年的-0.33 ℃到2012年的-0.29 ℃。左路肩年平均地溫增速與天然孔的年平均地溫增速基本持平，而右路肩年平均地溫增速略小于左路肩，這表明地表陰陽(yáng)坡效應(yīng)對(duì)路基溫度場(chǎng)的影響在15 m 深處仍然有體現(xiàn)。盡管此斷面2012年之后的天然孔年平均地溫?cái)?shù)據(jù)缺失，但是對(duì)比圖中三個(gè)地溫孔的年平均地溫?cái)?shù)據(jù)，仍然可以看出U型塊石路基對(duì)于路基下多年凍土溫度場(chǎng)的控溫效果明顯，在青藏鐵路運(yùn)營(yíng)達(dá)15年后，U型塊石路基對(duì)路基下土層的降溫效果依然有效。

如圖5（c）所示，塊石護(hù)坡路基在運(yùn)營(yíng)的15 年中，左右路肩的年平均地溫差始終保持在0.03 ℃以上，其陰陽(yáng)坡效應(yīng)較為明顯。值得注意的是，從2007年到2016年，左右路肩年平均地溫均出現(xiàn)了先增大（2007—2011 年）后減小（2011—2016 年）的特征，兩階段左右路肩的年平均地溫差值規(guī)律基本與此保持相同趨勢(shì)，這表明深部土層受陰陽(yáng)坡效應(yīng)等外部環(huán)境的影響也是同步的。此外天然孔年平均地溫始終與左路肩的年平均地溫大體一致，表明在鐵路施工和運(yùn)營(yíng)的初期，塊石護(hù)坡路基就對(duì)凍土起到了保溫作用，且隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，塊石護(hù)坡路基與天然場(chǎng)地15 m 深度處地層的年平均地溫始終保持著大體一致，對(duì)路基下的多年凍土具有一定的保溫效果。

2.3 多年凍土上限變化

圖6 分別為三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各地溫孔15 年來(lái)的年最高地層溫度曲線圖，選取地層每一深度每年出現(xiàn)的年最高溫度，作為反映多年凍土上限變化的參考。如圖6（a）所示，普通路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩從2006 年的5.7 m 下降到2020 年的6.5 m；右路肩從2006 年的4.7 m 下降到2020 年的6.3 m。與左路肩相比，盡管青藏鐵路運(yùn)營(yíng)的第一年（2006 年）人為多年凍土上限深度有1.0 m 的差距，但是在運(yùn)營(yíng)15 年以后人為多年凍土上限深度只有0.2 m 的差值。對(duì)于天然孔，在2006—2020 年之間，天然多年凍土上限由4.0 m 下降到4.7 m。對(duì)比來(lái)看，該斷面的左右路肩人為多年凍土上限深度已低于原天然上限0.7～0.9 m（路基高度0.9 m），且左路肩人為多年凍土上限以下土層的年最高地層溫度持續(xù)高于天然場(chǎng)地相同深度土層的年最高地層溫度，這再一次說(shuō)明高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的普通路基不能保持路基下多年凍土的熱穩(wěn)定性。

圖6 三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面年最高地層溫度Fig.6 Maximum ground temperature of the three observation profiles：traditional embankment（a），U-shaped crushed rock embankment（b），crushed rock revetment embankment（c）

如圖6（b）所示，U 型塊石路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩由2006 年的6.3 m 下降到2020 年的6.5 m，15 年間僅下降了0.2 m；右路肩由2006 年的4.5 m 抬升至2020 年的4.3 m，15 年間上限保持穩(wěn)定，甚至抬升了0.2 m，右路肩的人為多年凍土上限深度高于左路肩約2 m。天然孔多年凍土上限深度由2006 年的2.5 m 下降到2011 年的2.8 m，下降速度較為緩慢，但可以發(fā)現(xiàn)，2012—2013 年這兩年時(shí)間內(nèi)，多年凍土上限由2.8 m 下降到3.9 m，結(jié)合文獻(xiàn)［48］中的氣象數(shù)據(jù)，這或與部分年份的外界氣溫偏高有關(guān)。對(duì)比來(lái)看，高溫多年凍土區(qū)內(nèi)U 型塊石路基斷面對(duì)路基下多年凍土的主動(dòng)降溫效果明顯，但左右路肩下的人為多年凍土上限差異過(guò)大的問(wèn)題不容忽視。

如圖6（c）所示，塊石護(hù)坡路基人為多年凍土上限深度變化情況為，左路肩由2006 年的8.6 m 抬升至2020 年的6.8 m，這表明塊石護(hù)坡路基對(duì)多年凍土上限的抬升起到了積極作用；右路肩2006 年為5.5 m，2020 年抬升至5.2 m，值得注意的是該側(cè)地表年最高地層溫度從2006 年的10.5 ℃增長(zhǎng)到2020年的27.5 ℃，但這17 ℃的溫度增加對(duì)該側(cè)人為多年凍土上限深度的影響并不大，同樣說(shuō)明了塊石護(hù)坡路基對(duì)保護(hù)多年凍土的有效性。天然孔2006 年的多年凍土上限深度為3.4 m，至2020 年下降到4.4 m，這與左右路肩人為多年凍土上限深度的上升成相反的變化趨勢(shì)。對(duì)比來(lái)看，15 年間塊石護(hù)坡路基左路肩的人為多年凍土上限抬升顯著，右路肩略有上升，但天然孔卻有明顯下降，同時(shí)左右路肩的人為多年凍土上限深度差值減小。以上分析表明，塊石護(hù)坡路基對(duì)路基下凍土層起到了一定的主動(dòng)控溫作用，且縮小了路基左右側(cè)人為多年凍土上限差值。

3 結(jié)論

本文對(duì)2006—2020 年青藏鐵路運(yùn)營(yíng)15 年中，高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的三種典型路基結(jié)構(gòu)（普通路基結(jié)構(gòu)、U 型塊石路基結(jié)構(gòu)、塊石護(hù)坡路基結(jié)構(gòu)）的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，得到以下主要結(jié)論：

（1）隨著運(yùn)營(yíng)年份的增加，普通路基的人為多年凍土上限略低于原天然凍土上限，左右路肩的融深差值不明顯。U型塊石路基和塊石護(hù)坡路基左右路肩的人為多年凍土上限均已抬升至路基本體內(nèi)，左右路肩的融深差值在1.0～1.5 m。

（2）綜合三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面年平均地層溫度的長(zhǎng)期變化情況可以看出，高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的普通路基左右路肩下凍土層的年平均地層溫度增長(zhǎng)速率高于天然場(chǎng)地同深度凍土層的增長(zhǎng)速率，普通路基下的多年凍土不能保持長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性；U 型塊石路基對(duì)其下的多年凍土主動(dòng)降溫效果明顯，但左右路肩下的地溫差異不可忽視；塊石護(hù)坡路基對(duì)其下的多年凍土具有一定的主動(dòng)降溫效果，左右路肩下的地溫差異要小于U型塊石路基。

（3）整體來(lái)看，在全球氣候變暖的背景下，青藏高原高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的天然場(chǎng)地經(jīng)歷了多年凍土上限下降和不同深度地層溫度上升的凍土退化過(guò)程，疊加可能出現(xiàn)的路基側(cè)向水熱擾動(dòng)，高溫多年凍土區(qū)內(nèi)的青藏鐵路普通路基需要采取增設(shè)塊石護(hù)坡等補(bǔ)強(qiáng)措施，才能保持路基下多年凍土的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，U 型塊石路基及塊石護(hù)坡路基雖然具有主動(dòng)降溫效果，但其左右路肩下的地溫差異仍需引起重視，可在路基左右兩側(cè)增設(shè)不對(duì)稱的熱棒，以消除路基下地溫場(chǎng)左右不均勻分布的問(wèn)題。