連續(xù)多年凍土區(qū)渠道凍土地基地溫觀測初步研究

韓洪武，鄭 鄖，李玉恩，穆彥虎，柴明堂

（1.青海省水利水電工程局有限責任公司，青海 西寧 810001； 2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010； 3.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

在多年凍土區(qū)進行工程建設(shè)，工程活動和構(gòu)筑物修筑將不可避免地改變地形、地貌、植被、地表水體、徑流等局地要素，進而打破地表能量平衡過程、引發(fā)下伏多年凍土熱狀況的顯著改變［1］。 作為一種特殊的巖土體，凍土的物理、力學(xué)、水力學(xué)等工程性質(zhì)表現(xiàn)出高度的溫度相關(guān)性，因此凍土的熱狀況是決定凍土地基承載力與變形以及上部結(jié)構(gòu)物長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素［2-4］。 通過科學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測，揭示和掌握工程建設(shè)和運營期間多年凍土地基熱狀況，對于工程構(gòu)筑物的安全運營、預(yù)測預(yù)警和科學(xué)維護至關(guān)重要［5］。

然而，受工程實踐需求引導(dǎo)，我國在重大凍土工程與多年凍土相互作用研究方面主要集中于交通工程領(lǐng)域，而對于水利工程與多年凍土的相互作用尚未開展系統(tǒng)深入的研究。 作為世界高海拔多年凍土分布的代表性區(qū)域，青藏高原同時也是我國三大湖泊分布區(qū)之一，其湖泊面積占全國湖泊總面積的50%以上［6-7］。近年來，在區(qū)域氣候變暖、變濕趨勢加劇背景下，區(qū)內(nèi)湖泊發(fā)育環(huán)境發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)了一系列與湖泊擴張相關(guān)的水患事件［8-12］，相關(guān)的治理工程建設(shè)在逐步開展。 由此，水利工程建設(shè)與多年凍土相互作用方面的研究工作日趨緊迫。

筆者針對高海拔連續(xù)多年凍土區(qū)某渠道工程，開展了工程區(qū)域多年凍土地溫現(xiàn)場觀測，并基于已經(jīng)獲取的地溫觀測數(shù)據(jù)，初步研究了工程開挖活動和過流水體對下部多年凍土的熱擾動規(guī)律和程度，以期為凍土區(qū)的水利工程建設(shè)和運維提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域與工程概況

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)屬于青藏高原連續(xù)多年凍土區(qū)（見圖1），區(qū)內(nèi)山高灘多，整體地勢西高東低，南高北低，并呈自西南向東北傾斜狀態(tài)。 大部分地區(qū)海拔在4 200 ～5 000 m 范圍內(nèi)，平均海拔在4 500 m 以上。 區(qū)內(nèi)為沖洪積高平原地貌，湖、塘遍布，植被稀疏，植被蓋度為5%～30%。 距離研究區(qū)域最近氣象站點1961—2018年氣象數(shù)據(jù)表明，該區(qū)域多年平均氣溫為-5.1 ℃，年平均降水量為313.8 mm。 近50 a 來，工程區(qū)氣候呈顯著暖濕化趨勢，其中氣溫上升速率為0.33 ℃／10 a，降水量增加速率為23.4 mm／10 a［13-15］。 局部河流狹窄地段為貫穿融區(qū)。 根據(jù)現(xiàn)場鉆探及相關(guān)資料，區(qū)域內(nèi)活動層厚度（季節(jié)融化層深度）為2 ～3 m，巖性大部分為含礫砂土及礫砂，呈散體狀。 2 m 以下的礫砂及含礫砂土大部分為整體構(gòu)造。 多年凍土以富冰凍土為主，局部為飽冰-含土冰層，多分布于多年凍土上限至5 m 深度范圍。

圖1 青藏高原多年凍土分布與研究區(qū)域

1.2 工程概況

在過去40 余a，受區(qū)域氣候暖濕化過程以及冰川退縮、多年凍土退化等因素影響，青藏高原地表水體（包括大型湖泊、熱融湖塘、積水）的面積和水量呈現(xiàn)顯著增加趨勢［16-18］。 高原地表水體的變化，不僅會顯著改變區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和水循環(huán)過程，而且會影響高原的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活以及基礎(chǔ)設(shè)施安全［19］。 在多年凍土區(qū)，地表水體作為典型局地要素之一，可顯著影響區(qū)域內(nèi)多年凍土的空間分布和熱狀況。 相較于靜止水體，流動水體具有強大的攜熱能力，可引發(fā)多年凍土活動層厚度的快速增大和下伏多年凍土層的快速升溫。 因此，對于工程構(gòu)筑物而言，工程周邊積水或徑流往往是多年凍土區(qū)工程病害的重要誘因［20］。

為消除研究區(qū)內(nèi)地表水體擴張對基礎(chǔ)設(shè)施的影響，通過人工開挖渠道方式將水體安全有序引流至下游已有河道。 對于多年凍土區(qū)而言，新建渠道工程施工過程中的開挖活動和后期流動水體可對下伏多年凍土產(chǎn)生強烈熱擾動，引發(fā)地基承載力劣化和工程穩(wěn)定性下降。 為減緩這一過程，渠道工程往往利用保溫材料來減少多年凍土的吸熱過程。 該工程采用了防水土工布、保溫材料和合金鋼絲籠等措施，以保證渠道溢口的長期穩(wěn)定性。

2 多年凍土地溫觀測方案

2.1 地溫觀測孔布設(shè)

為掌握溢口開挖和長期過流條件下，下伏多年凍土熱狀況的時空演化規(guī)律，在溢口上下游布設(shè)了系列多年凍土地溫觀測孔（見圖2）。 考慮到溢口結(jié)構(gòu)的對稱性，采用了半幅布設(shè)方式，同時由于主槽內(nèi)流水地溫孔布設(shè)難度大，因此沿副槽上、下游邊界布設(shè)地溫孔（上游、下游地溫觀測孔編號分別為S1 ～S7、X1 ～X7）。上游、下游地溫觀測剖面采用相同地溫孔間距，其中S1、X1 兩個孔位緊鄰主槽過水斷面邊緣，S2 ～S4、X2 ～X4 依次往外布設(shè)，孔位間距均為9 m。 S5、X5 孔位在上、下副槽邊緣，S6、X6 孔位距副槽邊緣5 m，S7、X7孔位距副槽邊緣15 m，均布設(shè)在天然場地上，用于地溫對比和溢口熱影響范圍的評估。

圖2 地溫觀測孔分布示意

地溫孔深度均為20 m，每個地溫孔內(nèi)布設(shè)32 個地溫測試傳感器。 考慮到開挖過程及長期過流對淺層多年凍土地溫的強烈影響，0 ～10 m 深度范圍內(nèi)地溫傳感器布設(shè)間距為0.5 m，10 m 深度以下間距為1 m。

2.2 測溫傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

地溫觀測采用高精度熱敏電阻溫度傳感器，其主要元器件為負溫度系數(shù)熱敏電阻，其電阻值隨溫度的升高而減小。 與熱電偶相比，熱敏電阻輸出信號強，對二次儀表的要求低，同時不需要冷端溫度補償，因此室內(nèi)和野外使用方便。 同時，因為是電阻測量，不受任何電磁干擾，對引線要求不高，所以使用一般導(dǎo)線作為引線即可［21］。 測溫傳感器主要技術(shù)指標：測溫范圍為-40～40 ℃；溫度分辨率負溫條件下為0.005～0.010 ℃，正溫條件下為0.01～0.03 ℃；測溫精度高于0.05 ℃。

地溫觀測數(shù)據(jù)采用美國Compbell Scientific 公司的數(shù)據(jù)采集儀自動采集，其工作溫度范圍為-40 ～70 ℃。該數(shù)據(jù)采集儀采用太陽能板加蓄電池聯(lián)合供電模式，可確保地溫數(shù)據(jù)的連續(xù)、正常采集。 通過無線傳輸模塊，可實現(xiàn)計算機遠程對數(shù)據(jù)采集儀的控制及數(shù)據(jù)查看、讀取和下載，方便及時掌握數(shù)據(jù)采集儀的工作狀態(tài)。 現(xiàn)場測溫傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和太陽能供電、無線傳輸模塊的安裝調(diào)試工作于2019 年11 月底完成，地溫監(jiān)測頻率為每4 h 一次。

3 地溫觀測結(jié)果及分析

3.1 地溫—深度分布規(guī)律

圖3 給出了2020 年2 月15 日上游7 個測溫孔和下游7 個測溫孔的地溫日平均值沿深度分布對比情況。 下游7 個測溫孔地溫沿深度分布規(guī)律較為一致，隨著深度的增加，地溫逐漸升高；至3 m 深度多年凍土頂板附近，即活動層底部，地溫達到最高值；隨著深度的進一步增加，地溫基本保持不變。 上游7 個孔位淺層地溫相差較大，尤其靠近主槽邊緣一側(cè)3 個孔位淺層地溫明顯較高，這與地溫孔施工后地表存在擾動有關(guān)。 但是，隨深度的進一步增大，上游地溫分布規(guī)律整體與下游情況一致。 通過下游、上游剖面7 個地溫孔的地溫對比來看，天然場地多年凍土溫度最低，越靠近主槽過水斷面，多年凍土地溫越高，監(jiān)測結(jié)果很好地反映了施工開挖過程和過水對下部多年凍土的熱影響。

圖3 下游和上游地溫監(jiān)測剖面各測孔地溫對比（2020-02-15）

3.2 淺層地溫變化過程

圖4 給出了上、下游3 個孔位2.0 m 深度地溫變化過程，3 個孔位分別為天然孔（S7、X7）、副槽邊緣孔（S4、X4）和主槽邊緣孔（S1、X1）。

從圖4（a）可以明顯看出，隨冬季環(huán)境氣溫降低，上游天然孔2.0 m 深度地溫不斷降低，并于2 月中旬前后達到最低值。 此后，隨著環(huán)境氣溫的逐步回暖，該深度地溫逐步升高。 與天然孔位明顯不同，上游槽內(nèi)兩個孔位的地溫并未隨環(huán)境氣溫的降低和逐步升高出現(xiàn)相應(yīng)的變化過程，表明副槽內(nèi)的積水和主槽內(nèi)的流水顯著影響了地-氣能量交換過程，靜止水體的熱容和相變潛熱及流動水體的強大攜熱能力很大程度上阻隔了淺層土體地溫對環(huán)境氣溫的響應(yīng)。

圖4 上、下游孔位2.0 m 深度地溫變化過程

圖4（b）下游3 個孔位2.0 m 深度地溫隨時間變化過程同樣存在上述規(guī)律。 與上游副槽邊緣孔位有所不同，下游副槽邊緣孔位地溫有一個較為明顯的降低過程，與環(huán)境氣溫存在著響應(yīng)關(guān)系，這主要與該孔位處副槽內(nèi)地面較高、水深較淺有關(guān)。 因此，通過上游S4和下游X4 孔位的對比，可以很好地反映副槽內(nèi)水體的深度對淺層地溫變化過程的影響。

3.3 多年凍土地溫對比

圖5 給出了上、下游7 個孔位6 m 和15 m 深度多年凍土地溫對比情況。 監(jiān)測期內(nèi)，這兩個深度的多年凍土地溫隨時間變化基本保持不變，因此這里給出的是監(jiān)測期內(nèi)的平均溫度。 可以看出，不論是上游還是下游，越靠近主槽邊緣，兩個深度的多年凍土地溫越高，反映了溢口開挖和主槽過水對下部多年凍土地溫的影響。

圖5 上游和下游孔位6 m 和15 m 深度多年凍土地溫對比

上游副槽內(nèi)S5、S4、S3 孔位6 m、15 m 深度的多年凍土地溫差異不大，同時與主槽邊緣孔位S1 的地溫接近，與上游4 個孔位內(nèi)的積水較多有關(guān)，反映了地表條件對下部多年凍土地溫分布的影響。 下游情況略有不同，自天然孔X7 開始，隨著孔位越靠近主槽，兩個深度的地溫越高。 這主要與下游副槽內(nèi)的積水情況有關(guān)，即下游副槽邊緣處積水較少，而越靠近主槽邊緣積水越深。 總體而言，溢口周邊多年凍土地溫的空間分布規(guī)律與工程實施后場地條件、積水深度及靠近主槽過水斷面的距離密切相關(guān)。

4 結(jié) 語

結(jié)合高海拔連續(xù)多年凍土區(qū)某渠道工程，重點針對溢口開展了工程開挖和主槽過水對下伏多年凍土的熱影響現(xiàn)場監(jiān)測研究。 首先簡要介紹了區(qū)域多年凍土的分布特征與工程概況，在此基礎(chǔ)上詳細介紹了溢口多年凍土地溫監(jiān)測系統(tǒng)組成和方法，并結(jié)合已獲取的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)詳細分析了溢口開挖及過水后地溫沿深度的分布情況、淺層地溫在冬季的變化過程及不同深度多年凍土的分布。

考慮溢口結(jié)構(gòu)對稱性和場地條件，建立了一套完整的溢口地溫觀測系統(tǒng)，包括上游、下游監(jiān)測剖面，每個剖面包括天然場地地溫孔、副槽地溫孔和靠近主槽過水斷面地溫孔共計7 個地溫孔，目前監(jiān)測系統(tǒng)工作正常。 通過上、下游監(jiān)測剖面及相應(yīng)地溫監(jiān)測孔的布設(shè)，能夠較好地掌握溢口工程施工和長期過水對下伏多年凍土的熱影響。

從已獲取的監(jiān)測結(jié)果來看，工程開挖、副槽內(nèi)積水和主槽過水對溢口下伏多年凍土產(chǎn)生了一定的熱影響。 觀測期正好為冬季，前期環(huán)境氣溫逐漸降低而后逐步開始回暖。 隨環(huán)境氣溫的變化，天然場地淺層地溫（以2 m 深度為例）經(jīng)歷了降低和升高兩個過程，與環(huán)境氣溫變化有較好的響應(yīng)關(guān)系。 但在副槽內(nèi)和主槽邊緣，受副槽積水和主槽過水影響，積水的熱容和相變成冰過程及流水的強大攜熱能力很大程度上阻斷了淺層地溫對氣溫季節(jié)波動的響應(yīng)。 從下部多年凍土（以6 m 和15 m 兩個深度為例）地溫的空間分布來看，天然場地多年凍土地溫最低，越靠近主槽多年凍土地溫越高，反映了溢口施工和后期過水對下伏多年凍土的熱擾動。

從對多年凍土熱狀況的擾動來看，溢口施工帶來的熱影響相對較快，而主槽過水的熱影響則相對較為緩慢。 但是，隨著工程運營時間的延長，過水過程對溢口周邊多年凍土的熱影響將持續(xù)發(fā)展，其發(fā)展速率則與過水的水深、流速、水溫、含鹽量等參數(shù)密切相關(guān)，同時與冷季、暖季等季節(jié)變化及槽內(nèi)水體的結(jié)冰過程與冰層厚度等因素有關(guān)。 考慮到多年凍土的強度與變形特性具有很強的溫度敏感性，隨著多年凍土地溫的升高和活動層厚度的增大，溢口面臨著沉降和差異沉降問題，影響其長期功能性和穩(wěn)定性。 因此，建議在開展溢口多年凍土地溫監(jiān)測的基礎(chǔ)上，同步開展渠道內(nèi)水深、流速、水溫、含鹽量等關(guān)鍵參數(shù)及結(jié)構(gòu)變形過程的觀測。 并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬手段，開展溢口下伏多年凍土熱狀況及其自身長期沉降變形的預(yù)測，為渠道工程的長期安全運營和后期科學(xué)維護提供依據(jù)。