多年凍土區熱融湖塘狀態及侵蝕路基病害防治措施

摘 要：近年來，隨著氣候變暖和青藏高原降水的逐年增加，青藏鐵路沿線的熱融湖塘數量和面積也明顯增加，開始影響青藏鐵路路基安全。通過現場調查和統計分析，對青藏鐵路多年凍土的熱融湖塘發育狀態和應對措施進行研究，研究結論包括，隨著氣候變暖和青藏高原降水的逐年增加，青藏鐵路沿線的熱融湖塘數量和面積也明顯增加，且離路基越來越近；青藏鐵路路基兩側20 m范圍內發育熱融湖塘14處，部分熱融湖塘已延伸至路基坡腳，嚴重影響地基多年凍土的穩定，進而影響路基穩定性；對影響鐵路路基安全的2處典型熱融湖塘進行分析，提出包括地表水、地下水雙隔離及太陽能熱棒增強凍土穩定性的措施。

關鍵詞：青藏鐵路；多年凍土區；熱融湖塘；應對措施；路基

中圖分類號：U216.41 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0110-04

Abstract： In recent years， with the climate warming and the annual increase of precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau， the number and area of hot-melt lakes and ponds along the Qinghai-Tibet Railway have also increased significantly， which began to affect the safety of the Qinghai-Tibet Railway roadbed. Through on-the-spot investigation and statistical analysis， the development status and countermeasures of hot-thawed lakes and ponds in permafrost of Qinghai-Tibet Railway are studied. The conclusions include： With the warming of climate and the increase of precipitation on the Qinghai-Tibet Plateau year by year， the number and area of hot-thawed lakes and ponds along the Qinghai-Tibet Railway also increase obviously， and they are getting closer and closer to the roadbed. There are 14 thermal thawing lakes and ponds developed within 20 m on both sides of the Qinghai-Tibet railway roadbed， and some of them have been extended to the foot of the roadbed slope， which seriously affects the stability of permafrost and roadbed. Two typical thermal thawing lakes and ponds that affect the safety of railway roadbed are analyzed， including the double isolation of surface water and groundwater and the measures of solar heat rod to enhance the stability of permafrost.

Keywords： Qinghai-Tibet Railway; permafrost region; thermal thawing lakes and ponds; countermeasures; roadbed

熱融湖塘是指多年凍土層中地下冰層融化以后的融水和地表水滲浸進入或匯聚于洼地形成的湖塘，也稱其為熱喀斯特湖塘[1]。研究表明，受熱融湖塘熱侵蝕的影響，分布于邊緣的多年凍土溫度會顯著升高，上限也明顯增大，同時對深部多年凍土溫度和厚度有較大的影響[2]。因此，熱融湖塘湖底及邊緣融化層的形成和發展，會對局部多年凍土層的理化性質及地貌形態產生非常重要的影響，從而引起多年凍土的加速退化[3-6]。監測發現，熱融湖塘邊緣的地溫逐年升高，其升高速率明顯大于天然升溫狀態[7]。當熱融湖塘邊緣因多年凍土退化而接近路基時，會對多年凍土路基產生側向的熱侵蝕影響。高溫融化層不斷向路基下低溫多年凍土傳輸熱量，從而使路基下多年凍土溫度升高，造成多年凍土承載力下降，在路基路面表現出下沉或開裂，會嚴重影響多年凍土區建筑物的性能。

近年來，青藏高原的熱融湖塘不斷發育，研究表明[8]2000—2018年青藏高原大于1 000 m2的熱融湖塘數量增加了70 537處，面積增加了1 321.16 km2，平均每年增加73.40 km2。青藏鐵路多年凍土段的熱融湖塘也在不斷變化，本文結合運營以來的多次調查，對青藏鐵路多年凍土區的熱融湖塘發育現狀進行研究，針對熱融湖塘對鐵路路基穩定性的影響進行了評價，并對典型熱融湖塘病害提出了應對措施。

1 青藏鐵路多年凍土區熱融湖塘發育現狀

1.1 青藏鐵路沿線熱融湖塘分布現狀

基于2號遙感影像解譯及現場調查，對青藏鐵路沿線（青藏鐵路兩側各20 km范圍）熱融湖塘進行統計分析，共發現熱融湖塘34 915處（圖1），其面積從17.6 m2至944 600 m2不等。

這些熱融湖塘的總面積為187.6 km2，占整個走廊總面積的8.3%。經過統計，距離青藏鐵路路基兩側各50 m范圍內共有熱融湖塘169處，這些熱融湖塘隨著時間的推移，預計未來30～50年可能會對路基產生影響，目前影響較小。

1.2 運營以來青藏鐵路沿線熱融湖塘發育特征

統計運營以來對青藏鐵路沿線熱融湖塘數量的調查結果見表1，由表1可以看出，運營初期，青藏鐵路沿線路基兩側熱融湖塘分布較少，且對青藏鐵路路基無影響。2023年以來，熱融湖塘數量開始增多，距離青藏鐵路路基越來越近，部分熱融湖塘甚至已經與路基坡腳相接，開始影響路基穩定性。

以2009年調研數據對熱融湖塘分布區域繪制柱狀圖進行分析，如圖2所示。

通過圖2可知，楚瑪爾河高平原區為熱融湖塘分布的主要區域，占到了總數的約50%，其余則以盆地地段區域居多，山區地段分布較少。由此可以看出，不同地貌單元區對熱融湖塘有較大的影響，平原、盆地等區域熱融湖分布多于山區和溝谷地帶。

2 熱融湖塘對鐵路路基穩定性的影響

2.1 近鐵路路基熱融湖塘分布特征

經過現場調研，圖3所示的距離青藏鐵路兩側各20 m范圍內且對青藏鐵路具有潛在影響的熱融湖塘共有14處，主要分布在楚瑪爾河至北麓河一帶，由于熱融湖塘的側向熱侵蝕作用，這些熱融湖塘發育可能引起路基下部的多年凍土融化，造成橋臺和路基沉陷等病害，如圖4所示，其具體的形態和位置參數見表2。其中有2處距離坡腳為0 m，已經侵蝕到線路路基，將對路基穩定性造成影響。

2.2 近鐵路路基熱融湖塘影響評價

以前人研究成果作為基準對2.1章節近鐵路路基熱融湖塘進行評價，崔巍等[9]提出熱融湖塘對多年凍土上限的影響范圍至距湖塘邊緣50 m處，對多年凍土下限的影響范圍可至距湖塘邊緣100 m處。羅京等[10]提出湖邊2～15 m范圍內凍土會從熱融湖塘大量吸收熱量。評價結果見表3。從表3中可以看出，調查的14處近鐵路路基熱融湖塘大部分已經開始影響路基處地基多年凍土，進而影響鐵路穩定性。

3 典型熱融湖塘病害應對措施研究

3.1 單側路基受熱融湖塘侵蝕

3.1.1 病害概況

位于沖洪積高平原，地勢較為平坦，多年凍土上限2.4～3.6 m，富冰、飽冰凍土，地溫分區為Tcp-III。如圖5所示，該處熱融湖塘位于線路左側，距路基坡腳6 m，湖水已侵蝕防護柵欄，湖水面積較大，現場沒有引排條件，且該處熱融湖塘面積在逐年增大，湖水長期侵蝕將導致該段路基基底高含冰量多年凍土融化，造成路基沉降變形，存在安全隱患。

3.1.2 應對措施

1）路基左側增設土護道，土護道中部1 m高位置鋪設保溫板，土護道內存增設太陽能熱棒對基底多年凍土進行凍結。

2）土護道下部增設防排水系統，如圖6所示，排水系統位于既有防護柵欄內側，施工困難時（柵欄外側有水時）可先在外側回填部分土護道擋水后開挖。溝內靠近路基一側坑壁上鋪設止水板。

3.2 雙側路基受熱融湖塘侵蝕

3.2.1 病害情況

位于沖洪積高平原，地勢較為平坦，多年凍土上限2.3～3.5 m，局部富冰、飽冰凍土，地溫分區Tcp-III。熱融湖塘位于線路右側，距路基坡腳15 m，且湖塘與河流相連。隨著青藏高原降水逐年增多，雨季時水流一方面從右側對路基造成侵蝕，一方面經過兩橋后回流從左側對路基造成侵蝕。水流侵蝕作用下，一方面泥沙對既有片石護坡等防護措施進行掩埋，極大地削弱了其保護凍土的作用，另一方面水流對地基多年凍土造成水熱侵蝕，導致地基高含冰量凍土融沉退化，引起路基沉降變形。

3.2.2 應對措施

1）路基兩側修筑土護道，如圖7所示，土護道高2 m，寬5 m，坡度與路基坡度一致，土護道中部1 m高位置鋪設保溫板，如圖8所示，土護道內存增設太陽能熱棒對基底多年凍土進行凍結。

2）土護道下部增設防排水系統，溝槽底開挖至多年凍土上限以下0.5 m處，溝底及靠近路基一側坑壁上鋪設防水土工布。

4 結論

本研究聚焦青藏高原氣溫升高和降水增加條件下，針對多年凍土區熱融湖塘的變化狀態及對路基的熱侵蝕影響和防治措施，主要得到如下結論：

1）2000—2018年，青藏高原面積大于1 000 m2的熱融湖塘數量及面積增加速率分別為3 918.7處/a、4.01 km2/a。

2）青藏鐵路路基兩側20 m范圍內存在14處發育的熱融湖塘，已影響到路基坡腳，對多年凍土路基的熱穩定產生較嚴重威脅；路基兩側各50 m范圍內，預計未來30～50年將有169處熱融湖塘對路基產生影響。

3）針對熱融湖塘侵蝕路基特點，且經實體應用驗證表明，采用地表水和地下水的雙隔離措施，以及利用太陽能熱棒主動制冷增強凍土穩定性的工程補強措施，能夠有效解決熱融湖塘對路基的侵蝕問題。

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[9] 崔巍，劉成昆，康建林.熱融湖塘對多年凍土發展演化趨勢的影響[J].林業建設，2014（1）：58-62.

[10] 羅京，牛富俊，林戰舉，等.青藏工程走廊典型熱融災害現象及其熱影響研究[J].工程地質學報，2014，22（2）：326-33.

基金項目：中國鐵路青藏集團有限公司科技研究開發計劃（QZ2022-G04）；中國中鐵股份有限公司科技研究開發計劃（實用技術2022-重點-14）；中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃（K2022G107）

第一作者簡介：李青海（1970-），男，工程師。研究方向為鐵道工務的研究與管理。