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不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异研究.docx
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不同地表条件下青藏公路对多年冻土的热影响差异研究.docx
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青藏公路东起青海省西宁市,西止于西藏自治区拉萨市,穿越约 550 公里
青藏高原连续多年冻土区,是世界上海拔最高、线路最长的柏油公路。青藏公
路始建于 1950 年,于 1954 年通车,并于 1974—1986 年间开始第一次全面
提升改建,加铺沥青路面。由于对多年冻土缺乏足够的了解,在青藏公路最初
的设计和建设中并没有将多年冻土与公路的相互作用充分纳入考虑,因此在公
路开通运营之后由于多年冻土变化而导致公路病害频发。近年来,青藏高原的
持续发展带来更多的社会经济活动,同时对道路等基础设施的安全稳定标准提
出了更高的要求,这就使得道路工程与多年冻土间的相互作用问题变得极为重
要
[ 1-3]
。
目前,在气候变化背景下,青藏高原多年冻土显著退化,其地温升高、活
动层厚度增加
[ 4-5]
,引起广泛关注
[ 6-9]
。与此同时,随着经济社会的发展,青
藏高原多年冻土区各种人类活动越加频繁,对于多年冻土区工程设施的稳定运
营要求更高,这就使得各种相应措施被应用在工程建设中,以减少对多年冻土
的扰动,保障工程设施的稳定。在多年冻土区修建道路时,通过考虑路基结构
和路面形式,可以有效减少道路和下伏多年冻土之间的相互作用,例如采用块
碎石路基
[ 10-11 ]
、通风管路基
[ 12-13 ]
、隔热路基
[ 14 ]
和水泥混凝土路面
[ 15-16 ]
等。
此外,在道路修建过程中,确保合理的选线和精心的施工,也可以有效减少工
程病害,保证工程质量
[ 17-18]
。在青藏高原有诸多关于工程活动对多年冻土产
生影响的研究,这些研究侧重于工程和多年冻土的稳定性,探讨二者间的相互
作用
[ 19-21]
。研究结果表明,工程活动对多年冻土环境具有重大影响,导致其
退化。然而,随着地表条件的不同,工程活动对多年冻土环境的影响也各不相
同,这主要是因为地表条件,尤其是植被条件,与多年冻土的热状态之间存在
着密切的关系
[ 22-27]
。
不同的地表植被条件,通过影响下伏多年冻土与大气间的水热交换过程,
进一步使得近地表范围内的能量平衡产生差异,这将显著影响多年冻土热状态
及活动层水热过程特征
[ 28-29]
。不同的高寒生态系统下,多年冻土的地温、活
动层厚度和冻融指数都不相同
[ 30]
;地表植被盖度越小,多年冻土的冻结和融
化起始时间越早、相变量越大、冻结深度的积分越小,且负值等温线和融化期
间的正值等温线的最大侵入深度明显增加
[ 31-33]
。此外,在不同的地表植被条
件下,近地表层的土壤含水率和融冻持续时长等也都不相同
[ 34-35]
。关注植被
与多年冻土热状态相互作用的研究较多,且研究较为充分;但在不同的地表植
被条件下,有关工程设施,尤其是道路工程设施对多年冻土的热影响存在何种
差异的问题,则相对研究得较少。
在多年冻土区,道路工程设施会显著改变地表和大气之间的热交换,从而
使多年冻土的热状态受到影响
[ 36-38]
。随着多年冻土区社会经济活动的日益频
繁,青藏高原工程走廊内各线性工程早已密布,且不断有新的工程开工建设,
因此对道路工程设施与多年冻土之间的相互关系开展研究,无论是对道路工程
设施的稳定运营,还是对保持多年冻土环境的相对稳定,都是必要且具有现实
意义的。在这一研究领域,加强对不同地表条件差异的认识,有助于加深对多
年冻土环境的了解,进而可以更好地指导工程实践,例如,对多年冻土区各工
程之间的合理间距设定,以及即将建设的青藏高速公路双向路基间的合理距离
设计都可以提供帮助。目前,关于青藏高原不同地表条件下多年冻土的相关研
究,主要关注气候变化如何改变它们之间的相互作用
[ 39-42]
。关于道路工程对
不同地表条件下多年冻土的热影响的大多数研究都基于室内模型或数值模拟
[ 43-45]
,通过现场监测数据进行的研究相对较少
[ 46]
。尽管模型或模拟方法具有
其自身优势,但考虑到现实情况的复杂性,我们决定通过现场监测数据来开展
研究。因此,在青藏高原腹地多年冻土区,我们沿青藏公路选择了两个不同地
表条件的地点,布设监测场地,以研究不同地表条件下多年冻土对青藏公路热
影响的响应差异。
1 场地概况
在青藏高原腹地,我们沿青藏公路选择了两个具有不同地表条件的地点:
斜水河和北麓河,作为监测场地。这两个监测场地的位置示意图如图 1 所示。
两个监测场地地势都比较平坦,几乎没有坡度;周边都建有距离较近的气象站,
气候条件接近。斜水河监测场地的公路走向约为西南 30°,北麓河监测场地的
公路走向约为西南 60°。如图 1 所示,青藏公路较南向的一侧称为左侧(L),
较北向的一侧称为右侧(R)。
图 1
图 1 监测场地位置
Fig.1 Locations of monitoring sites
斜水河监测场地和北麓河监测场地均位于高寒干旱气候区,海拔 4 500~4
700 m,年平均气温为 -5~-3 ℃,年平均降水量约 300 mm。两个监测场地所
在区域多年冻土的主要类型是多冰和富冰冻土,多年冻土厚度约为 50~80 m
[ 47-49]
。根据目视调查,斜水河监测场地的植被覆盖率低于 20%。在北麓河监
测 场 地 , 地 表 植 被 类 型 为 高 寒 草 甸 , 根 据 目 视 调 查 , 其 植 被 覆 盖 率 约 为
70%~90%(图 2),优势物种为矮嵩草和藏嵩草。通常情况下,北麓河监测
场地的植被高度小于 15 cm。根据钻孔数据,两个监测场地的地层和土壤含水
量如图 3 所示,土壤干密度如表 1 所示。
图 2
图 2 监测场地地表特征
Fig.2 Surface conditions of monitoring sites
图 3
图 3 监测场地地层情况与土壤含水率
Fig.3 Stratigraphy and soil water contents of monitoring sites
表 1 监测场地土壤干密度
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