青藏高原凍土

青藏高原公路沿線環(huán)境保護(hù)與公路地質(zhì)病害摘要：分析生態(tài)環(huán)境與凍土環(huán)境對(duì)公路路基的影響與危害，提出保護(hù)生態(tài)環(huán)境與凍土環(huán)境對(duì)公路的重要性。關(guān)鍵詞：青藏高原生態(tài)環(huán)境;凍土環(huán)境;公路病害青藏高原號(hào)稱為地球的第三級(jí)，由于平均海拔高,氣候寒冷，物質(zhì)循環(huán)緩慢,在高原生長(zhǎng)的物種生長(zhǎng)發(fā)育明顯低于其它地區(qū)。如高寒草甸植被，在其生長(zhǎng)周期內(nèi)植物的生長(zhǎng)高度一般僅為10~30厘米，并且物種群落結(jié)構(gòu)單一，每平方米內(nèi)的物種種類在8?20種之間，甚至更少。層次分化不明顯，公路沿線生態(tài)環(huán)境無(wú)論是在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境特征上都具有十分明顯的脆弱性。青藏高原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性不良，能夠承受的外界壓力比較小，一經(jīng)較強(qiáng)的擾動(dòng)則生態(tài)系統(tǒng)便發(fā)生崩潰。其主要表現(xiàn)為生物物種數(shù)量減少，種群覆蓋度降低，土壤受到明顯的侵蝕，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)70?80年代修建國(guó)道214線時(shí)鏟除植被的位置仍荒禿一片，公路兩側(cè)的取土坑破壞了自然植被，甚至部分取土坑局部長(zhǎng)期積水，有的已經(jīng)發(fā)展成為熱融湖塘。20世紀(jì)后期，公路沿線自然植被有不同程度的退化或破壞現(xiàn)象，為了保護(hù)和改善公路沿線自然環(huán)境，國(guó)家把整治公路沿線環(huán)境景觀提上日程，并在后續(xù)的公路改建過(guò)程中加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，防止由于環(huán)境變化引起的凍土融化對(duì)公路路基造成的病害起到了積極的作用。1、氣候變化與凍土環(huán)境的聯(lián)系全球氣候變暖是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)十分關(guān)注的問(wèn)題，從20世紀(jì)40年代以來(lái)，據(jù)有關(guān)資料顯示，全球氣溫平均升高0.5?1.0°C,青藏高原的氣溫也隨著全球氣候變暖而上升，從而導(dǎo)致多年凍土上限下降，直接影響多年凍土區(qū)工程安全。青藏高原氣候轉(zhuǎn)暖影響著多年凍土發(fā)育和分布，而高原多年凍土溫度、厚度及空間分布的變化則是對(duì)氣候變化的響應(yīng)。人類在工程施工中開挖地表、鏟除草皮、修筑路堤等，都要產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱侵作用。改變土體與大氣的熱交換條件，從而使地一氣相互作用的產(chǎn)物凍土溫度場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致地溫平衡狀態(tài)變化，干擾凍土環(huán)境和生態(tài)環(huán)境自然平衡能力。由于氣候持續(xù)轉(zhuǎn)暖和人類活動(dòng)不斷增加的影響，使高原多年凍土呈區(qū)域性退化狀態(tài)。多年凍土退化造成季節(jié)融化層增厚或下伏多年凍土層完全消失，導(dǎo)致地下水位降低，表土層水分減少，地溫升高，地表變干，促使草場(chǎng)類型和植物種屬發(fā)生變化，加速草場(chǎng)退化的速度。2、凍土環(huán)境改變與工程建設(shè)的相互作用凍脹和融沉是青藏高原公路的兩大病害，其原因主要是氣候變化和工程建設(shè)改變了多年凍土的生存環(huán)境條件。加快了多年凍土退化，導(dǎo)致凍土溫度變化，使凍土環(huán)境喪失了恢復(fù)能力。凍脹常見的是凍融翻漿、路基凹陷、縱向開裂以及路基邊坡開裂、滑塌等。在青藏高原凍土區(qū)，瀝青路面的鋪筑改變了地表與大氣間的熱交換條件，尤其是路面水分蒸發(fā)量大量減少，瀝青黑色表而吸收大量太陽(yáng)輻射，致使路面溫度升高，多年凍土內(nèi)能量積聚增多，地溫升高，路基下的凍土沿深度方向不銜接，形成融化夾層，路基始終處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。而且路堤部分路基的坡向性也對(duì)基底的影響較大，融沉發(fā)育規(guī)模在路堤的陽(yáng)坡和陰坡截然不同，陽(yáng)坡面太陽(yáng)照射時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，因而陽(yáng)坡而吸熱大于陰坡面。陽(yáng)坡面多年凍土融化程度大于陰坡面，路堤越高受陽(yáng)坡面面積越大，則熱效應(yīng)越強(qiáng)，路基陰陽(yáng)坡面引起的融沉差異也越明顯，從而引起路基的不均勻沉降，引起路面大面積的縱向裂縫。在上世紀(jì)修建高原公路時(shí)，對(duì)環(huán)境保護(hù)沒有引起足夠的重視，大規(guī)模的人工或機(jī)械化施工在路基兩側(cè)就地取土填筑，形成寬5~40米、深2?3米的條形取土坑，這種大面積鏟除地表植被的施工方法，破壞了公路兩側(cè)脆弱的凍土環(huán)境，改變了地表狀態(tài)和土體內(nèi)部水一冰平衡狀態(tài)。產(chǎn)生熱融池塘和洼地，引起地表積水。地表水具有高熱融量，其下滲將給多年凍土輸入較大熱能。造成多年凍土融化加劇。例如:縱觀G214線姜路嶺至清水河段二級(jí)公路，路基沉陷變形集中，嚴(yán)重的路段多發(fā)生在地形平坦開闊排水不良的地區(qū)，另一方面地形與地下潛水而形態(tài)具有一定程度的一致性，地形平坦則地下水亦然，地下水流緩慢，下滲的地表水長(zhǎng)期滯留于路基下造成多年凍土不斷融化。相反，如路線兩側(cè)地形在橫斷面或縱斷而方向具有一定坡度，則發(fā)生融陷變形的可能性就要小。路線通過(guò)低洼地形的最低部位，將勢(shì)必造成地表積水，也是地下水匯集區(qū)域，因此融沉是不可避免的而且非常嚴(yán)重。3、環(huán)境保護(hù)及工程實(shí)施對(duì)策青藏高原的多年凍土與植物群落經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化、演替而形成一種相對(duì)平衡的狀態(tài)，但這種狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，任何自然因素、人為因素的變化都會(huì)對(duì)凍土環(huán)境與生態(tài)環(huán)境造成影響。從環(huán)境保護(hù)角度看，多年凍土特別是高含冰量?jī)鐾翆?duì)地表的擾動(dòng)十分敏感，地表一絲不大的改變，如植被和天然地表的變化都會(huì)引起多年凍土環(huán)境的重大不可逆變化，并由此導(dǎo)致公路工程的重大災(zāi)害，低溫條件和短的生長(zhǎng)季節(jié)也造成凍土區(qū)植被一旦被破壞則難以恢復(fù)或恢復(fù)緩慢的后果。因此多年凍土地區(qū)的公路環(huán)保對(duì)策應(yīng)遵循保護(hù)優(yōu)先的原則，保護(hù)凍土環(huán)境與生態(tài)環(huán)境，也是保證工程安全穩(wěn)定的首要選擇。由于凍土的特殊性，高原多年凍土區(qū)公路環(huán)境保護(hù)與一般地區(qū)有很大區(qū)別，即不但要考慮一般地區(qū)的保護(hù)問(wèn)題，還應(yīng)考慮凍土環(huán)境的保護(hù)問(wèn)題。而且凍土環(huán)境與生態(tài)環(huán)境相互依托、相互作用、相互制約。多年凍土的存在可為植物生長(zhǎng)提供充分的水分及獨(dú)特的生存環(huán)境，若多年凍土退化，使季節(jié)融化程度增大或下伏多年凍土層完全消失，近地表土層低溫升高，地下水位降低，含水量減少，植物種屬衰減，最后導(dǎo)致土地沙漠化，反之，土地沙漠化使土的導(dǎo)熱系數(shù)大為增加，勢(shì)必加劇凍土退化。公路環(huán)境保護(hù)應(yīng)針對(duì)高原凍土和生態(tài)兩個(gè)不同的特定環(huán)境采取綜合治理的原則。多年凍土地區(qū)的路基高度是影響下伏多年凍土穩(wěn)定性的重要因素,其重要性在很早以前就引起了凍土研究者的注意，人們通過(guò)保證路基具有一定的高度這一措施，以增加路基的熱阻,防止和減少由路面?zhèn)髦料路嗄陜鐾翆拥臒崃?，減少人為活動(dòng)對(duì)多年凍土的干擾，從而增加路基基底多年凍土的穩(wěn)定性。但是近年來(lái)的實(shí)踐證明,多年凍土區(qū)路基并不是越高越好,多年凍土不僅要保證最小填土高度，也要限制最大填土高度。這主要是高路堤邊坡面積較大，具有一定的熱效應(yīng)，且陰陽(yáng)兩側(cè)邊坡吸收太陽(yáng)輻射的不均勻性，高路堤兩側(cè)溫度差異增大，容易產(chǎn)生不均勻沉降,造成路基的縱向裂縫。因此可以看出路線的走向也影響路基的穩(wěn)定性，如路線走向使路基形成明顯的陰陽(yáng)坡,那么陽(yáng)坡日照時(shí)間長(zhǎng)而且強(qiáng)烈，而陰坡日照時(shí)間短且較弱時(shí)，陰陽(yáng)坡熱效差距就越大，使兩側(cè)凍土的融化時(shí)間和深度產(chǎn)生大的差異，因而引發(fā)路基不均勻沉降，導(dǎo)致縱向裂縫的發(fā)生。實(shí)踐證明南北走向的路基無(wú)明顯陰陽(yáng)坡效應(yīng),而其它走向均有不同程度的存在.在公路工程中，路面類型也是影響青藏高原多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，由于砂礫路面路基的平均高度較低,并不會(huì)出現(xiàn)較多的病害，但經(jīng)改建加鋪瀝青混凝土面層后，路基下多年凍土上限不斷下降，路基的不均勻沉降嚴(yán)重發(fā)育，其主要原因有:一是青藏高原地區(qū)太陽(yáng)輻射異常強(qiáng)烈，由于黑色瀝青混凝土路面具有顯著的輻射吸收效應(yīng)，導(dǎo)致路基升溫很快，改變了路基體系內(nèi)原有的熱平衡狀況。二是瀝青混凝土路面的密封效應(yīng)使水分無(wú)法從路面內(nèi)蒸發(fā)出來(lái)，減少了路基的蒸發(fā)耗熱，極大的改變了路基體系內(nèi)原有的水熱平衡狀態(tài)。水泥混凝土路面相對(duì)瀝青混凝土路面來(lái)說(shuō)，吸收輻射熱量要小，但是工程成木高，且有較高的施工和養(yǎng)生條件，在凍土地區(qū)使用較少，但效果要好于瀝青混凝土路面。但是我們以前使用的各種防止凍土地區(qū)路基病害的措施尚不能有效控制多年凍土在氣候轉(zhuǎn)暖大環(huán)境下的退化進(jìn)程，凍土路基病害依然在發(fā)生、發(fā)展。目前我國(guó)在青藏鐵路上探索應(yīng)用的主動(dòng)冷卻路基的方法，取得了一定的效果，是比較成功的防止凍土退化的方法。主要是通過(guò)改善路堤結(jié)構(gòu)