青藏高原冻土

青藏高原公路沿线环境保护与公路地质病害摘要：分析生态环境与冻土环境对公路路基的影响与危害，提出保护生态环境与冻土环境对公路的重要性。关键词：青藏高原生态环境;冻土环境;公路病害青藏高原号称为地球的第三级，由于平均海拔高,气候寒冷，物质循环缓慢,在高原生长的物种生长发育明显低于其它地区。如高寒草甸植被，在其生长周期内植物的生长高度一般仅为10~30厘米，并且物种群落结构单一，每平方米内的物种种类在8〜20种之间，甚至更少。层次分化不明显，公路沿线生态环境无论是在其内部结构或外部环境特征上都具有十分明显的脆弱性。青藏高原系统结构简单，生态系统稳定性不良，能够承受的外界压力比较小，一经较强的扰动则生态系统便发生崩溃。其主要表现为生物物种数量减少，种群覆盖度降低，土壤受到明显的侵蚀，调查发现，20世纪70〜80年代修建国道214线时铲除植被的位置仍荒秃一片，公路两侧的取土坑破坏了自然植被，甚至部分取土坑局部长期积水，有的已经发展成为热融湖塘。20世纪后期，公路沿线自然植被有不同程度的退化或破坏现象，为了保护和改善公路沿线自然环境，国家把整治公路沿线环境景观提上日程，并在后续的公路改建过程中加强环境保护意识，防止由于环境变化引起的冻土融化对公路路基造成的病害起到了积极的作用。1、气候变化与冻土环境的联系全球气候变暖是当今国际社会十分关注的问题，从20世纪40年代以来，据有关资料显示，全球气温平均升高0.5〜1.0°C,青藏高原的气温也随着全球气候变暖而上升，从而导致多年冻土上限下降，直接影响多年冻土区工程安全。青藏高原气候转暖影响着多年冻土发育和分布，而高原多年冻土温度、厚度及空间分布的变化则是对气候变化的响应。人类在工程施工中开挖地表、铲除草皮、修筑路堤等，都要产生强烈的热侵作用。改变土体与大气的热交换条件，从而使地一气相互作用的产物冻土温度场发生变化，导致地温平衡状态变化，干扰冻土环境和生态环境自然平衡能力。由于气候持续转暖和人类活动不断增加的影响，使高原多年冻土呈区域性退化状态。多年冻土退化造成季节融化层增厚或下伏多年冻土层完全消失，导致地下水位降低，表土层水分减少，地温升高，地表变干，促使草场类型和植物种属发生变化，加速草场退化的速度。2、冻土环境改变与工程建设的相互作用冻胀和融沉是青藏高原公路的两大病害，其原因主要是气候变化和工程建设改变了多年冻土的生存环境条件。加快了多年冻土退化，导致冻土温度变化，使冻土环境丧失了恢复能力。冻胀常见的是冻融翻浆、路基凹陷、纵向开裂以及路基边坡开裂、滑塌等。在青藏高原冻土区，沥青路面的铺筑改变了地表与大气间的热交换条件，尤其是路面水分蒸发量大量减少，沥青黑色表而吸收大量太阳辐射，致使路面温度升高，多年冻土内能量积聚增多，地温升高，路基下的冻土沿深度方向不衔接，形成融化夹层，路基始终处于一种不稳定状态。而且路堤部分路基的坡向性也对基底的影响较大，融沉发育规模在路堤的阳坡和阴坡截然不同，阳坡面太阳照射时间长、强度大，因而阳坡而吸热大于阴坡面。阳坡面多年冻土融化程度大于阴坡面，路堤越高受阳坡面面积越大，则热效应越强，路基阴阳坡面引起的融沉差异也越明显，从而引起路基的不均匀沉降，引起路面大面积的纵向裂缝。在上世纪修建高原公路时，对环境保护没有引起足够的重视，大规模的人工或机械化施工在路基两侧就地取土填筑，形成宽5~40米、深2〜3米的条形取土坑，这种大面积铲除地表植被的施工方法，破坏了公路两侧脆弱的冻土环境，改变了地表状态和土体内部水一冰平衡状态。产生热融池塘和洼地，引起地表积水。地表水具有高热融量，其下渗将给多年冻土输入较大热能。造成多年冻土融化加剧。例如:纵观G214线姜路岭至清水河段二级公路，路基沉陷变形集中，严重的路段多发生在地形平坦开阔排水不良的地区，另一方面地形与地下潜水而形态具有一定程度的一致性，地形平坦则地下水亦然，地下水流缓慢，下渗的地表水长期滞留于路基下造成多年冻土不断融化。相反，如路线两侧地形在横断面或纵断而方向具有一定坡度，则发生融陷变形的可能性就要小。路线通过低洼地形的最低部位，将势必造成地表积水，也是地下水汇集区域，因此融沉是不可避免的而且非常严重。3、环境保护及工程实施对策青藏高原的多年冻土与植物群落经过长期演化、演替而形成一种相对平衡的状态，但这种状态是极不稳定的，任何自然因素、人为因素的变化都会对冻土环境与生态环境造成影响。从环境保护角度看，多年冻土特别是高含冰量冻土对地表的扰动十分敏感，地表一丝不大的改变，如植被和天然地表的变化都会引起多年冻土环境的重大不可逆变化，并由此导致公路工程的重大灾害，低温条件和短的生长季节也造成冻土区植被一旦被破坏则难以恢复或恢复缓慢的后果。因此多年冻土地区的公路环保对策应遵循保护优先的原则，保护冻土环境与生态环境，也是保证工程安全稳定的首要选择。由于冻土的特殊性，高原多年冻土区公路环境保护与一般地区有很大区别，即不但要考虑一般地区的保护问题，还应考虑冻土环境的保护问题。而且冻土环境与生态环境相互依托、相互作用、相互制约。多年冻土的存在可为植物生长提供充分的水分及独特的生存环境，若多年冻土退化，使季节融化程度增大或下伏多年冻土层完全消失，近地表土层低温升高，地下水位降低，含水量减少，植物种属衰减，最后导致土地沙漠化，反之，土地沙漠化使土的导热系数大为增加，势必加剧冻土退化。公路环境保护应针对高原冻土和生态两个不同的特定环境采取综合治理的原则。多年冻土地区的路基高度是影响下伏多年冻土稳定性的重要因素,其重要性在很早以前就引起了冻土研究者的注意，人们通过保证路基具有一定的高度这一措施，以增加路基的热阻,防止和减少由路面传至下伏多年冻土层的热量，减少人为活动对多年冻土的干扰，从而增加路基基底多年冻土的稳定性。但是近年来的实践证明,多年冻土区路基并不是越高越好,多年冻土不仅要保证最小填土高度，也要限制最大填土高度。这主要是高路堤边坡面积较大，具有一定的热效应，且阴阳两侧边坡吸收太阳辐射的不均匀性，高路堤两侧温度差异增大，容易产生不均匀沉降,造成路基的纵向裂缝。因此可以看出路线的走向也影响路基的稳定性，如路线走向使路基形成明显的阴阳坡,那么阳坡日照时间长而且强烈，而阴坡日照时间短且较弱时，阴阳坡热效差距就越大，使两侧冻土的融化时间和深度产生大的差异，因而引发路基不均匀沉降，导致纵向裂缝的发生。实践证明南北走向的路基无明显阴阳坡效应,而其它走向均有不同程度的存在.在公路工程中，路面类型也是影响青藏高原多年冻土区路基稳定性的一个重要因素，由于砂砾路面路基的平均高度较低,并不会出现较多的病害，但经改建加铺沥青混凝土面层后，路基下多年冻土上限不断下降，路基的不均匀沉降严重发育，其主要原因有:一是青藏高原地区太阳辐射异常强烈，由于黑色沥青混凝土路面具有显著的辐射吸收效应，导致路基升温很快，改变了路基体系内原有的热平衡状况。二是沥青混凝土路面的密封效应使水分无法从路面内蒸发出来，减少了路基的蒸发耗热，极大的改变了路基体系内原有的水热平衡状态。水泥混凝土路面相对沥青混凝土路面来说，吸收辐射热量要小，但是工程成木高，且有较高的施工和养生条件，在冻土地区使用较少，但效果要好于沥青混凝土路面。但是我们以前使用的各种防止冻土地区路基病害的措施尚不能有效控制多年冻土在气候转暖大环境下的退化进程，冻土路基病害依然在发生、发展。目前我国在青藏铁路上探索应用的主动冷却路基的方法，取得了一定的效果，是比较成功的防止冻土退化的方法。主要是通过改善路堤结构