青藏高原多年冻土区冻害类型及防治

边 疆，寇丽娜，绽蓓蕾

（1.青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007；2.青海省地震局，青海 西宁 810001）

0 引言

地处亚洲大陆的青藏高原，属高寒亚大陆性气候区，其具有独特的冰缘气候特征。以其海拔高（平均海拔高度在4700m以上）、气候严寒（年平均气温 －3℃以下）、多年冻土广布（冻土分布面积1470000km2）交通不便而著称。多年冻土区极为发育的各种地质灾害，极大地限制了国民经济建设的发展，多年冻土区各种地质灾害的防治原理及其方法，仍是今后探索和研究的主要内容。

1 概况

青藏高原具有高原型和高山型两种多年冻土类型，约占我国多年冻土分布面积的60％。是全球中低纬度海拔最高、分布面积最广、温度最低、厚度最大的多年冻土地区。在切割微弱且仍然保留着原始高原面的广大青藏高原地区，基本类型属低纬度高海拔型多年冻土，在喜马拉雅山、昆仑山及祁连山，则属于中低纬度高海拔高山型多年冻土。这两种类型的多年冻土，都具有明显的地带性特征。

多年冻土的下界高度随纬度增高而降低的规律十分明显（图 1）［1－2］，随经度也有较大变化。

图1 青藏高原东部冻土下界－与纬度关系曲线图Fig.1 Relatinshipbetweenlatitudeandlow-boundary ofthepermafrostofEastemQinghai-Tibetanplateau

在念青唐古拉山、喜马拉雅山，雪线分布的海拔高度分别为4200m、4300m，其多年冻土下界海拔高度为4600～4900m、4900～5000m；雪线高度比多年冻土下界低400～700m。多年冻土下界由南向北随纬度增高而逐渐降低，平均每增高纬度1°，多年冻土下界降低80～100m。在祁连山脉南部的拉脊山，青海南山及柴达木山南坡，由东往西多年冻土下界大致由3700m升高到3900m，由高原南部到高原北部的祁连山北坡，多年冻土下界的降低1250～1460m/°。纬度每增高1°，年平均地温增加0.9℃ ～1℃。

多年冻土厚度随海拔高度增加而增厚的垂直分带性也很明显，在西大滩地区，海拔4150～4200m即由季节冻土过度为岛状多年冻土区，到昆仑山北麓，海拔4350m以上才进入连续多年冻土区。大约海拔每上升100m，冻土厚度增加15～20m，最大多年冻土厚度128.09m（表1）。

表1 青藏高原腹部地区多年冻土厚度表Table1 Thicknessofthepermafrostof mainQinhai—Tibetanplateau

2 冻害类型

高大的山体，干寒的气候，导致了冻土的发育，强烈的冰缘作用有利于冰缘地貌的生成，其类型丰富，分布也相当广泛，主要有：

寒冻风化作用：是青藏高原冻土地区最普遍最多见和最主要的冻害之一。通常指基岩表层因节理和裂隙中水分冻结，体积膨胀，使岩石破碎成块的现象。破碎岩石经重力、冻涨作用再搬运，不同岩性形成不同的地貌景观，常见的有寒冻岩屑坡、石河、石海等，在昆仑山北坡发育的石冰川，宽50～100m，长200～1000m，十几条大小不等的石冰川依次排列，规模相当宏伟。在巴颜喀拉山，鄂拉山、祁连山主脊等地亦可见到寒冻剥蚀岩柱，受冰劈和寒冻剥蚀作用，形成高3～5m的独立岩柱，最高达10m，也可成排出现。

冻胀作用（也包括冻融分选作用），是冻土区常见的特殊地质类型。最多见的为冻胀丘［3］，是一种含有冰核的圆锥形隆起土丘，它可以作为多年冻土区判示地下水的一种标志。一般高出地表1～2cm，长轴长5～10m不等，顶部及周边裂隙较发育，裂缝宽1～2m，主裂缝与长轴方向一致，冻胀丘中有厚0.5～1m的冰核并在侧方有出口，顶部出现塌坑。在玛多黄河源区，玉树巴塘河谷地均可见到。最大的为昆仑山北坡超大型冻胀丘，长180m，宽90m，高18m，现已开裂，夏季形成积水湖塘，向外排水，冬季结冰形成再生冻胀丘。在清水河和治多县一带，亦有水中冻胀丘和石质冻胀丘的分布。唐古拉山南坡两种类型的石环和昆仑山北坡的微型多边形土均属此类。

冻拔作用：则是可以直接危害工程建筑的灾害类型。在昆仑山石冰川顶部和巴颜喀拉山北坡均可见冻拔石的发育。据昆仑山、沱沱河和雁石坪等地钻孔观测钢管［4］，从1979～1989年10年间向上抬升了1.1～1.8m，曲麻莱、尕朵一带可见电线杆成排被拔倒，据当地群众介绍，木质电线杆几乎两年就要重栽一次。

融冻泥流：是堆积在山坡和丘陵坡地的第四纪松散物质，在冻融作用下土体结构受到破坏，内聚力减弱，在重力作用下保水的土体沿多年冻土上界面徐徐向低洼处蠕动，最后堆积下来形成泥流扇及泥流扇裙带。年复一年，新泥流扇推挤老泥流扇并覆盖其上，因此在泥流扇表面常形成拱起的阶地状地面或泥流阶地。在祁连山、鄂拉山北坡、曲麻莱等地多见分布。泥流个体一般5～20m，最宽50～60m，长15～30m。在治多县扎河谷地［5］，左侧山坡发育为一巨大规模的泥流群体，长150～200m，高0.8m，宽达500m余的泥流阶地，直接影响其乡际公路。

热融滑塌：多年发育在山地丘陵的缓坡地带，往往分布在土颗粒细，土层含冰量较大，地下水埋藏浅的地段。在自然因素影响及人为作用下，局部土体整体坍塌下滑，使其稳定性遭破坏而变形，形成热融滑塌，尤以风火山地区为甚。

3 青藏线自然灾害特征

青藏公路曾是我国西北连接西南的一条唯一交通干线，它南北纵穿青藏高原腹地的多年冻土地带550km，青藏铁路通车以来，交通运输格局发生较大变化，但青藏公路仍然是通往西藏的一条重要生命线。1984年全面改建通车以来，地质灾害频繁发生，严重影响交通安全。

主要发生的有：冻土地质灾害在青藏线上集中表现为道路翻浆，热融坍塌，融冻泥流的阻塞及地基不均匀融沉等。

3.1 道路翻浆

西大滩－唐古拉山段均有不同程度的翻浆现象，在由碎石细粒土堆积的山前和山间地带。尤以不冻泉－五道梁段为甚，最严重地段路面高差达50cm，造成沥青表层大片不规则脱落成坑，严重影响行车安全和车速，致使过往车辆车速仅达到其他正常路段的20％，交通部门不得不年年整修维护。

3.2 热融滑塌及融冻泥流

热融滑塌以风火山段最为典型，见有坍塌沉陷式和牵引滑动式两种。

坍塌沉陷式滑塌体发展速度较慢，地表覆盖完整，地形平缓，坡度 3°～8°，规模小者直径 25m，深 1～2m，大者东西延展近 1000m，据调查资料［6］，1979～1985年6年间平均每年溯源发展1.3m。目前仍在继续活动，造成电杆倾倒位移和格尔木—拉萨输油管线外露。

牵引滑动式滑塌体，其发育地段地面坡度6°～16°，土中富含地下冰，且分布面积大，岩性复杂。由人为因素破坏地表而引起，滑塌发生后，造成边缘坎壁的地下冰长期外露，反复融化后再坍塌，加快了溯源发展速度，直至冰层消失才会停止。此类滑塌发展速度较快，对工程建筑物危害较大，其中比较典型和规模较大的发展有6处。如风火山冻土观测站北侧滑塌，是1975年由修筑公路取土引起，宽15～28m，长50m，坎高1.1～1.5m，滑体表面有 16级蠕变台阶，每级高0.3～0.4m，近10年内年平均发展速度为5m，目前仍在活动。78道班滑塌体，为1981年因取土而坍塌，形成面积达160m×250m的大型滑塌体，并在中部形成一积水坑，每年以3～4m的速度继续发展，对青藏公路有很大威胁，正向公路逼近。

在青藏公路940km惊仙谷地西侧见有融冻泥流和泥流扇发育，每到雨季，泥流由山坡涌上公路，常阻塞交通。

3.3 地基不均匀冻融沉陷

主要指冻土区反复交替冻融而使土体造成不均匀下沉，致使公路沿线桥梁，房屋发生的变型破坏现象。

沱沱河大桥建成后不久即受冻害而开裂，主要为融沉作用使南一号桥墩变形，导致桥面产生裂缝，无法使用，现已改建新桥。清水河大桥同样遭受冻害桥面开裂无法治理而彻底毁弃，迫使道路改建，大桥重修。新建的清水河铁路大桥，就有一个桥墩因冻融问题而出现渗水情况。

沱沱河兵站1989年修建的江源宾馆，由于坐落在冻土与融区交界部位，在交付使用后的当年，就发现了地基不均匀沉陷产生的工程地质问题，采取地基处理补救措施后，仍有不同程度上的墙体开裂等损害。

在三岔河—纳赤台段约10km路段，路基本身为湿陷性黄土状土，在冻融作用下，近地表层普遍形成了冻胀挠曲［7］，造成公路路面不均匀下沉而高低不平，纳赤台老兵站围墙也因此而开裂。

洪水灾害，本是常见的自然灾害之一，但在多年冻土区，由于多年冻土层的存在以及融冰融雪水的加入，在极端天气条件下，则更易突发性大洪水的发生。洪水以两种方式对公路进行侵害，一是侧蚀危害路基；二是洪流破坏路面。

侧蚀在纳赤台附近，惊仙谷地和五道梁—风火山段较多见，主要表现为路基的坍塌和毁弃，输油管线的外露。例如1989年7月仅五道梁南一处就因路基毁坏而使格拉输油管线外露架空36m。同样这场洪水仅在纳赤台—唐古拉山约500km路段就冲毁桥涵41处，冲断道路6处，中断交通时间长达90小时，数千车辆受阻。

4 防治途径

4.1 冻土灾害防治

4.1.1 路基处理

通常情况下，一般路基大都低于1.5m，而当地的季节融化层可达到0.8～2.9m，根据兰州冰川所程国栋同志分析［8］，在 550km冻土区中，含冰冻土为103.5km，饱冰冻土108.6km富冰冻土84km。由于沥青路面有较强的吸热作用和封闭了地基土层中的水分蒸发，使地基堤坡受气温或其他热源影响而发生形变。因此，路基应抬高＞2.9m，在加高路堤的同时铺设一层保温层，以限制冻土的上限位置。由于灰土具有较高的耐冻性和水稳性，铺设路面时最好用灰土作为路基材料，是防止道路翻浆的有效措施。

4.1.2 地基处理

在冰土区的建筑物地基处理不同于非冻土区，实践经验证明［9－10］，建筑物不宜直接坐落于冻土层之上，地基宜以混凝土桩为主，将建筑物直接抬高于地面之上，基本保持冻土的天然状态不受或少受干扰，延长建筑的使用寿命，在青藏高原大部分地区均采用此办法，祁连山江仓地区、青藏公路沿线都可见到。新修的青藏铁路即采用4个小径桩支撑一个平台，而桥柱则建于该平台之上。

通信电杆和电力铁塔的埋设，宜以底大上小的混凝土桩为好，深置于当地季节融化层之下，以降低冻拔作用对其的影响。

4.1.3 环境保护

高原多年冻土地区自然生态环境十分脆弱，要十分注意保护，在地下冰富集地段，尤其是产生融冻泥流或热融滑塌地区，根本措施是以防为主，尽量避绕地下冰层不受扰动，严格禁止在建筑物附近挖方，保证冻土层在天然状态下不遭受人为破坏。新建的青藏铁路工程当属环保模范，沿路的取土均在指定的取土点开挖，尽量保证了原始的地质地貌环境得以保存。在已发生滑塌的地段，治理原理—是在滑塌体下方修筑工程措施。不使其直接危害建筑物或工程设施和减缓其移动速度，就地堆积；二是设挡水土埝，使埝下冻土层天然上限抬高，控制溯源坍塌的继续发展，逐渐达到稳定。

4.2 洪水灾害的防治

造成灾害的主要原因：一是大部分桥梁年久失修，桥洞淤积过水断面缩小，洪水排泄不畅所致；二是1989年的特大洪水超过了百年一遇的洪水标准因而造成仅容纳几个方量的桥涵要疏导十几倍方量的洪水，致使洪水毁弃桥涵，漫上公路，造成灾害；三是自然环境的变迁，原来的小河道迁移，在没有桥涵的地段冲毁公路；四是部分沿河路段防护网损坏后未及时更新，失去了挡水意义，洪水直接侧蚀造成毁路。

根据成灾原因，防治措施是疏导与拦阻相结合，对毁坏桥梁的改建中，均按百年一遇的洪水标准设计施工，尤其对桥梁和道路的结合部位重点加固，并根据洪水迹象增设部分桥涵。二是在靠近公路的顺河地段，增设永久性拦挡坝，以公路安全为原则，坚固耐用。

5 建议

青藏高原冻土区自然灾害严重，类型复杂，但其地广人稀，具有现实意义的仍是青藏公路、青藏铁路以及城镇建筑物的危害。近年来，对其产生的诸多冻土地质灾害多采取临时补救措施，没有从根本上解决问题，致使有些问题远未解决。鉴于青藏公路，青藏铁路的重要性，还得花大力气，长时间去研究解决，目前仍在对青藏公路某些路段进行隔热试验，地温监测，冻土观测等试验，还应对两路的重要桥梁，隧道的变形、变化进行监测分析、确保天路的万无一失。还应对青藏公路550km冻土区含冰路段的勘察论证，为其个别路段的改线和待建的高速公路做好前期准备，应是当务之急。

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