青藏铁路块碎石护坡路基降温效果分析

赵翃婷，吴青柏，侯彦东，蒋观利，高思如，王陆阳

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 142 km，其中有约1/2的路段位于多年冻土区[1-2]。该区域由于地质条件的复杂性和较强的温度敏感性，建于多年冻土上的青藏铁路易受冻土灾害的影响[3]，威胁到工程的稳定性，加之高原气候持续增温[4]，可能会对青藏铁路的长期安全运营造成不利影响，从而加剧对其工程本身的破坏[5-6]。为了适应气候变暖和保护路基下部多年冻土，青藏铁路采取主动冷却路基的方法进行修筑，通过调控辐射、对流和传导等换热机制来降低路基对下部多年冻土的热影响，常用冷却降温措施有通风管[7]、块碎石[8]、热管[9]等，其中块碎石路基在青藏铁路得到广泛应用[10]。

为研究块碎石护坡路基降温效果，许多学者进行了大量室内试验和数值模拟。文献[11-15]表明，块碎石护坡路基的自然对流、隔热保温作用有效地降低了路基下部土体温度，有利于提高多年冻土路基的热稳定性，改善其阴阳坡效应。为提高块碎石护坡路基的降温效果，使其最大限度地保护路基下部多年冻土，研究人员对块碎石的粒径、厚度等问题展开了一系列研究。文献[16-17]表明粒径较大的块碎石护坡路基降温效果优于粒径小的，但文献[18]得出了相反结论；文献[19-20]认为块碎石层的厚度对降温效果的影响存在最佳厚度，在最佳厚度以内，降温效果随块石层厚度的加厚而显著增强。除此之外，研究者还进行了大量现场试验研究[21-26]，但以3～5 a的监测数据为主；近些年，逐渐出现了针对长时间序列数据的研究，旨在分析其长期降温效果[27-29]。然而，目前对长期实测数据的研究较少，还需进行大量长序列数据分析以验证数值模拟的预测结果。因此，本文采用青藏铁路北麓河非正线试验段10 a地温监测数据，对比分析封闭块石护坡路基、开放块石护坡加厚路基以及碎石护坡路基降温效果的差异，以期为多年冻土区道路工程设计、补强提供科学参考。

1 监测断面及数据

北麓河非正线试验段位于青藏高原可可西里与风火山之间，年平均地温约-1.4～-1.6 ℃，属于低温多年冻土区。试验段按照青藏铁路正线工程要求修筑，路基高度、顶面宽度、基底宽度分别为3.7、7.6、18.6 m，边坡坡度为1∶1.5，见图1。该试验段共设有4种护坡路基结构，每段长30 m，分别为80 cm厚的块碎石护坡路基和120 cm厚的开放块石护坡加厚路基，其中块石护坡路基的块石粒径为20～25 cm，碎石护坡路基的碎石粒径为8～10 cm。温度监测点见图2。

图1 碎块石护坡路基示意(单位：m)

图2 温度监测点布置(单位：m)

在块碎石护坡路基内部共布设有7层温度监测断面，相邻两层间隔50 cm，在每层温度监测断面中，每个温度探头在块碎石层中间距20 cm，在路基填土中相距50 cm。路基试验段下部土体设有温度监测点，分别位于左侧、右侧路肩路基下部10 m和路基中心下部20 m范围内，且每个温度传感器相距50 cm[30]。温度监测采用的热敏电阻由冻土工程国家重点实验室制作，精度为±0.05 ℃，数据采集采用澳大利亚生产的DT500型数采仪，每隔3 h采集一次数据，试验段2004年9月建成并开始监测。由于开放块石护坡路基右侧路肩数据缺失，故本文未对其监测数据进行分析。

2 路基降温效果分析

2.1 路基中心下部地温变化

块碎石护坡路基中心下部不同深度土体温度随时间的变化见图3。从图3可以看出，在路基完工初期，块碎石护坡路基和普通路基下部原多年冻土上限附近土体受工程热扰动影响均出现短暂的升温过程，之后表现出显著的降温趋势，土体温度在2008—2009年后表现为较平稳的季节性变化规律，相较于普通路基，块石层在冷季表现出较好的降温效果，暖季不明显；碎石层则在冷暖季均表现为较强的降温作用。块碎石护坡路基与普通路基中心下部不同深度土体温度随时间的变化见表1。由表1可知，块碎石护坡路基中心下部不同深度土体最低温度均低于普通路基，且温差随着深度的增加而减小，说明相较于普通路基，块碎石护坡路基能够起到保护下部多年冻土的作用，但对土体温度的调节作用随深度的增加逐渐减弱。

图3 路基中心下部不同深度土体温度随时间的变化

表1 块碎石护坡路基与普通路基中心下部不同深度土体最低温度温差 ℃

2004年9月至2015年12月4种路基中心下部地温过程曲线见图4。

图4 路基中心下部地温过程曲线

由图4(a)可见，普通路基在修筑完工初期，其下部4.2～10.0 m深度范围内的多年冻土温度低于-1.0 ℃，到2015年，该区域的土体温度均高于-1.0 ℃，说明普通路基下部多年冻土处于升温状态，原低温冻土逐渐转化为高温冻土，提高了冻土灾害和路基病害发生的可能性。由图4(b)和4(c)可见，对于块石护坡路基，封闭块石护坡路基、块石护坡加厚路基下部-0.6 ℃等温线基本维持在3.5～4.0 m深度附近；两种块石护坡路基下部浅层区域-1.0 ℃等温线逐年下移，在2012—2013年达到最深。由图4(d)可见，对于碎石护坡路基，其下部-0.6 ℃等温线深度小于3.0 m，明显浅于块石护坡路基，且低温多年冻土区的范围大于块石护坡路基。由此可知，在上述4种路基结构中，碎石护坡路基下部土体温度最低，说明其具有较好的降温作用，能够更好地保护路基下部多年冻土。

4种路基中心下部原多年冻土上限附近、5.0 m、10.0 m深度处土体温度在2005—2015年间的变化速率见表2。由表2可知，相较于普通路基，块碎石护坡路基下部浅层区域均表现出较为明显的降温趋势，降温速率由大到小依次是碎石护坡路基、块石护坡加厚路基、封闭块石护坡路基。但在深层区域，多年冻土存在升温过程，而且10.0 m深度处的升温速率由大到小与浅层降温速率相反。因此，认为块碎石护坡路基能够降低路基下部多年冻土温度，但存在有效降温范围，其中以碎石护坡路基的冷却效果最为显著。

表2 不同类型路基中心下部土体温度变化速率 ℃/10a

2005-10-15—2015-10-15日块碎石护坡路基、普通路基中心下部土体温度随深度的变化曲线见图5。从图5可以看出，普通路基的降温深度约3.0 m，而在铺设块碎石护坡后，其降温深度得到不同程度的加深，其中封闭块石护坡路基、块石护坡加厚路基、碎石护坡路基的降温深度分别约4.5、4.8、5.2 m，但处于降温深度下部的多年冻土存在升温趋势，这是由于受块碎石护坡路基降温机制的影响，路基下部积累的“冷量”不足以冷却深层多年冻土所导致。除此之外，路基下部土体的降温幅度由大到小依次为碎石护坡路基、块石护坡加厚路基、封闭块石护坡路基。降温深度和降温幅度影响路基的热稳定性，降温深度和降温幅度越大，路基下部冷却降温的范围越广，越有利于路基的热稳定性，从而保证路基正常有效地发挥降温作用。由此可以得出，相对于块石护坡路基，碎石护坡路基表现出更好的冷却降温作用，更有利于路基的热稳定性。

图5 2005-10-15—2015-10-15日块碎石护坡、普通路基中心下部土体温度随深度的变化曲线

2.2 路基左侧、右侧路肩下部地温变化

4种路基左侧、右侧路肩下部0.5、2.0、10.0 m深度地温时间序列曲线见图6。由图6可知，4种路基结构右侧路肩下浅层土体温度的季节波动强于左侧路肩，这是由于路基右侧路肩在冷季降温过程相对较强，导致其下部多年冻土降温较快。普通路基左侧路肩下部0.5、2.0 m深度处地温变化不明显，右侧路肩下同等深度存在一定的降温过程。相较于普通路基，块碎石护坡路基左侧、右侧路肩下部0.5、2.0 m深度处土体均表现出较为显著的降温趋势，其中；右侧路肩较左侧路肩明显，这与阴阳坡效应、冬季风所带来的强迫对流有关[31]。左侧路肩处于阳坡，坡面所接受的太阳辐射大于右侧路肩，使得左侧路肩坡面温度高于右侧路肩，导致左侧路肩块碎石层顶底温差小于右侧路肩，其空气自然对流强度低于右侧路肩，进而左侧路肩下部土体温度高于右侧路肩；与此同时，冬季外界风在作为迎风坡的右侧路肩将会产生强迫对流过程，促使下部土体温度发生明显降低。块碎石护坡路基左侧、右侧路肩下10.0 m深度处表现出一定的升温趋势，但与普通路基相比，在路基修筑完工10 a后，封闭块石护坡路基左侧、右侧路肩分别低0.17、0.25 ℃，块石护坡加厚路基左侧、右侧路肩分别低0.18、0.24 ℃，碎石护坡路基左侧、右侧路肩分别低0.29、0.27 ℃，说明块碎石护坡的降温能力有限，对深层多年冻土未产生冷却作用，但块碎石护坡的修筑有利于缓解深部多年冻土的升温，在一定程度上抑制多年冻土的退化。

2010—2012年块碎石护坡路基、普通路基左侧、右侧路肩下部0.5、2.0、10.0 m深度土体温差见表3。由表3可见，与普通路基相比，块石护坡加厚路基、碎石护坡路基左侧、右侧路肩下部0.5、2.0 m深度处土体温差存在不同程度的缩小，其中，块石护坡加厚路基的缩小程度最大，在浅层缓解阴阳坡效应的能力最强；块石护坡加厚路基左侧、右侧路肩下部10.0 m深度处土体温差大于普通路基，而碎石护坡路基小于普通路基，表明碎石护坡路基缓解阴阳坡效应的范围大于块石护坡加厚路基。封闭块石护坡路基仅在0.5 m深度处起到消除阴阳坡效应的作用，且2.0、10.0 m深度处左侧、右侧路肩温差均大于普通路基，说明封闭块石护坡路基削弱阴阳坡效应的能力仅涉及浅表层区域，在三种块碎石护坡路基结构中表现最差。由此可以看出，若块碎石层的孔隙被风沙或者积雪堵塞，其削弱阴阳坡效应的能力会大幅度降低。

表3 块碎石护坡路基与普通路基左侧、右侧路肩下部不同深度土体温差 ℃

2.3 多年冻土上限变化

在多年冻土区，路基存在的主要病害为融化下沉，多年冻土上限变化常被作为评价路基稳定性的重要指标[32]。一般而言，若路基下部多年冻土上限发生抬升，则认为该工程措施有利于路基的稳定性，能够保证其正常运营；反之，则认为对路基的正常运营产生负面影响。4种路基下部多年冻土上限的变化情况见图7。

图7 不同路基下部多年冻土上限变化

对于普通路基，右侧路肩下部多年冻土上限显著抬升，幅度超过1.0 m，左侧路肩下部多年冻土上限未发生明显变化，多年冻土上限表现出显著的不对称分布，或可导致路基发生差异性沉降及纵向裂缝，而块碎石护坡路基左侧、右侧路肩下部多年冻土上限均明显抬升，减弱了阴阳坡效应所产生的影响。在路基下部土体地温达到相对稳定状态后，封闭块石护坡路基左侧、右侧路肩下部多年冻土上限深度相差0.3～0.5 m，碎石护坡路基左侧、右侧路肩下部多年冻土上限深度相差0.07～0.10 m，块石护坡加厚路基左侧、右侧路肩下部多年冻土上限深度相差0.03～0.04 m，认为碎石护坡路基、块石护坡加厚路基多年冻土上限具有较好的对称性，能够降低路基出现差异性变形的可能性。

2.4 土体热状态变化

为进一步衡量块碎石护坡对其下部深层多年冻土的影响，本文选取路基下部5.0～5.5 m深度范围内土体热通量进行分析。根据传热学原理[33]，一维垂直方向上进入5.0～5.5 m深度范围内的热通量q为

(1)

式中：λ为土层的导热系数，取值为1.67 W/(m·K)[34]；ΔZ为土层厚度，取为0.5 m；T5.5、T5.0分别为土层5.5、5.0 m深度处的温度值。将式(1)计算得到的热通量对时间积分即可得到路基下部5.0～5.5 m范围内在一定时段内的总热量收支。

块碎石护坡路基下部土体地温变化达到稳定状态后深层土体5个冻融周期的热量收支情况见表4，其中第一个周期为2010年9月至2011年8月，依次类推。由表4可知，块碎石护坡路基下部土体地温进入到相对稳定阶段后，深层土体一直呈现出明显的吸热状态，吸热量在第三个周期时达到最小，分别为3 628.80、2 514.24、1 555.20 kJ/m2。这表明，在降温效果有限的情况下，多年冻土上限的抬升以及浅层土体温度的降低在一定程度上消耗了深层土体的“冷量”，这种吸热过程必然导致路基下部深层多年冻土温度的升高以及退化，进而影响路基的稳定性[35]。

表4 块碎石护坡路基下部深层土体热量收支情况 kJ/m2

3 块石护坡路基降温机制及外界气温变化对路基下部多年冻土影响分析

块碎石护坡路基的降温效果与其降温机理有关，其冷却机理主要为空气对流与隔热保温效应的结合。块石护坡路基的块石层空隙较大，在冷、暖两季均能形成空气对流；但碎石护坡路基的碎石层空隙较小，在暖季碎石层的空隙中不易形成空气对流，热量主要以热传导的方式进行，并且碎石层内部空气发挥了隔热保温作用，热量传递效率远低于块石护坡路基，较少的热量传入下部土体，随着季节的更替变化，碎石护坡路基比块石护坡路基更有利于“冷量”的累积。因此，在护坡路基中，碎石护坡路基对下部多年冻土的冷却作用最强。

根据前文分析，普通路基左侧、右侧路肩下部土体温度、多年冻土上限差异较大，阴阳坡效应较为明显，由此导致路基发生不均匀性变形的可能性增大，从而影响铁路路基的稳定性。路基两侧温度场不对称分布的原因主要在于路基左侧、右侧边坡所吸收的太阳辐射量不同，左侧路肩处于阳坡并吸收了大量的热量，致使下部土体温度明显高于右侧路肩，铺设块碎石层后，不仅对路基下部多年冻土产生降温作用，而且路基两侧的阴阳坡效应也得到明显改善。另外，块碎石层厚度、边界状态以及粒径大小均能够对路基降温效果产生影响，块石层加厚、开放的边界状态可增强自然对流强度、强化降温效果、改善路基两侧地温分布的不对称性，从而对路基的长期稳定性产生有利作用；块碎石粒径的大小能够影响块碎石层内的热量传递效率，进而决定了块碎石“冷量”的积累程度。因此，实际工程设计中必须考虑块碎石层的厚度和粒径，需确定最佳的块石层厚度和粒径范围，使其最大程度的发挥降温效果。

此外，外界气温变化对路基结构的降温效果也产生一定影响。北麓河站2004—2016年年平均气温的变化情况见图8。从图8中可以发现，在2004—2012年期间，年平均气温变化幅度较小，年平均升温速率为0.02 ℃/a，在2012—2016年期间，年平均气温呈现明显的升温趋势，升温速率为0.34 ℃/a，其中冬半年气温变暖更加显著，升温速率为0.48 ℃/a。综上所述，青藏高原年平均气温持续升高，或将导致块碎石护坡路基降温效果弱化，不利于路基下部多年冻土保护。

图8 2004—2016年北麓河站年平均气温变化情况

2005—2015年间路基下部不同深度多年冻土的年平均降温速率见表5。从表5可以看出，2005—2012年期间，封闭块石护坡路基、块石护坡加厚路基、碎石护坡路基下部浅层多年冻土区域的降温速率分别为0.49、0.85、0.87 ℃/10 a，深层多年冻土区域升温速率分别为0.69、0.60、0.56 ℃/10 a，发现在气温升温不明显情况下，路基下部浅层多年冻土受工程措施冷却作用的影响，呈现出明显的降温过程。在2012年后，气温出现明显升高，块碎石路基下部土体地温受气温升高所引起的负面影响开始显现，块石护坡加厚路基与碎石护坡路基边界处于开放状态，因而受气温升高影响较大，导致路基下部浅层土体出现升温趋势；封闭块石护坡路基边界处于封闭状态，几乎不受外界环境变化的影响，浅层区域依然保持着降温趋势。

表5 2005—2012年、2012—2015年路基下部不同深度多年冻土的年平均降温速率 ℃/10a

综上所述，块碎石护坡路基降温过程表现出较为明显的阶段性：第一阶段，路基修筑初期，块碎石护坡工程措施较强的冷却作用，使得路基下部土体地温快速下降；第二阶段，土体地温变化达到相对稳定状态，块碎石护坡路基降温效果处于稳定状态；第三阶段，路基修筑后8～9 a，块碎石护坡路基仍然具有降温效果，但降温幅度呈减弱趋势，其中，封闭块石护坡路基受气温变化影响最小。

4 结论

(1)从土体地温变化和热状态来看，封闭块石护坡路基、块石护坡加厚路基、碎石护坡路基中心下原多年冻土上限附近的降温速率依次为0.39、0.45、0.47 ℃/10a，降温深度分别约为4.5、4.8、5.2 m，深层多年冻土表现为吸热状态，其降温效果仅限于路基下部浅层区域，其中以碎石护坡路基降温效果最明显。

(2)从左侧、右侧路肩下部土体地温分布和多年冻土上限变化来看，普通路基左侧、右侧路肩下部地温分布存在严重不对称性，不利于路基稳定性。块碎石护坡路基能够有效削弱下部土体的阴阳坡效应，块石护坡加厚路基和碎石护坡路基下部土体地温分布具有较好的对称性，封闭块石护坡路基仅涉及浅表层区域，在三种块碎石护坡路基结构中表现最差。在浅层多年冻土区域，碎石护坡路基削弱阴阳坡效应的能力稍逊于块石护坡加厚路基，而在深层多年冻土区域则正好相反。

(3)在工程活动和外界气温变化的双重影响下，块碎石护坡路基结构降温过程存在阶段性，分别为：第一阶段，路基修筑初期，块碎石工程设施较强的冷却作用，使得路基下部土体地温快速下降；第二阶段，土体地温变化达到相对稳定状态，块碎石护坡路基降温效果处于稳定；第三阶段，路基修筑后8～9 a，块碎石护坡路基降温作用稍有减弱，但其降温过程依然在继续。