青藏公路沿线冻土退化特征与道路工程热扰动研究

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随着我国“西部大开发”战略的深入贯彻与实施,青藏高原多年冻土地区道路建设掀起了新一轮的高潮。高速公路作为国家重要的战略资源,对加强西藏自治区与祖国内地的经济联系,保障我国边疆的国防安全具有十分重要的战略意义。《国家高速公路网规划》正式将北京—拉萨高速公路纳入由首都放射线之一,期望在“十二五”期间对京藏高速公路格尔木至拉萨段实行破土动工。然而格尔木至拉萨段青藏工程走廊带内,已有包括青藏公路、青藏铁路、格拉成品油管道、兰西拉光缆通讯工程、高压输电工程等在内的5项重大工程,拟建的青藏高速公路不仅会给青藏工程走廊带的冻土生态环境带来不可估量的后果,同时会对已有建筑物群造成严重的热干扰。  以往对冻土工程热稳定性的研究主要集中于冻土工程变形与稳定性,对深层冻土地温与线性工程横向热影响关注较少。但是对青藏工程走廊密集的线性工程群而言,横向热扰动对整个青藏工程走廊多年冻土的热状况同样至关重要。针对这一问题,本文采取室内数值计算与野外数据监测相结合的方法,提出了多年冻土地区道路工程横向热影响范围的定义与计算方法,得到了青藏铁路与青藏公路横向热影响范围的大小,并开展了青藏高速公路不同建筑型式以及三路并行状况下横向热干扰范围的相关模拟研究,以期望为未来青藏高速公路的设计、选线及布局提供理论参考。通过以上研究工作,本文得到以下几点结论:  (1)在全球气候升温与人类工程活动的影响下,青藏公路沿线多年冻土地温平均增温率在0.013℃/a-0.024℃/a之间,冻土上限深度下降幅度在0.1-1.54m之间。冻土持续退化导致冻土路基变形主要以下沉变形为主,绝大部分路段没有明显的冻胀变形过程或冻胀变形很小,容易产生路基波浪、路基纵向裂隙等病害。  (2)采用温差ΔT场为指标评价冻土地区建筑物热影响范围,能够简洁准确的反映建筑物热影响范围与程度。温差ΔT越大,表明受路基热影响程度越高。由于北麓河地区青藏公路与输油管道相距较近,二者之间存在热干扰。建筑物之间的相互热干扰会导致冻土融化速率的差异,引起建筑物的不均匀沉降,对建筑物的安全有不利影响。  (3)根据数值计算结果,路基下部土体温差ΔT=0℃的区域为非影响区;温差ΔT>0℃的区域为热影响区。不同深度处温差ΔT沿横向均呈现出明显的抛物线形衰减规律。沿深度方向上温差ΔT存在三个明显的分区,路基垂直热扰动曲线以A点多年冻土天然上限深度和B点多年冻土人为上限深度为界,综合可以得到冻土深度H与温差ΔT的关系表达式如下:H={1.3886(ΔT)3-0.316ln(ΔT)+0.398 H<A-1.7204(ΔT)2+1.5574(ΔT)+1.457 A≤H≤B-6.879ln(ΔT)+7.8791 H>B  (4)路基高度的抬升能够减小路基修筑引起的热扰动,但是抬升到3.0m以后降低路基热扰动的效果很有限。路基宽度的增加,路基对下伏多年冻土的热影响程度也在不断加深。从青藏公路到青藏高等级公路,其温差ΔT显著增加,其增加幅度基本上在1.5℃以上。  (5)青藏铁路的路基热影响区域可以分为三个部分:①温差ΔT>0℃区域,对青藏铁路的热稳定性有不利影响;②温差ΔT<0℃区域对青藏铁路的热稳定性有利;③温差ΔT=0℃区域不受青藏铁路路基热影响的影响。青藏公路和青藏铁路在路基热影响范围上的差异性主要表现在三个方面:①路基热影响区域的划分;②路基热影响范围的大小;③路基高度对路基热扰动的影响。青藏公路和青藏铁路在路基热影响范围上存在较大差异的根本原因在于路基的尺度效应和路面结构特征。  (6)根据地温场以及温差ΔT场形态变化特征将分离式路基的热扰动程度分成严重、较严重、中等、较轻微、轻微、无等六类。青藏公路引起的温差ΔT场明显大于青藏铁路引起的温差ΔT场,当青藏公路与青藏铁路相近较近时,青藏公路温差ΔT场明显对青藏铁路温差ΔT场造成挤压。  (7)在保证青藏高速公路、青藏铁路以及青藏公路三条道路相互并行且地温场和温差ΔT场相互不干扰的情况下,将青藏高等级公路靠近青藏铁路一侧,采用整体式建筑型式横向方向上大约需要80m的距离,是其他修筑方式和公路布局情况下最小距离,因此推荐青藏高速公路修筑在靠近青藏铁路一侧。
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