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共和-玉树高等级公路(共玉公路)处于青藏高原东部连续多年冻土分布的边缘带上,沿线冻土类型多样、地温高且退化严重。近年来共玉公路沿线已经形成了青藏高原多年冻土区第二个工程走廊带。多年冻土问题是工程走廊带面临的最大难题之一。全球变暖背景下冻土退化使得这一问题变得更加棘手。本文通过大量勘察资料的统计对比、监测数据的综合分析和数值模型的模拟等,对共玉公路沿线多年冻土的过去、现在和未来的演化进行了研究,并对沿线典型冻土类型的工程地质条件现状和未来进行了情景评价。 共玉公路沿线多年冻土分布主要受海拔控制,同时有纬度地带性,局地因素也不可忽略。沿线鄂拉山-清水河段为多年冻土区,长约360km。多年冻土下界在鄂拉山处约4090m,向南逐渐升高,到清水河地区为4450m左右,跨越了33.5°至35.5°约两个纬度带。共玉公路多年冻土路段累积197.3km,高含冰路段109km,占多年冻土段55.2%。沿线主要高含冰冻土路段有醉马滩、长石头山、多钦安科郎、查拉坪、巴颜喀拉山和清水河等。 近十余年的观测数据分析表明,沿线多年冻土地温普遍较高,且呈现逐渐升温趋势。姜路岭、醉马滩、红土坡、花石峡和长石头山等多年冻土地温在-0.4℃至-0.9℃之间,升温速率约0.007-0.016℃/a。地温曲线形态显示,姜路岭、红土坡、长石头山和查拉坪冻土层上部放热下部吸热,属相对稳定多年冻土;醉马滩、花石峡、清水河冻土层上下均处于吸热状态,属于退化型冻土。花石峡和清水河冻土地温曲线接近0梯度形态。 基于热传导的非线性有限元数值模型,对沿线典型冻土在1400-2112年700余年间演化过程进行了数值模拟。模型考虑沉积环境、岩性、含冰量、地温等,分平原区、高山区、低含冰、高含冰、极高温、高温、低温以及三种下边界地热流和三种未来升温情景等条件,共108种冻土的演化过程。结果表明,小冰期到1900年,三次气候波动,多年冻土厚度并未发生较大变化。近100年来,冻土剧烈升温,幅度超过之前500a,下限抬升明显。多年冻土退化主要是近100年来气候变化的结果。未来100a,绝大多数极高温冻土(-0.2℃左右)将退化消失。 通过对冻土退化过程中地温曲线形态的分析,将冻土退化分为以下几个阶段:均匀梯度阶段、C型阶段、0梯度型阶段和相变阶段。均匀梯度阶段冻土层上部地温上低下高,处于放热状态,季节变化深度以下地温曲线近似直线或折线,此阶段冻土处于相对稳定状态。C型阶段冻土层卜部地温曲线呈负梯度,即地温上高下低,吸热状态,地温曲线中部地温最低,整个曲线呈现C字形,该种类型冻土处于退化开始时期。0梯度型阶段冻土地温较高,一般在相变剧烈区,地温接近0℃,且上下地温非常接近,地温梯度近似为0,但冻土上限和下限尚无较大变化。0梯度型冻土处于退化中后期,冻土层十分不稳定。相变阶段的冻土上限下移速度较快,出现融化夹层,竖向上处于不衔接状态。一般该阶段的冻土处于退化的末期,即将退化消失。 多年冻土退化过程中,开始阶段上限缓慢下移,当下移到3-4m时,出现融化夹层,标志着快速退化的开始,此后冻土上限快速下移。多年冻土下限一般保持缓慢上移状态,直到与快速下移的上限融合,冻土完全退化。不同深度的地温随上边界变化而起伏波动,深度越浅,响应越迅速,波动幅度越大,但波动的极值点会延迟出现,延迟时间的长短取决于上边界出现极值点之后的温度变化快慢。下边界地热流的大小与冻土退化持续时间长短呈反比关系。冻土含冰越低,地温对气候变化响应越敏感;冻土含冰越高,上下限变化越缓慢,冻土地温进入相变剧烈区到完全退化持续的时间越长。松散层较厚的平原区冻土下限抬升速率一般比松散层薄的高山区缓慢,退化也更缓慢。 基于突变级数法,构建了层次结构的冻土工程地质评价指标体系,并讨论了各评价指标的定量分级标准,对共玉公路沿线典型冻土类型现状进行了评价。评价结果表明,平原区和高山区的高含冰冻土工程地质条件均处于差和极差状态,而低含冰冻土则均处于良好和一般状态,这与实际情况较为吻合。多年冻土升温退化过程中,低含冰冻土对工程地质条件的影响较小,高含冰冻土上限快速下移开始,工程地质条件恶化,冻土完全退化后,工程地质条件将转好。结合多年冻土退化的数值模拟预测结果,对50a后的典型冻土工程地质条件进行了情景评价,结果表明,平原区高含冰极高温冻土和RCP8.5情景下的高山高含冰极高温冻土有实质好转,绝大部分高含冰冻土依然维持对工程危害较大状态,低含冰冻土一直处于对工程无害状态。