吳青柏 張中瓊 劉 戈

(①中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730000， 中國(guó))

(②中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710065， 中國(guó))

0 引 言

凍土是一種溫度低于0℃且含有冰的特殊土體，連續(xù)存在兩年或兩年以上的凍土為多年凍土。多年凍土是地球上分布最為廣泛的冰凍圈因子，約占地球陸地面積的17%，占北半球陸地面積的24%(Biskaborn et al.，2019)。多年凍土是在氣候變化背景下受地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)和植被等區(qū)域因素影響通過(guò)活動(dòng)層內(nèi)物質(zhì)和能量交換而發(fā)育和演變的產(chǎn)物。多年凍土的發(fā)生和發(fā)展，將改變地氣間的能水循環(huán)、碳循環(huán)，陸地生態(tài)系統(tǒng)、寒區(qū)水文系統(tǒng)和工程建筑物穩(wěn)定性。近年來(lái)氣候轉(zhuǎn)暖條件下多年凍土退化加速，觸發(fā)一系列來(lái)自陸地生態(tài)系統(tǒng)、多年凍土區(qū)碳循環(huán)、水文系統(tǒng)和工程構(gòu)筑物的嚴(yán)重后果，凍土融化的風(fēng)險(xiǎn)劇增(Nelson et al.， 2001)。

青藏高原獨(dú)特的環(huán)境孕育了面積為1.40×106km2的高海拔多年凍土，是全球中低緯度地區(qū)多年凍土分布最廣泛的區(qū)域，約占青藏高原陸地面積的54.3%(程國(guó)棟等， 2000)。最新的凍土調(diào)查結(jié)果顯示，青藏高原多年凍土面積為1.06×106km2，約占陸地面積的40.2%(程國(guó)棟等， 2019)，多年凍土對(duì)青藏高原工程規(guī)劃和安全運(yùn)營(yíng)、生態(tài)環(huán)境、水文水資源等產(chǎn)生重要的影響。多年凍土對(duì)氣候、生態(tài)環(huán)境、水文條件變化非常敏感，特別是年平均地溫高于- 1.0℃、體積含冰量超過(guò)25%的高溫高含冰量?jī)鐾劣葹槊舾?。氣候轉(zhuǎn)暖影響下青藏高原多年凍土退化顯著，包括活動(dòng)層厚度增大、多年凍土溫度升高、多年凍土厚度減薄、多年凍土分布下界升高等。凍土退化引發(fā)的地下冰融化導(dǎo)致地表沉降，引起一系列凍融災(zāi)害問(wèn)題，如熱融滑塌、凍土滑坡、融凍泥流等。氣候轉(zhuǎn)暖導(dǎo)致多年凍土發(fā)生區(qū)域變化，工程作用主要導(dǎo)致局部場(chǎng)地凍土發(fā)生退化，工程下部多年凍土上限增大、凍土溫度升高，導(dǎo)致地下冰融化、凍融災(zāi)害增多等，引起工程穩(wěn)定性變化和工程服役性降低(圖1)。

圖1 氣候轉(zhuǎn)暖和工程作用對(duì)多年凍土的影響

凍土作為工程構(gòu)筑物的特殊地基，與非凍土地基的重大區(qū)別，在于凍土地基具有厚度不等的地下冰體和冰層，凍土融化導(dǎo)致工程發(fā)生下沉變形。同時(shí)，隨著凍土溫度變化，其工程性質(zhì)發(fā)生顯著變化。凍土地基在凍結(jié)狀態(tài)下，大多數(shù)凍土都表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，且具有相對(duì)隔水的特征。在融化狀態(tài)時(shí)，就完全喪失其強(qiáng)度。在其反復(fù)凍結(jié)與融化作用下，地基土的強(qiáng)度出現(xiàn)弱化，并引起一系列凍土工程問(wèn)題。在多年凍土區(qū)工程建設(shè)時(shí)，由于工程構(gòu)筑物改變了場(chǎng)地地表的物理性質(zhì)，引起了地表輻射和能量平衡，改變了地氣之間的熱交換過(guò)程。因而，工程熱影響在建設(shè)初期對(duì)凍土熱狀態(tài)產(chǎn)生顯著的放大效應(yīng)，易引起凍土地下冰融化和工程穩(wěn)定性變化。在氣候轉(zhuǎn)暖和工程熱影響疊加作用下，凍土熱狀態(tài)處于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，使工程在運(yùn)營(yíng)階段處于長(zhǎng)期的不穩(wěn)定狀態(tài)。凍土工程要想維持其熱-力學(xué)穩(wěn)定性狀態(tài)，必須預(yù)先采取工程技術(shù)措施調(diào)控或減小工程對(duì)其下部多年凍土的熱影響，避免地下冰發(fā)生融化和多年凍土升溫。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，試圖對(duì)青藏高原氣候變暖和工程作用影響下多年凍土變化特征和工程穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)梳理，從預(yù)防凍土融化角度闡述了凍土工程安全保障技術(shù)，最后探討了未來(lái)氣候變化情景下多年凍土變化趨勢(shì)及其對(duì)工程服役性影響。

1 氣候轉(zhuǎn)暖下多年凍土變化

青藏高原由于其氣候變化的獨(dú)特性以及其熱力和動(dòng)力作用對(duì)下游的中國(guó)東部季風(fēng)氣候乃至全球大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生顯著的影響(葉篤正等， 1979)。過(guò)去50年間，青藏高原年平均氣溫的線性增溫率為0.37℃/10 a，明顯高于北半球和同緯度地區(qū)(Kuang et al.，2016)。氣候變化影響下多年凍土發(fā)生顯著的變化，包括多年凍土面積、凍土厚度、多年凍土分布下界、多年凍土溫度和活動(dòng)層厚度等。

根據(jù)青藏高原約190余個(gè)鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)，地表下15 m深度多年凍土溫度總的高于- 4.0℃，其中一半以上凍土溫度高于- 1.0℃，為高溫多年凍土(Wu et al.，2010a)。過(guò)去60年來(lái)，青藏高原多年凍土一直處于持續(xù)升溫狀態(tài)， 20世紀(jì)70年代～90年代期間，島狀不連續(xù)多年凍土溫度升高了0.3～0.5℃，連續(xù)多年凍土區(qū)升高了0.1～0.3℃(Cheng et al.，2007)。青藏公路沿線凍土地溫連續(xù)觀測(cè)表明， 1996～2006年，6 m深凍土溫度升高了0.12～0.67℃，平均升溫速率為0.39℃/10 a。高溫凍土(年平均地溫>- 1.0℃)平均升溫率為0.23℃/10 a，低溫凍土平均升溫率為0.55℃/10 a(Wu et al.，2008)。1995～2014年，凍土升溫速率為0.23℃/10 a，升溫速率有所減緩。年平均地溫(12～15 m深)升溫速率為0.15℃/10 a，大于20 m多年凍土處于持續(xù)升溫狀態(tài)，低溫凍土區(qū)40 m深的凍土和高溫凍土區(qū)30 m深的凍土顯著升溫，凍土厚度減薄了1.8～2.4 m(Zhang et al.，2020)。2005～2017年，青藏公路沿線10 m深度凍土升溫速率為0.15℃/10 a; 2002～2014年，青藏高原東部的青康公路沿線15 m凍土溫度升溫率為0.013～0.17℃/10a，平均升溫率為0.08℃/10 a(程國(guó)棟等， 2019).

青藏高原活動(dòng)層厚度平均介于1.67～3.29 m，其中高寒草甸活動(dòng)層厚度介于1.32～1.83 m，高寒草原為1.03～5.86 m，空間差異非常顯著(程國(guó)棟等， 2019)。在氣候變化影響下，青藏高原活動(dòng)層厚度處于持續(xù)增大狀態(tài)?；顒?dòng)層厚度模型預(yù)測(cè)，過(guò)去30年來(lái)青藏高原活動(dòng)層厚度以1.33 cm的速率在增大(李韌等， 2012)。青藏公路沿線凍土觀測(cè)資料表明， 1995～2007年活動(dòng)層厚度年增加率約為7.5 cm·a-1，高溫凍土活動(dòng)層厚度大于低溫凍土。在中高山區(qū)低溫凍土區(qū)，活動(dòng)層厚度平均年增加率為4.3 cm·a-1； 在高平原和盆地區(qū)，活動(dòng)層厚度平均年增加率為6.7 cm·a-1(Wu et al.，2010a)。據(jù)最新的觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)， 1995～2014年，活動(dòng)層厚度在加速變深，平均達(dá)8.4 cm·a-1(程國(guó)棟等， 2019)。

伴隨著凍土退化，熱融湖塘和熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災(zāi)害顯著增加。根據(jù)近年來(lái)地面和遙感調(diào)查，青藏公路沿線大約分布著250余個(gè)熱融湖塘，總面積大約139×104m2，平均熱融湖塘面積約為5580 m2，熱融湖塘集中分布在高平原和溝谷盆地(Niu et al.，2011)。氣候轉(zhuǎn)暖下，熱融湖塘數(shù)量有所增加，面積有所擴(kuò)大。熱融湖塘的形成和發(fā)育對(duì)寒區(qū)工程、水文水資源、寒區(qū)環(huán)境演化均有較大影響。同時(shí)，熱融滑塌或凍土滑坡也顯著增加，據(jù)最新的遙感數(shù)據(jù)顯示，青藏鐵路沿線五道梁到風(fēng)火山新發(fā)現(xiàn)42個(gè)熱融滑塌(Niu et al.，2016)，這些多年凍土區(qū)斜坡的熱喀斯特過(guò)程是凍土退化的結(jié)果，遠(yuǎn)離工程構(gòu)筑物基本對(duì)工程沒(méi)有影響。但是，在氣候變化背景下，工程活動(dòng)誘發(fā)了熱融滑塌和凍土活動(dòng)層滑坡，如青藏公路K3035處工程取土導(dǎo)致地下冰暴露而誘發(fā)的，對(duì)青藏公路安全運(yùn)營(yíng)造成了一定的威脅(Niu et al.，2012)。風(fēng)火山地區(qū)由于修筑路基導(dǎo)致平緩斜坡后緣產(chǎn)生蠕滑拉張裂縫，后期異常降水作用導(dǎo)致凍土活動(dòng)層滑坡，凍土滑坡前緣滑坡體伸入涵洞近9 m，對(duì)青藏鐵路安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了一定的威脅。北麓河地區(qū)青藏鐵路也發(fā)生了類(lèi)似的災(zāi)害，對(duì)青藏鐵路安全運(yùn)營(yíng)也產(chǎn)生了威脅。

2 工程作用下多年凍土變化

多年凍土區(qū)修建路基工程不可避免地改變地表的物理性質(zhì)，如地表反照率、粗糙度、總體輸送系數(shù)和地表溫度(Zhang et al.，2016)，導(dǎo)致長(zhǎng)波輻射、短波輻射和凈輻射的輻射特征變化，同時(shí)改變了地表感熱、潛熱和儲(chǔ)熱通量等能量平衡特征(Zhang et al.，2017)。公路路面是瀝青路面，相對(duì)隔斷了大氣與地表之間的水汽交換，具有強(qiáng)烈的吸熱效應(yīng)(Zhang et al.，2018)。鐵路是砂礫路面—道砟表面，具有一定的冷卻作用。這兩種路堤表面的能量平衡差異使其對(duì)路基下部多年凍土的熱量積累產(chǎn)生了差異。路基的熱量積累主要來(lái)源于路基中心和邊坡，瀝青路面公路路基中心下部熱量積累要大于路基邊坡下部，鐵路路基邊坡下部的熱量積累要大于路基中心。同時(shí)，高速公路寬幅瀝青路面將強(qiáng)化路基中心下部土體的熱量進(jìn)一步積累(Yu et al.，2015)。

氣候變暖影響下，工程熱擾動(dòng)的疊加作用加速了工程下部多年凍土的退化，引起了工程下部多年凍土上限加深、凍土溫度升高。然而，路基下部?jī)鐾翢釥顟B(tài)變化并非是氣候變暖和工程熱擾動(dòng)作用的線性疊加結(jié)果，目前還難以區(qū)分氣候變暖和工程作用對(duì)工程下部多年凍土變化的相對(duì)貢獻(xiàn)，這也是工程設(shè)計(jì)考慮氣候變化問(wèn)題的難點(diǎn)。

根據(jù)青藏公路和青藏鐵路的凍土工程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，瀝青路面下部和鐵路砂礫路面下部路基中心孔和天然地表下部土體溫度的變化過(guò)程存在著顯著的差異(圖2和圖3)。瀝青路面(公路)下0.5 m深度的夏季土體溫度遠(yuǎn)高于天然地表，冬季溫度相差較小。而砂礫路面(鐵路)下0.5 m深度冬季土體溫度略高于天然地表，冬季溫度差異較小。在氣候和工程影響下，路基下部土體溫度遠(yuǎn)高于天然狀態(tài)。但公路下部和鐵路下部表現(xiàn)出了顯著的差異，尤其是冬季溫度。鐵路道砟在冬季表現(xiàn)出了較好的冷卻效應(yīng)，導(dǎo)致下部土體具有一定的降溫作用，瀝青路面吸熱效應(yīng)使下部土體溫度升溫顯著。在工程和氣候的影響下，工程下部?jī)鐾恋臒釥顟B(tài)不僅發(fā)生了顯著的變化，而且人為多年凍土上限也發(fā)生了顯著的變化。在路基修筑初期，多年凍土上限發(fā)生了顯著抬升，但隨著工程作用的影響，多年凍土上限將會(huì)發(fā)生下降，且下降幅度與多年凍土熱穩(wěn)定性和含冰狀態(tài)以及路基高度等有密切的關(guān)系。青藏公路長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料表明，瀝青路面下部多年凍土上限處于持續(xù)增加過(guò)程，凍土溫度持續(xù)升高，但高低溫凍土存在顯著的差異。1996～2007年間， 6 m 深凍土升溫速率介于0.18～0.87 ℃/10 a， 10 m深凍土升溫速率介于0.22～0.52 ℃/10 a(吳青柏等， 2013)。1996～2007年間，高溫凍土(年平均地溫>- 1.5℃)上限的年增加率介于17.4～25.8 cm·a-1，低溫凍土(年平均地溫<- 1.5℃)上限年增加率僅為2.1～9.4 cm·a-1(吳青柏等， 2013)。同時(shí)，青藏公路下部出現(xiàn)了融化夾層，鉆探和地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)結(jié)果顯示，路基下部的融化夾層約占630 km多年凍土區(qū)的58%(吳青柏等， 2013)。

圖2 青藏公路路基中心下部和天然地表下部0.5m(a)、2m(b)和5 m(c)土體溫度的變化

圖3 青藏鐵路路基中心下部和天然地表下部0.5m(a)、2m(b)和5 m(c)土體溫度的變化

在氣候和工程熱效應(yīng)的作用下，運(yùn)行近40年的青藏公路瀝青路面下部多年凍土變化顯著。多年凍土鋪筑路基后，凍融過(guò)程會(huì)使多年凍土上限處于升高狀態(tài)，但隨著氣候和工程的熱影響，路基下部?jī)鐾翜囟戎饾u升高，多年凍土上限會(huì)發(fā)生下降。青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，年平均地溫高于- 0.6℃的高溫凍土上限已出現(xiàn)一定程度的下降，陰坡路肩下部?jī)鐾辽舷尴陆捣蕊@著(馬巍等， 2013)。同時(shí)，青藏鐵路修筑路基初期多達(dá)18處也出現(xiàn)了融化夾層，年平均地溫低于- 1.0℃的低溫多年凍土區(qū)融化夾層在觀測(cè)期內(nèi)逐漸消失，高于- 1.0℃的高溫多年凍土區(qū)融化夾層未消失，融化夾層厚度有增大的趨勢(shì)(孫志忠等， 2015)。然而，青藏公路路基下部的融化夾層與青藏鐵路的成因略有差異，青藏公路的融化夾層是由于氣候變化和工程作用影響下凍土融化深度過(guò)大而引起了冬季凍土在垂直方向上產(chǎn)生了不銜接，青藏鐵路主要是由于修筑路基使得冬季最大季節(jié)凍結(jié)深度不能達(dá)到路基下部多年凍土頂板位置而產(chǎn)生了不銜接。

3 凍土變化誘發(fā)的工程病害

陰陽(yáng)坡效應(yīng)是青藏高原路基工程典型問(wèn)題，是指左右路肩下部多年凍土上限和凍土溫度差異，并引起路基不均勻下沉和縱向裂縫(Chou et al.，2008)，這一效應(yīng)主要是由于路基邊坡太陽(yáng)輻射差異引起的路基邊坡表面溫度差異所致。圖4顯示青藏鐵路路基走向與太陽(yáng)輻射和邊坡表面溫度成正比(圖4a、圖4b)，但左右路肩下多年凍土上限差異和土體溫度差異與路基走向關(guān)系不顯著(圖4c、圖4d)。說(shuō)明左右路肩下部多年凍土上限差異和凍土溫度差異并不僅受到路基表面溫度的影響，也包括路基高度、土體性質(zhì)、多年凍土熱穩(wěn)定性等(Wu et al.，2011)。氣候轉(zhuǎn)暖影響會(huì)加劇陰陽(yáng)坡效應(yīng)，工程措施會(huì)減弱這一效應(yīng)(Wu et al.，2011)，特別是針對(duì)這一效應(yīng)的調(diào)控措施減弱幅度更大。

圖4 青藏鐵路路基走向與路基左右邊坡表面太陽(yáng)輻射差(a)、路基左右邊坡表面溫度差(b)、左右路肩下多年凍土上限差(c)和左右路肩路基下部0.5 m深土體溫度差(d)的關(guān)系

氣候變化和工程作用下凍土融化導(dǎo)致了大量的工程病害，路基工程病害主要為路基沉陷、波浪變形、橫向裂縫和縱向裂縫，路面病害主要為網(wǎng)裂、車(chē)轍、壅包等(Chai et al.，2018)。路基工程病害主要與凍土融化有關(guān)(Wang et al.，2020)，受到了多年凍土溫度、含冰狀態(tài)、多年凍土上限和路基高度等因素的影響(陳繼， 2007; Chai et al.，2018)。青藏公路先后開(kāi)展了多次工程病害調(diào)查，表1是依據(jù)2005～2006年青藏公路工程病害調(diào)查的估算表。表1顯示，工程病害比例占各地貌單元路段長(zhǎng)度的1%到81%，平均病害率為38.6%。這些路段中有些路段工程病害比例明顯偏高，可能與青藏鐵路建設(shè)有關(guān)，同時(shí)這些路段大部分是尚未整治的路段。表1顯示在可可西里、風(fēng)火山和北麓河等路段，路基病害率超過(guò)了50%，這些路段大部分為高含冰量?jī)鐾?，且路基下部融化夾層比例高達(dá)50%(章金釗等， 2008)。路基病害與路基高度具有極為密切的關(guān)系，路基沉降變形隨路基高度增加而減少，但路基裂縫隨路基高度增加而增加(陳繼， 2007)。

表1 青藏公路2005～2006年路基工程病害調(diào)查結(jié)果

4 凍土工程熱穩(wěn)定性控制技術(shù)

在氣候和工程影響下，凍土工程性質(zhì)始終處于動(dòng)態(tài)變化中，土體凍脹會(huì)隨著水分遷移和水汽運(yùn)移而不斷地改變其對(duì)工程構(gòu)筑物的影響，凍土融化下沉?xí)S著凍土中地下冰的融化和凍土溫度升高不斷地改變著工程構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。因此，要想保證多年凍土工程建筑物的穩(wěn)定性，需預(yù)先采取工程技術(shù)措施來(lái)防止凍土融化或升溫而使工程處于熱力穩(wěn)定狀態(tài)。多年凍土一旦融化后是難以恢復(fù)的，任何后期的地基改良均難以保證工程安全，反而會(huì)帶來(lái)更多的外部熱量。

防止凍土融化或升溫主要可通過(guò)一定的工程結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)形式調(diào)控?zé)岬膫鲗?dǎo)、對(duì)流和輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)(程國(guó)棟等， 2009)，最大限度地避免地下冰融化和多年凍土升溫，避免產(chǎn)生較大的融化下沉和凍土變形。

調(diào)控?zé)岬膫鲗?dǎo)主要通過(guò)加高路基填土高度或在路基中鋪設(shè)保溫材料等增加熱阻的方法(圖5a)，減小夏季進(jìn)入工程下部的熱量。然而，這種方法同時(shí)也減小了冬季進(jìn)入工程下部的熱量，只能夠起到延緩凍土融化的作用(Sheng et al.，2006)，對(duì)于考慮氣候變化工程設(shè)計(jì)和年平均地溫高于- 1.0℃高溫凍土與體積含冰量大于25%的高含冰量?jī)鐾羴?lái)說(shuō)是不適用的。在青藏公路和青康公路建設(shè)中未考慮氣候變化問(wèn)題，廣泛使用了這種增加熱阻控制凍土融化的方法。

圖5 凍土工程穩(wěn)定性控制技術(shù)

熱棒路基主要是利用熱棒(管)內(nèi)液氨工質(zhì)汽液兩相對(duì)流循環(huán)將路基下部土體的熱量置換出來(lái)，這一結(jié)構(gòu)只有在冬季氣溫低于土體溫度時(shí)才能夠發(fā)揮作用，當(dāng)夏季氣溫高于土體溫度時(shí)熱管停止工作，是一種單向?qū)嵫b置(郭宏新等， 2009)，被廣泛應(yīng)用于寒區(qū)工程建筑物，包括交通運(yùn)輸和阿拉斯加輸油管道工程(Doré et al.，2016)。我國(guó)在青藏鐵路建設(shè)和青藏公路整治工程中廣泛使用了熱棒路基結(jié)構(gòu)(圖5b)，在路基或路基坡腳單側(cè)或兩側(cè)分別按照一定的間距插入熱棒，以保證路基下部多年凍土的穩(wěn)定性。該技術(shù)在柴木鐵路、共玉高速公路和青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程被廣泛使用同時(shí)，在青藏鐵路多年凍土區(qū)工程補(bǔ)強(qiáng)措施上被廣泛使用。

調(diào)控?zé)岬妮椛渲饕峭ㄟ^(guò)遮陽(yáng)板(圖5c)或遮陽(yáng)棚(圖5d)等工程措施降低地面溫度來(lái)減少太陽(yáng)輻射對(duì)工程下部多年凍土熱影響(Esch， 1988)，但因?yàn)檎陉?yáng)板或遮陽(yáng)棚材料的耐久性問(wèn)題，這種措施并未在實(shí)際工程中得到廣泛的使用。青藏公路和青藏鐵路開(kāi)展了一些實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示，在年平均氣溫為- 3.8℃環(huán)境下遮陽(yáng)板可使路基邊坡表面溫度降低2～4℃，在年平均氣溫為- 6.0℃環(huán)境下遮陽(yáng)棚內(nèi)地表溫度可降低8～15℃(Feng et al.，2006)。

調(diào)控?zé)岬膶?duì)流主要是通過(guò)工程結(jié)構(gòu)措施增加自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流來(lái)降低工程下部的土體溫度(馬巍等， 2013)。架空通風(fēng)基礎(chǔ)在工程建筑物廣泛使用，但路基工程目前處于試驗(yàn)階段。通風(fēng)管路基(圖5e)是一種冷卻路基的重要措施之一，它通過(guò)冬季冷空氣在路基中鋪設(shè)的通風(fēng)管內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)迫對(duì)流來(lái)降低路基中土體熱量，但夏季通風(fēng)管同樣存在強(qiáng)迫對(duì)流過(guò)程，有利于夏季熱量進(jìn)入路基，為減小夏季強(qiáng)迫對(duì)流的弊端，發(fā)展了一種具有溫控的通風(fēng)管(圖5f)措施以減小夏季熱量的影響。同時(shí)，為強(qiáng)化通風(fēng)管的冷卻作用，發(fā)展了一種透壁通風(fēng)管形式。通風(fēng)管路基的研究結(jié)果表明，在年平均氣溫為- 3.8℃、凍土年平均地溫為-1.5～- 0.9℃環(huán)境下，它可使路基下部2 m凍土溫度降低0.5～1.5℃(Niu et al.，2006)，自動(dòng)溫控通風(fēng)管路堤基底下3.5 m 處的年平均地溫比一般通風(fēng)管下的低0.45 ℃(Yu et al.，2008)，透壁通風(fēng)管提高了通風(fēng)管路基的冷卻效率(胡明鑒等， 2004)。雖然通風(fēng)管措施具有顯著的降溫作用，但因考慮青藏高原風(fēng)沙堵塞的影響，在青藏鐵路路基工程建設(shè)并未得到廣泛的應(yīng)用。

青藏鐵路冷卻路基措施對(duì)其下部多年凍土降溫作用存在一定的差異，遮陽(yáng)板(棚)、通風(fēng)管路基結(jié)構(gòu)未在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，難以闡述其對(duì)路基下部多年凍土的降溫作用，只有熱棒措施和塊石結(jié)構(gòu)路基在多年凍土區(qū)路基工程中被廣泛應(yīng)用。熱棒路基和塊石結(jié)構(gòu)路基均可顯著地抬升路基下部多年凍土上限、降低多年凍土溫度。由于熱棒路基和塊石路基對(duì)其下部?jī)鐾恋慕禍貦C(jī)制不同，其應(yīng)用存在一定的差異。熱棒路基結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中主要考慮熱棒的影響半徑、設(shè)計(jì)間距、插入方式(直插和斜插)和設(shè)置工程部位。熱棒的影響半徑和降溫幅度主要與大氣凍結(jié)指數(shù)和風(fēng)速有密切的關(guān)系，也受到凍土條件的影響，如凍土熱狀態(tài)和含冰量等(郭宏新等， 2009)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在年平均氣溫- 3.5℃環(huán)境下未來(lái)50年升高2℃，熱棒路基可抵消氣候變化影響，保證路基下部?jī)鐾敛话l(fā)生融化(盛煜等， 2006)。塊石結(jié)構(gòu)路基主要考慮塊石粒徑、塊石空隙、塊石層厚度，路基填土高度、路基走向等因素，同時(shí)也需要考慮氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向以及凍土條件等。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，塊石結(jié)構(gòu)路基可以適應(yīng)未來(lái)氣溫變暖1℃所產(chǎn)生的影響(Wu et al.，2020)。同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在年平均氣溫- 3.5℃環(huán)境下未來(lái)50年升高2℃，塊石結(jié)構(gòu)路基可保證路基下部多年凍土發(fā)生融化(賴(lài)遠(yuǎn)明等， 2003)。

5 未來(lái)氣候變暖凍土工程服役性

氣候變化增加基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性，對(duì)工程構(gòu)筑物造成超出正常條件和使用預(yù)期的額外壓力，影響工程服役性。與氣候變暖有關(guān)的近地表多年凍土融化增加是基礎(chǔ)設(shè)施破壞增加的一個(gè)主要原因，凍土融化及其所引起的地面沉降，特別是在富含冰凍土區(qū)(Melvin et al.，2017)。在多年凍土區(qū)，氣候變化引起路基下部多年凍土發(fā)生融化，導(dǎo)致融化下沉、路基開(kāi)裂等工程病害增多，要維持路基工程服役性，需花費(fèi)較高的代價(jià)對(duì)路基工程進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，由于凍土融化導(dǎo)致熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大，特別是在中高山區(qū)工程影響范圍內(nèi)凍融災(zāi)害對(duì)工程安全運(yùn)營(yíng)的影響風(fēng)險(xiǎn)增大，威脅工程服役性。在各種氣候變化背景下，氣溫升高和降雨增加，增大了凍融循環(huán)作用對(duì)路面車(chē)轍的影響程度。因此，保證路基工程服役性，凍融循環(huán)和降水相關(guān)的適應(yīng)成本將大幅增加。氣候變暖導(dǎo)致高溫多年凍土退化為季節(jié)凍土，工程穩(wěn)定性得以改善。然而，多年凍土退化過(guò)程較漫長(zhǎng)，路基土體融化固結(jié)排水難以短期內(nèi)完成，這使得路基土體處于長(zhǎng)期不穩(wěn)定變形中，工程服役性難以維持。同時(shí)，氣候變化和工程熱影響也導(dǎo)致了低溫多年凍土轉(zhuǎn)為高溫多年凍土，路基下部多年凍土的壓縮變形和蠕變變形導(dǎo)致的路基變形長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要花費(fèi)更高的維修養(yǎng)護(hù)成本來(lái)維持工程服役性。

青藏高原未來(lái)氣候轉(zhuǎn)暖影響下，多年凍土面積縮小、活動(dòng)層厚度增大，凍土溫度將持續(xù)升高，凍土熱融災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)在持續(xù)增大(張中瓊等， 2012)。相對(duì)于1981～2000年期間，活動(dòng)層厚度將以3.6～7.5 cm·a-1的速率增大，多年凍土上限溫度以0.3℃/10 a速率升溫(陳德亮等， 2015)。根據(jù)全球氣候模式的4種RCP情景下青藏高原多年凍土地溫分布的模擬結(jié)果顯示，在RCP8.5情景下多年凍土將以0.39℃/10 a速率升溫，且多年凍土面積將以0.12×106km2/10 a減少(Xu et al.， 2019)。5種模式的集合平均結(jié)果顯示，預(yù)計(jì)到2020～2039年氣溫升高1.5℃，多年凍土面積較2010年縮小16%，凍土年平均地溫較2010年升高0.04～0.17℃。預(yù)計(jì)2040～2059年氣溫升高2.0℃，多年凍土面積縮小28%，凍土年平均地溫升高0.09～0.20℃。伴隨著凍土退化，凍土溫度升高引起的凍土地基承載力降低，工程穩(wěn)定性變差。值得一提的是，青藏高原近50年來(lái)變暖超過(guò)全球同期平均升溫率的2倍(陳德亮等， 2015)，青藏高原氣溫升溫達(dá)1.5℃或2.0℃的時(shí)間可能會(huì)顯著提前，這預(yù)示著凍土升溫和面積縮小時(shí)間也會(huì)提前，顯著影響凍土工程穩(wěn)定性。對(duì)于青藏高原來(lái)說(shuō)，因?yàn)槎嗄陜鐾翜囟容^高，高溫多年凍土近期融化的風(fēng)險(xiǎn)最大，而低溫多年凍土區(qū)也會(huì)因凍土溫度升高而變得風(fēng)險(xiǎn)增大。同時(shí)，氣溫升高也改變凍融循環(huán)頻率，影響基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性和脆弱性，基礎(chǔ)設(shè)施的破壞程度以及維護(hù)、更換和適應(yīng)建筑環(huán)境的成本預(yù)計(jì)將增加。因此，在氣候變化背景下，評(píng)價(jià)凍土工程服役性需要研究量化氣候變化對(duì)多年凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施的潛在影響，全面研究青藏高原的公路、鐵路、直流聯(lián)網(wǎng)工程和高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施清單和環(huán)境壓力之間的關(guān)系、基礎(chǔ)設(shè)施的壽命和相關(guān)的增量變化的資本和運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

6 結(jié) 論

本文從氣候變化和工程作用下多年凍土的變化特征、工程穩(wěn)定性、防止凍土融化的工程技術(shù)和未來(lái)氣候變化對(duì)工程服役性的影響方面闡述青藏高原氣候變暖與凍土工程之間的關(guān)系，得到以下主要的結(jié)論：

(1)青藏高原變暖超過(guò)同期全球平均升溫率的2倍，對(duì)多年凍土產(chǎn)生了重要影響。過(guò)去20年間凍土以0.01～0.4℃/10 a速率升溫，活動(dòng)層厚度以1.33～8.4 cm·a-1速率增加。凍土變化的空間差異顯著，與植被類(lèi)型、多年凍土地溫、土壤性質(zhì)等有密切關(guān)系。伴隨凍土退化，熱融湖塘和熱融滑塌和凍土滑坡等凍融災(zāi)害顯著增加，對(duì)工程穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著的影響。

(2)多年凍土區(qū)修建路基工程改變地表的輻射能量平衡，對(duì)工程下部多年凍土產(chǎn)生較大的影響，多年凍土上限和凍土熱狀態(tài)均發(fā)生了顯著的變化。1996～2007年間，青藏公路瀝青路面下多年凍土上限以2.1～25.8 cm·a-1的速率增加，凍土以0.18～0.87℃/10 a速率升溫，使青藏公路58%路段下部出現(xiàn)了融化夾層。青藏鐵路普通路基下多年凍土上限存在增大的情況，凍土溫度也有所升高。凍土變化引起了凍土路基產(chǎn)生了融化下沉、路基裂縫等病害。

(3)為防止工程下部?jī)鐾寥诨?，提出了通過(guò)路基結(jié)構(gòu)調(diào)控?zé)岬膫鲗?dǎo)、輻射和對(duì)流工程措施。青藏鐵路采用塊石結(jié)構(gòu)路基和熱棒結(jié)構(gòu)路基來(lái)降低路基下部的多年凍土溫度，確保路基工程穩(wěn)定性。青藏鐵路U型塊石路基和塊石護(hù)道-護(hù)坡結(jié)構(gòu)可適應(yīng)未來(lái)氣候變暖1.0℃的條件，未來(lái)氣候變暖1.5℃，凍土工程補(bǔ)強(qiáng)措施應(yīng)提前謀劃。

(4)青藏高原多年凍土變化與工程服役性關(guān)系較為復(fù)雜，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣候變暖背景下多年凍土變化及其凍融災(zāi)害，同時(shí)預(yù)測(cè)工程下部多年凍土變化及其引起的工程病害，并結(jié)合工程服役年限和工程維修養(yǎng)護(hù)，綜合分析工程服役性的適應(yīng)成本。