青藏铁路斜坡湿地活动层水热过程与水文效应及其对路基稳定性影响

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kinglovechina
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在多年冻土地区修筑路基,显著地改变了多年冻土与外界环境的热交换条件和水热输运过程,引起路基下多年冻土状态变化,进而影响冻土路基的长期稳定性。综合采用高密度电法监测、土体温度监测、水分监测、地下水位监测和路基变形监测方法,开展了斜坡地表下活动层厚度变化、水热过程以及地表水和冻结层上水的变化等对青藏铁路路基稳定性的影响研究,通过上述研究得到的主要结论如下:   1.土体冻融过程与斜坡湿地的地表水条件有密切的关系,地表开始融化时间大约为4月下旬~5月下旬,开始冻结时间大约在10月初~10月下旬左右,到9月底~10月中旬达到最大融化深度。斜坡湿地活动层有显著增大的趋势,年增加率大约在1.5cm/a到7.0cm/a变化。值得注意的是,路基南侧在2003~2005年多年冻土上限深度小于6.0m,2006年以后多年冻土上限的埋藏深度大于6.0m,形成约2.0m厚的融化夹层,与场地其它地方有本质的区别。   2.通过对斜坡水分场的研究,发现每年5月~7月地下2.0m以浅深度地层的体积含水量逐渐增加,7月~10月地下2.0m以浅深度地层体积含水量一直维持较高的水平。土体体积含水量的增加主要是来自土体中冰融化释放的水分和周围地下水的渗透补给和大气降水的间接影响。   3.斜坡湿地多年冻土上限(包括路基下部),基本平行于斜坡。铁路路基南侧场地多年冻土上限要大于路基北部。从地表起算,路基下部多年冻土上限深度小于路基两侧天然场地。然而,路基南侧坡脚下部形成不冻的融化夹层,多年冻土顶板的深度要大于天然地表下的多年冻土上限,融化夹层很可能成为斜坡湿地周围地下水汇集的含水层。   4.高密度电法被用来监测多年冻土的变化,包括活动层厚度变化,冻土热状态和活动层内水分状态的变化。结果表明,铁路路基南侧地层电阻率值相对较低,而铁路路基下部和路基北侧附近场地地层电阻率值相对较高。铁路路基对周围土体的热状态产生较大的影响,路基北侧影响宽度可以达到50米,路基南侧影响宽度超过30m。高密度电法可以用来定量确定活动层厚度,与温度方法确定活动层厚度相比,稍有差异。同时,用电阻率方法也可以定性确定地层含水量的大小,了解地层含水量的变化。   5.路基北侧天然场地范围内地下水自北向南进行渗流,渗流至路基北侧后地下水渗透状态发生变化,一部分地下水经过路基下部渗透至路基南侧,另一部分地下水沿路基北侧向西进行渗流,最终排除场地。冻结初期,随着温度的降低地下水的含量减少,但是路基北侧泉水出露的地方,地下水反而有所增加,原因是地表冻结后,泉水无法溢出地表,导致地下水含量增加。   6.冻结层上水位的变化主要与活动层的融化深度和地下水和地表水转换有密切的关系,大气降水的影响相对较小。夏季活动层融化至一定深度后,路基北侧场地地下水经过路基下部渗透补给路基南侧场地地下水,导致路基南坡脚地下水位抬升,冻结初期地下水溢出地表。   7.路基本体内土体的含水量是很小的,加之路基土体密度较大,冻融过程中水热变化一般不会对路基产生破坏性影响。地下水通过路基渗流至路基南侧,不会对路基土体含水量产生大的影响,引发路基本体变形破坏。但是渗流作用会增加路基南坡脚的地下水含量,并且影响多年冻土上限深度,使路基南坡脚产生较大沉降变形。   8.路基两侧路肩下部土体温度场存在着极大的差异,相同深度条件下路基北侧土体温度比路基南侧温度低1~1.5℃。路基北侧路肩下部土体呈显著的降温趋势,四年间原地表至原天然上限处平均降温幅度达0.90到1.2℃。路基南侧路肩下部土体呈微弱降温趋势,但土体温度高于-0.5℃。路肩下部多年冻土上限抬升明显,抬升幅度到30cm到80cm。路基基本处于稳定状态,但路基南侧坡脚冻结层上水将会对路基稳定性产生影响。
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