搜索
东北多年冻土的变化与冻害防治措施摘要研究东北区多年冻土的变化情况是了解东北地区的冻土变化规律的基础，并通过提前采取合理的工程措施，保证工程建设项目（尤其是水利工程）的稳定可靠的运行，减少和避免工程冻害的发生。关键词多年冻土变化冻害防治工程措施东北多年冻土(除非指明是季节冻土,以下将多年冻土简称冻土)是中国第二大冻土分布区,主要发育“兴安-贝加尔型”冻土。1．东北多年冻土的变化冻土是岩石圈与大气圈能量交换的结果,是冰冻圈的重要组成部分。由于冻土环境的脆弱性,它对气候和环境变化十分敏感,并可放大这些变化和灵敏地指示这些变化。东北冻土区是中国境内主要的高纬度冻土分布区,主要发育“兴安-贝加尔型”冻土。由于位于欧亚大陆冻土区的南缘地带,冻土赋存条件脆弱,所以易受气候和外界环境变化的影响。冻土退化主要表现为冻土分布的南界北缩、厚度减薄和地温升高。其中,南界变化是最明显和直接的反映。许多研究已揭示,东北高纬度冻土南界有多次伸缩变化。在末次冰期冰盛期时(LGM:32~16kaBP),南界基本上沿38°~40°N(东段)和37°~39°N(西段)延伸,以后随气候变暖而北缩。受20世纪以来气候变暖和人为活动的影响,东北地区的冻土退缩强烈。东北多年冻土由于处在欧亚大陆冻土区南缘,冻土的热稳定性差,寒区生态的敏感性强。在气候变暖条件下,冻土已经和正在发生着“三向”退化。东北冻土的研究,可概括为三个主要阶段:(1)20世纪50年代由于经济建设的推动,在地质普查、水文和工程地质调查,以及生产建设中积累的大量实际资料基础上,冻土得到了较为系统的研究,初步确定了大小兴安岭的冻土南界。20世纪70年代初,由诸多相关单位组成了东北大、小兴安岭冻土科学研究协作组,两次对冻土进行实地考察,重新确定冻土南界及其连续性分区,冻土类型及特征研究取得较大进展,并编制出1:200万冻土分布图。冻土的地带性划分反映纬度对冻土分布的控制作用,也体现出了地貌、植被和土壤水分等的干扰。1979~1980年又由多个相关研究单位组织,两次考察大兴安岭北部等地,进一步明确了冻土南界。结果认为南界以年平均气温0℃等值线为轴线,在±1℃间作南北摆动。(2)20世纪90年代,冻土研究主要因生产活动和火灾而展开,如森林大火对冻土的影响、公路沿线冻害和砂金成矿等,但对冻土退化的环境效应和适应对策及寒区环境变化关系等方面的研究较少。(3)2004年以来,在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所三期创新项目带动下,以及中俄原油管道工程、漠河机场建设重大需求推动下,冻土和寒区环境研究趋于活跃,对冻土研究有了更深认识,其研究范围和重点强调“工程建设-冻土环境-气候变化”间的相互作用。东北是中国最重要的工农林牧业基地之一,也有许多已建和拟建的重大工程。它们不同程度穿越或位于冻土区;冻土环境变化必然会对这些生产的安全运行带来威胁或不利影响。大兴安岭也是中国主要森林和湿地分布中心,是许多珍稀、濒危动植物的栖息地和保护区,其生境对冻土环境变化异常敏感。冻土退化对寒区生态环境变化有着深刻影响。因此,对该区冻土环境的研究,尤其是在气候变化背景下,对冻土南界、地温及厚度等的变化预测,在工程建设和环境变化的适应对策制定上,都具有重要意义。东北地区冻土主要分布于大、小兴安岭北部47N以北的地区;在南部的中山和局部山地上部,如长白山、黄岗梁和阿尔山,也发育山地冻土。为了全面反映东北冻土的分布与变化状况,研究区基本包括了东北全境。区内地貌变化多样,如松嫩平原北部、大小兴安岭山地及丘陵、呼伦贝尔沙地和黑龙江、松花江、嫩江等干流水系,海拔约变化于100~2000m。大、小兴安岭沿北东、北西方向纵贯该区西部和东北部,嫩江河谷插入其中;东南部有长白山等山地。地势总体上东西高,中间略低。大兴安岭北段自西南向北部略呈“S”形态延伸约230km,并在伊勒呼里山与小兴安岭相连,成为黑龙江干流和嫩江水系的分水岭;中段(阿尔山、伊尔施山向北至淖尔河源)海拔由1000~1400m,往北逐渐下降到500~600m(满归至古莲段)。南段从阿尔山向西南一直延伸到内蒙古自治区克什克腾旗境内的黄岗梁山地,为大兴安岭的最高峰(海拔2039m)。大兴安岭山地为不对称山地,西缓东陡;东坡河谷深切,大量物质被带至嫩江平原。小兴安岭山地和缓,河谷多呈树枝状,与大兴安岭地貌明显有别,海拔一般500~600m,个别山峰达800m。冻土区在气候上属于寒温带和中温带北部。受内陆及海上高低压与季风交替影响,总体表现为冬季漫长而干寒、夏季短促而湿热,年平均气温低而年较差大,呈大陆性季风气候。由冻土南界(大约47°N)往北,年平均气温由1.0~1。0℃降低到5.0~3.0℃,气温年较差由40℃递增到50℃左右;年降水量由500~700mm减少到200~300mm甚至以下。由于受西伯利亚-蒙古高压控制,该区冬季广泛分布着逆温层,其厚度及强度向南减薄变弱。进入大小兴安岭,逆温层厚度为500~1000m;逆温梯度在漠河为10℃/km,嫩江为8℃/km,海拉尔为5℃/km。逆温层的存在,可以对“兴安-贝加尔型”冻土发育过程及区域分布有重要影响。东北地区是中国主要的森林分布区。在冻土区,湿地、草地和森林生态环境与冻土相互依存、相互制约和影响,共同组成了北方森林-草原景观。为预测冻土南界和地温变化,根据47个气象站资料并在SHAW模型对植被影响地表温度修正的基础上,建立了冻土地表温度分布的等效纬度模型。结合非稳态热传导模型的有限元数值计算,以多模型结合的方法,进一步计算和分析了目前50年和100年后冻土地温分区变化。(1)南界不断北移,冻土面积相应萎缩.冻土面积将分别由现在的2.57×105减至1.84×105和1.29×105,分别比目前减少28.4%和49.8%.(2)冻土温度整体升高,稳定型冻土面积也逐渐减小,而不稳定型冻土和季节冻土面积增加.稳定型冻土面积由目前的1.07×105分别减少至8.8×104和5.6×104,减少幅度达17.8%和47.7%.(3)冻土厚度整体减薄,以“三向”退化的极不稳定型高温冻土(Tcp≥0.5℃)更为明显,而低温冻土厚度减薄幅度较小,主要由冻土上限变化所引起.(4)东北地区冻土退化,同时可能引发生态环境的不利变化,如湿地干缩、土地(如呼伦贝尔和松嫩沙地)沙(漠)化进一步扩展和加速;针叶林带减少并向针阔混交林和阔叶林演替;引起与冻土相互作用而保持平衡的区域或局地气候和水文(地质)环境变化;改变冻土的力学特性,给工程建筑物的安全可靠性和长期稳定性带来影响.所以,在应对策略上应尽量减少人为活动的干扰,特别是尽量避免人为地改变地表覆被和水分条件.冻土南界附近,冻土对环境和气候变化比较敏感区,加强冻土和寒区环境监测可更好评价和预警环境变化,并及时制定相应的适应性和整治性寒区环境管护对策.2．冻土区冻害防治工程措施2.1改善土的冻胀性土的冻胀性是影响冻胀力的重要因素，为此改善土的冻胀性是减小或消除冻胀力的重要手段之一，主要方法是改善土质、减少负温度和水的影响。2．1．1换填土①换填砂。对于厚度小于最大冻深的冻胀性敏感土(如粘性土、粉砂等)，其下为透水砂或卵石；在整个冻结过程中地下水位始终低于冻结锋面；夏季无冲刷，冬季无结冰的桥涵地基，可选用换填中粗砂的方法处理基础冻害。但要严格控制换填材料质量，如粉粘粒含量不得超过15%等，换填深度至最大冻深。②换填碎(卵)石。用换填碎(卵)石处理桥涵基础冻害，它不受各种冻胀性敏感的土及其厚度限制，不受含水限制，不受地下水位限制(但不是承压水)，是一种应用范围较广，使用效果较好的一种方法。③换填沥青砂(卵)石。在强冻胀和特强冻胀地基中，桥涵基础可用换填沥青砂(卵)石的方法防治冻害。由于沥青是一种憎水物质，即在低温状态下也成塑性状态，因此沥青砂(卵)石是一种较好的防冻性材料。2．1．2物理化学法减少或消除地基土的冻胀性的物理化学方法很多，这里只介绍压力灌浆法和憎水物质改良土壤法。压力灌浆法是把一些化学药品，如水玻璃、络木素等，注入地基土的孔隙中，产生化学反应而将毛细管堵塞，使冻结时水分不能迁移。由于固化的土体含水量很小，因此冻结时不冻胀。目前这种材料比较少而且价格高，加之施工较困难，在短期内还难以大量推广。用憎水物质对地基土改良系指在土中掺上少量憎水物质，使土颗粒表面产生良好的憎水性，起到阻碍地表水下渗和地下水上升，使土体内的含水量减小，达到弱土体冻胀的目的。对于桩基周围憎水土衬砌，通常布置在整个冻层范围内。2.2排水及隔水其目的在于排除地表水或降低疏导地下水及隔断下层水以消除或减少建筑物周围土体的冻胀。2.2.1排水措施水对土体的浸湿、饱和和冲蚀作用是促使路基病害发生和发展的重要原因之一。为了保持土体经常处于干燥、坚固和稳定状态，应做好地表和地下排水工作。并且排水设备应具有抗冻、防冻的能力，不被冻融破坏，能发挥正常排水作用。2.2.2隔水措施是指用各种材料制成的隔水层，使地下水不能透过，或隔断毛细水的补给，阻止冻结时的水分迁移作用，以减少或消除冻胀。这些材料有：粘土、耐寒塑料薄膜、土工纤维防渗布、聚氯乙烯板及氯丁橡胶板等。另外，用改性土如乳化沥青，或灌浆、矽化加固等方法。2.3结构法季节性冻土地区桥涵的基础型式很多，在设计时主要考虑如何提高承载力、节约原材料、降低工程造价和方便施工等，而很少注意其抗冻拔能力。因而，造成许多桥涵基础冻胀。针对这种情况，正确选择桥函基础冻胀。针对这种情况，正确选择桥涵基础型式和尺寸，做到既增加承载力，又保证冻拔稳定就显得特别重要。目前就结构措施而言，可从三方面入手：一是增加桥涵基础本身的强度和刚度，以抵抗冻胀破坏的能力；二是允许桥涵基础有一定限度的变形，以适应基土的相应冻胀；三是提高基础的锚固力，减少基、土间的冻结力，以保证基础整体稳定。（1）扩底桩。扩底桩是指桩下端一段长度扩大，成为大头桩。扩底桩的扩大方式主要有二种：一种是爆破扩底；另一种是机械扩底。设计者可根据机械设备、水文地质和施工条件等综合因素考虑选用。这种基础形式具有承载力大、抗冻性能好、施工较简单和造价较低等优点。（2）扩大式基础。扩大式基础主要包括大桩、变径桩、阶式基础等，应用比较广泛，适宜各种条件，扩大式基础是相对减少其在冻层内的侧表面积，增大在暖土层的侧表面积，使之减小总切向冻胀力对基础作用的同时增加冻胀反力的作用，从而增强基础抗冻拔稳定性，达到防治冻胀的目的。（3）合理锚长桩。合理锚长桩又称经济锚长桩。它基于正确取用切向冻胀力值和锚固力值(包括作用于单桩上的恒载、桩身自重和暖土层对桩周的摩阻力)，使其入土深度经济合理，达到既满足承载又满足抗冻拔的要求。否则，因入土深度不够造成桩基冻胀或下沉，导致桥涵破坏，损失严重；或因入土深度超长，虽不出现上述破坏现象，但造成很大浪费。2.4减少或消除冻结力2.4.1沥青隔离层在桥涵基础侧表面涂敷沥青(渣油)，会大大减小基侧和冻土间的冻结力，从而降低冻土作用于基础上的切向冻胀力。因此，能防治基础冻胀。但一般沥青粘结力低、易老化。2.4.2油毡纸包桩在桩基最大冻深范围内在桩周均匀涂上黄油(或润滑油)，然后缠裹油毡纸(二毡二油或三毡三油)，使桩侧和冻土分离，以减少或消除二者之间的冻结力，达到减少或消除切向冻胀力的目的。但该法缺点是耐久性差。2.4.3单层套管在桩周外面套上一个用铁板制成的具有一定刚度的圆筒，筒与桩侧留有一定间隙，其内注入工业凡士林油或黄油，并将上下两端堵住，以防止油被挤出。套管底部焊一个刚度很大的底脚，并嵌固在暖土中。也可把套筒作成二个半圆形，用螺栓拼装。总结以上各种方法在防治冻害方面均有良好效果，但也有其局限性，因此，今后的工作中，应根据工程的具体情况，选择适合于本工程的防冻措施和方法，以期达到最佳的防冻效果。参考文献[1]赵贺刚，向召雪。[J].黑龙江交通科技.2003(09)[2]娄魁梧，张立东。浅谈季冻区桥涵基础的冻害与防治[J].黑龙江交通科技.2005(01)[3]蔺承彬，姜凤歧，张志清。桥涵基础冻害的防治措施[J].森林工程.1999(02)[4]金会军,于