多年冻土指地表以下一定深度内地温持续2年以上处于0 ℃以下的土层(土壤、土和岩石)。作为一种客观的特殊地质实体, 多年冻土是地质历史和气候变迁背景下受区域地理环境、地质构造、岩性、水文和植被特征等因素共同影响下, 通过地气间物质与能量交换发育而成^[1]。从物质组成上来看, 冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成的一种四相体地质材料^[2]。众所周知, 常规岩土常表现为静态特性, 即在颗粒矿物成分、密度和含水量等参数确定的情况下其物理、化学性质和工程特性基本稳定。而冻土则不然, 其水分的固相、液相会在一定温度区间内随温度的微小波动而发生剧烈的变化, 近而引发其物质组构发生剧烈变化^[3]。因此, 冻土的物理、力学、水力性质, 以及伴随岩土冻结和融化过程中的各种现象均与其温度变化过程密切相关。对人类生活、生产条件和工程建设的影响方面, 冻土地质环境从其岩土物质组成、结构、特性、赋存状态、边界条件和运动特征等几方面的综合功能来看较常规融土地区地质环境复杂而敏感得多。在与人类工程活动的相互作用过程中, 冻土地质环境诸要素受到工程活动的影响更加显著、产生的环境效应更加复杂深远。反过来, 工程活动受到冻土地质环境的制约也更加严格、甚至苛刻。

在区域社会经济发展和国家战略需求下, 我国已在青藏高原腹地修建了数条重大线性工程, 形成了著名的联接西藏与内地的“ 青藏工程走廊” 。自格尔木至拉萨, 青藏工程走廊全长约1 120 km, 全线平均海拔4 500 m, 其中多年冻土路段约为550 km。目前在这一宽处不过数公里、窄处不过数百米的狭窄冻土走廊带内, 已经密集分布着1954年建成通车的青藏公路、1977年铺设完毕的格拉(格尔木一拉萨)输油管道、20世纪90年代埋设的兰西拉通讯光缆、2006年建成通车的青藏铁路、2013年建成的440 kV青藏直流联网工程及早期架设的110 kV输变线等重大线性工程。随着西藏自治区新一轮的经济发展, 还将陆续建设包括青藏高速公路、铁路复线、高压输变电线路和输气管道等重大工程, 青藏工程走廊内的工程密度将继续增加^[4]。

历史时期, 由于对冻土环境、工程活动与冻土地质环境相互作用认识和研究的不足, 上述已建重大工程对走廊冻土环境造成了非常显著且不可逆的影响, 尤其在气候变暖背景下更加显著。反过来, 这些工程活动所引发的环境效应又对工程的稳定性和安全运营带来了极大的危害和挑战, 并由此造成了极大的社会经济损失。针对即将开建的青藏高速公路, 围绕重大工程与脆弱而敏感的冻土地质环境间相互作用的前沿科学问题及走廊构筑物群整体安全性的现实工程问题, 在国家自然科学基金重点项目支持下, 开展“ 青藏高速公路修筑对冻土工程走廊的热力影响及环境效应” 研究。本文基于该项目研究思路, 对项目的研究意义、拟解决的关键科学问题、主要研究内容和预期目标几个方面进行了介绍, 以期为相关科研、工程技术人员提供参考。

人类工程活动对地质环境的扰动可引起地质环境各要素及总体环境效应的变化, 当这种变化不利于人类生活、生产条件和工程建设时, 称为环境恶化或环境负效应^[5]。历史时期, 由于缺乏对冻土环境的认识和保护意识, 不合理的工程布局、施工方式、工程结构以及近乎空白的防护对策, 给走廊内的冻土地质环境造成了非常严重且不可逆的影响, 环境负效应十分显著。地表植被的破坏、工程的随意开挖和工程弃土的任意堆放、地表与地下水体及其水力联系的随意改造等, 显著改变了走廊多年冻土的赋存环境, 打破了原有地气间物质与能量交换平衡, 由此导致走廊多年冻土退化、地下冰融化, 以及工程活动影响范围内热融沉陷、滑塌、热融湖塘、冰椎、冰幔、冻胀丘等次生冻融灾害频发^[6~11]。与此同时, 多年冻土作为弱的透水层, 是维持冻土区地下水位的重要条件, 是青藏高原独特自然环境赖以维持生态平衡的物质基础^[12]。在气候变暖与人类工程活动加剧的双重作用下, 伴随着多年冻土的升温和区域性退化, 目前青藏高原植被退化、土地沙漠化、荒漠化趋势加剧, 尤其风沙灾害已成为走廊内的主要环境问题之一^[12~18]。

在与工程活动相互作用过程中, 冻土环境的恶化, 尤其与工程活动关系最为密切的冻土地质环境的恶化必将给赋存于其上(中)的各类工程带来严重甚至是灾难性的后果。青藏公路1954年建成通车, 由于工程影响范围内多年冻土不断升温、退化、路基下融化盘不断发育、上限附近厚层地下冰融化等造成路基下沉不断发生, 并由此引发波浪变形、倾斜、局部塌陷、纵横向裂缝、甚至路基开裂等大量工程病害, 严重影响了道路通行能力, 造成了极大的经济损失^{[8, 9, 19]}。经估算, 仅2005年之前, 因冻土地质环境破坏造成的直接经济损失已达3.5亿~4.7亿元。格拉成品油管道沿青藏公路铺设, 目前已经运营30余年, 管道沿线冻胀与融沉、热融坍塌、冰堵、管道翘曲等问题连续不断, 并由此引发油品泄漏带来的环境污染问题^[11]。兰西拉光缆通讯工程及后期增建的光缆通讯系统, 由于施工开挖沟槽、土体填埋及植被保护和恢复措施不力, 工程完工后局部地段出现了积水及热融沟、冻胀切断光缆等问题。新建青藏铁路, 在路基设计中采用了“ 主动冷却” 设计理念, 大量应用包括块石基底路基、块石护坡路基、热管路基等保护多年冻土路基结构形式, 同时研究人员在通风与遮阳板(棚)路基、不同结构形式涵洞旱桥以及工程影响范围内植被的恢复与再植等方面开展了大量研究。实践表明, 这些冷却路基结构和措施显示出了良好的保护下伏多年冻土的工程效果^[20~23]。但是, 目前部分路段路基不均匀沉降变形、路堤开裂等病害仍有发生。尤其山前缓坡、山间沟谷及斜坡路段, 由于浅表层径流的不合理改造、挡排水设施的不合理设置, 路桥过渡段差异沉降变形显著, 基底过水导致的冰椎、冰幔等次生冻融灾害问题突出, 已成为影响线路安全运营的主要问题^{[24, 25]}。此外, 随着沿线风沙灾害加剧, 风积沙充填、掩埋路基及上轨问题严重, 尤其对块石冷却路基对流换热机理与效果的影响不容忽视^{[26, 27]}。2012年建成运行的青藏直流联网工程, 针对塔基基础与冻土地质环境相互作用, 采取了包括施工季节选择、热管降温、植被恢复与人工栽植等地质环境调控对策, 但目前部分塔基仍出现了基础不均匀下沉以及基坑开挖施工对冻结层上、层下水系改造造成的冰椎、冰幔、冻胀丘等次生冻融灾害, 威胁到基础的长期稳定性和线路的安全运营^[28]。

以往在青藏公路、青藏铁路相关方面的研究已取得了重要的科学进展和工程实效。但是, 已有的研究均以单一冻土工程为主, 主要针对本工程自身的建设和保通运营, 关注更多的是下伏多年冻土地基的温度, 在工程调控理论与防治对策上仅将多年冻土作为一种地基材料和一种低温环境^{[29, 30]}, 同时提出了应该注意工程建设中的环境保护与可持续发展问题^[31]。但是, 面对高速公路工程, 其工程体量(包括各类附属设施)、结构特征(尤其具有强烈吸热作用的宽幅、黑色沥青路面)决定了其对冻土地质环境的扰动程度将远高于现有青藏公路和青藏铁路, 其建设标准、工程造价、安全要求也将远远高于现有青藏(二级)公路。同时, 随着走廊内工程构筑物布局越来越密集, 新建工程引发的地质环境效应对走廊现有重大工程的影响及潜在危害, 尚未在以往国内外冻土工程研究中涉及, 这是新建青藏高速公路必须考虑的新的重要问题。因此, 在解决多年冻土区修筑高速公路技术的基础上, 青藏高速公路工程的修筑和运营将面临以下科学问题:

(1) 现有工程扰动下走廊多年冻土的热、力格局。青藏公路(已开通运营近半个世纪)和青藏铁路(已开通运营10年)两大带状工程扰动下走廊冻土地质环境背景, 尤其是走廊横剖面上多年冻土赋存的边界条件及其热、力空间分布格局, 对青藏高速公路的整体选线和具体布局方案具有控制性的影响, 是规划构筑物间布设形式、典型路段原则方案比选的基本科学依据。

(2) 走廊工程影响范围内次生冻融灾害形成机理及危害特征。在解决多年冻土区筑路技术这一难题的基础上, 揭示和掌握走廊内包括热融沉陷、热融滑塌、山前缓坡、沟谷路段基底过水导致的暖季热融沉陷、坡脚软化坍塌, 冷季冰椎、冰幔、冻胀丘等主要次生冻融灾害的地质环境背景、发生机理、工程危害以及现有工程防治措施与效果, 对于新建青藏高速公路和现有公路、铁路工程次生冻融灾害防治对策和技术制定具有重要的指导意义。

(3) 高速公路工程的修筑引发走廊冻土地质环境效应。高速公路工程与走廊冻土地质环境相互作用过程中, 地质环境各要素的演化规律及环境效应是工程建设和运营中制定冻土地质环境调控理论与对策必须解决的科学问题, 也是后续评估新建工程引发地质环境次生演化对走廊现有重大冻土工程潜在影响和危害的前提和基础。

(4) 走廊构筑物群相互作用、影响及潜在危害。新建工程引发走廊地质环境效应将改变现有工程的热力运营环境, 尤其对青藏铁路“ 冷却路基” 冷却降温效果及长期稳定性影响不容忽视。评估和预测新建工程引发冻土地质环境效应对走廊既有重大工程长期热力稳定性的影响, 为新建工程的合理布局、优化设计以及既有工程的后续科学维护提供基础。

从环境工程地质学角度出发^[5], 高速公路工程修筑后走廊冻土地质环境如何演化、环境效应如何, 以及由此会给相邻重大冻土工程安全运营造成何种影响及潜在危害, 这不仅涉及到重大工程活动与冻土地质环境多要素间的复杂相互作用, 还涉及到不同类型冻土构筑物间的相互作用及潜在危害评估等一些学科前沿和难点问题, 主要体现在以下2个方面:

(1) 高速公路工程引发冻土地质环境次生演化及环境效应。高速公路工程的结构特征及工程体量决定了其修筑和运营势必会对走廊脆弱的冻土地质环境带来显著的扰动。工程线路对走廊内风向、风速、近地表气温分布规律、浅表层径流过程、走廊风沙运输、释放过程等的改变, 以及宽幅黑色沥青路面与气候变化耦合作用下多年冻土地基热力格局及时间发展规律等问题的解决, 将为青藏高速公路工程合理布局、优化选型及脆弱冻土地质环境保护提供科学基础。因此, 揭示和预测高速公路工程引发冻土地质环境次生演化机制与过程, 是本项研究的关键科学问题。

(2) 地质环境演化及环境效应对现有工程长期热力稳定性影响。走廊内密集布局工程构筑物间的相互作用与影响是青藏高速公路建设必须考虑的新问题。新建工程引发冻土地质环境次生演化与环境效应对走廊构筑物群整体安全的影响, 尤其对于青藏铁路“ 冷却路基” 冷却降温机制及长期稳定性影响的预测和评估, 是保证新建工程成功建设的同时, 保障走廊现有重大工程安全运营的科学基础。

围绕上述科学问题, 拟开展的主要研究内容包括:

(1) 走廊多年冻土热力格局及次生冻融灾害成灾机理。主要研究青藏公路、铁路带状工程扰动下包括地表植被、地表水体及径流、浅表层地温等走廊冻土环境以及下伏多年冻土热力格局在走廊纵、横剖面上的空间分布特征, 揭示气候和工程活动对走廊多年冻土热力格局的影响规律及差异。针对公路、铁路, 研究与上述多年冻土水热环境、发育状况及季节冻融过程有关的次生冻融灾害成灾地质、地貌、植被、水文、工程方式等背景条件, 揭示目前威胁工程稳定和线路安全运营主要次生灾害的成灾机理、活动特征与工程危害。针对现有灾害防治对策, 分析评估工程防灾减灾效果。

(2) 冻土作为特殊的地质体, 尽管其分布主要受气候的控制, 但同时受到局地赋存环境(小气候、微地形、浅层土壤、植被、地表水体及地下水等)的显著影响。工程活动对局地因素的强烈扰动可引发冻土地质环境要素演化及环境效应, 且这种次生演化过程较自然演化更加剧烈、快速。开展青藏高速修筑引发走廊冻土地质环境要素次生演化机理及过程的研究, 揭示高速公路工程各工程单元及附属构筑物引发走廊小气候效应、风沙环境效应、浅表层径流效应的规律, 预测气候变化及高速公路修筑耦合作用下走廊多年冻土热力格局变化。

(3) 冻土工程的长期稳定性与局地工程运营环境密切相关, 新建工程引发冻土地质环境次生演化及环境效应势必会改变现有工程的热力运营环境, 尤其是已开通运营10周年的青藏铁路, 其冷却路基的冷却降温机制及效果与局地环境要素密切相关。开展高速公路修筑所引发的走廊小气候效应、风沙环境效应对铁路冷却路基长期热力稳定性的影响机制以及构筑物群间水热相互作用过程研究, 预测评估新建高速公路对走廊已建构筑物群整体安全运营的影响和潜在危害。

(4) 重大工程与冻土地质环境相互作用的调控可以从工程选线设计— 个体工程选型— 个体工程结构设计— 次生冻融灾害防治对策4个层面开展。针对高速公路的选线— 设计— 建设— 运营, 从工程的环境效应、环境演化的工程效应角度出发, 在上述研究基础上, 基于走廊区域地质环境整体特性及发展趋势整体把握, 提出新建高速公路工程选线和布局方案比选确定方法。在现有仅单一工程、仅面向冻土地基热稳定性的基础上, 发展完善面向冻土地质环境多要素的重大工程与冻土地质环境相互作用调控理论与对策, 优化现有次生冻融灾害防治技术。

针对连接西藏与内地的生命线工程— — 青藏高速公路与脆弱而敏感的冻土地质环境间相互作用的前沿科学问题及走廊构筑物群整体安全性的现实工程问题, 掌握现有工程扰动下走廊冻土地质环境背景及次生冻融灾害成灾机理, 深入研究拟建高速公路工程与走廊冻土地质环境多要素间的相互作用机理与过程, 揭示工程的建设和运营引发走廊包括小气候效应、浅表层径流效应、风化环境效应、多年冻土地基热力扰动在内的工程地质及环境效应, 预测和评估上述工程地质及环境效应对走廊已建工程长期稳定性的影响和潜在危害。最后, 基于保护走廊冻土地质环境和构筑物群整体稳定性, 提出新建工程选线和布局原则, 发展和完善重大工程与冻土地质环境多要素相互作用调控理论与次生冻融灾害防治对策, 为走廊内新建重大工程合理布局、优化设计以及已建工程科学维护和安全运营提供科学与技术支撑。