高緯度凍土沼澤濕地地區路基病害及防治對策

凌思德，楊錦鳳

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室)

高緯度凍土沼澤濕地地區路基病害及防治對策

凌思德，楊錦鳳

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室)

由于具有特殊的氣候及地質條件，凍土沼澤濕地地區的道路路基較普通凍土地區更容易出現病害。結合沼澤濕地與其下伏凍土的共生關系，分析路基產生病害的原因，同時提出了在凍土沼澤濕地地區防治病害的原則與對策。

凍土;沼澤濕地;路基病害;防治

我國多年凍土可以劃分為低緯度高海拔多年凍土和高緯度低海拔多年凍土。高海拔多年凍土主要分布在東北的大、小興安嶺，松嫩平原北部和蒙古高原。東北地區為中國第二大凍土分布區(3.8×106～3.9×106km2)，處于歐亞大陸(高緯度)多年凍土區的南緣，凍土總體厚度較薄、溫度較高，易受外界因素變化的干擾。東北地區亦是我國濕地資源的主要分布區，主要以淡水沼澤和湖泊為主，總面積為67 378 km2，占全國濕地總面積的17.5%，占該地區土地面積的8.5%，隨著振興東北老工業基地的發展，凍土濕地地區筑路一直是亟待解決的問題。

作為凍土本身就具有熱穩定性差、對氣候變化反應敏感以及水熱活動強烈等特性，加之沼澤濕地特殊的地質現象，因而在凍土沼澤濕地地區進行道路工程建設，就必須了解凍土沼澤濕地的工程特性。在內蒙，東北地區的301國道，青藏鐵路以及青藏公路的建設中都有穿過濕地地區，也進行了大量的研究。主要以大小興安嶺多年凍土濕地為研究對象，分析凍土濕地地區路基潛在病害及其防治。

1 凍土與沼澤濕地的關系

沼澤濕地與其下伏凍土構成共生系統，大小興安嶺的濕地和凍土具有典型的共生性，互相依存，同是本區冷生作用的產物。凍土上限成為濕地的隔水層起到有效防滲作用，從而促進了濕地的生長發育;濕地植被和積水有效地降低了太陽輻射對下伏凍土的影響，減弱冷儲耗散或增加冷儲，使凍土趨于穩定或增生濕地;泥炭層強化了對凍土的保溫作用。

地表沼澤化對下伏凍土即可起到保溫作用，又有冷卻作用，從而能夠降低地溫減小季節融化深度。如在大興安嶺北部大片多年凍土區，沼澤化地段(溝谷濕地)土層年平均溫度最低(-2～-4℃)，季節融化深度僅1 m左右，而山坡上的年平均地溫比沼澤化地段要高1.5～4.0℃，因而常發育不銜接凍土或季節凍土，也是凍土島存在與否的決定性條件。同時低溫狀態下可以抑制菌解過程，從而有利于泥炭的積累，兩者對環境變化表現出同步漲落。冬季逆溫層存在又會進一步加強沼澤的冷卻作用。修筑道路工程對濕地植被蓋度和泥炭層的影響，將降低濕地暖季對凍土的冷卻功能以及冷季對凍土的保溫功能，即降低凍土的熱穩定性。

2 凍土沼澤濕地地區路基病害

地表沼澤化對下伏凍土即可起到保溫作用，又有冷卻作用，從而能夠降低地溫減小季節融化深度。隨著凍土沼澤濕地上路基的填筑，地表形狀發生變化，周圍環境被人為改變，特別是地表植被遭到破壞，使沼澤地原有的熱交換條件發生了變化，這些都極大的改變了原天然地面的熱量平衡狀態，即地表土層遮蔽植被遭到破壞，影響土壤中水分蒸發，溫差大使路堤土融化和凍結加快，滲水土壤表面和充水沼澤地白天的溫度比有植被的沼澤地的溫度高1～14倍。填筑路基后，填料的熱傳導系數較高，最終將使得路堤下的多年凍土上限發生變化，逐漸下移，加快地下多年凍土層的消融，對路基的整體穩定性產生不利影響。

對于凍土濕地地區的道路工程，主要是施工后沼澤化的消失或改變后，下伏凍土對工程的影響如何。從目前掌握的情況來看，沼澤化在我國多年凍土區主要起冷卻作用，即降低地溫和減小季節融化深度。故主要病害有凍脹與翻漿、不均勻沉降或沉陷，縱向裂縫及邊坡滑塌等病害，特別是融沉會造成路面平整度下降，誘引過早出現其他病害。

2.1 融沉

也稱融化下沉或熱融沉陷，指土中過剩冰融化所產生的水排出以及土體的融化固結所引起的局部地面的向下運動，是自然(如氣候轉暖)或人為因素(如破壞地表植被)改變了地面的溫度狀況，引起季節融化深度加大，使地下冰或多年凍土層發生局部融化所致。在凍土沼澤濕地區主要是原地面的植被及泥炭層被改變，打破了原地面的熱平衡。

據中國科學院長春地理研究所，夏季(白天)三江平原沼澤地的反射率為0.15 ～0.20，耕地為 0.07 ～0.15;在大興安嶺北部天然沼澤地為0.18，而火燒過的沼澤地為0.15。夏季，白天沼澤表面吸收的太陽輻射量大于有效輻射，輻射平衡為正值;夜間，沼澤表面因有效輻射而喪失熱量，輻射平衡為負值。但從7～9月間沼澤表面熱量平衡各分量的日間總量分配情況來看，70%～80%的熱量支出用于沼澤表面的蒸散過程。白天，沼澤濕地由土表傳入深層的熱通量小于改變地表后的沼澤地段，夜間相反。潮濕、飽水的苔蘚層和泥炭層的熱容量大、導熱率小、導溫系數小、相變耗熱大，均使沼澤地溫低、融化深度小，在夏季沼澤表面的這些特征均導致改變地表后由地表進入土層的熱量遠大于由原沼澤地表傳入下伏凍土的熱量，與此相應的結果就是下伏凍土的融化及導致路堤的熱融下沉。而到了冬季，苔蘚、泥炭凍結后導熱率增大，有利于沼澤地散熱和冷卻，表面修筑路堤后這種散熱和冷卻效應被打破，其結果就是冬季下伏凍土不能有效的凍結。

路堤沉陷，路堤本身的沉降在此不贅與，凍土沼澤濕地區主要是由于路基地基的融沉變化引起的沉陷。常發生在在黏土地基和含有大塊碎石的黏土地基上修筑路堤的情況下，因為泥炭土下面含有少量淤泥的土層含冰量最多，當富冰土層融化時路堤沉降異常迅速。易發生在下列位置:古河道和有熱溶洞湖的河灘地;苔蘚地與苔蘚–青草沼澤地;分水線(包括其局部低洼地)上的排水量少的沼澤地;河谷平緩坡(包括梯地平緩坡)上的沼澤地;深谷隔開的河谷坡地和山坡上的草丘和青草–苔蘚沼澤地。位于沼澤地的局部低洼地上的路堤最容易出現不均勻急劇沉陷。

2.2 路基凍脹與翻漿

地表水和淺層地下水對地基土不均勻侵潤，凍結時體積膨脹，產生不均勻的凍脹造成路面不均勻變形，波浪等病害。春融時下層凍土阻礙了水分的下滲及排出，從而在荷載作用下產生了翻漿現象。在凍土沼澤濕地區，由于常年積水如若排水不良，將有充足的地面水補給，進一步加劇了凍脹翻漿病害。

2.3 不均勻變形與縱向裂縫

路基兩側積水的下滲、土體內部水分不均勻積聚和路基內部聚冰層的出現是引起路基不均勻變形的關鍵。在凍土沼澤濕地地區，凍土沼澤常年積水，排水不良，表層泥炭較厚，含冰量大，凍土上限淺，故路基兩側積水嚴重，熱溶洞孔隙被水充滿，如若采取措施不當，將造成凍土上限下降，形成路基地基局部持續融沉，路堤周圍將會產生熱溶洞湖，這樣的情況如果繼續發展將形成嚴重的不均勻變形及縱向裂縫。

3 防治原則與對策

3.1 防治原則

造成沼澤地區路堤長期沉陷和位移的原因是路堤下面地基土液化并被擠出地面。提高地基土的承載力，減少地基的沉降和不均勻沉降，提高地基和路基的穩定性，保護凍土層或減緩凍土層的融化速率，避免大規模的融陷和翻漿等。并且用以調整路堤下面土體溫度狀況的構筑物最好與地表沒有受到破壞的沼澤地段銜接在一起。沼澤濕地嚴禁取土，也不能開挖排水溝，不得挖出表層和草皮。

(1)線路盡量繞避。繞避不開時，如通過緩山坡沼澤，避免通過沼澤橫向坡度較陡地段，保證地基穩定性;如通過溝谷、沖積臺地沼澤，選擇在沼澤邊緣通過。

(2)盡量隔離水的影響。根據水源特點補給情況，采取排除積水或截斷水源等措施。

(3)盡可能的保護周邊泥炭層和植被，一般情況下都以路堤的形式通過凍土濕地區，并且路堤底部采取隔斷毛細水的措施。

(4)除了做好隔水措施外，設計時還應考慮水分導致的凍脹危害。

3.2 防治措施

(1)邊坡防護。

采取移植苔草草皮的措施來修復，在濕地植被根系層與邊坡界面之間增添30～50 cm泥炭層的方法。路肩外側自然地表的塔頭草植被有較好的隔熱性能。在坡腳區可以同時配以泡沫塑料層隔熱，同時用土工織布覆蓋，以及用泥炭土襯墊。

(2)設置護坡道。

在路堤兩側修建3 m寬的護道，并修建排水溝，用滲水土回填。位置要建在用填土回填的河流或水庫上(例如熱溶洞湖)，在土層不斷固結時，護道建造在不堅固的地基上。用滲水土更換護道邊界的地基土，并可用挖出的土筑堤。

(3)擋水埝。

凍土沼澤化斜坡濕地路基地段設置，擋水埝在填筑成型后，由于人為因素造成凍土上限上移，形成“凍土核”。在路基的迎水面一定距離處設置了擋水埝，可以有效防止路基上游地表水和上層凍結上水滲透或流入路基體內，避免對路基的長期穩定性造成隱患。同時可以在擋水埝中心下布設縱向隔水板，既能夠阻隔地基深層凍結層上水的滲透流動，也能夠有效地阻隔地基淺層凍結層上水的滲透流動。

(4)土工格柵。

抗拉強度高，彈性模量高，延伸率低，與土或碎石的咬合力強，耐老化，質量輕，易施工，不與土中的含水酸堿和鹽溶液發生反應，也不受微生物的侵蝕;作為加筋材料來說起的主要作用是隔離，約束地基變形，減少不均勻沉降，也能有效降低凍脹翻漿的危害，增強地基土的強度。由于施工后打破了凍土沼澤化濕地的熱力平衡，可以用土工格柵加熱棒或拋填片石措施更加理想。

(5)土工格室。

土工格室加固多年凍土濕地路基，原理是通過綜合利用土工格室表面與土體的摩擦作用、土工格室網孔對土體的鎖定作用以及土工格室本身具有的加筋補強作用，實現加大土體的摩擦、鎖定和阻抗作用，限制土體的側向移動和下沉，進而達到穩定路基的目的。施工時不能對原地表的草皮，腐殖土清除，而是在邊樁范圍內直接進行碾壓達到規范要求的壓實度。施工時的注意事項，必須在暖季施工，做好排水和降水設施，避免地面積水或碾壓后造成地面彈簧現象;個別地方需清淤換填的必須清除徹底;施工時避免陽光暴曬所導致土工格室老化或變質。

(6)EPS(聚苯乙烯泡沫塑料)板應用。

EPS作為一種新材料已經在公路、鐵路、橋梁和防護等工程中應用逐漸增多。通過敷設特殊材料(EPS板)保持土體的天然低溫狀態，提高土體的力學指標。EPS材料的內壁氣泡為封閉狀，吸水率小，保證了材料在浸水條件下仍能有較好的隔熱效果。EPS板可以減少路基碎石土向深層的熱流量，減少低下多年凍土層的消融，減少和消除路基的凍融病害，保持道路的穩定。

［1］王全波，杜明廣.我國東北濕地恢復的現狀與前景展望［J］.林業勘察設計，2006，140(4):25-27.

［2］劉文白，周健，趙文祥，等.濕地多年凍土路基EPS板應用試驗［J］.工程勘察，2003，(4):1-4.

［3］楊永鵬，程東幸，伏慧霞.東北大興安嶺多年凍土區工程地質特征及評價［J］.工程地質學報，2008，16(5):657-662.

［4］蘇躍宏，林敏，劉文白，等.改善凍土與濕地地區道路融沉的試驗研究［J］.國外建材科技，2006，26(1):75-77.

［5］于少鵬，呂春亮，常曉麗.中俄輸油管道工程對興安嶺沼澤濕地的影響及對策［J］.國土與自然資源研究，2010，(4):61-63.

［6］段東明.多年凍土濕地路基工程研究［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

U416.1

C

1008-3383(2012)03-0056-02

2011-11-16

凌思德(1985-)，男，山東臨沂人，研究方向:路基穩定性及道路工程設計。