冻土问题

冻土问题（共8篇）

冻土问题 篇1

0 引言

即将开工建设的青海～西藏±500kV直流联网工程,送端始于青海格尔木,基本平行青藏公路与铁路行进到达受端西藏拉萨,全线绝大部分路段处于4000～5000m的高海拔区,其中约550km为多年冻土分布区。作为地基非连续的线状工程,输电铁塔有直线塔、转角塔、耐张塔、跨越塔、直线转角塔等不同种类,因系导线串联的高耸结构物,需要考虑基础受压、上拔和不平衡张力所引起的扭转等力学条件,可能需要立于平地、斜坡、丘顶、沼泽、河床等不同地貌部位。由于冻土有极易扰动和空间分异性强烈等工程特性,因而需要对其进行全面的研究。对于路径和塔位选择及冻土基础设计而言,透彻掌握冻土类型与分区、不良冻土现象与冻土微地貌、冻土活动层特点、冻土物理力学性质指标等问题尤为重要。

1 沿线冻土类型及分布特性

根据不同的分类依据,冻土有不同类别。在地理分布上有高海拔冻土和高纬度冻土,前者如青藏高原冻土,后者如东北兴安岭冻土;在分布形态与变化上可分为大片连续多年冻土、岛状多年冻土、季节冻土以及多年冻土融区;在工程类别上可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。不同的冻土分区和冻土类型,它所涉及的冻土工程特性、工程地质问题以及工程对策各有不同。就全线冻土分布而言,具有如下特性:

(1)纵向地带性:多年冻土主要分布在西大滩至安多之间,呈大片连续状;在多年冻土区的一些河谷、平原地带有局部的河流型或构造-地热型的融区分布,其平面形态与河流及断裂带展布相伴随;季节冻土分布在西大滩以北及那曲以南地段;岛状冻土主要分布在安多至那曲之间,连续性不强。

(2)海拔梯度性:多年冻土的年平均地温和厚度明显与海拔高度相关,海拔越高,年平均地温越低,多年冻土越厚。目前青藏线岛状多年冻土的北下界在西大滩谷地西端海拔4200～4250m和年平均气温-2～-3℃处;连续多年冻土北下界在昆仑山北坡海拔4400～4560m和年平均气温约-4℃处;连续多年冻土南下界在安多县城以北,海拔约4780m和年平均气温-3.5～-4℃处;从安多向南穿越两道河地区至原125道班北约有90km长的岛状多年冻土区,其南下界海拔约4650m,年平均气温-2.0～-2.5℃。沿青藏线,平均纬度每下降1°,多年冻土下界海拔上升80～100m;海拔每上升100m,年平均地温降低0.5～0.6℃,多年冻土厚度增加15～20m[1]。

(3)空间分异性:青藏高原多年冻土属于中低纬度区高海拔多年冻土,其分布具有强烈的三向地带性规律。多年冻土分布受到许多局地因素的共同作用和影响,比如两道河地段,局地因素控制了多年冻土存在与否[2],该地段在青藏公路一侧多年冻土极为发育,年平均地温可达-1.2℃,测温资料显示多年冻土厚度超过60m,另一侧多年冻土则已经完全退化成为融区,年平均地温高于0℃;北麓河地段,多年冻土年平均地温约在-1.6℃,相距不到1km范围内,却又存在年平均地温高于0℃的融区[3]。实测资料显示,楚玛尔河高平原地区,5km范围内海拔高度仅相差20m,多年冻土年平均地温相差2℃,且存在多年冻土与融区并存的差异;风火山地区在海拔高度相差较小的条件下,北坡和南坡的多年冻土年平均地温相差达2℃,多年冻土厚度也相差20m[4];昆仑山区,南北多年冻土年平均地温相差1.5℃。可见多年冻土受局地因素的影响,其空间分异性是极强的。

(4)时间退化性:随着气候转暖的全球化趋势和人类活动的影响,冻土近几十年来处于广泛的退化状态。从20世纪70年代至21世纪初的几十年统计资料可知,高原季节冻土区、河流融区及岛状多年冻土区内含冰量较小的地段年平均气温升高0.3～0.5℃,大片连续多年冻土区内地温升高0.1～0.3℃。季节冻土区冻结深度减少10～40cm,融化深度增加5～30cm;多年冻土区冻土分布的最低下界普遍升高,一般上升值为40～80m[5]。

2 线路走廊内的冻土现象及特性

冻土现象可理解为与冻土作用直接相关的不良地质现象,是冷生作用的结果,即在寒冷气候环境下,由岩土中水分的冻结与负温条件下温湿变化而产生的应力,引起水分迁移、冰的形成及融化、岩土变形及位移、沉积物的改造等一系列过程及其伴生的各类地貌形态和地表变形现象。在高原腹地区冻土现象极为发育,是引起大量冻融病害的主要因素。

由于冻土现象与青藏高原的工程建设有着密切的关系,因而,早期的各大型工程建设中,都对该现象进行了深入调查和研究。如:铁路建设前,中铁西北科学研究院就系统对铁路沿线的冻土现象类型、分布及发育规律进行了统计和分析;青藏公路修筑过程中,中科院兰州冰川冻土研究组等科研团队对公路沿线的冰锥、冻胀丘、融冻泥流、热融湖塘、沼泽湿地以及厚层地下冰等进行了统计分析和研究。通过大量研究,可以发现冻土现象具有以下特性:

(1)类型多样性:冻融蠕流作用下可出现泥流阶地、泥流舌、泥流扇、石冰川、石河、草皮坡坎等现象;冻融分选作用下容易出现石环、石网、石带、斑土等现象;冻胀作用下经常产生冰锥、冻胀丘、冻拔石、冻胀草环、冰楔等现象;热融作用下可出现热融滑塌、热融湖塘、热融洼地、热融冲沟等现象。其中的许多现象对工程建设有直接且严重的影响。

(2)显露季节性:大多数冻土现象都有明显的季节性,野外考察中在寒季才可以看到季节性冻胀丘和完整的多年生冻胀丘以及各种类型的冰锥和冰幔;在暖季才可以清楚地看到融冻泥流、热融滑塌、热融湖塘等重要现象。其它季节即使存有痕迹,但是不足以考察出全貌和过程特点,容易陷入以偏概全的误区。

(3)位置迁移性:青藏高原发育大量的活动断裂,成为地下水运移的良好通道,加之工程建设活动改变了地下水通道及水热交换状态,使青藏高原多年冻土现象具有明显的位置迁移性,其中以冰丘的移动最为常见。如不冻泉移动冰丘在20世纪80～90年代青藏公路改扩建期间远离青藏公路,自2000年冬季至2001年春季开始形成规模较小的单个冰丘,发育于青藏公路东南部边缘,呈圆锥状,直径约1.5 m,高约80 cm。2001年冬季至2002年春季,冰丘沿BQF隐伏断裂破碎带向东南方向移动,在青藏公路西北侧形成面积较大但高度不大的低矮冰丘或冰幔,冰丘(冰幔)长156m,宽30～50 m,高0.8～1.0 m。2004年和2005年的3月,发现不冻泉移动冰丘与2001～2002年相比向东北方向发生了显著迁移,冰丘的位置、规模和形态均发生显著变化[6];又如楚玛尔河移动冰丘、雅玛尔河南移动冰丘、83道班移动冰丘、85道班移动冰丘及86道班移动冰丘[7]等随着季节转换及工程活动或构造应力等对地下水流状况的改变,其大小、形态和位置都表现出明显的迁移性。

(4)过程潜伏性:青藏高原线路走廊内各种冻土现象都是寒冷气候环境下,岩土中水分在冻结和消融过程中伴生的地貌形态。由于受年平均地温、岩土中水分含量以及地下水运移状态的影响,其发生、发展的过程具有明显的潜伏性。如青藏铁路修建前,由于地下水径流通道畅通、水热条件平衡,两侧冻土现象不发育,而铁路修建后改变了所经区域的水文地质条件和热平衡条件,使铁路沿线产生18处次生不良地质现象[8](未包括冻胀丘和热融滑塌)。研究可知,由于局部水文地质条件和热平衡条件的差异性,冻土现象的发生、发展及发育目前还无法精确预测,具有明显的潜伏性,对输电铁塔的科学定位构成了潜在的威胁。

3 冻土上限的总体态势与制约因素

工程建设中的冻土问题,产生的根本或普遍原因在于冻土表层在寒季和暖季会呈现截然相反的两种结构状态,这种变化的厚度层称为活动层,活动层底界深度称为冻土上限,通常在上限以下1m深度范围内有冰体富集或存在地下冰。冻土上限并不是一个定值,它受多种因素制约,表现如下:

(1)因土质类别而不同:冻土上限与季节融化层的热物理性质关系极为密切,而土的热物理性质又决定于土的成分、密度、孔隙度及含水量等。因此,在其他条件等同时,粗粒土中的季节融化深度或冻土上限要大于细粒土中的冻土上限。调查表明,青藏公路沿线季节融化深度在砂砾卵石中为3.0～3.5m,粉土中1.5～2.5m,粉质粘土中1.1～1.8m,草炭中只有0.8～1.1m[9]。

(2)因地貌部位而不同:地貌对冻土上限影响是多方面的。首先是海拔高度,随海拔增高年平均地温降低,地表年平均温度较差减小,因此,一般在其他条件等同的情况下,随海拔增高季节融化深度和冻土上限减小;其次是坡向和坡度,坡向和坡度直接影响到地面接受太阳辐射的强度,一般情况下,获得太阳辐射能越强则冻土上限越深,因而同样坡度条件下,朝北的斜坡获得的太阳能远低于南坡的太阳能,则北坡的冻土上限浅。如昆仑山区,由于坡向不同导致冻土上限有较大差异,其北坡的多年冻土上限为2.0m,沟谷冻土上限为2.8m,而南坡由于接受光照强为融区。

(3)因植被覆盖而不同:大量野外观测表明,植被减小地面温度较差的作用是普遍的。一方面,通过植被枝叶层对太阳的遮挡作用,可以有效减少太阳辐射对地表加热作用;另一方面,通过植被层与大气的通风换热作用,又可以使得植被层所吸收的热量得以散出。因而,一般情况下,植被发育地段,冻土上限比较浅。如北麓河平原属于良好高原草甸区,局部存在植被退化过程中的植被缺失,通过地质雷达探测发现,地表植被状况对冻土上限具有明显影响:植被对应较好区域冻土上限较浅,植被退化部位冻土上限下降较为严重,4m距离内落差达到1m左右。

(4)因含水程度而不同:由于土和水的导热系数不同,因而,当冻土中水分不同时,冻土的上限也不同。一般情况下,水分充分的地区暖季土体吸收的热量小,冻土上限浅,反之,冻土上限深。如在沼泽湿地,冻土上限有时只有0.9～1.0m,而在同一地区粗颗粒土中冻土上限有时可达3.0～4.0m。

(5)因研究时段而不同:冻土的冻融转换是一个由浅到深的渐进过程,理论上和一般文献中的冻土上限是指多年比较下来的极限深度,由于气候年较差的原因,某些年份季节冻融转换的最大深度并不一定能达到冻土上限,而且现场勘测研究的旬月往往会赶不上与极限深度相对应的最佳时间点,这时取得的活动层深度数据需要借助经验关系才能修正到相应的冻土上限理论值。

4 物理力学性质指标的取值与应用

物理力学性质指标是基础设计、计算的直接依据,正确的取值才可以保证工程设计的合理可靠和工程运行的长期稳定,对于冻土区的输电线路工程,以下几点是需要重视的:

(1)查清冻土自然属性:冻土研究者普遍认为冻土由四部分组成,即:土颗粒、冰和土粒表面间界面处的结构性未冻水、土粒孔隙中的冰和孔隙内的空气。冻土对所作用的应力和温度变化的响应,决定于四个组成部分的共同反应以及这四个组分彼此间的相互作用。冻结状态下土骨架的力学性状是通过和冰分担应力及土的摩阻力而对冻土的力学特性发挥作用的,对于突然作用到冻土体上的应力,冻土中的冰基质则起了主导作用,而消融状态下,主要由土体骨架承担外力。因此,冻土物理力学性质指标取值时,冻土的类型与类别、含水—含冰量,冻—融转换时程与状态等自然属性需要了解清楚。

(2)抓住关键工程指标:对于高压输电线路工程,其安全评价中主要关注的是塔基的稳定问题,因而在冻土工程计算中要抓住抗剪强度、冻胀力、冻胀系数及融沉系数等几个关键工程指标的取值。

抗剪强度是土质、地温及含冰量等共同作用的结果,随温度降低而增高,实验统计可知,冻土粘聚力与土温关系可大致以直线表示,但粘土、粉质粘土对土温的反映并不灵敏[10],故取值时要慎重。冻胀力主要包括水平、切向及法向三种,输电铁塔基础普遍关注的是切向冻胀力问题,斜坡地带关注水平冻胀力,浅埋基础关注法向冻胀力。一般认为,切向冻胀力与冻胀性有密切关系,冻胀性强则切向冻胀力大;冻胀系数、融沉系数与冻土土质、含水量、荷载等有关,物理实验发现,在影响冻胀、融沉系数的各因素中,土质的作用更明显。一般情况下,土颗粒越细,其冻胀性越强。

(3)考虑多种设计工况:由年平均地温和含冰量控制下的多年冻土在气候变化、人工活动等过程中会产生众多不良冻土问题,比如可能使基础发生切向移位、不均匀沉降及倾覆等变形破坏,因而输电线路结构安全分析中要对基础的抗压、抗拔及抗倾覆能力等进行工况研究。一般情况下,基础放置在冻土上限以下3～4m永冻土上,其承载力很大,抗压是满足的。但是,随着土质、含冰量、地貌部位的不同以及地温的变化,冻土的冻结强度、蠕变特性都将不同,对基础的抗拔和抗倾覆能力有较大的影响。通常,基础的抗拔力除考虑正常计算指标外还需考虑由于冻土层融化引起的冻结强度减小及刮风引起导线上飘对基础的作用;基础的抗倾覆主要是考虑斜坡地段冻土的水平冻胀力、热融滑塌以及融冻泥流等的作用。

综合上述分析可知,冻土物理力学性质指标的选取是众多因素综合作用的结果,合理的取值不仅要进行大量力学试验,还要结合前人研究成果进行对比论证,以求指标来源可靠,经得起实践检验。

5 工程对策建议

(1)高原冻土具有热稳定性差、含有丰富的地下冰,对气候变暖反应极为敏感以及水热活动强烈等特性,因而与其他地区的非冻土有很大的工程特性差异。青藏直流联网线路项目建设方对此应有足够的认识、深入的研究和整体性的安排。

(2)青藏直流联网线路的线位选择要依循冻土发育分布规律,尽量避开或缩短在不稳定冻土区的长度,细致调整耐张段长度和铁塔档距,选择稳定塔位,尽可能避开冻土现象的发育地域和部位,同时在导线弧垂的设计上也要考虑这些冻害现象的成长性和迁移性。

(3)冻土活动层及下伏2～3m范围应作为现场重点研究对象,对冻土上限的勘测判定要防止“近视行为”;为保证铁塔稳定,基础必须埋设于冻土上限以下,同时要考虑到施工影响、气候转暖、地下冰的潜在影响,保证有足够的安全裕度。

(4)铁塔基础选型需顾及多方面的要求,其中从保持冻土地基长期稳定而言,要特别关注冻拔、融沉和斜坡流变的危害。设计过程中应区分高—低含冰量土、粗—细粒冻土、斜坡—平地—丘顶—湖沼位置这些不同的塔基冻土地基条件,按其和设计工况的不同组合,以冻结和融化两种状态分别验算,分类对待。

(5)冻土工程的成功与否很大程度上取决于施工的完善程度。冻土区施工的时效性、干扰性、严密性、艰巨性、特殊性不言而喻;严格的要求、严格的挑选、严细的施工、严密的监管、严格的验收是不可或缺的保证措施;有关各方要高度重视、齐心协力、精心组织,方可共同建设好这一富有挑战性的重大工程项目。

摘要：冻土是对具负温或零温度并含有冰的土体和岩石的统称,青藏高原就分布着大范围的高海拔型冻土,在高原腹地建设高压直流联网线路工程,会遇到一系列的冻土工程问题,其中的冻土类型与分布、冻土现象及影响、冻土上限及变化、物理力学性质指标获取等便是其中的重点问题,文章基于输电建设角度分析了这些问题的冻土学意义,归纳了基本特性,并就工程对策进行了初步的讨论。

关键词：青藏直流联网线路,冻土分布,冻土现象,冻土上限,冻土参数

参考文献

[1] 金会军,王绍令,余祁浩等,青藏工程走廊冻土环境工程地质区划及评价[J].水文地质工程地质,2006,(6) :66-72

[2] 徐学祖,朱林楠.西藏两道河岛状多年冻土的水热状况[A].青藏冻土研究论文集[C]。北京科学出版社,1983,44-48．

[3] 牛富俊,张建明,张钊,青藏铁路北麓河试验段冻土工程地质特征及评价[J].冰川冻土,2002,24(3) :264-269

[4] 童伯良,李树德,青藏高原多年冻土的某些特征及其影响因素[A].青藏冻土研究论文集[C],北京科学出版社, 1983,1-11

[5] 王绍令.青藏高原冻土退化的研究[J].地球科学进展,1997,12(2) :164-167

[6] 叶培盛,吴珍汉,胡道功等.青藏高原北部不冻泉移动冰丘及灾害效应[J].现代地质,2006,20(2) :252-258

[7] 王连捷,吴珍汉,胡道功等.青藏高原移动冰丘引起输油管道拱曲的数值模拟[J].中国地质,2007,34(4) :676-682

[8] 余绍水,潘卫东,史聪慧等.青藏铁路沿线主要次生不良冻土现象的调查和机理分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(6) :1082-1085．

[9] 王家澄,王绍令,邱国庆.青藏公路沿线的多年冻土[J].地理学报,1979,34(1) :18-32

[10] 刘红军,程显春,马介峰.多年冻土的力学性质[J].东北林业大学学报,2005,33(2) :102-103

冻土问题 篇2

在气候变暖背景下,多年冻土退化加剧,高温冻土将会在更大范围出现,保护冻土原则的适用性将受到经济、技术、环保合理性的挑战.在条件适宜高温冻土区,根据建筑结构和基础类型,采用预先融化技术(简称预融技术)处理冻土地基可在经济合理的前提下,保证工程的.安全可靠性和长期稳定性.回顾了国内外冻土区预先融化技术的经验,总结和展望了预融技术在工程设计、施工及运行中的三个基本步骤,包括施工前多年冻土的融化、已融土的密实和固结,工程运行期间保持融化和防止冻胀措施的实施.预融技术主要利用蒸汽,热、冷水的对流换热和电流热效应,以及改变地表热状况来融化下伏多年冻土.保持融化的方法主要包括改变地表反射率和地基土的结构,融土保温以及利用主动和被动升温传热装置等(如热管技术).结合中国东北的一些预融技术运用实例,如漠河机场工程等,简要评述了预融技术的应用效果.

作 者：郝加前 吉延峻 何乃武 魏智 杨思忠 何瑞霞 金会军 HAO Jia-qian JI Yan-jun HE Nai-wu WEI Zhi YANG Si-zhong HE Rui-xia JIN Hui-jun  作者单位：郝加前,HAO Jia-qian(大庆油田工程有限公司,黑龙江,大庆,163712)

吉延峻,魏智,杨思忠,何瑞霞,金会军,JI Yan-jun,WEI Zhi,YANG Si-zhong,HE Rui-xia,JIN Hui-jun(中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,冻土工程国家重点实验室,甘肃,兰州,730000)

“冻土地区管道敷设”专题征稿 篇3

在冻土地区铺设油气输送管道将遇到很多技术难题和挑战, 一方面, 土体的冻胀和融沉会对管壁产生额外应力, 在适当的条件下引起应力集中和塑性变形, 甚至造成管道破坏;另一方面, 埋设于冻土地带的管道会对周围环境产生扰动, 造成冻土退化, 反过来又影响管道安全。针对不同冻土地区的特点进行设计和施工, 并确保管道和环境的安全已成为世界管道工业的一项技术难题。为了配合我国高寒冻土地区油田管道科技攻关, 并为在冻土地区承揽对外合作项目的油田公司提供借鉴和启示, 本刊拟于今年第12期刊出“冻土地区管道敷设”专题, 及时介绍国外的设计特点和成功经验。征稿范围包括所有涉及国外油田季节性或永久性冻土地区管道敷设的内容, 例如主要技术难题、相应对策、研究状况以及防治冻害的措施。所有稿件都不需要排期, 一经采用, 稿酬从优。欢迎广大作译者踊跃投稿。

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★专题编辑/李珊梅

冻土地区路基养护方法探讨 篇4

多年冻土地区公路沿线自然条件恶劣, 加上路面以下土体的冻融循环、热状态以及路基稳定状态的影响、使得路基病害类型十分复杂, 而且覆盖面广, 突出的问题有:路基融沉变形、冻胀和翻浆、裂缝和冻融等破坏现象。从而影响公路的正常使用寿命和功能, 造成因为早期破坏而增加的人、财、物的重复投入和浪费。因此有必要针对这一特殊地区的公路养护和维修技术开展研究, 不断提高冻土地区公路运营服务质量和公路使用年限。

常见的路基养护措施有:边坡养护和排, 路肩养护, 水设施的养护等。

1 边坡的养护

边坡包括路堑边坡和路堤边坡, 在多年冻土地区, 路堤边坡较为多见。边坡的主要作用是保证路基稳定、行车安全及景观的舒适。边坡坡度对边坡的稳定十分重要, 多年冻土边坡植物防护功能差, 特别是某些土质不良地段, 确保路基边坡坡度为一个合理的角度是路基设计和养护的重要内容, 从而确保路基整体稳定。

边坡的养护和维修工作的重点是保持稳定性, 即边坡应经常保持平顺、坚实、无裂缝。对石质路堑边坡, 应经常注意边坡坡面岩石风化发展情况, 以及边坡上的危岩、浮石的发展情况, 若有问题应及时采取适当的措施处理, 如抹面、喷浆、锚固等;对土质边坡、碎石护坡、护坡道等, 应根据实际情况选用篱格填石、干砌或浆砌片石护坡、土工合成材料护坡等措施进行防护加固。

边坡如发生坍塌需要修整时, 不能在边坡上贴土修补, 而应在毁坏的地段上从下到上先挖成土台阶, 再分层填土夯实, 夯实后的宽度稍超出原来的坡面, 以便最后切出边坡。

2 路肩的养护

路肩是位于行车道外缘至路基边缘的地带, 由外侧路缘带、硬路肩和保护性土路肩组成。其主要功能:一是保护路面;二是停置临时发生故障、事故的车辆;三是提供侧向余宽, 显示行车道外侧边缘, 引导视线, 增加行车的安全舒适性;四是增加挖方弯道段的行车视距。路肩松软多是因为水的作用, 所以路肩的养护与维修的重点就是减少或消除水对路肩的危害。路面范围的地表水通过路肩排出, 因此必须经常保持路肩表面平整、坚实, 横坡顺适, 边缘顺直。特别是对于设置反压护道、碎石护坡段的路肩, 更应经常进行养护。如公路的路缘石有损坏, 应及时进行修补。

对于因路肩湿软, 而经常发生啃边病害的路段, 可在路肩内缘铺设排水盲沟, 以及时排除由路肩下渗的积水。

3排水设施的养护

在多年冻土地区修建公路, 排水十分重要, 除纵向排水外, 还应保证横向排水, 以防止水流带来的大量热量迫使路基下多年冻土退化。路基周围的水即使很少量流人也会引起多年冻土的大量融化, 因为水的比热高, 即使较冷的水也有相当大的融化能力。路基排水的主要作用是将路基范围内的土基湿度降低到一定限度以内, 保持路基常年处于干燥状态, 确保路面具有足够的强度和稳定性。对于多年冻土地区, 多数地区降雨量较小, 路基排水的重要性还是不可忽视, 特别是有些山岭地段保持完好的排水设施非常必要, 也应及时养护、疏通, 对排水设施进行经常性的、预防性的养护和维修, 确保其功能完好、排水顺畅。

多年冻土区路基排水设施养护需注意以下要点:

(1) 多年冻土地区地面水无法下渗, 容易形成地表潮湿或积水, 宜将积水引向路基以外排出, 避免危害路基。

(2) 疏通边沟、排水沟, 但要防止破坏冻层。

不宜在路堤坡脚或路堑坡顶20m以内采掘, 防止破坏冰土, 影响路基稳定。

(3) 治理冰冻方法

(1) 将路基上的泉水、夹层、透水层的渗水, 从保温暗沟导流出路外。如含水层尚有不冻结的下层含水层, 可将上层水导人下层含水层中排除。

(2) 提高溪旁路基的高度, 使其高于涎流冰面50cm以上。因受地形或纵坡限制, 不能提高路基时, 可在临水一侧路外缘点, 或在路侧溪流初结冰后, 从中凿出一道沟, 用树枝或杂草覆盖加铺土或雪保温, 使水流沿水沟流动, 避免溢流上路。

(3) 在多年冻土地区, 可在公路上侧远处开挖与路线相平行的深沟, 以截断活动层泉水。在冬季使涎流冰聚集在公路较远处, 保障公路不受涎流冰的影响。

4 结论

(1) 路肩松软多是因为水的作用, 因此必须经常保持路肩表面平整、坚实, 横坡顺适, 边缘顺直, 特別是对于设置反压护道、碎石护坡段的路肩, 更应经常进行养护, 以利于路面范围地表水通过路肩排出。

(2) 边坡的养护和维修工作的重点是保持稳定性, 对石质路堑边坡, 应经常注意边坡坡面岩石风化发展情况, 以及边坡上的危岩、浮石的发展情况, 若有问题应及时采取适当的措施处理, 边坡如发生坍塌需要修整时, 不能在边坡上贴土修补, 而应在毁坏的地段上从下到上先挖成土台阶, 再分层填土夯实, 夯实后的宽度稍超出原来的坡面, 以便最后切出边坡。

930多年冻土地区修建公路排水十分重要, 除纵向排水外, 还应保证横向排水, 以防止水流带来的大量热量迫使路基下多年冻土退化。除了及时养护、疏通外, 还应对排水设施进行经常性的、预防性的养护和维修。

多年冻土区环境恶劣, 路基病害十分复杂, 有必要建立公路养护管理信息系统, 以方便对公路进行合理及时的养护和维修。

摘要：路基是公路的基本组成部分之一, 是路面的基础。它与路面共同承担车辆荷载, 并把车辆荷载通过其本身传到地基。路基的强度和稳定性是保证路面强度和稳定性的基本条件, 它直接影响路面的平整度。本文分析了多年冻土区公路路基常见的病害形态, 针对多年冻土区公路路基与温度密切相关的特点, 从路肩、边坡以及排水设施等三个方面分别阐述了其养护的关键措施。针对多年冻土区公路路基养护难度大的问题, 提出了在多年冻土地区建立公路养护管理信息系统, 以便于对其进行合理及时的养护维修。

冻土爆破钻孔机械的选用 篇5

1 冻土爆破的困难性

1.1 冻土爆破受到冻土本身的阻力

冻土的温度、含水量等阻碍着冻土的爆破。当冻土温度降低时, 土壤的抗机械破坏力更强。当含水量增多时, 冻土的摩擦力增大, 随之抗剪强度也增大。严重阻碍着冻土的爆破[1]。

1.2 冻土具有极强的抗机械破坏力

冻土的结构是阻碍冻土爆破的重要因素, 运用钻孔机械进行钻孔时, 在钻孔坚韧刀具的作用下, 进行冻土层垂直面的爆破, 从冻土上切割下来的土块层厚度相当于两层相同冻土的厚度, 切割的阻力更大, 钻孔机械受到严重的阻碍, 无法正常进行冻土层爆破。

2 冻土爆破钻孔机械的选用原则

2.1 季节性冻土爆破

在进行季节性的冻土爆破时, 选用的钻孔机械直径控制在60mm—140mm之间, 钻孔机械深度为2m。在选用时还需要注意, 冻土的强度如果在正常范围内, 最好选用煤电钻空机械和岩电钻孔机械。冻土的强度如果高于正常范围, 最好选用风动钻孔机械[2]。例如在进行路堑冻土爆破施工时, 钻孔机械最好选用煤电钻孔机械, 效率可达到20—30m/台班, 钻孔直径达到80mm—85mm, 保证施工的要求。

2.2 不稳定冻土表层爆破

当进行不稳定的冻土表层爆破时, 需要将风动钻孔机械、煤电钻孔机械等结合使用, 根据冻土层不同深度的特点共同进行冻土爆破。例如在高原上进行隧道冻土爆破, 由于高原地区多年冻土层的积累, 简单的爆破钻孔机械没有效果, 而且隧道的冻土强度不同于一般的冻土, 其冻土强度随着隧道深度的变化而变化。所以, 在进行冻土爆破钻孔机械选择时, 要充分考虑隧道中不同深度冻土的不同状态, 具体分析其适合的钻孔机械, 使用不同的钻孔机械满足不同强硬程度冻土的爆破需求。特别是在进行隧道的冻岩层爆破时, 使用长度较其他钻孔机械更长的风动钻孔机械, 而在隧道的进出口进行冻土爆破时, 将煤电钻孔机械和风动钻孔机械相结合进行钻孔爆破[3]。

2.3 导热性能较低的冻土层爆破

在进行导热性能较低的冻土层爆破时, 选用热力钻孔机械进行冻土层的爆破。其工作原理是将温度极高的气体通过高速的喷射机喷射到冻土层中, 使得导热性很低的冻土层在热力作用下产生温差, 导致冻土层的破裂, 极快地进行冻土层爆破。

在选用热力钻孔机械进行冻土层爆破时, 值得注意的是, 高速热力喷射虽然可以使冻土层产生破裂溶解, 但热力对于击碎硬度较高的冻土层作用是不明显的。为保证爆破效率, 可以将热力—水力—机械破碎装置联合使用[4]。经过长期的研究表明, 热力—水力—机械破碎装置所耗成本与常规的爆破机械相同, 但效果却是常规爆破机械的1到2倍。

3 结束语

在冻土地区修建公路、铁路等建筑物, 除了要考察地域环境、地质条件外, 还要充分考虑该地区冻土的特性, 对冻土爆破规模、爆破钻孔机械进行正确分析, 根据冻土的特点, 结合多种钻孔机械的特征进行正确选择, 有效率地进行冻土层的爆破。

参考文献

[1]杜富贵, 梁秋祥, 董德坤, 等.冻土爆破穿孔数值模拟与试验验证[J].爆破器材, 2015, 44 (1) :46-49+54.

[2]杜海丽, 刘宁, 蔺亚敏.冻土爆破开挖技术[J].筑路机械与施工机械化, 2015, 32 (10) :82-84.

[3]赵要才.竖井冻结基岩段硬岩深孔掏槽爆破研究[D].淮南:安徽理工大学, 2014.

对冻土治理的研究与探讨 篇6

1.1冻土的定义。冻土是指在0℃以下, 含有冰层的各种岩石和土壤。一般情况下可分为短时冻土 (指冻土存在时常为数小时、数日或半月) 、季节冻土 (指冻土存在时常为半月至数月) 和多年冻土 (指冻土存在时常为数年至数万年以上) 。目前, 地球上的短时冻土、季节冻土和多年冻土的面积约占全球陆地面积的50%左右, 其中, 多年冻土的面积最大, 占全球陆地面积的25%左右, 其中高原因其寒冷的气温, 主要为多年冻土, 冻土是对温度极为敏感的介质, 经过研究检验, 其中含有丰富的地下冰, 因此, 也使冻土极具流变性和长期强度远低于瞬时强度的特征。

1.2冻土的形成。冻土主要由物理风化形成, 且进程较缓慢, 但在冻融交替时比较显著, 其生物分解和化学风化作用相当微弱, 动图中的元素迁移活动微弱, 其中的粘粒含量较少, 所以, 冻土普遍存在粗骨性。另外, 根据冻土中的各元素含量测算, 可为工程基建提供数据支撑, 例如:高山冻漠土的粘粒中, K2O化合物的含量很高, 经测算, 可达每千克冻土50g, 此数据表明, 冻土中的还未脱钾, 其土质处于初期风化阶段。

因地球中的土壤内都含有水分, 但水分的含量不同, 当接触温度降低到零度或零度以下时, 土壤中的水分就会凝结成冰, 从而将土壤冻结, 进而形成了冻土。经过研究, 发现冻土的表层温度是随其冻土层的深度的增加而不断降低的, 但它存在一个临界值, 即其土壤层到达一定深度后, 它的表层温度就保持恒定, 不再降低并常年保持, 研究人员将温度恒定的土壤层称为恒温层, 由于该层再往下, 会越来越接近地心, 其温度反而会逐渐升高, 产生变化, 不再恒定。

1.3冻土的分类。根据科研人员的研究, 冻土可因地理分布不同产生的成土过程的差异和诊断特征, 主要可分为冰沼土和冻漠土两大类。

目前 , 全球各界 的冻土研 究主要以“布里奇斯 (英文名称:E.M.Bridges World Soils) ”的冻土研究材料归纳为以下三类: (1) 极地荒漠土 (英文名称:Arcticdesertsoils) , 即原始冰沼土。它因地理分布不同, 在美国, 将此类冻土称为典型冰冻潮湿新成土 (英文名称:Typiccryaquent) , 而联合国的研究材料中显示, 该类冻土则被称为冷冻粗骨土。 (2) 极地潜育土 (英文名称:Arcticgleysoils) , 即典型冰沼土。因各国的研究差异, 在中国, 它与典型冰潜育土是相同分类, 而在美国的冻土研究分类中, 称为冷冻潮湿新成土 (英文名称:Cryaquents) , 其在联合国的冻土分类中也有其固定名称, 为冷冻潜育土或冰冻有机土。 (3) 极地棕色土 (英文名称:Arcticbrownsoils) , 即灰化冰沼土。但根据美国的教材中名称不同, 将其称为冷冻淡色始成土 (英文名称:Cryochrept) , 在联合国的冻土研究中, 材料显示改分类被称为冰冻始成土。

在中国 , 科研人员 根据地里 的差异和冻土表象, 将冻漠土分为三个类别 : ( 1 ) 典型冻漠 土 ( 英文名称 :Typicfrozendesertsoils) , 具有冻漠土类较明显的特征。 (2) 盐化冻漠土 (英文名称:Salinizedfrozendesertsoils) , 该类冻漠土中存在较多盐积特性。 (3) 龟裂冻漠土 (英文名称:Takyricfrozendesertsoils) , 此类冻漠土中存在较多的龟裂特征, 在我国主要分布于西藏羌塘高原北部边缘、帕米尔高原和昆仑山内部的山脉, 海拔在4200m~4500m之间。

当气候由寒转暖时, 根据冻土是否会产生融化现象, 冻土又可分为季节冻土和多年冻土。当气候转暖时, 会产生融化现象的冻土称为为季节性冻土 (英文名称:seasonally frozen ground) 。但有些冻土不会随着气候的转暖而融化, 因此, 研究人员将两年或者两年以上保持冻结状态的土壤称为多年冻土 (英文名称:permafrost) 。例如:我国的青藏高原, 因高原气候寒冷, 常年温度均保持在零度以下, 所以, 青藏高原上的冻土基本保持常年不融化, 据数据表明, 比较温暖的气候中, 冻土只融化了表面的薄层, 几乎可以忽略。

2 冻土的危害

在研究中发现, 冻土的土质及结构、水质、土壤温度是产生冻害的三大主要因素, 多年冻土层在土壤自重和外力的作用下, 会产生沉降, 造成地基被破坏的现象时有发生, 例如:路肩及边坡开裂、下滑、路堑边坡溜坍等。三大因素的存在将导致冻土的冻胀和融沉, 对公路、铁路和工程基建的建设结构产生严重冻害, 造成坍塌、伤人等事件。为避免出现此类事故, 可从三大因素入手, 破坏三大因素的组合, 改善冻土环境, 均可避免或减轻冻害。

3 冻土的治理研究

根据产生危害的三要素, 研究人员发现, 根据以下几种措施, 可改善冻土带来的影响和减轻危害。

(1) 采取额外措施。对冻土的土质进行改良, 添加化学物质, 加促分解, 让其完全融化, 或者通过换填等措施使冻土消失, 该类措施主要适用于南北界限或冻土岛上。 (2) 不采取额外措施, 例如:中国高山岭地区, 该地区的冻土较稳定, 不易融化, 土质较稳定, 不易产生冻胀和融沉, 不需采取额外措施。 (3) 保护冻土。适用于中国的大部分地区, 根据冻土的严重程度不同, 可分为主动保护措施和被动保护措施。其中, 被动保护措施主要有:为冻土层加保温板、抬高工程架构地基。主动保护措施有:石块地基、遮阳棚、通风管地基、复合地基等。 (4) 对于特殊冻土区域的工程建设, 需要采取特殊措施, 例如:架设旱桥, 适用于工程地质极为复杂的地区。 (5) 在我国的高山和中高山地带, 当其冻土温度为-5.0℃~ -1.5℃时, 目前我国一般采用保护冻土的措施, 按照“温度存在上限不变和略有上升”的原则设计工程建筑的结构和地基, 采取提高地基和在冻土表面设置隔热层等措施。

结语

冻土是危害公路、铁路、工程基建的主要危害之一, 在我国尤其以高原地区较为严重, 本文重点分析了冻土的形成及分类和其带来的严重危害, 并从产生危害的因素入手, 对冻土区域的工程建设提出保护措施, 推进冻土区域建设的发展。

参考文献

多年冻土区路基施工技术 篇7

关键词：多年冻土区,路基施工,工程措施

1 工程概况

G214线第二合同段位于青海省东南部的果洛藏族自治州玛多县和玉树藏族自治州称多县境内,包含玛多黄河桥-巴颜喀拉山段(K550+000～K589+101.914)和巴颜喀拉山段-珍秦段(K590+386.480～K620+000),全长68.6km。路线走廊带地形地貌主要为:冰川冰缘构造侵蚀中高山、冰缘水流构造侵蚀低山丘陵、冲洪积平原和侵蚀堆积河谷。

路线所经地区海拔高程在4215.2～4749.3m之间,地形地质复杂, 施工难度较大,共有38.73km穿越少冰、多冰、富冰、饱冰冻土和含土冰层等多年冻土区,且处于严重退化趋势。同时,沿线广泛分布有水草地及水草沼泽。

工程所在地区属高寒半干旱气候区,多年平均降水量100～500mm;多年平均蒸发量1250～2250mm。年平均气温-4.2℃,极端最低气温-48.1℃,极端最高气温26.6℃,最大冻结深度2.77m,平均风速3.2m/s,最大风速达30m/s,含氧量约为海平面的59%～65%,仅有0.166～0.186kg/m3。

2 路基施工技术及工艺要求

G214线新建的工程中,针对多年冻土区路基,设计单位主要遵循了三个原则:保护冻土原则、控制融化原则、破坏冻土原则。结合工程实际特点,第二合同段主要应用了换填、片块石路基、XPS板路基和热棒-XPS板复合式路基等工程措施。

2.1 换填施工

换填是把影响路基稳定性的冻土用挖掘机挖除,用稳定性好的砂砾土进行换置,体现了破坏冻土的原则,适用于少冰和多冰冻土段路基。换填施工季节最好安排在寒末、暖初,避免在暖季。必须在暖季施工时,应选择在一天中气温较低的时段施工。

施工前,应提前做好防排水,优先施工永久性的排水设施,若无永久性的排水设施,则应采取临时排水措施。同时,提前准备草席、棉被、彩条布等临时隔热、遮阳、防雨材料,避免冻土受到雨水、热量的侵蚀。

在施工组织安排上,应结合工程地质条件、施工力量划分好施工段落,做到开挖一段、换填一段。施工前,重新核查人、机、料的准备情况,力求做到快速施工、各工序紧密连接,以尽量减少对冻土的扰动。

2.2 片、块石通风路堤

在路基中设置片、块石后,在暖季,外部气温较高,密度较低,路基内部温度较低,密度较高,不发生对流,起到了隔热层的作用;而在寒季,则相反,路基内部和外部发生对流效应。因此,片、块石路基能起到防止热量侵入和增加路基基底的冷储量的作用。这种工程措施主要适用于富冰、饱冰冻土区。片、块石层厚度受路基高度控制,一般富冰冻土地区120cm,饱冰冻土地区150cm。

片块石宜选用强度不小于30MPa的弱风化或未风化新鲜硬质岩石,粒径范围15～30cm,最小边长不小于15cm,长细比不大于3,且压碎值不大于25%。

片、块石路基填筑前,必须先做好排水措施,特别是汇水段,以防地表水流入片石层。片石通风路基采用倾填方式填筑,填筑高度较设计标高高约10～15cm(10～15cm为预留压实沉降量),并用机械、人工整平。压实采用重型振动压路机,碾压时,直线路段应先两侧后中间,曲线段应先内侧后外侧,进行反复碾压,碾压遍数一般不少于6～8次。压路机的线压力应小于片石的抗压强度,避免片块石被压碎。片、块石层施工完成后,先在片石层上全宽范围内填筑厚20cm、粒径范围在5～10cm的碎石整平层,再在碎石层上填筑30cm厚砂砾层,最后采用重型振动压路机压实。若反滤层及上部结构暂时不施工,则需用蓬布或彩条布覆盖片石全宽及片石边坡,以防止上部填料滑入空隙,影响通风效果。

2.3 XPS板路基

在零填浅挖、路堑或路基高度受到限制的富冰、饱冰冻土地段,为确保多年冻土路基的稳定,在路基中使用挤塑聚苯乙烯泡沫材料(XPS)板,这种材料具有导热系数小、热阻高的特点,通过增大路基热阻、减少大气(太阳)热量传入路基下部的多年冻土,延缓冻土退化,起到了保护多年冻土的作用。

XPS板技术要求:抗压强度不低于0.6MPa,导热系数不大于0.030W/m·℃,容重不小于45kg/m3。对XPS材料随机抽样检验,把好材料质量关,本项目采用的XPS板单层厚4cm,宽度8.4m,埋设在路面结构层下30cm处。

XPS板路基的最好的施工季节是冬季,如果冬季无法施工,应避开最大融深季节,且尽量安排在一天中气温较低的时段,以减少蓄热。雨雪天不宜铺设保温板和浇注接缝。

铺设下垫层时,采用洁净的中粗砂,含泥量小于5%,砂中不得含有杂草、垃圾及粒径大于1cm的石块等杂质。下垫层应平整坚实,除压实质量必须满足规范要求,表面不得有高低坑洼和机械印痕。XPS板应边铺边浇注,接缝应按照设计要求交错,接缝处应连续浇注,不能留有间隙。在曲线上,XPS板应采用直向积累集中拼缝的方法铺设。在XPS板铺设完成并检查无误后,方能进行板上卸料及上部结构的铺筑。卸料时,施工机械不能直接碾压XPS板,先自卸汽车将填料卸在路段的一端,用铲车将路料按照预留压实厚度向前将过剩的填料推运,随后用平地机整平,最后用压路机压实。

2.4 热棒-XPS板复合式路基

单一的工程措施,在具体使用时大多数都有较强的时效性。XPS板暖季能明显减少路基下伏土体吸热,冷季却不利于外界冷量传入路基体;热棒暖季基本不发挥作用,冷季却可因地温比气温高,发生对流换热作用,起到主动冷却路基的作用,因此,XPS板-热棒复合式路基是一种比较理想的组合,适用于多年冻土区含土冰层路段。

本项目热棒技术要求为:Φ83×5mm;在工作温度为-5℃时,其传热能力不低于6kW,工作温度-60～-50℃时,工作压力为0～2.2MPa;可靠工作时间不低于20年,热棒纵向间距为4m,横向相互错开。

热棒运至工地后, 应进行外观检查和产品质量抽查, 其结构、形状、规格及工作性能应符合设计要求。热棒存放场地应紧靠施工现场, 尽量缩短热棒的搬运距离,减少二次搬运,热棒应远离火源, 为防止阳光直射, 可用隔热材料进行遮盖。

热棒安装前应制定专项施工组织安排,应做好各项施工准备工作。首先按照设计放桩、确定孔位,钻机就位,钻进方法原则上采用干钻,按设计要求钻成斜孔或垂直孔。钻孔直径应比热棒管壳直径大5～8cm,孔深比设计深度深10～20cm,孔同侧的间距按设计要求布置。钻孔完成后,应进行成孔检查,并清理干净钻孔中的泥浆、孔周边的泥土和杂物。符合要求后, 用吊装设备将热棒吊起插入钻孔中定位,经垂直度检查合格后固定。热棒安装后所有热棒的高度差不大于2cm,路基同侧的热棒应在同一平面内, 误差度不大于2cm。回填钻孔间隙采用水中沉砂法。固定热棒的支架在灌孔填砂充分冻结后方可拆除,填砂回冻时间一般在5～7d。热棒安装设计为斜插式时,还要结合工件的强度、刚度、稳定性等选择最合理的起吊点,在搬运、吊装过程中要采取相应的保护措施,防止使其变形、损坏。吊装绳索宜采用尼龙绳吊索,同时在绳扣处应用软质垫片保护,安装过程中应防止碰撞、摩擦棒身。

3 结语

多年冻土地区公路工程建设难度大,意义深远。G214线多处经过多年冻土区地段,换填、片块石路基、XPS板路基、热棒-XPS板复合式路基等工程措施能起到积极的作用,但上述各种措施的适用性不同,工程效果也有很大差异,如何在施工中认真领会、贯彻设计意图、控制好施工质量、确保路基的稳定, 还需进一步的总结和探索。

参考文献

[1]汪双杰,李祝龙,章金钊.多年冻土地区公路修筑技术[M]北京:人民交通出版社.2008.

[2]章金钊,霍明.多年冻土地区公路路基稳定技术问题与对策[M].北京:人民交通出版社,2008.

一起冻土引起的直流接地故障 篇8

1 故障经过

2009年12月23日某时, 某站后台机报“直流母线接地”、“110 kV1112丙隔离开关遥信变位 (实际为误发信号) 预告及光字信号。当值人员按规程处理检查并拉路寻找直流接地点, 当拉开户外110k V控制电源开关时, 接地现象消失, “110k V1112丙隔离开关遥信变位”信号复归。当值人员结合此现象分析判断并检查110k V1112丙隔离开关的辅助开关接线盒时, 发现有一对常开接点的二次引线至镀锌钢管处已压扁, 二次线外绝缘破裂, 线芯直接接触钢管从而造成直流系统负级接地, 并引起误发“110k V1112丙隔离开关遥信变位”信号。随后对其二次线进行了绝缘处理, 消除了直流接地现象, 但对故障的根源没有彻底消除, 隐患依然存在。

2 故障现象及原因

图1为事发前该站户外设备区地坪现状, 图2为被压扁损坏的二次线。从图1中可以看出, 该隔离开关的辅助开关二次引线保护套管镀锌钢管没有底座和基础固定而随地坪严重胀起, 并直接作用到辅助开关的下端致使二次线损坏是导致直流接地的直接原因;而地坪地基的湿度较大产生的冻土是引发直流接地故障的间接原因。该变电站的户外设备区地坪及地基在土建初期就采用黄土夯实150cm, 灰土垫层30cm, 铺沙20cm, 贴水泥砖, 灌缝等工艺。然而在投运后的几年内, 每到冬季就发生地坪膨胀变形问题, 随后也多次采用上述工艺进行重新处理, 但效果不佳, 还是发生了由于地坪变形引起的直流接地现象。而引起地坪变形的主要原因为该变电站处于阴湿地区, 每到夏秋季雨水较多, 而户外设备区铺设的水泥砖由于其较强的吸水性不能将过多的雨水顺利排出而直接渗漏到地下, 长此以往, 地基沙土及灰土层含水量较多, 湿度较大, 夏秋季时有可能造成地坪地基下陷, 发生斜杆或倒杆, 引发电网事故;一到冬季形成冻土, 发生地坪膨胀变形, 其上面的附着物及支撑物随地坪地基的变形而移动, 设备及其构支架受到过大的应力而发生变形或位移, 最终可能导致损坏二次线、隔离开关触头接触不良、构支架及传动机构断裂等引起的电网、设备事故。

3. 应采取的措施

3.1对地坪地基进行重新处理, 处理时, 不再采用水泥砖铺设地坪。应铺3:7灰土垫层后用混凝土现浇或采用柏油路基。对地坪与其上附着物的接触面应留有一定缝隙, 并用沥青灌缝。这样, 可预防雨水直接渗入地下。同时, 应在设备区地坪上设置适当的下水井, 及时将雨水排出, 从而降低地坪地基土层的湿度, 防止地坪因热胀冷缩时变形产生的应力对设备的固定及支撑物的损坏。

3.2对户外二次线及电缆的引出线护管应加装底座和地基固定, 其端部与接线端子或接线盒应预留一定的间隙, 并加装绝缘套, 以防二次线磨损造成绝缘层破坏时发生直流接地或短路。

3.3 户外电缆及二次引接线安装时要预留足够的伸缩长度, 防止遇冷时收缩而断裂。