高纬度冻土沼泽湿地地区路基病害及防治对策

凌思德，杨锦凤

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室)

高纬度冻土沼泽湿地地区路基病害及防治对策

凌思德，杨锦凤

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室)

由于具有特殊的气候及地质条件，冻土沼泽湿地地区的道路路基较普通冻土地区更容易出现病害。结合沼泽湿地与其下伏冻土的共生关系，分析路基产生病害的原因，同时提出了在冻土沼泽湿地地区防治病害的原则与对策。

冻土;沼泽湿地;路基病害;防治

我国多年冻土可以划分为低纬度高海拔多年冻土和高纬度低海拔多年冻土。高海拔多年冻土主要分布在东北的大、小兴安岭，松嫩平原北部和蒙古高原。东北地区为中国第二大冻土分布区(3.8×106～3.9×106km2)，处于欧亚大陆(高纬度)多年冻土区的南缘，冻土总体厚度较薄、温度较高，易受外界因素变化的干扰。东北地区亦是我国湿地资源的主要分布区，主要以淡水沼泽和湖泊为主，总面积为67 378 km2，占全国湿地总面积的17.5%，占该地区土地面积的8.5%，随着振兴东北老工业基地的发展，冻土湿地地区筑路一直是亟待解决的问题。

作为冻土本身就具有热稳定性差、对气候变化反应敏感以及水热活动强烈等特性，加之沼泽湿地特殊的地质现象，因而在冻土沼泽湿地地区进行道路工程建设，就必须了解冻土沼泽湿地的工程特性。在内蒙，东北地区的301国道，青藏铁路以及青藏公路的建设中都有穿过湿地地区，也进行了大量的研究。主要以大小兴安岭多年冻土湿地为研究对象，分析冻土湿地地区路基潜在病害及其防治。

1 冻土与沼泽湿地的关系

沼泽湿地与其下伏冻土构成共生系统，大小兴安岭的湿地和冻土具有典型的共生性，互相依存，同是本区冷生作用的产物。冻土上限成为湿地的隔水层起到有效防渗作用，从而促进了湿地的生长发育;湿地植被和积水有效地降低了太阳辐射对下伏冻土的影响，减弱冷储耗散或增加冷储，使冻土趋于稳定或增生湿地;泥炭层强化了对冻土的保温作用。

地表沼泽化对下伏冻土即可起到保温作用，又有冷却作用，从而能够降低地温减小季节融化深度。如在大兴安岭北部大片多年冻土区，沼泽化地段(沟谷湿地)土层年平均温度最低(-2～-4℃)，季节融化深度仅1 m左右，而山坡上的年平均地温比沼泽化地段要高1.5～4.0℃，因而常发育不衔接冻土或季节冻土，也是冻土岛存在与否的决定性条件。同时低温状态下可以抑制菌解过程，从而有利于泥炭的积累，两者对环境变化表现出同步涨落。冬季逆温层存在又会进一步加强沼泽的冷却作用。修筑道路工程对湿地植被盖度和泥炭层的影响，将降低湿地暖季对冻土的冷却功能以及冷季对冻土的保温功能，即降低冻土的热稳定性。

2 冻土沼泽湿地地区路基病害

地表沼泽化对下伏冻土即可起到保温作用，又有冷却作用，从而能够降低地温减小季节融化深度。随着冻土沼泽湿地上路基的填筑，地表形状发生变化，周围环境被人为改变，特别是地表植被遭到破坏，使沼泽地原有的热交换条件发生了变化，这些都极大的改变了原天然地面的热量平衡状态，即地表土层遮蔽植被遭到破坏，影响土壤中水分蒸发，温差大使路堤土融化和冻结加快，渗水土壤表面和充水沼泽地白天的温度比有植被的沼泽地的温度高1～14倍。填筑路基后，填料的热传导系数较高，最终将使得路堤下的多年冻土上限发生变化，逐渐下移，加快地下多年冻土层的消融，对路基的整体稳定性产生不利影响。

对于冻土湿地地区的道路工程，主要是施工后沼泽化的消失或改变后，下伏冻土对工程的影响如何。从目前掌握的情况来看，沼泽化在我国多年冻土区主要起冷却作用，即降低地温和减小季节融化深度。故主要病害有冻胀与翻浆、不均匀沉降或沉陷，纵向裂缝及边坡滑塌等病害，特别是融沉会造成路面平整度下降，诱引过早出现其他病害。

2.1 融沉

也称融化下沉或热融沉陷，指土中过剩冰融化所产生的水排出以及土体的融化固结所引起的局部地面的向下运动，是自然(如气候转暖)或人为因素(如破坏地表植被)改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所致。在冻土沼泽湿地区主要是原地面的植被及泥炭层被改变，打破了原地面的热平衡。

据中国科学院长春地理研究所，夏季(白天)三江平原沼泽地的反射率为0.15 ～0.20，耕地为 0.07 ～0.15;在大兴安岭北部天然沼泽地为0.18，而火烧过的沼泽地为0.15。夏季，白天沼泽表面吸收的太阳辐射量大于有效辐射，辐射平衡为正值;夜间，沼泽表面因有效辐射而丧失热量，辐射平衡为负值。但从7～9月间沼泽表面热量平衡各分量的日间总量分配情况来看，70%～80%的热量支出用于沼泽表面的蒸散过程。白天，沼泽湿地由土表传入深层的热通量小于改变地表后的沼泽地段，夜间相反。潮湿、饱水的苔藓层和泥炭层的热容量大、导热率小、导温系数小、相变耗热大，均使沼泽地温低、融化深度小，在夏季沼泽表面的这些特征均导致改变地表后由地表进入土层的热量远大于由原沼泽地表传入下伏冻土的热量，与此相应的结果就是下伏冻土的融化及导致路堤的热融下沉。而到了冬季，苔藓、泥炭冻结后导热率增大，有利于沼泽地散热和冷却，表面修筑路堤后这种散热和冷却效应被打破，其结果就是冬季下伏冻土不能有效的冻结。

路堤沉陷，路堤本身的沉降在此不赘与，冻土沼泽湿地区主要是由于路基地基的融沉变化引起的沉陷。常发生在在黏土地基和含有大块碎石的黏土地基上修筑路堤的情况下，因为泥炭土下面含有少量淤泥的土层含冰量最多，当富冰土层融化时路堤沉降异常迅速。易发生在下列位置:古河道和有热溶洞湖的河滩地;苔藓地与苔藓–青草沼泽地;分水线(包括其局部低洼地)上的排水量少的沼泽地;河谷平缓坡(包括梯地平缓坡)上的沼泽地;深谷隔开的河谷坡地和山坡上的草丘和青草–苔藓沼泽地。位于沼泽地的局部低洼地上的路堤最容易出现不均匀急剧沉陷。

2.2 路基冻胀与翻浆

地表水和浅层地下水对地基土不均匀侵润，冻结时体积膨胀，产生不均匀的冻胀造成路面不均匀变形，波浪等病害。春融时下层冻土阻碍了水分的下渗及排出，从而在荷载作用下产生了翻浆现象。在冻土沼泽湿地区，由于常年积水如若排水不良，将有充足的地面水补给，进一步加剧了冻胀翻浆病害。

2.3 不均匀变形与纵向裂缝

路基两侧积水的下渗、土体内部水分不均匀积聚和路基内部聚冰层的出现是引起路基不均匀变形的关键。在冻土沼泽湿地地区，冻土沼泽常年积水，排水不良，表层泥炭较厚，含冰量大，冻土上限浅，故路基两侧积水严重，热溶洞孔隙被水充满，如若采取措施不当，将造成冻土上限下降，形成路基地基局部持续融沉，路堤周围将会产生热溶洞湖，这样的情况如果继续发展将形成严重的不均匀变形及纵向裂缝。

3 防治原则与对策

3.1 防治原则

造成沼泽地区路堤长期沉陷和位移的原因是路堤下面地基土液化并被挤出地面。提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降，提高地基和路基的稳定性，保护冻土层或减缓冻土层的融化速率，避免大规模的融陷和翻浆等。并且用以调整路堤下面土体温度状况的构筑物最好与地表没有受到破坏的沼泽地段衔接在一起。沼泽湿地严禁取土，也不能开挖排水沟，不得挖出表层和草皮。

(1)线路尽量绕避。绕避不开时，如通过缓山坡沼泽，避免通过沼泽横向坡度较陡地段，保证地基稳定性;如通过沟谷、冲积台地沼泽，选择在沼泽边缘通过。

(2)尽量隔离水的影响。根据水源特点补给情况，采取排除积水或截断水源等措施。

(3)尽可能的保护周边泥炭层和植被，一般情况下都以路堤的形式通过冻土湿地区，并且路堤底部采取隔断毛细水的措施。

(4)除了做好隔水措施外，设计时还应考虑水分导致的冻胀危害。

3.2 防治措施

(1)边坡防护。

采取移植苔草草皮的措施来修复，在湿地植被根系层与边坡界面之间增添30～50 cm泥炭层的方法。路肩外侧自然地表的塔头草植被有较好的隔热性能。在坡脚区可以同时配以泡沫塑料层隔热，同时用土工织布覆盖，以及用泥炭土衬垫。

(2)设置护坡道。

在路堤两侧修建3 m宽的护道，并修建排水沟，用渗水土回填。位置要建在用填土回填的河流或水库上(例如热溶洞湖)，在土层不断固结时，护道建造在不坚固的地基上。用渗水土更换护道边界的地基土，并可用挖出的土筑堤。

(3)挡水埝。

冻土沼泽化斜坡湿地路基地段设置，挡水埝在填筑成型后，由于人为因素造成冻土上限上移，形成“冻土核”。在路基的迎水面一定距离处设置了挡水埝，可以有效防止路基上游地表水和上层冻结上水渗透或流入路基体内，避免对路基的长期稳定性造成隐患。同时可以在挡水埝中心下布设纵向隔水板，既能够阻隔地基深层冻结层上水的渗透流动，也能够有效地阻隔地基浅层冻结层上水的渗透流动。

(4)土工格栅。

抗拉强度高，弹性模量高，延伸率低，与土或碎石的咬合力强，耐老化，质量轻，易施工，不与土中的含水酸碱和盐溶液发生反应，也不受微生物的侵蚀;作为加筋材料来说起的主要作用是隔离，约束地基变形，减少不均匀沉降，也能有效降低冻胀翻浆的危害，增强地基土的强度。由于施工后打破了冻土沼泽化湿地的热力平衡，可以用土工格栅加热棒或抛填片石措施更加理想。

(5)土工格室。

土工格室加固多年冻土湿地路基，原理是通过综合利用土工格室表面与土体的摩擦作用、土工格室网孔对土体的锁定作用以及土工格室本身具有的加筋补强作用，实现加大土体的摩擦、锁定和阻抗作用，限制土体的侧向移动和下沉，进而达到稳定路基的目的。施工时不能对原地表的草皮，腐殖土清除，而是在边桩范围内直接进行碾压达到规范要求的压实度。施工时的注意事项，必须在暖季施工，做好排水和降水设施，避免地面积水或碾压后造成地面弹簧现象;个别地方需清淤换填的必须清除彻底;施工时避免阳光暴晒所导致土工格室老化或变质。

(6)EPS(聚苯乙烯泡沫塑料)板应用。

EPS作为一种新材料已经在公路、铁路、桥梁和防护等工程中应用逐渐增多。通过敷设特殊材料(EPS板)保持土体的天然低温状态，提高土体的力学指标。EPS材料的内壁气泡为封闭状，吸水率小，保证了材料在浸水条件下仍能有较好的隔热效果。EPS板可以减少路基碎石土向深层的热流量，减少低下多年冻土层的消融，减少和消除路基的冻融病害，保持道路的稳定。

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U416.1

C

1008-3383(2012)03-0056-02

2011-11-16

凌思德(1985-)，男，山东临沂人，研究方向:路基稳定性及道路工程设计。