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共和-玉树(共玉)高等级公路地处青藏高原东缘,是连接西宁市与青海省南部海南州、果洛州以及玉树州的交通要道。这是我国首次在高原多年冻土区修筑高等级公路。沿线穿越多年冻土路段共计227.77km,其中高含冰量路段92.45km。除了山区垭口附近的高海拔地区,沿线大多数路段是年平均地温高于-1℃的高温不稳定、高温极不稳定多年冻土,极易受全球气候变暖和人类工程活动的影响。为了保护路基下多年冻土,保证共玉高等级公路的正常运营,借鉴青藏铁路的成功经验,沿线在高含冰量多年冻土段采用了主动冷却路基的措施,对路基高度大于2.5m的路段,主要采用了块石路基,设计长度总计55.9km。 针对不同的冻土条件和路基结构形式,在沿线布设了多个监测断面,以监测路基下温度场变化情况。通过对比路基下不同深度处温度变化规律和各部位人为上限变化情况,对块石路基的实际应用效果,以及影响块石路基应用效果的因素进行了分析。 块石路基修筑初期至今,路基下人为上限均在天然上限以上的位置,起到了抬升人为上限的作用。但是受不同因素的影响,冷却路基的作用有差异。对同一断面,受阴阳坡效应的影响,右路肩人为上限抬升且趋于稳定,而左路肩人为上限逐年下降;块石层厚度达到1.5m的断面,应用效果显著好于块石层厚度1.0m的断面:右路肩下人为上限抬升幅度大,并且呈持续的抬升趋势,同时路基下温度逐年降低,起到了主动冷却路基的效果;当块石层厚度为1.0m时,高度为3.0m的路基与高度为2.3m的路基没有明显的差别。这就意味采用块石路基的措施并不一定就可以保证高等级公路的长期稳定,而是满足一定的条件才能起到冷却路基的作用,即存在一定的适用条件。块石路基的长期效果还需进一步跟踪监测。 为了进一步明确各因素对块石路基的影响规律,并对块石路基的长期效果做出预测,考虑过去50年气温升高对多年冻土的影响,根据多孔介质流体流动的连续性方程、动量方程和能量方程,建立了气候变暖背景下的块石路基对流传热数值模型。假设未来30年间年平均气温升高0.57℃,系统分析了路基中心下人为上限变化、通过路面正下方原天然地表处热量变化,得到了年平均地温、块石层厚度、路基高度以及渗透率对块石路基降温效果的影响规律,分析了路基下人为上限对以上各指标的敏感性。结果表明:(1)当块石路基结构一致,块石层渗透率相同时,低温基本稳定冻土区的效果好于高温不稳定冻土区;(2)当路基高度一致时,随着块石层厚度从1.0m增加到2.0m,路基降温效果增强;(3)当块石层厚度一致时,上覆填土的增加会导致路基热阻增大,减少路基暖季吸热量,但是同时也会影响块石层内自然对流的发生,不利于充分发挥其主动冷却作用;(4)当块石路基结构一致,所处的多年冻土年平均地温一致时,随着块石层渗透率从1.54×10-6m2增加到1.22×10-5m2,块石路基降温效果趋于显著。 以路基中心下人为上限不低于天然上限作为判别标准,得到了不同地温分区、不同渗透率、不同路基高度、不同设计使用年限条件下为保证块石路基正常运营所需的块石层最小厚度,即块石路基在高等级公路中的适用条件。当块石层渗透率为1.54×10-6m2时,对低温基本稳定区、高温不稳定区以及高温极不稳定区,为了维持路基正常运营30a,所需的块石层厚度分别为1.4m、1.6m、1.8m。当块石层渗透率为1.22×10-5m2时,上述三个地区所需的块石层厚度分别为1.0m、1.2m、1.4m。 以建立的适用条件为准,结合共玉高等级公路沿线的多年冻土发育状况和块石路基的设计资料,对公路沿线块石路基的长期热稳定性进行了评价。在块石层渗透率为1.54×10-6m2的条件下,当设计使用年限为10a时,仅有54.2%的路段满足要求,当设计使用年限为30a时,有不到10%的路段满足。而块石层渗透率为1.22×10-5m2的条件下,当设计使用年限为10a时,全部路段均满足要求,当设计使用年限为30a时,60%以上路段符合要求。失稳的部分主要分布在高温极不稳定冻土区、路基高度较大的路段。 根据评价结果,结合现场观测资料,在仅考虑热稳定性的条件下,在高等级公路建设中,建议块石层铺筑厚度应大于1.5m。对高温极不稳定冻土区,则应慎重使用块石路基,或者综合采用多种有效措施的复合结构。