牙克石市免渡河境内冻土特征研究

刘翠然， 佘小光

Research on Permafrost Characteristics of No-crossing River Territory of Yakeshi City

Liu Cuiran, She Xiaoguang

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牙克石市免渡河境内冻土特征研究

刘翠然¹，佘小光²

（1.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023；2.中水东北勘测设计有限责任公司，吉林 长春 130021）

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摘  要：通过对内蒙古自治区呼伦贝尔市牙克石市免渡河扎敦水库场地进行地质测绘、地质钻探、地温观测、室内土工试验等，探索该区域多年冻土类型、分布范围、分布特征、厚度、上下限深度及其与地质-地理环境的相互关系，并根据多年冻土层的物质成分、含冰量、物理性质、力学性质和热物理性质，研究冻土工程特性的影响因素，冻土的冻胀性、融沉性及其变化特征。

关键词：牙克石市免渡河；冻土分布特征；地温特性；物理力学性质；热学性质；冻胀性；融沉性

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Research on Permafrost Characteristics of No-crossing River Territory of Yakeshi City

 Liu Cuiran¹, She Xiaoguang²

（1. Luoyang Institute of Technology, Luoyang, Henan 471023; 2. Zhongshui Northeast Survey and Design Co., Ltd., Changchun, Jilin 130021）

Abstract： By conducting geological mapping, geological drilling, ground temperature observation, and indoor geotechnical tests on the Zadun Reservoir site of the Wudu River in Yakeshi City, Hulunbuir City, Inner Mongolia Autonomous Region, this study explores the types, distribution ranges, distribution characteristics, thickness, upper and lower limits of permafrost in the region, as well as their interrelationships with geological and geographical environments. Based on the material composition, ice content, physical properties, mechanical properties, and thermophysical properties of the permafrost layer, Study the influencing factors of frozen soil engineering characteristics, as well as the frost heave, thaw settlement, and their changing characteristics of frozen soil.

Key Words：Modular artificial wetland; Subsurface flow constructed wetland; Blockage issues；Double layer planting sleeve；Filler replacement；Plant harvesting；Bed rest

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0 引言

冻土是一种低于0℃且含有冰的岩石或土壤，根据其存在时间的长短可分为季节性冻土和多年冻土。我国冻土面积大约占国土总面积的75%，其中多年冻土占国土总面积的22.4%^［1］。我国多年冻土主要分布在东北大小兴安岭、松嫩平原北部及西部高山、青藏高原^［2］。由于施工开挖或温度的改变，使冰在冻土中的存在形式发生了变化，特别是对高温冻土，当温度改变或施加荷载后，高温冻土中的未冻水含量增加，使冻土由脆性逐渐向塑性转变^［3-4］。与土体冻结过程中的冻胀破坏类似，冻土在融化过程中，会产生显著沉降变形或者累积超静孔隙水压力，这些均会造成土层强度的改变或变形破坏，从而对地基的承载力造成影响^［5-8］。随着青藏铁路、青藏公路等一系列工程的建成运营，我国在雪域高原冻土研究方面取得了大量领先的科技成果，但大兴安岭地区的冻土分布和发育特征与青藏高原地区截然不同^［9］，且大兴安岭地区地表植被和气候也与青藏高原截然不同，而对冻土的保护和影响也不同。因此，青藏高原冻土的研究成果难以直接应用在大兴安岭地区。同时，过去大量研究多集中在连续多年冻土区，而对于下界处不连续的多年冻土的研究成果较少。另外，目前的冻土研究多关注于冻土的形成条件以及冻土对水库的危害程度评价，对于冻土在库区的分布特征及冻融变化规律的研究则较少。

牙克石市免渡河镇位于内蒙古自治区东北部，地处大兴安岭山脉中段西北坡，为高原型地貌，地势东南高西北低，地形总体上由东南向西北倾斜，地貌形态按成因可分为构造剥蚀低山及丘陵地貌单元、侵蚀堆积地貌单元。该区域山坡植被多以白桦树和草本植物为主，植被覆盖良好。免渡河镇属温带大陆性气候，由于受极地大陆气团控制，又受蒙古高压影响，气温较低，其气候特点是冬季寒冷而干燥，夏季短促而温热，春季多风易干旱，秋季降温急骤霜冻早，年均气温为-2.9 ℃，极端最高气温为39 ℃，极端最低气温为-50.1℃。该区季节性标准冻土深度为3.0 m。在气温较高的季节，随着多年冻土区部分地段进行施工开挖，地表水和地下水汇聚于此。由于水流冲刷和大气温度的影响，开挖地段上部的多年冻土层已融化，形成了规模较大的热融湖塘和热融洼地；开挖边坡和遗留的核心土地段冻土融化后，在水流的冲刷作用下，偶见滑塌现象，形成了小规模的热融滑坍。另外，由于该区多年冻土区内地表水（河水）及地下水丰富，补给量大，大部分冬季冻结。多年冻土区不仅气候严寒，而且还有多年冻土层作为底板，这使得地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束。冻土地层开挖破坏了天然的水文地质条件，若处理不当，进入冬季冰冻期，大量水冻结，极易形成厚层地下冰、潜水冰锥、冻胀丘等不良冻土现象，对该区域工程建设造成较大影响。因此，查明该区域多年冻土的特征是进行该区域工程建设必不可少的一个环节。笔者试通过对免渡河镇扎敦水库场地的多年冻土进行勘察，分析多年冻土的特征、发育规律和冻土的冻胀性及融沉性，以期为该区域的工程建设提供参考。

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1 冻土分布及地温特性

沿坝轴线在坝基及坝基以外20 m 范围内，采用网格状布设21 个钻孔，并结合地质测绘、地温观测、室内土工试验等方法，查明多年冻土类型、分布范围及其地温特性。

1.1 冻土分布特征

1.1.1 冻土垂向分布特征

根据地质勘察结果可知，研究区共分布3 层冻土，分别为冰水沉积淤泥质粉质黏土（第一层冻土）、冰积级配良好圆砾（第二层冻土）、冰积粉土质圆砾（第三层冻土）。第一层冻土厚度为0.90～1.50 m，土层底部高程为730.92～734.59 m；第二层冻土在整个场区均有分布，厚度为1.20～5.40 m，土层底部高程为729.68～735.13 m，且在ZK07 孔和ZK13 孔的冰积级配良好圆砾中分布一淤泥质粉质黏土夹层，厚度为0.80～1.50 m；第三层冻土分布于整个场区，厚度为0.60～8.40 m，土层底部高程为725.45～731.58 m。该区域季节性标准冻土深度为3 m，结合已完成钻孔的揭露情况可知，在季节性冻土层和多年冻土层之间分布有3～4 m 的非冻结土层，季节性冻土层的冻结深度浅于多年冻土的上限，故该区域的多年冻土层为不衔接多年冻土。

1.1.2 冻土水平分布特征

多年冻土的水平分布范围介于坝轴线K0＋065～K0＋200 之间，其中K0＋145～K0＋180 之间厚度最大，最大厚度约为10.20 m；沿坝轴线方向左端（南侧）逐渐变薄，尖灭于山坡坡脚处，即坝轴线K0＋065 附近；向水库右岸（北侧）沿坝轴线尖灭于K0＋200 附近，但在ZK17 和ZK19 处均有多年冻土层揭露。结合地质测绘，推测拟建场区多年冻土在坝轴线K0＋200 附近呈向南侧凸出的弧形分布。因此，拟建场区的多年冻土为岛状多年冻土，水平向外边界多呈不规则分布。

1.2 冻土的地温特征

本 次 勘 察 共 布 设 DWZK18、DWZK19 和DWZK20 3 个地温观测孔，于2015 年8 月24 日和2015 年9 月9 日分别进行了2 次地温观测数据采集工作，并绘制了地温观测曲线，如图1～图3 所示。

 

图1 DWZK18 孔地温观测曲线
Fig.1 Ground temperature observation curves of DWZK18 hole

 

图2 DWZK19 孔地温观测曲线
Fig.2 Ground temperature observation curves of DWZK19 hole

 

图3 DWZK20 孔地温观测曲线
Fig.3 Ground temperature observation curves of DWZK20 hole

由图1～图3 可知，研究区多年冻土地温具有如下特征：受季节及大气温度的影响，多年冻土地温随深度的增加逐渐降低；同一深度处，多年冻土地温随时间延长逐渐降低；由于地温观测周期短（未满一年），多年冻土的年平均地温未能确定，但根据区域地温观测资料，多年冻土年平均地温较高，大多高于1℃，为高温冻土，冻土地温带属极不稳定带。

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2 冻土物理力学性质及热学性质

2.1 冻土物理性质

冰水沉积淤泥质粉质黏土。该冻土层呈灰褐色～灰黑色，融化后呈可塑状态，含有机质和植物根系，有腥臭味儿，具水平层理，局部近淤泥质黏土。

冰积级配良好圆砾。该冻土层为杂色，中密～密实，湿～很湿，2～20 mm 颗粒含量约占55%，磨圆度一般，呈次棱角状，下部含较多黏粒，岩芯呈冻结状态，孔隙被冰充填，如图4 所示。

 

图4 冰积级配良好圆砾图
Fig.4 Well graded boulder of ice-borne sediment

冰积粉土质圆砾。该冻土层呈黄褐色～灰褐色，中密～密实，湿～很湿，砾石含量约占53%，磨圆度一般，呈次棱角状，黏粒含量约占28%，沙粒含量约占15%，岩芯呈冻结状态，肉眼可见较多冰晶，局部含1～2 mm 的冰层，如图5 所示。

 

图5 冰积粉土质圆砾
Fig.5 Silty boulder of ice-borne sediment

3 种冻土的物理性质如表1 所示。

表1 多年冻土物理性质指标统计表
Tab.1 Statistics of physical properties of permafrost

 

由表1 可知，研究区冰水沉积淤泥质粉质黏土为富冰冻土～饱冰冻土；冰积粉土质圆砾和冰积级配良好圆砾为多冰冻土～富冰冻土。3 种冻土的有机质含量为0～2%，小于3%，均为非泥碳化多年冻土。冰水沉积淤泥质粉质黏土易溶盐含量为0.06%～0.12%，小于0.2%，为非盐渍化多年冻土；冰积粉土质圆砾和冰积级配良好圆砾中，ZK06-9、ZK11-5 和ZK14-2 试样易溶盐含量为0.13%～0.21%，大于0.1%，为盐渍化多年冻土。

2.2 冻土力学性质

依据土工试验可得多年冻土力学性质，如表2所示。

表2 多年冻土力学性质指标统计表
Tab.2 Statistics of mechanical properties of permafrost

 

由表2 和表1 可知，初始含水率是影响冻胀性的最主要因素，含水率越高，冻胀性越大。在封闭系统中，随着温度的降低，冻胀率增大。在非饱和状态下，融沉系数与干密度成正比；在饱和状态下，融沉系数与干密度成反比。

2.3 冻土热学性质

根据冻土室内热学试验，得出场地多年冻土热学性质指标，如表3 所示。

表3 多年冻土热学性质指标统计表
Tab.3 Statistics of thermal properties of permafrost

 

由表3 可知，冻土骨架比热与有机质含量、土颗粒的含量及颗粒粗细有关：冻土骨架比热与有机质含量有较好的线性关系，有机质含量越高，骨架比热越大；随着颗粒变细，冻土的骨架比热逐渐增大；冻结状态导热系数受土体含水率和干密度影响，含水率越大，导热系数越大；干密度越大，导热系数越小。

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3 冻土地基冻胀性与融沉性

3.1 冻土地基冻胀性

依据室内冻土土工试验结果，研究区内3 种多年冻土层的冻胀率如下：（1）冰水沉积淤泥质粉质黏土（低液限黏土）。该土层总含水率为24.8%～32.5%，塑限为16.4%～19.4%，冻胀率为0.39%～8.08%，平均冻胀率为3.35%，为弱冻胀～冻胀，冻胀等级为Ⅱ～Ⅲ级。（2）冰积级配良好圆砾（级配良好砾）。该土层总含水率为14.4%～19.7%，冻胀率为0.85%～5.27%，平均冻胀率为2.73%，为弱冻胀～冻胀，冻胀等级为Ⅱ～Ⅲ级。（3）冰积粉土质圆砾（粉土质砾）。该土层总含水率为14.9%～16.7%，冻胀率为1.61%～5.53%，平均冻胀率为3.08%，为弱冻胀～冻胀，冻胀等级为Ⅱ～Ⅲ级。

由此可知，研究区内冻土层的冻胀率和冻胀级别较高，冻胀性较强，冻胀作用会产生切向与水平胀力，容易对建筑结构产生上拔力和水平推力，不利于结构的稳定。

3.2 冻土地基融沉性

根据野外钻探及室内冻土融沉性试验，对场区内分布的3 种多年冻土层的融沉性特征进行研究，分析结果如下：（1）冰水沉积淤泥质粉质黏土（低液限黏土）。该土层总含水率为24.8%～32.5%，塑限为16.4%～19.4%，融化下沉系数为2.10%～2.48%，平均融化下沉系数为2.29%，结合冻土总含水率，为融沉～强融沉，融沉等级为Ⅲ～Ⅳ级。（2）冰积级配良好圆砾（级配良好砾）。该土层总含水率为14.4%～19.7%，融化下沉系数为1.53%～3.63%，平均融化下沉系数为2.43%，为弱融沉～融沉，融沉等级为Ⅱ～Ⅲ级。（3）冰积粉土质圆砾（粉土质砾）。该土层总含水率为14.9%～16.7%，融化下沉系数为0.85%～2.42%，平均融化下沉系数为1.47%，为弱融沉～融沉，融沉等级为Ⅱ～Ⅲ级。

由此可知，研究区多年冻土层的融沉性与含水量密切相关，总含水率越高，融沉系数越大，则其融沉等级和融沉类别越高，融沉性越大，相应冻土层的融化下沉量越大。

由研究区多年冻土分布特征可知，该区分布的几类多年冻土层厚度不均，总含水率各异，其融化下沉系数大小不一，多年冻土层融化后，地层将产生不均匀沉降，过大的不均匀沉降极易导致上部结构开裂；且融化的多年冻土层力学强度大幅降低，冻土融化面将演变成地基中的软弱结构面，在上覆荷载及渗透水流的作用下地基沿软弱结构面滑动，易导致地基失稳，造成结构整体破坏。因此，在该区域进行工程建设，要分析多年冻土的埋藏深度、分布特征及后期受自然环境、气候变化、寒区生态环境、人类工程活动影响后的稳定性，对地基的融沉性进行评价，提前采取换填、固结等有效地基处理措施。

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4 结语

通过对研究区气象资料、已完成钻孔的勘探成果和地温观测资料的综合分析可知，该区域分布的多年冻土为不衔接的岛状多年冻土，形成于第四纪冰川时代，是古代冰河期转为间冰期的产物。由于该区域纬度高，海拔低，地温大多高于1℃，因此其多年冻土热稳定性差。研究区位于大兴安岭西麓，自然生态及气候条件良好，地表植被覆盖茂密，为多年冻土提供了一个良好的环境。在自然状态下，该区域多年冻土上限处于一个动态平衡状态。但工程开挖常常使该区域的多年冻土暴露于大气中，上部覆盖层对多年冻土的保温状态已不复存在，多年冻土的原始环境遭到严重破坏且已不具备自我修复能力。因此，在该区域设计及施工时，应根据工程类型采取热棒和保温法等措施保持冻结状态或直接开挖使地基土处于逐渐融化状态，以防止多年冻土层的加剧融沉给工程造成不良影响。

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