0 引言

伴随着青藏高原年平均地温上升^[1-2]、活动层厚度增加^[3]等一系列多年冻土退化过程^[4]，青藏公路沿线路域生态环境发生了极大的改变，具体表现为热融湖塘、热融滑塌、融冻泥流等热融地质灾害频发^[5-6]。尤其是近30 a来(1991—2020年)，青藏公路沿线热融湖塘持续扩张^[7]，湖塘数量由7 407个增加至11 215个，水域面积由107.14 km²增加至184.92 km²，增长率分别达51.4%和72.6%。与此同时，在早期青藏公路建设与20世纪70—90年代整治改建工程中，路基填料直接来源于两侧开挖取土^[8]，导致公路两侧留下了大量大小不一的取土坑。冻土融水、大气降水等不断汇聚，形成了大大小小的积水坑。历经数10 a融深发育，这些积水坑逐步向湖塘演化，并向青藏铁路^[9-10]、格拉原油管道、青藏交直流联网工程等热融侵蚀。与热融滑塌、热融沟等冻土热融地质灾害相比，热融湖塘的侧向热侵蚀作用最强^[11]，且以近0.7 m/a的速度溯源扩张^[12]，从而会加速青藏公路路域生态环境的不定向演变，导致沿线土壤盐渍化和沼泽化^[13-14]过程加剧，严重威胁冻土工程稳定与运营安全^[15]。

青藏公路沿线路侧积水导致的工程问题极其复杂^[16]：一方面大量地表积水入渗至路基、地基内部，使土体处于长期饱和状态，在重载交通、冻融循环的反复作用下，极易导致路基翻浆、路面开裂^[17]；另一方面积水侧向热侵蚀作用会加速多年冻土退化，诱发边坡软化失稳、路基侧向倾斜^[18]。早期资料表明：青藏公路病害率高达31.7%，其中热融沉陷占85%左右，其余15%则是由冻胀和翻浆所致^[19]。特别是积水路段，病害率占所有病害路段的87%以上，严重积水路段病害率占比约为58%^[20]。由此可见，路侧积水对多年冻土公路运营状况的影响不容忽视。

长期以来针对青藏公路病害的研究，重点关注公路病害与路基结构、冻土含冰量、冻土年平均地温之间的相关性^[21-22]。但近些年来相继有学者研究发现，路侧积水会使冻土区路基土的动弹性模量减小且呈不均匀分布，间接导致路基强度减弱是诱发路基融沉病害的重要诱因^[19]。与此同时，由于工程措施不均衡的制冷效果，导致地表积水大量向冻结锋面迁移，积水侧路基强冻胀是引起路基纵向裂缝的重要原因之一^[23-24]。为探寻多年冻土区公路路基水分迁移规律与成灾机制，基于青藏公路路基病害与路侧积水长期调查数据，采用数值仿真手段重构了多年冻土区公路路基路侧积水模型，得到了不同含水率引发路基长期变形的预估值，提出了路侧积水处治原则与工程防治对策，从而为冻土公路积水路段的新建与改扩建工程提供借鉴与参考。

1 路侧积水与路基病害相关性分析 1.1 路侧积水分布状况调查

青藏公路沿线是高温高含冰量多年冻土的典型分布区，同时也是长江源头水系的主要发育区。基于青藏公路两侧各300 m范围内(青藏铁路一侧到铁路为止)积水的调查统计可知^[25]：550 km多年冻土段发育有923处积水区域，重点分布于楚玛尔河、沱沱河、通天河等流域，地貌单元上以高平原、盆地、河谷为典型代表，具体分布情况见表 1。从表中可知，沱沱河-通天河段积水面积达253万m²，平均每公里分布3.36个积水区域和2.03万m²的积水面积，表明该段积水区域最为密集，且积水面积较大；西大滩至可可西里段积水面积为39万m²，平均每公里分布1.62个积水区域和0.25万m²的积水面积，表明该段积水区域分布较密集，但积水面积相对较小；其他路段积水区域分布相对零散，但积水面积可观。

对青藏公路路侧积水坑(湖)与路基坡脚距离进行统计分析，结果如表 2所示。从表中可知，50 m范围内积水坑(湖)数量占比为55.15%，100 m范围内积水坑(湖)数量占比高达72.81%。青藏公路两侧积水坑(湖)与人类工程活动有较大的相关性，具体产生的原因包括2方面：(1)早期公路两侧取土用作路基填料，留下的大量取土坑汇水成为积水坑^[8]；(2)青藏公路沥青路面侧向热侵蚀作用^[26]，导致多年冻土退化加剧，路域范围内冻土沼泽化扩张。由此可见，尽管积水坑(湖)分布存在较大的离散性，但总体集中于青藏公路两侧100 m范围内，这是工程活动与环境变化耦合作用的结果。

1.2 多年冻土段病害调查

青藏公路病害是由多年冻土冻胀融沉特性所引起的，根据病害形式大致划分为沉陷、裂缝和翻浆3类，同时基于冻土路基破损分类分级标准(DR)，将其划分为严重、中度、轻微3级^[27]。长期以来通过对青藏公路多年冻土段病害的调查发现，目前青藏公路共发育有469处路基病害，其中沉陷类病害334处，占路基病害总数的71.2%；裂缝类病害80处，占路基病害总数的17.1%；翻浆类病害55处，占路基病害总数的11.7%。

同时针对病害路基两侧有/无积水状况，统计青藏公路不同病害类型发育情况，如图 1所示。从图中可知，在路侧有积水的情况下，路基病害率显著大于路侧无积水的情况，平均高50%左右。由此表明路侧积水对路基病害的产生是有一定影响的，分析其原因为：路侧积水入渗增大路基含水率后，由于水的比热大、升温慢，在暖季储热状态下不断下渗融化下伏多年冻土，造成路基融沉病害；在冷季结冰体积膨胀，造成路基冻胀裂缝。

1.3 路侧积水与路基病害相关性分析

基于路基病害率与路侧积水发育特征，统计青藏公路病害率与积水距离之间的相关性，结果如图 2所示。总体来看，当路侧积水与坡脚距离小于10 m时，将较大程度地引发路基病害，病害率在20%以上；当路侧积水与坡脚距离在10~30 m之间时，路基病害发生率相对较低，一般在5%~10%之间；当路侧积水与坡脚距离超过30 m之后，路基病害基本保持在5%左右。由此可见，当路基两侧30 m范围内存在积水时，对路基稳定性的威胁较大。

路侧积水对冻土路基的影响除诱发边坡失稳、热融侵蚀塌陷等直接影响外，主要通过软化路基土体物理力学性质、冻胀破坏等间接影响。由于积水入渗是一个长期缓慢的过程，因此路基填土含水率的增加也是一个长期的过程。不同含水率情况下，路基病害的严重程度和发生情况也有较大差别。图 3统计了不同含水率情况下不同程度路基病害的发生情况。从图中可知，当冻土路基含水率小于25%时，路基重度、中度及轻微病害所占比率分别为6%, 8%和10%，说明路基处于相对稳定状态；当含水率处于25%~35%之间时，路基病害比率提升至15%, 16%和17%，说明路侧积水入渗对路基病害的影响开始显现；当含水率大于35%时，路基病害急剧攀升，超35%的路段出现病害。由此可见，路基病害的发生与路基含水率存在较大相关性。一般来说，含水率越大，路基越容易发生病害。

2 水分迁移规律与成灾机制 2.1 多年冻土公路路侧积水模型

(1) 控制方程

在多年冻土区，温度和水分梯度是驱动水分迁移的2个重要影响因子，因此研究路侧积水对路基稳定性的影响，必须同时考虑冻土路基的水热耦合作用机制^[28]。通过假定土体的导热系数、比热容、扩散率及导水率仅为温度或含水量的函数，以能质守恒为基础，则可得到冻土路基水、热迁移的控制方程为：

融土区：

(1)

(2)

冻土区：

(3)

(4)

式中，T为土体的瞬态温度；t为过程进行的时间；C_u为融土的比热容；C_f为冻土的比热容；λ_u为融土的导热系数；λ_f为冻土的导热系数；x, y为二维坐标距离；θ和θ_i分别为土体体积含水量和体积含冰量；D(θ)为水分扩散率；K为土体的导水率；ρ_i为冰的密度；L为相变潜热。

(2) 数值模型

冻土公路作为典型线性工程，在数值分析中可将其进行二维简化。为研究多年冻土公路路侧积水对路基水分迁移与入渗规律的影响，分别建立了填土路基和积水路基模型，如图 4所示。其中路基宽度为10 m，沥青路面厚度为0.4 m，长度为7 m，两侧分别为1.5 m宽土路肩。天然冻土层的土质从上到下依次为含砾黏土和全风化泥岩，土层厚度分别为7 m及23 m。各模型计算工况分述如下：

(a) 填土路基：路基高度分别取2, 3, 5 m，坡比为1∶2；

(b) 积水路基：右侧积水形状近似为圆形，宽78 m，深2 m，与路基坡脚距离为3, 9, 30 m。

(3) 水分边界条件

依据青藏公路清水河段冻土地基活动层长期水分监测数据，结合该地区气象站所提供的含水量和蒸发数据资料，确定了路基模型水分上边界条件。同时考虑到青藏高原每年11月末至次年3月处于冻结状态，因此表层含水率变化微小，可以忽略不计。综上得出路基模型的水分上边界条件如下：

沥青路面渗透系数很小，近似为一封闭的不透水层，采用不透水边界，含水率θ_u表示为：

(5)

式中，θ_u为融土含水率。

路基边坡及天然地表根据水分长期监测数据拟合，同时考虑青藏高原冬季的冻结状态，取为：

路基左右边坡及路肩：

(6)

天然地表：

(7)

式中，d为一年之中土体处于融化状态的时间。

湖底的水分边界条件根据室内试验结果取为土的饱和含水率：

(8)

(4) 温度边界条件

根据青藏高原多年来的观测资料，采用经典的“附面层”理论处理传热方程边界条件，可将冻土路基的上边界温度变化简化成如下三角函数表达式：

(9)

式中，T_a为年平均气温；A为温度年度振幅。根据青藏公路清水河段K2949+100长期地温监测数据，采用最小二乘法原理，得到模型沥青路面、天然边坡、天然地表分别取T_a为4.0, 0.5 ℃和-1.0 ℃，取A为16.0, 13.0 ℃和11.0 ℃。

根据钻孔测温资料，青藏公路清水河段一定深度内地温梯度的平均值为0.06 ℃/m，故以此作为计算区域下边界的边界条件, 其热流密度q_T取为：

(10)

综合考虑监测数据及湖泊深度，湖底的温度边界条件T(d)也取为随时间变化的第一类边界条件：

(11)

(5) 模型验证

通过上述模型与长期地温、水分监测数据进行对比，其结果如图 5所示。从图中可知，模拟结果和实际监测结果具有较好的一致性，表明所建立的计算模型是合理的。

2.2 路基高度对水分迁移的影响

多年冻土作为良好的隔水层，是维持地下水位的重要条件，因此在水分入渗过程中，对季节活动层和多年冻土层的影响存在较大差异。根据图 6中反映的冻土地基含水率随深度的变化趋势，可将其划分为3个典型区段：(1)地表至原天然上限，含水率急剧上升，是浅表层水分向冻结锋面迁移，最终在原天然上限深度处形成高聚水区域；(2)原天然上限-人为上限，含水率下降，是水分随融化锋面向下迁移并对周围土体进行补给形成的；(3)人为上限-冻土层下限，属于多年冻土层，受外界影响较小，含水率基本保持不变。与此同时，随着公路运营时间的推移，浅表层水分不断蒸发、下渗，原天然地表深度处含水率不断降低。多年冻土层受气候增温冻土融化及季节活动层水分下渗的影响，含水率逐步增加。

图 7反映了不同路基高度对冻土地基水分迁移的影响。从图中可以看出，路基高度对冻土地基含水率的影响主要体现在季节活动层，尤其是在浅表层。路基高度越高，原天然上限深度处冻土地基含水率越高，至第20年，5 m高路基坡脚处含水率达27.8%，比2 m高路基坡脚处含水率高2.5%左右。其原因在于2个方面：一是高路基极大地阻断了地表蒸发，有利于水分保持；二是高路基冻土上限抬升，减小了水分向下迁移的通道。相关文献资料研究表明^[20-21]：多年冻土区高路基病害主要为冻胀病害，低路基病害主要为融沉病害，这与浅表层的水分流失存在较大关系。

2.3 积水对路基水分迁移的影响

路侧积水作为一个巨大的水热源，对冻土路基的水热分布有强烈影响，而积水距离从一定程度上表征了这个源项的强烈程度。图 8反映了路侧积水距离路基坡脚3 m时冻土地基含水率随时间的变化曲线。从图中可知，路基建设前期(1~5 a内)，冻土地基含水率主要受大气降雨等因素影响。随着路侧积水入渗和迁移，季节活动层内的含水率逐年上升，从第5年的27%增加到第20年的32%左右, 同时多年冻土层含水率也受到季节活动层水分下渗的影响，含水率快速达到22%的平衡状态。图 9反映了路侧积水与路基坡脚不同距离时对含水率的影响。从图中可知，路侧积水距离路基坡脚越近，对冻土地基含水率的影响越大，并且随着时间的推移，其影响程度也在不断加剧。由此表明：在相同的水头情况下，水分渗透路径越短，冻土地基含水率越高，路基病害发生几率越大。

2.4 冻土路基长期变形分析

受多年冻土退化的影响，冻土路基总体表现出融沉特性。但由于冰水相变过程中带有一定的体积膨胀/压缩变化，因此在一个周期年内，冻土路基沉降呈现出暖季融沉、冷季冻胀的趋势。尤其是在含水率较大时，会对路基的长期变形产生较大影响。图 10预估了不同含水率下冻土路基的沉降趋势。从图中可知，路基沉降随时间增长呈震荡增加的趋势，其中夏秋两季的路基沉降为显著期，冬春两季为蛰伏期。当路基含水率大于25%后，冻土路基在20 a内的沉降量超过20 cm；当路基含水率为35%和45%时，冻土路基的最终沉降量分别为25.6 cm和27.6 cm。由此可见，冻土含水率是影响路基稳定性的一大重要因素。

3 路侧积水处治原则与防治建议

总体来看，冻土含水率过高对冻土路基的稳定性不利。尤其是在路侧积水的情况下，地表水入渗将导致冻土地基土体含水率急剧增大，不仅在暖季加剧下伏多年冻土退化导致融沉变形，同时在冷季诱发路基冻胀破坏。根据路侧积水的类型、规模等，基于保护或允许预先融化下伏多年冻土的基本原则，对路基两侧50 m范围内的路侧积水优先采用疏干、导排的工程措施，同时结合清表、换填等具体地基处理方案、路基结构形式进行综合防治。具体工程防治建议如下：

(1) 积水影响轻微路段

路侧积水对冻土路基影响小，在道路新建或改建工程中可直接对基底进行冲击碾压，增强地基承载力，以普通填土路基通过即可。

(2) 积水影响一般路段

路侧积水对冻土路基影响较小，季节活动层含水率较高或路基坡脚50 m范围内有小面积积水。对该类情况的基本处治措施为：

① 地基表面采用砂砾碎石冲击碾压以增强地基承载力，如共玉公路建设过程中，针对高原湿地路段，一般对地表冲击碾压30 cm砂砾层；

② 路基底面采用砂砾垫层，防止毛细水上升，如青藏公路部分路段采用了砂砾土护道，一方面能够排挤地表水在路侧汇集，另一方面能够有效防止地下毛细水上升；

③ 路侧积水应尽量利用地形条件将其抽干或排水至远距离处，而后迅速回填处理。

(3) 积水影响中等路段

路侧积水对冻土路基影响较大，季节活动层含水率高或路基坡脚50 m范围内有大面积积水。对该类情况的基本处治措施为：

① 表层应采用冲击碾压、强夯的方式进行处治，深度不宜小于3 m；

② 基底应采用抛石挤淤的方式进行加固，以提高地基强度，降低土层压缩系数；如共玉建设过程中，针对冻土区沼泽路段，采用抛石挤淤的方式进行了地基加固处理；

③ 对于路侧积水应充分利用地形地势进行疏排，并在路基两侧增设护坡道以加固坡脚；

④ 应合理设计其排水系统。

(4) 积水影响严重路段

路侧积水对冻土路基影响大，季节活动层含水率很高或路侧积水面积大且距离坡脚很近。对该类情况的基本处治措施为：

① 表层与基底除采用地基处理外，建议以片块石路基通过；

② 对于路侧大面积积水，一般建议采用以桥代路的方式进行处治。如青藏公路清水河地区，受可可西里盐湖溢水的威胁，改建工程中采用了片块石路基+以桥代路的综合处治方案。

4 结论

基于青藏公路长期病害调查与水热监测数据，得到了路基病害与路侧积水之间的相关性特征，建立了多年冻土路侧积水迁移模型，分析了路侧积水迁移规律以及诱发路基病害的作用机理。在此基础上，结合青藏公路、共玉公路建设与整治改建工程，提出了多年冻土地区积水路段工程处治原则与防治建议，得到以下结论：

(1) 青藏公路病害分为沉陷、裂缝和翻浆3类，其中沉陷类病害占71.2%，裂缝类病害占17.1%，翻浆类病害占11.7%。在路侧有积水的情况下，病害率平均高出50%左右。当路侧积水在坡脚10 m范围内时病害率在20%以上，在10~30 m时病害率在5%~10%之间，大于30 m时保持在5%左右。

(2) 当冻土路基含水率小于25%时，病害率不到10%；当含水率处于25%~35%之间时，病害率在15%以上；当含水率大于35%时，超35%的路段出现病害。在水头相同的情况下，水分渗透路径越短，路基高度越高，冻土地基含水率越高，路基病害发生几率越大。

(3) 路基沉降随时间增长总体呈震荡增长的趋势，20 a内含水率分别为25%, 35%和45%时，长期沉降量分别达21.8, 25.6 cm和27.6 cm，路基工后沉降较大。

(4) 基于路侧积水对路基稳定性的影响，结合青藏公路整治改建和共玉公路新建工程，提出了冲击碾压、抛石挤淤、以桥代路等工程处治措施，并取得了良好的工程应用效果。