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多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱三大难题在青藏铁路建设中的解决途径

林超地理博物馆(网络版)青藏高原展厅建设正式启动(9)

刘 闯1 李国庆2 顾行发3 周翔3 冯强2 陈文波4 勾鹏5 Paul Uhlir6 狄黎平7

Tomoko Doko8 Nordin Hansan9 陈仲新10 解吉波2 许哲平11 崔红红2

1 中国科学院地理科学与资源研究所 2 中国科学院对地观测与数字地球科学中心 3 中国科学院遥感应用研究所 4 日本庆应义塾大学 5 中国科学院青藏高原研究所 美国科学院6 美国乔治梅森大学7 日本横滨大学8 国际科学理事会亚太办公室9 中国农业科学院农业区划研究所10 中国科学院植物研究所11

 

2012年7月17日

 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

B. 多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱三大难题在青藏铁路建设中的解决途径

青藏铁路建设除了架桥、凿隧道等山地铁路建设必要的建设工程外,更艰难的是面对多年冻土、高寒缺氧和生态脆弱的特殊地理环境,青藏铁路的建设采取了世界铁路建设史上更为特殊的建设思路和工程。

B-1: 攻克冻土难题

在青藏铁路长达500多公里的常年冻土路经中,既要达到保障铁路建设和长期运营的目的,又要保护环境,铁路的设计和工程遇到了一系列科学、技术和工程方面的难题。承担设计和建设铁路的队伍采用了一系列系统措施,成功地攻克了这些难题,其中包括片石气冷路基法、碎石护坡法、路基隔热保温法、L型挡墙法、热棒法、通风管法、以桥代路法等,并在550公里的铁路冻土沿线布设了40多处这样的监测点,在路基、坡脚角、路肩等断面对铁路断面温度和变形作详细的监测,每个监测点采用无线通讯的方式,将监测数据定时传输到位于格尔木的数据接收与处理中心集中处理和分析。

(1) 片石气冷路基法

青藏铁路有111公里线路铺“片石气冷路基”。这种特殊的路基是在土路堤底部填筑一定厚度和孔隙度的片石层,上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的“片石气冷路基”主要原理是由于片石层上下界面间存在温度差(温度梯度),该温度梯度引起片石层内空气对流。根据北京交通大学和铁道第一勘察设计院魏静等人的研究,青藏高原冻土区具有负积温量值大于正积温量值的特点,使用了片石气冷路基工程负积温量值明显大于普通土路基工程。青藏铁路在采用“片石气冷路基”工程时,片石层厚度在1-1.5米左右,石块粒径20-40厘米,强度不小于30兆帕,在片石层上铺设厚度不小于30厘米的碎石层。经过几年的室内模拟、试验测试和铁路运行后的监测表明,该工程起到了降低路基基底地温和增加底层冷储量的作用,在保护冻土环境方面效果较佳,能达到降低地基土温度0.5摄氏度以上。

图9.1:“片石气冷路基”。这种特殊的路基是在土路堤底部填筑一定厚度片石,上面再铺筑土层的路基。这种多孔隙的“片石气冷路基”原理类似散热排风扇,起到保护冻土的效果(刘闯捐赠)。

(2) 碎石护坡法

碎石护坡法是青藏铁路应对保护冻土难题的另一工程措施。碎石护坡法是在路基一侧或两侧堆添碎石,形成护坡或护道,碎石护坡空隙中的空气在一定温度梯度的作用下产生对流,因此起到散热降温、保护冻土的作用。

(3) 通风管法

通风管法是在路基内横向埋设水平通风管,在管口设计了自动控制风门装置,冬季当外界气温低于路基温度时,风门开放,冷空气在管内对流,加强路基散热,降低基底地温;夏季当外界气温高于地基温度时,管门自动关闭,以防止热空气进入管内,从而起到保护冻土的作用。

(4) 热棒法

热棒法是青藏铁路保护冻土的另一个有效的工程措施。热棒技术是20世纪60年代国外开始应用的至冷技术。青藏铁路有32公里路基采用了热棒至冷工程。具体做法是将一个7米长的封闭钢管管内注入液态氨,钢管的上部2米装有散热叶片,将这部分留在路基外部空气中,称之为冷凝段;管的下部5米埋入地下冻土中,下部装有液态氨,称之为蒸发段。它具有单向热传导功能,即只能将下部的热量带到上部,而不能将上部热量带到下部。其基本原理是在寒冷季节空气温度低于冻土温度是时,热棒管内形成了上冷下热的温度差,液态氨吸收冻土中的热量,蒸发成气体,氨气体沿热棒中心通道向上流动支热管上部(冷凝段),遇到较冷的管壁冷凝成液态,液体氨沿管壁向下回流到热棒的下部(蒸发段)。如此循环。当空气中的温度高于冻土温度时,即热棒上部温度高于下部温度时,热棒自动停止工作。热棒法在青藏铁路建设中的应用是青藏铁路有效应用寒冷资源的主动人工至冷技术,是青藏铁路“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计思想最典型的工程之一。

图9.2:青藏铁路在32公里路基采用热棒至冷工程保护多年冻土(刘闯捐赠) 图9.3:青藏铁路热棒路基工程(陈仲新摄,2012.05) 图9.4:青藏铁路热棒路基工程(陈文波摄,2012.05)

(5) 以桥代路法

青藏铁路以桥带路是青藏铁路保护冻土和生态环境另一工程。青藏铁路全线“以桥代路”桥梁达156.7公里。青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142公里,总共有675座桥梁,桥梁全长159.88公里,相当于青藏铁路的七分之一路程。“以桥代路是解决冻土问题的重要工程设计方案之一。

图9.5:青藏铁路以桥带路工程-藏北(刘闯摄,2012.05) 图9.6:青藏铁路以桥带路工程-青海(陈仲新摄,2012.05)

(6)路基隔热保温法

青藏铁路在低路堤段使用路基隔热保温工程。当路基高度达不到最小设计高度地段,在路基填土内铺设挤塑聚苯乙烯等隔热材料,减少地表热量向地基的传递,保护轨道基底多年冻土的生态环境。

(7) 遮阳篷法

在唐古拉山越岭地段,为了减少太阳辐射对路基冻土的影响,采用了钢结构遮阳蓬工程。即在路基上部和边坡设置遮阳蓬,遮阳就有效降低了路基基底的地温,保护冻土地段的稳定性。

(8) 基底换填粗粒土法

在一些需要填土的铁路地基地段,基底采用基底换填粗粒土工程,在一些地表水易渗地段,设置了复合土工膜防渗层。

图9.7:青藏铁路在低路堤段使用路基隔热保温工程。在路基填土内铺设挤塑聚苯乙烯等隔热材料,减少地表热量向地基的传递.

B-2:攻克高寒缺氧难题

(1)为铁路建设队伍专门设置的供氧系统

青藏铁路550公里的路程位于海拔4000米以上,空气含氧量仅为平原地区的一半。 在青藏铁路建设期间,应对高原高寒缺氧的特殊地理环境,青藏铁路建设者们在铁路沿线将25台高压氧舱设置在海拔4500米至5100米的高度处,用以治疗急性肺气肿和高原缺氧严重者病症。在铁路建设期间,也研制出高原大型制氧站,供应铁路建设者们使用,此外,医护人员随时深入工地为建设人员体检和诊治。这些措施成功地保障了铁路建设者在繁重的铁路建设过程中的生命安全和身体健康。
图9.8:青藏铁路建设者们在铁路沿线将25台高压氧舱设置在海拔4500米至5100米的高度处
图9.9:医护人员随时深入工地为建设人员体检和诊治

(2)为旅客提供的列车供氧系统和医护系统

为了保障旅客到高原地区缺氧对身体造成的不适,青藏铁路客运车厢为密闭装置,列车为旅客提供氧气,为了方便旅客,提供氧气采取弥散性供氧和吸入性供氧二种方式。

弥散性供氧是每个车厢均有供氧口连续不断喷发氧气,使氧气在车厢空气中均匀弥撒,供氧量可使车厢内的氧气含量不低于平原地区的80%(图296)。

列车也提供个人使用的吸入性供氧设备。旅客可以佩戴一次性使用的供氧吸管吸氧,氧气充足,使用安全方便(图297)。每趟列车配备一名大夫和一名护士,以便意外情况下的应急医疗。

图9.10:青藏铁路列车提供弥散性供氧,空气中含氧量不低于平原地区的80%。一般情况下,旅客状态良好(陈仲新摄,2012.05)。 图9.11:青藏铁路列车提供吸入性供氧系统,旅客可以佩戴供氧吸管安然入睡,感觉非常好(刘闯摄,2012.05)。 图9.12:此外,列车提供适宜高原环境的食品,例如牦牛奶做成的酸奶,奶茶等,助于旅客适应高原缺氧环境(李国庆摄,2012.05)。

(3)铁路沿线建设医疗救护基础设施

铁路沿线建设医疗救护基础设施,这些基础设施包括沱沱河医疗救护站、安多、那曲等地医院的医疗联系点等,这些医疗救护站、医疗联系点共同构筑了青藏铁路沿线医疗保障系统,这里有高原病救助设施和医护人员经验,这些基础设施都可以为旅客提供应急医疗。

B-3: 攻克生态环境保护难题

在青藏铁路建设中,不可避免地要遇到打破自然的生态环境,建立一个包含青藏铁路作为人类活动产物在内的新的自然-人文综合生态系统。青藏高原生态环境非常脆弱,很多生态类型一旦被破坏,很难在短时期内自然恢复。主要的生态环境问题包括水体、植被的保护、动物栖息地和迁徙途径的保护、人与家畜通过铁路的方便,以及防沙等。

(1) 保护草地措施

为了尽一切可能减少铁路对高原草地的破坏,青藏铁路减少队伍采取了人工植草工程,在当雄建立了种草试验基地(图298),在铁路路基采取草皮护坡工程(图299)等措施,以保障高原草地生态系统。

 
图9.13:青藏铁路采取了人工植草工程,在当雄建立了种草试验基地(刘闯捐赠) 图9.14:青藏铁路采取了草皮护坡技术(刘闯捐赠)  
 
图9.15:青藏铁路沿线恢复后的植被基本恢复到原生态(刘闯捐赠)   图9.16:当雄附近青藏铁路沿线的高原高寒草甸(陈文波摄,2012.05)

(2) 保护水体措施

青藏铁路从北向南横穿众多流域,包括黄河、长江、澜沧江(湄公河)、怒江(萨尔温江)、雅鲁藏布江等。路经大小水泊和湖泊也很多。保障水系流畅、保障水体不受污染是青藏铁路建设面对的重大生态难题之一。

以错那湖为例。措那湖,怒江(在缅甸部分称为萨尔温江)的源头湖,位于安多县城西南二十公里处的念青唐古拉山和昆仑山脉之间,海拔4594米,面积400多平方公里,是世界海拔最高的淡水湖。 错那湖是国家一级保护鸟类-黑颈鹤的重要栖息地之一,是天鹅、野鸭、鸳鸯等国家级重点野生保护动物的栖息地,是青藏高原主要湿地保护地之一。措那湖水从这里缓流东南,经藏北那曲、比如,到达藏东边坝,其后,经昌都地区八宿,云南贡山、保山,出境至缅甸(称为萨尔温江),最后注入印度洋。对错那湖的保护,不仅具有保护青藏高原生态环境的现实意义和区域意义,也具有重要影响的国际意义。错那湖在当地藏族人民生活中,不仅具有栖息相关的生存意义,更具有心目中”天湖“、”神湖“的圣地地位,是当地藏民共同崇拜的神灵的所在地。每至龙年和藏历正月初一,成千上万的藏民从各地赶来,特别是安多的牧民们成群结队的转措那湖,朝拜错那湖,祈祷风调雨顺,牛羊兴旺,子孙后代福康。

青藏铁路列车沿错那湖边开过,最近处仅20米(图302)。为保障错那湖生态环境不因青藏铁路的修建而受到污染,青藏铁路建筑采取在路经错那湖段采用13万条沙袋垒成21公里长的护堤(图303),确保湖水水质不受影响。此外,在错那湖沙滩段,自铁路到湖边采用方格碎石障、方格草障和防风栅栏等综合措施防沙护路(图304)。


图9.17:青藏铁路列车沿碧蓝的错那湖边开过,最近处仅20米(刘闯摄, 3012.05)。
图9.18:青藏铁路在路经错那湖段用13万条沙袋垒成21公里长的护堤,确保湖水水质不受污染(刘闯捐赠)
图9.19:在错那湖沙滩段,自铁路到湖边采用方格碎石障、方格草障和防风栅栏等综合措施防沙护路(刘闯摄,2012.05)。

(3) 防沙措施

青藏铁路途径之地,不仅冻土环境特殊,而且土壤沙化已经发生,并有进一步发展的潜在危险。为了防止沙化的危害,在铁路两侧200米范围内修筑大面积的的方格碎石障、方格草障和防风栅栏,因地制宜地引种了30多种沙生植物,用物理和生物多种方法防止沙化危及铁路周围生态环境(图305-图308)。

图9.20:青藏铁路沿线沙质地段和风口采用方格草障法固沙(陈文波摄,2012.05)
图9.21:青藏铁路沿线采用片石层和防风栅栏综合方法保护生态环境(陈文波摄,2012.05) 。
图9.22:将碎石铺设在铁路两旁,并呈方格状,对冻土和防沙起到保护作用(陈仲新摄,2012.05)。
图9.23:采用多层防护方法确保在风口和易起沙地段对青藏铁路的影响减少到最小(陈文波摄,2012.05) 。

(4) 保障动物迁徙、人和家畜通过的方便

青藏铁路在可可西里地区和藏羚羊迁徙路经采取以桥带路方案,修筑了几座特大桥,包括清水河特大桥、楚玛尔河特大桥、沱沱河特大桥等,这些大桥不仅保护冻土环境,而且对动物迁徙提供了必要的通道。此外,青藏铁路为了保障人和牲畜穿过铁路的方便,采取修筑涵洞的方式(图310),共修筑了2050个涵洞,在藏北草原地区每隔1公里就有一座涵洞或桥梁,提供人和牲畜穿过铁路的方便。

 

图9.24:藏北草原每一公里就有一个涵洞或桥梁供人和牲畜穿越青藏铁路的方便(刘闯摄,2012.05)   图9.25:青藏铁路建有2050个涵洞,提供人和牲畜穿过铁路的方便 (刘闯摄,2012.05)

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