青藏铁路多年冻土区水源设计_栗健

收稿日期:20020730第一作者简介:栗健(1972—),男,工程师,1995年毕业于兰州铁道学院给排水专业。青藏铁路多年冻土区水源设计栗健王茂玉吉华(铁道第一勘察设计院环境设备处甘肃兰州730000)摘要青藏铁路所经高原多年冻土区550余km,该地区多属无人区,尚无任何可借鉴的水源设计经验。结合青藏高原多年冻土区水文地质特性,探讨各种水源设计方案,并详细介绍利用管井取冻土层下水的设计方案。关键词青藏铁路多年冻土冻土层上水冻土层下水管井1概述青藏铁路格尔木至拉萨段通过的地区平均海拔4500m,高原多年冻土占据了本区绝大部分地段。冻土区的地下水,因受冻土的分割而使其复杂化,它的运动规律也与非冻土地区有较大的差异,变单一含水层为多个甚至孤立的含水层。通常分为位于多年冻土层的顶板以上的冻结层上水;活动于多年冻土底板以下的冻结层下水及夹于多年冻土层层间的层间水,冻结层间水与前两种类型大多有水力联系,一般不形成独立的含水层;此外还有与断裂大河、湖泊有关的融区水。冻结层上水,是冻土区内分布广泛的潜水,它的水位不稳定、组成物也极不均一,包括基岩和第四纪松散堆积物。含水层的厚度受冻土上限的控制。本区多年冻土上限埋深一般为1～3m,最深也不超过5m,它基本上随地面起伏,地下水的流向大致随地形和坡向的改变而异。因此,它不可能形成一个统一的含水层。每年4月初,解冻从地表开始,随着土中水的融化,这一含水层便在活动层上逐渐形成。9月底或10月初融化深度达最高峰,含水层的厚度也最大,但一般还都小于1m。10月初地面开始冻结,且逐渐向地下延伸直至来年1月,土层完全冻结并与多年冻土衔接起来而结束,在结束的过程中,地下水活动的场所越来越小,从暖季的潜水变为层间水,再过渡为承压水,动水压力积蓄到足以突破上部土层时,则沿着固结较差的地段,冲出地面冻结成冰锥或者冲向地表以下某一薄弱土层凝结隆起为冰丘。冻结层上水的主要补给来源为大气降水和冰雪融化,局部通过融区接受冻结层下水的补给。迳流条件受地形、岩性、季节性气候的控制。总之,冻结层上水基本为潜水类型。含水层薄且不稳定。补给迳流,排泄区段不分明,地下水运动的规律性也不强,但水质好,矿化度多小于1g/L。冻结层下水的补给由于多年冻土的存在,促使它不可能直接获得大气降水、冰雪融化水的补给,而主要通过一部分的构造,裂隙或融区接受上层水、深层水、地表水的补给。冻结层下水的运动规律,很大程度上受多年冻土下限埋深控制,本区多年冻土下限(即冻土层下水的顶板)埋深一般为40～50m,最深达90～130m。另外,作为主要排泄场所的地表水体———河流及湖泊,大多切割很浅,地面仅高出河水水位5～7m,湖泊周围主要为缓坡过渡,仅少量有高约几十厘米的小坎。但冻结层下水的顶板埋深却大大超过这个深度,这就使得它的迳流条件差且具有承压性。2水源类型的选择定测资料表明,季节液态冻土层上水、非衔接多年冻土区的常年液态冻土层上水水量小,开采季节短,不适合作为永久性供水水源。冻土层下水是埋藏在冻结层以下的非冻结带内的地下水,分布较广泛,一般埋藏较深,不受气候变化影响,动态稳定,水量较丰富,当水质好时是可靠的供水水源地,但青藏高原冻土区以往尚无成功利用层下水的工程经验及工程实例,因此以取冻土层下水作为主要的水源类型加以研究,主要解决诸如取冻土层下水管井的保温加热、自动测温装置安装、防止冻土层的融化及冻胀等问题。3管井保温材料及保温效果管井在多年冻土区的特殊性(地下水为承压水,管井穿过常年负温的多年冻土且管井的井壁管质量应当较小),要求管井的保温材料应具有导热系数小、密度小、防水性能好、吸湿性好、材料性能稳定、能耐一定振动且具有一定的机械强度。目前,市场上流行的保温材料有:膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫制品、聚氨脂泡沫制品、泡沫玻璃、聚氯乙烯泡沫制品、岩棉制品、超细玻30铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2002(10)·技术开发·DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2002.10.015璃棉及硅酸铝纤维等。通过对材料的比较,聚氨脂泡沫材料市场价格为2000元/m3～2500元/m3,预制或现场制备工艺比较简便,适合管井对保温材料的要求。对于管井中需要填充的空隙,选用超细玻璃棉等无形材料填充。4管井防冻措施(1)方案一井壁管保温加热①方案概述:放大井孔的开凿尺寸,穿过多年冻土的部分采用护壁以防止运营过程中产生坍塌。护壁内设保温的井壁管,井壁管内设加热电缆。井壁管内和保温层外设温度感应探头测定管井内水温变化。在井外设自动控制系统,当井壁管内温度≤0.1℃时,启动加热电缆给管井加热,当井壁管内温度≥0.5℃或保温层外温度≥0℃时停止加热。管井结构如图1所示。图1管井结构示意(单位:mm)②优点:能够有效地防止管井产生冻结;一旦