季節性凍土區高速鐵路路基凍脹的井點降水整治數值分析

周陽宗，朱宏偉，蔡德鉤,閆宏業,李中國,姚建平

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙　410012；2.中國鐵建十六局集團有限公司，北京　100048；3.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；4.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

當氣溫下降到零度以下時，季節性凍土區高速鐵路的路基易發生凍脹病害。通過對哈大高速鐵路路基段軌面高程的復測發現，部分路基地段出現凍脹病害，局部凍脹引起軌面出現不同程度的抬高，最大抬高量超過20 mm，造成部分地段路基軌面不平順。通過現場地質勘查和路基復測發現，全線凍脹情況嚴重的路段基本上都發生在地下水較為發育的路塹地段。

為了控制線路凍脹的發展，保障運營安全，選取其中較為典型的路塹地段開展地下水治理研究。路基凍脹發生的3個必要條件是長時間零度以下的氣溫、較高的土體含水量、凍脹性敏感土[1]。對于線路的凍脹整治，降低土體含水量是比較可行的方法，常用的治理手段包括設置滲水盲溝和井點降水2種。哈大高速鐵路已投入運營，受制于天窗時間，施工作業最多只有3小時，而且增設滲水盲溝需要大型施工設備上道，受到高壓線的影響，其作業空間小、移動困難，每次上道的準備時間及撤離時間都較長，在這些地段增設滲水盲溝，其代價和難度較大。因此，決定采用井點降水的整治方案，它的優點是工藝成熟，設備簡單，適合于針對運營中鐵路的地下水治理。井點降水方案的設計需要解決2個關鍵問題，一是為將地下水位下降到合理位置而需要的抽水深度；二是為保持水位下降后不再回升所應采取的抽水方式。本文采用數值模擬方法對方案中的這些關鍵問題開展研究。

1　工程概況

選取的路基為雙線路基，路基面寬13.3 m，路塹兩側設盲溝，無滲溝，斷面情況如圖1所示。路基線間和路肩表面采用纖維混凝土進行封閉，基床表層底部鋪設兩布一膜，換填層底部鋪設復合排水網，底部兩側設滲水盲管；基床表層換填0.55 m厚的級配碎石，基床底層換填1.3 m厚的A，B組土，在凍深影響范圍內填筑非凍脹A，B組土。

圖1　整治路基橫斷面圖(單位：m)

巖層以粉質黏土為主，呈黃褐色，硬塑為主，土質均勻，Ⅱ級普通土。該區間地下水主要為基巖裂隙水，主要見于基巖風化帶，分布不均勻。地下水位隨季節的變化而變化，補充勘察期間內地下水位埋深在1.0～1.5 m。該地區冬季最大凍深超過2.7 m[2]，要求將地下水降到路基面以下3 m，以減少凍脹。

2　數值建模

為了確定井點降水的水泵抽水參數和進行水井設計，采用SEEP/W軟件對水泵抽水的效果進行模擬分析。

SEEP/W軟件的計算基于飽和和非飽和土體的達西滲流定律，當滲流處于非飽和條件下，滲透系數不再是常數，而是隨著含水量的變化而變化，并且間接地隨著水壓力的變化而變化。在非飽和土中，水的實際流速等于達西流速除以單位體積的含水量，SEEP/W軟件計算和顯示的僅僅是達西流速。軟件計算的條件是土體單元總應力不變，就是說沒有土體的卸載和加載；還假定對于瞬態問題，孔隙的氣壓保持為恒定的大氣壓，即單位體積含水量的變化僅僅受到孔隙水壓力變化的影響。

根據達西滲流定律，在總應力不變和瞬態問題孔隙氣壓保持恒定的條件下，可得有限元計算控制方程[3]

(1)

式中：kx為x方向的滲流速率；ky為y方向的滲流速率；H為水頭高度；mw為儲水曲線的斜率；γw為水的容重。

選用飽和/非飽和滲流本構模型，建立路塹斷面計算模型，采用路基填料與地基填料2種材料分別模擬路基本體和地基；路基本體采用0.5 m單元格劃分，地基部分采用1 m單元格劃分，模型長度160 m(超過井點降水曲線影響半徑)[4]，高度50 m，如圖2所示。

圖2　路塹計算模型

采用在兩側水溝下方布置抽水井的方式進行降水，水泵抽水有效長度約為1.0 m，因此在盲溝下方，距離盲溝頂面4，5和6 m的位置分別設置1.0 m高的滲流邊界，通過分別賦予邊界流量的方式模擬不同埋深位置的水泵抽水效果。

非飽和滲流計算需要的關鍵材料參數為體積含水量函數和非飽和滲透系數函數。體積含水量函數可以參考相關試驗數據獲取，如圖3所示。根據體積含水量函數，采用Fredlund&Xing方法預測非飽和滲透系數函數[5]，如圖4所示。

圖3　體積含水量函數

圖4　非飽和滲透系數函數

3　數值分析

3.1　簡化及假設

(1)因凍深隨時間發生變化，取線路最大凍深——路基面3.0 m以下為水位降低目標，因暫停抽水時地下水位會有一定回升，故結合計算分析，確定降水目標取為路基面下3.8 m。

(2)水泵作用等效于在水泵埋設位置增加一條滲水溝，以及時將滲出的水排走。因此，分析井點降水的水位變化時，假設以水泵進水管1.0 m長的范圍為自由滲水邊界；分析泵底水壓時，通過賦予邊界流量的方式模擬水泵抽水。

(3)對長期抽水效果的模擬計算采用穩態分析，對抽水過程中參數變化的分析計算采用瞬態分析。

(4)初始水位在路基面以下0.7 m。

3.2　單次連續抽水時間

因地基土體滲透性較小，水泵抽水后周邊匯集的地下水被抽空，此時泵底孔隙水壓力下降至0 kPa，地下水匯集需要等待一定時間。因此，將水泵工作時水位從泵頂下降到泵底需要的時間定義為單次連續抽水時間。

常見的小型水泵抽水量為1.5 m3·h-1，進水管長1.0 m，當水泵埋深5.7和6.7 m時(以路塹頂面中心點高程為基準點)，滲流邊界分別設置在路基面下4.7～5.7和5.7～6.7 m，水泵抽水過程中泵底孔隙水壓力隨抽水時間的變化如圖5所示。由圖5可知，在抽水過程中泵底孔隙水壓力隨時間增長逐漸減小，水泵埋深越大，水壓力下降速度越快，水位下降至泵底需要的時間也越短。水泵埋深5.7和6.7 m時，水泵從完全被水浸沒到水位下降至泵底需要的時間較為接近，約為1.3～1.4 h。

圖5水位從泵頂下降至泵底時泵底孔隙水壓力隨抽水時間變化曲線

3.3　入冬前抽水分析

入冬前抽水的主要目的是盡快降低地下水位到凍深以下。由于采取在路塹兩側降水的方式，路塹中心是降水曲線的最高點。通過分析路塹中心孔隙水壓力的變化情況，計算不同水泵埋深時長期抽水后路塹中心水位線和相應需要的抽水時間。

3.3.1水泵埋深分析

抽水斷面沿線路縱向每10 m設置一對常見的小型水泵，則分配在縱向單位長度上的抽水量按0.15 m3·h-1·臺-1(即4×10-5m3·s-1·臺-1)考慮。由于水泵進水管長1.0 m，當水泵埋深分別為3.7，4.7，5.7和6.7 m時，滲流邊界分別對應設置在2.7～3.7，3.7～4.7，4.7～5.7和5.7～6.7 m。通過穩態分析得到的不同水泵埋深時路塹中心最終水位如圖6所示。圖7為水泵埋深4.7 m、長期抽水后的最終地下水位分布圖。由圖6可見，隨著水泵埋深的增大，長期抽水后路塹中心最終水位隨之下降；水泵埋深分別為4.7，5.7和6.7 m時，路塹中心最終水位可下降到3.0，3.8 和4.7 m。因此，為確保將水位下降到3.0 m以下，需要水泵埋深在4.7 m以下。因此以下研究在水泵埋深5.7和6.7 m這2種工況下開展。

圖6　路塹中心地下水位隨水泵埋深變化曲線

圖7　水泵埋深4.7 m時的最終地下水位分布圖

3.3.2入冬前抽水時間分析

水泵埋深在5.7和6.7 m時，路塹中心3.8 m處的孔隙水壓力隨水泵抽水時間的變化如圖8所示，圖9為水泵埋深為5.7 m、路塹中心水位降至3.8 m時的地下水位分布圖。由圖8可知，水泵埋深為5.7和6.7 m時路塹中心水位從路基面下0.7m下降到3.8 m需要的抽水時間分別約為2 410和600 h，即水泵埋深5.7和6.7 m時，需要在入冬前100和25 d開始抽水作業。

圖8不同水泵埋深時，路塹中心埋深3.8 m處孔隙水壓力隨水泵抽水時間變化曲線

圖9水泵埋深5.7 m，路塹中心水位降至3.8 m時的地下水分布圖

3.4　入冬后抽水分析

入冬前將路塹中心地下水降至路基面下3.8 m，水泵停止抽水后，水位會緩慢回升，為保證入冬后水位保持在3 m以下，水泵應間隔抽水。因此在地下水位回升至3.0 m時再次啟動水泵，將水位降至3.8 m后再次關閉水泵，如此循環以確保地下水位在最大凍深以下，減小路基凍脹。

3.4.1間歇時間

以路塹中心水位降至3.8 m時的地下水分布作為分析的初始水位，分析不同水泵埋深下水位回升到3.0 m所需的時間。水泵埋深分別為5.7和6.7 m、停止抽水后，路塹中心埋深3 m處孔隙水壓力隨時間的變化如圖10所示。圖11給出了停止抽水后，路塹中心水位回升至3.0 m時地下水分布圖。由圖10可見，孔隙水壓力緩慢上升，水泵埋深5.7和6.7 m時，分別經過243和180 h后路塹中心埋深3 m處孔隙水壓力達到0 kPa，即對于水泵埋深分別為5.7和6.7 m的情況，水泵的最大間歇時間分別是10和7.5 d。

圖10停止抽水后，路塹中心埋深3 m處孔隙水壓隨時間變化曲線

圖11停止抽水后，路塹中心水位回升至3.0 m時地下水分布圖

3.4.2單次循環中抽水時間

單次循環中抽水時間指入冬后地下水位回升到3.0 m后，將水位從3.0 m再次降至3.8 m所需要的抽水時間。在路塹中心水位從3.0 m降至3.8 m的過程中，3.8 m處孔隙水壓力隨時間變化曲線如圖12所示。由圖12可見，水泵埋深5.7和6.7 m時，將水位從路基面下3.0 m降至3.8 m需要的抽水時間分別為1 000和144 h，即42和6 d。

圖12　路塹中心埋深3.8 m處孔隙水壓變化

4　凍脹整治試驗

在哈大高鐵沿線鲅魚圈選取一處填料堆埋場地進行工程試驗，填料根據路基填筑要求進行壓實，并監測井點抽水前后凍脹量的變化情況。

數值模擬分析結果說明采取井點降水的方案可以滿足路基防凍脹整治的要求。根據計算結果，路基段井點降水方案設計如下。

線路兩側鉆孔成井，成井直徑150 mm，井深7 m，水泵埋深5.7 m，沿線路方向井間距為10 m，井內設直徑110 mm的濾水管，濾水管內設潛水泵，通過液位傳感器控制水泵的開啟與關閉，進行抽水，從而達到排出和控制路基內地下水位的目的。根據計算的滲流量選用12 V直流水泵，水泵直徑小于90 mm，揚程高度10 m。采用交流220 V經變壓后為水泵供電。

參考模擬計算結果，水位降至3.8 m約需要25 d。為達到良好整治效果，在入冬前1個月開始抽水作業。

圖13為2013年和2014年試驗段路基的凍脹情況，其中2013年為整治前的凍脹監測數據，2014年為整治后的凍脹監測數據。由圖13可見，最大凍脹量從2013年的11.6 mm降至2014年的4.5 mm，效果較為顯著。

圖13　井點降水整治前后凍脹量對比

5　結　論

本文通過對井點降水過程孔隙水壓力的變化進行模擬，為季節性凍土路基凍脹整治方案設計提供參考，確定了水泵的抽水方式、埋設深度，估算了將水位降至合理位置所需要的時間，解決了路基井點降水凍脹整治方案設計中的關鍵問題。

(1)由于土層滲透系數較小，且無滲水盲溝，地下水匯集較慢，經計算分析，抽水量為1.5 m3·h-1的小型水泵在5～7 m埋深時，水泵連續工作約1.3～1.4 h水位可將其周圍水位降至泵底。

(2)結合現場地質情況分析結果表明，水泵埋深分別為4.7，5.7和6.7 m時，路塹中心最終水位可下降到3.0，3.8和4.7 m。入冬前將路塹中心地下水位降低到埋深3.8 m時，水泵埋深應不小于5.7 m。水泵埋深為5.7和6.7 m時需要的抽水時間分別約為100 和25 d。

(3)入冬后為繼續保持水位在3.0 m以下，可采取間隔抽水的方式。對于水泵埋深分別為5.7和6.7 m的情況，路塹中心地下水位從3.8 m回升到3 m水泵的最大間歇時間分別為10和7.5 d；路塹中心水位從3 m降回3.8 m需要的抽水時間分別為42和6 d 。綜合分析表明，水泵埋深6.7 m較為合理。

(4)凍脹整治效果表明根據本文數值模擬制訂的方案是合理的。

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