季節凍土區幾種典型分散土邊坡凍害防護技術研究

劉麗佳,蘇安雙，張 濱

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

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季節凍土區幾種典型分散土邊坡凍害防護技術研究

劉麗佳,蘇安雙，張 濱

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

在季節凍土區，分散土邊坡由于受到凍脹、融沉的影響，極易發生凍脹變形與融沉破壞，隨著分散土表面雨水沖蝕溝的形成，水分逐漸富集與入滲坡體內部，使得土坡內部的溝縫逐漸加深，破壞加大，隨著凍脹變形的持續發展，邊坡的整體穩定性越來越差，造成分散土邊坡工程修復難、維修成本高。文章針對季節凍土區分散土邊坡特有的破壞形式與凍脹特點，力求削減寒區分散土邊坡的凍害程度，研究不同結構形式、種類的凍害防護技術，為實際工程服務。

季節凍土區；分散土邊坡；凍害；防護技術

0 引 言

分散性黏土是一種特殊的土質，屬于高納鹽漬土。這種土質含有大量可交換鈉離子，遇雨水沖刷，土顆粒間黏聚力喪失完全，團聚體自行分散成原狀細顆粒，導致土壤分散。邊坡表面形成雞爪沖蝕溝，坡體內部產生沖蝕溶洞，引起堤壩管涌滲漏，造成路基失穩等破壞。在中國，分散土在不同地區均有分布，北部有黑龍江的引嫩工程，南方有海南的嶺落水庫，東部的官路水庫以及西部的引額濟克水利工程，分布廣，但并不連續。分散土由于自身的分散機理較為復雜，屬于物理化學共同作用的結果。目前為止，尚沒有成熟的理論論證分散機理。

深季節凍土區的分散土問題由來已久，黑龍江省在修建北部引嫩工程以及南引工程中都遇到了分散土的問題。破壞現象嚴重，雖然也相應采取了一些措施，但效果不佳，分析其主要原因，還是對分散土的認識不足，多少年來，一直關注于分散性的研究，對其凍脹特性的認知甚少，而忽視了“分散性+凍脹性”所造成的破壞[1]。文章結合分散土自身分散特性與北方季節凍土區邊坡受凍脹破壞的影響，主要考慮雨水侵蝕與凍融循環作用對邊坡的不利影響，提出綜合治理措施，對分散土邊坡進行有效防護。

1 分散土邊坡受凍害破壞現狀

雞爪溝、沖蝕洞是分散土邊坡典型的破壞形式。分散土遭受雨水沖蝕以后，由坡面凍縮裂縫或施工接頭等薄弱環節起始，沿著坡降，沖蝕發展至坡腳位置。

裂縫逐漸向縱深方向發展，形成一道道密集分布的沖蝕溝。沖蝕溝內的土體隨雨水沖刷掏空，形成內部中空的沖蝕洞。大大破壞了分散土邊坡整體結構的穩定。伴隨施工過程中發生的 “土體流化”現象，也對在建工程的完成與運行使用造成了不可避免的影響。形成沖蝕洞的樣貌見圖1。

圖1 沖蝕洞

圖1顯示的沖蝕洞有的發生在施工前期,有的發生在工程剛剛竣工驗收。經過不斷侵蝕，加大破壞，歷經凍融循環，工程第2年產生更多的沖蝕溶洞。尤其在在第1次通水后，便初具規模的小沖蝕洞，松嫩平原分散土段曾多處發生“土體流化”現象。沖蝕溝見圖2。

圖2 沖蝕溝

從圖2可以看出，分散土邊坡裂縫發展過程是由邊坡表面至坡腳位置均有涉及；深淺不一，在坡體轉角、接頭等薄弱環節，產生干縮、凍縮裂縫，沿著坡面匯集水流方向造成沖蝕溝向縱深發展。雞瓜溝的破壞特征見圖3。

圖3 雞爪溝

圖3段護坡雞爪溝是分散土邊坡典型的破壞特征，從圖中可以看出，分散土邊坡坡面裂縫逐漸加深，發展。分散土土質本身為高鈉土，在較純凈的水中常產生離子的游離擴散，以致引起土體表面依次脫，土粒之間凝聚力降低,表層依次崩解脫落，分散過程顯著。外界雨水作用在易分散的堿性分散土邊坡上，造成分散土邊坡表面裂縫逐漸發展，破壞越發嚴重，再加上季節凍土區凍脹融沉的影響，共同了引發了分散土坡的整體破壞。由此可以看出：有效的防凍害措施是解決季節凍土區分散土邊坡凍脹破壞的關鍵[2-4]。

2 分散土特性影響分析

研究分散土邊坡的防凍害措施，首先要了解分散土邊坡在低溫環境下的凍脹特性。

分散土凍脹特性試驗在低溫循環試驗箱中完成。測定分散土的凍結深度與凍脹量的變化，分析凍脹對分散土坡的影響。表1分散土土樣的物理力學指標與表2礦物相對百分含量。

表1 分散土土樣物理力學指標

表2 分散土礦物相對含量

從表2中可以看出，分散土中各組分含量顯示本次凍脹性分類試驗的分散土具有弱膨脹性及分散性特征。

3 分散土邊坡凍害防護技術

分散土的凍脹特性與分散土內部的粉粒含量、黏粒含量、比表面積、含水率、含鹽量、溫度、擊實度等因素有關。土坡內部水分遷移與聚集是形成分散土邊坡凍脹變形的主要因素。夏季雨水侵蝕沖刷分散土邊坡，形成表面的沖蝕溝，分散土自身的分散特性使得勾縫不斷向內部加深，加劇，勾縫逐漸增大，導致分散土邊坡整體失穩，發生破壞。故對分散土邊坡的防護主要考慮對分散土邊坡表面進行防護，減緩雨水對坡表面的沖刷、侵蝕，在坡體內采用反濾、排水材料，降低坡體內部的侵潤線，消減凍脹形成因素[5]- [8]。

3.1 砂反濾凍害防治技術

砂反濾是防止土體滲透破壞的一種有效措施，分散土的反濾機理不同于普通的黏土反濾，阻止分散土的反濾主要是防止土顆粒被水流沖走，造成土質的淋失、遷移、沉積，使其在反濾層逐漸累積板結，淤堵滲流通道。因而在要求分散土反濾的砂顆粒較之普通土反濾砂粒徑小。經過砂反濾處理的分散土邊坡有效的降低了坡體內部的侵潤線，消減了水分遷移帶來的凍脹變形。是一種很好的防凍害技術措施[9-10]。

3.2 分散土邊坡表層防護

3.2.1 鉸接板護坡

這種護坡是將同樣規格、形狀、尺寸的混凝土預制塊經過連接、拼裝，形成整體穩定的連鎖結構。這種護坡滲水性好、坡體呈柔性、能植草并改善生態環境，且防沖刷能力強、坡面破損易修補，整體穩定[11]。見圖4，護坡工程布置為混凝土鉸接塊加300g/m2聚酯長纖針刺土工布結構，坡比為1∶2.5，蓋板網格規格為8cm×10cm，固腳采用60cm×80cm格賓網箱加土工布型式。

圖4 預制混凝土鉸接塊護坡結構示意圖

經過3個凍融周期后，從現場實際工程的觀測分析發現：

1)鉸接板護坡表面無明顯沉降變形，凍脹適應性較好，歷經多次凍融循環后，表面無沖蝕溝產生，沖蝕溶洞發展緩慢。

2)植被生長情況較好，水位線以上植被覆蓋率顯著提高，可接近90%以上。

3)排水結構設置合理，格賓固腳有利于坡體的排水與反濾，降低坡體侵潤線，減小土體含水率，對于高地下水位的土質邊坡能有效減緩凍脹發生。

4)表面整體防護對分散性土坡，可以減緩雨水沖蝕。

圖5 雷諾墊結構示意圖

3.2.2 雷諾墊護坡

雷諾墊是在辛高爾凡籠內填充粒徑在7-15cm范圍內的卵石護坡，這種結構施工速度快，對坡面防護效果好，表面的柔性結構，能夠很好的適應渠坡變形，在寒區應用廣泛。圖5為雷諾墊護坡結構圖，工程布置為23cm雷諾墊護坡+300g/m2土工布結構，固腳同樣采用格賓網箱加土工布包裹。

圖6 雷諾墊護坡工程實例

如圖6所示，經過3個凍融周期后，雷諾墊護坡的試驗工程整體完整、穩定：

1)雷諾墊護坡在歷經多次凍融循環后，坡面無明顯的沉降、變形，無裂縫產生，對邊坡土體的防護效果明顯，護坡結構完好，整體穩定，凍脹適應性良好。

2)坡體排水結構有效的減緩凍脹發生，固腳位置無滑坡破壞，適用不同水位的土質邊坡防護結構[12]。

3.3 蜂巢約束系統結構護坡

蜂巢約束系統結構護坡是九十年代開始應用的一種新型土工合成材料護坡結構，這種護坡是在土工格室中填充碎石、卵石，表層覆土，近年來在國內外已被廣泛應用于坡面防護中。其特點如下：

1)格室內充填碎石其重力穩定性與格室的整體防護性能相結合，結合無紡布反濾排水效果，有效地起到了防護邊坡的目的。

2)每個獨立封閉的格室可以緩解水流沖蝕，減緩風浪對坡面的淘刷，起到良好的坡面防護效果。

3)格室中的級配碎石粒徑為3-8cm，孔隙中可充填種植土，植被覆蓋率高，生態景觀性好，坡面植被也可起到固土減緩水流沖擊和滲透水流的反濾作用。

4)土工格室的尺寸結構可根據實際工程坡度的大小選擇合適的高度與焊距，以便獲得最佳的防護效果和經濟效益。見圖7。

圖7 蜂巢格室護坡結構示意圖

圖8 蜂巢格室護坡工程實例

本次蜂巢格室設計采用蜂巢格室填充碎石+300g/m2土工布結構，固腳采用60cm×80cm格賓網箱+土工布結構。從圖8中可以看出，經過3個凍融周期后，蜂巢約束結構在迎水坡面經受了水流的沖刷與侵蝕，降低了坡內水位線，消減了凍脹破壞。

3.4 不同分散土邊坡凍害防護技術特點分析比較

不同分散土邊坡凍害防護技術特點比較見表3：

表3 分散土護坡防護效果比較

4 結 語

通過對季節凍土區分散土邊坡凍脹破壞的調查，凍脹成因的分析，以及防凍脹效果的評價，總結多種形式的防凍害措施應用于季節凍土區分散土邊坡上。包括改良土防凍害技術、反濾砂防凍害技術、分散土邊坡表面防護等防凍害技術，通過現場實際工程的應用效果來看，在經歷幾個凍融循環以后，這些防凍害技術均起到了很好的防凍脹效果。今后可將這些防凍害技術應用于分散土邊坡上，在季節凍土區得到更廣泛的推廣與應用。

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Study on Preventive Technology of Frost Damage on Dispersive Soil Slope in Seasonal Frozen Area

LIU Li-jia；SU An-shuang and ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Science Research Institute，Harbin 150080，China)

Dispersive soil slope is easy to be deformed and damaged due to influence from the frost heave and thaw settlement in the seasonal frozen soil area. With the formation of ditch eroded by rain on the surface of dispersive soil，water enriched gradually and infiltrated into the slop body，which deepened gradually the gap between slopes，and damages were worsening. The overall stability of the slope is more and more worsened with the sustainable development of frost heave deformation，resulting in difficulty to rehabilitee the dispersive soil slope engineering and high cost for rehabilitation. In line with the damaged type and frost characteristics of dispersive soil slope in the seasonal frost area，this paper studied prevention technology against various structures and kinds in order to reduce the frost degree of dispersive soil slope in cold area，so as to serve for actual projects.

seasonal frozen area；dispersive soil slope；frost damage；prevention technology

1007-7596(2017)04-0001-04

科技成果

2017-03-12

水利部“948”計劃項目(200916)：水利部公益性行業科研專項(編號201001027)。

劉麗佳(1984-)，女，黑龍江大興安嶺人，工程師，碩士，從事凍土力學、巖土力學、水利水電工程研究；蘇安雙(1980-)，男，遼寧鐵嶺人，高級工程師；張濱(1957-)，男，遼寧沈陽人，教授級高工。

P642.14

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