青藏鐵路多年凍土區片石護坡積沙段降溫效果監測與分析

趙相卿,程 佳,韓龍武,蔡漢成,孟進寶

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.青海省凍土與環境工程重點實驗室,青海格爾木 816000)

引言

多年凍土的融沉問題是寒區鐵路能否安全修建和正常運行的關鍵問題之一[1-5]。為了防止地基多年凍土融化引起路基融沉變形,國內外學者提出了主動冷卻路基的思路[6-9]。片石、碎石路堤作為主動保護多年凍土的措施之一,被廣泛應用于青藏鐵路路基。在全球氣候轉暖的大背景下,多年凍土區路基的穩定性問題是青藏鐵路建設和安全運營必須解決好的首要技術難題。在鐵路通車運營后,受施工條件的制約,一些工程措施無法采用,而片(碎)石層護坡具有保溫效果顯著、布設施工靈活的特點,是多年凍土區路基補強和病害整治的首選措施[10-11]。

青藏鐵路多年凍土區的片石護坡路基的大量使用,起到了降低路基基底多年凍土溫度和調節多年凍土人為上限形態的作用,為青藏鐵路的安全運營提供了技術保障[12-14]。

青藏鐵路多年凍土區沿線沙害主要分布在河谷及湖泊附近,主要有：紅梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、扎加藏布、措那湖等。在風沙危害嚴重地段,片石護坡孔隙被沙害掩埋,改變了片石層傳熱特性,影響片石護坡的降溫效果[15-17]。

因此,有必要對片石護坡被沙害掩埋后的降溫效果進行深入研究,分析其對多年凍土路基的影響程度,為多年凍土區路基片石護坡病害整治對策提供科學依據[18-20]。

1 監測斷面工程概況

為了更好地了解沙害掩埋下片石路基工作狀態及降溫效果,選擇青藏鐵路沿線多年凍土區腹地同一地貌單元的北麓河盆地內兩段相距較近的積沙和無積沙片石護坡路基進行現場監測。

1.1 K1120+100～K1120+200段積沙片石護坡路基

該段路基位于北麓河盆地,為秀水河橋格爾木段橋頭路基,高約4 m,較穩定,變形小,線路走向SW8°(圖1),左側為陽坡側。根據地質資料：該段地勢平坦,海拔高度在4 547～4 549 m,地層巖性為：地表砂礫土,下伏圓礫土、風化～未風化泥巖。多年凍土類型為多冰凍土,年平均地溫在-1.0～-1.5 ℃,屬低溫基本穩定多年凍土區(Tcp-Ⅲ),工程地質條件較好。

圖1 K1120+100～K1120+120監測斷面地形示意

片石護坡積沙污染現狀(照片1)如下。

(1)路基左側：土護道+片石護坡,距橋頭5 m無片石,片石護坡高2～2.5 m,外表整潔,內填沙子,K1119+233涵洞至秀水河橋間左側均為土護道+片石護坡,片石護坡高1.0～2.5 m不等,受積沙影響較嚴重的在橋頭100 m,其余片石段底部積滿沙子,并不均勻,0.5～1.5 m高度內積沙,有些部位已長草。

(2)路基右側：土護道+片石護坡,片石護坡高2～2.5 m,外表看較整潔,縫隙內已填充滿沙子,片石護坡長度約50 m,靠橋頭約8 m時無,再往前為普通路基+土護道。

熱敏電阻編號及埋設如下。

陽坡側2組(左側)：①K1120+100左側(XBY-188)；②K1120+120左側(XBY-189)；

陰坡側1組(右側)：K1120+110右側(XBY-190)。

照片1 K1120+100～K1120+200監測段片石護坡沙害污染

1.2 K1125+430～K1125+460段無積沙片石護坡路基

該段路基位于北麓河盆地,為沖洪積高平原地貌,地勢右高左低,左側路基高約6 m,路肩做擋砟墻,道砟厚約1 m；右側路基高3.5～4 m,片石護坡路基,線路走向SW10°(圖2),左側為陽坡側。根據地質資料：該段地勢右高左低,海拔高度在4 558～4 562 m,地層巖性為：地表中砂土,下伏風化～未風化泥巖。多年凍土類型為多冰、富冰凍土,年平均地溫在-0.3～-0.5 ℃,屬高溫極不穩定多年凍土區(Tcp-Ⅰ),工程地質條件一般。

圖2 K1125+430～K1125+460監測斷面地形示意

片石護坡現狀簡介(照片2)如下。

K1125+400～K1125+525(小橋)片石護坡+碎石土護道,左側路基高約6 m,路肩做擋砟墻,道砟厚約1 m；右側路基高3.5～4 m,片石護坡,片石護坡較為潔凈,未見沙害侵蝕。

照片2 K1125+430～K1125+460監測段片石護坡

熱敏電阻編號及埋設如下。

陽坡側2組(左側)：①1125+430左側(XBY-191)；②1125+460左側(XBY-192)；

陰坡側1組(右側)： 1125+445右側(XBY-194)。

2 片石空隙率試驗

受現場條件的制約,空隙率試驗不便于在現場進行。為確定片石層的空隙率,采用模型實驗的方案。以試驗段片石的實際情況以及工程設計中常用的20～40 cm的粒徑為依據,按1∶10的比例縮小為2～4 cm,用碎石替代片石進行實驗,以獲取片石層的相關參數。實驗中,先用碎石填滿水箱,然后往水箱中灌水以確定片石層的空隙率,實驗結果見表1。

從表1實驗結果看：第一組空隙率最大,為46.1%；第四組最小,為41.6%；組實驗結果的平均值為44.0%。

表1 碎石空隙率實驗結果

本實驗為片石層空隙率的模型實驗,因此所得的碎石層空隙率值即為放大10倍后片石層的空隙率值。依據試驗段片石的實際情況,通過對不同組合的6組碎石進行模型實驗可得：粒徑為20～40 cm的片石層的空隙率為41.6%～45.0%。較大的空隙率使得片塊石護坡能通過暖季隔熱、寒季散熱這一機理來對路基體進行降溫。

3 地溫監測方案

為了進一步研究積沙條件下排水護坡的防護效果,在兩個斷面各選擇3處進行地溫長期監測,受課題研究周期所限,監測周期從2016年10月21日持續到2017年10月4日,達到一個寒季暖季的循環,測溫數據基本能夠說明積沙條件對片石護坡保溫的影響。兩個斷面均布設3處測點,并考慮了陰陽坡側的影響。

K1120+100～K1120+120段共布置3處測溫點,分別為K1120+100左側,K1120+110右側和K1120+120左側。如圖3所示。

圖3 K1120+100～K1120+120段片石護坡測點布置示意

K1125+430～K1125+460段共布置3處測溫點,分別為K1125+430左側,K1125+445右側和K1125+460左側。如圖4所示。

圖4 K1125+430～K1125+460段片石護坡測點布置示意

每處測點垂直坡面埋設測溫元件,埋設深度位置分別為0 m(坡面),0.2,0.4,0.6,0.8 m,如圖5所示。

圖5 片石護坡地溫監測點布置示意

地溫監測采用人工監測,每7 d監測1次。

4 地溫數據分析

4.1 總體分析

根據地溫測試數據,繪制各測點的地溫曲線,如圖6～圖9所示。對地溫曲線進行分析可以看出：坡面和0.2 m深度的溫度波動幅度比較大,基本說明該深度范圍溫度基本和氣溫保持一致。而0.4 m,0.6 m和0.8 m深度處的地溫曲線波動幅度較小,但整體曲線呈“S”形,變化情況與氣溫變化相對應,可見0.2 m以下深度地溫穩定性較好,片石護坡保溫效果整體良好。

圖6 K1120+100左側坡體不同深度地溫曲線

圖7 K1120+110右側坡體不同深度地溫曲線

圖8 K1125+430左側坡體不同深度地溫曲線

圖9 K1125+445右側坡體不同深度地溫曲線

同時,從圖6～圖9可以看出,在寒季(2016年10月～2017年4月),0.4～0.8 m處地溫基本高于坡面0 m處,說明寒季路基體通過片石向外散熱,降低路基體溫度；在暖季(2017年4月～2017年10月),0.4-0.8 m處地溫基本低于坡面0 m處,說明在暖季片石層起到了阻隔外部熱量,保持路基體低溫的效果。

4.2 不同條件下片石護坡降溫效果分析

(1)不同深度下片石護坡地溫特征

根據地溫曲線顯示,0.4,0.6,0.8 m深度位置的地溫較為穩定,基本可以反映片石氣冷保護下路基坡體的地溫特征,因此,選取不同測點0.6 m(圖10)、0.8 m(圖11)深度的地溫資料進行分析。

圖10 不同測點位置0.6 m深度地溫曲線

從圖10可以看出,在0.6 m深度位置,K1120+100～K1120+200積沙段的3個斷面測點的地溫在整個監測周期來看基本高于K1125+430～K1125+460無積沙斷面,即K1120+100～K1120+200處的片石護坡降溫效果要低于K1125+430～K1125+460。由此可見，片石護坡在積沙后降溫效果有所下降。

圖11 不同測點位置0.8 m深度地溫曲線

從圖11可以看出,在0.8 m深度位置,K1120+100～K1120+200積沙段的3個斷面測點的地溫在整個監測周期也高于K1125+430～K1125+460的3個無積沙片石護坡監測斷面,說明片石護坡在積沙后降溫效果有所下降。

(2)不同條件下片石護坡降溫效果對比分析

根據前面的分析,0.4，0.6，0.8 m深度位置的地溫較為穩定,基本不受氣溫影響。因此，從中選擇0.6 m和0.8 m兩處位置的地溫數據進行積溫,研究不同條件下片石護坡的降溫效果,見圖12。

圖12 各測點0.6 m和0.8 m處地溫年積溫柱狀

從2個斷面進行對比分析,可以看出,K1120+100～K1120+200斷面的3個測點的年積溫明顯高于K1125+430～K1125+460斷面,路基左側高出約50%,路基右側高出約100%。由此可見,K1120+100～K1120+200斷面的片石保溫效果比K1125+430～K1125+460斷面要差。而兩處斷面的差別在于前者有積沙,說明積沙后片石降溫效果明顯減弱。

對比同一個斷面的左右側測點積溫進行分析,K1120+100～K1120+200斷面左側測點積溫約為右側的1.4倍,K1125+430～K1125+460斷面左側積溫約為右側的2.0倍,說明由于陰陽坡的差異使得片石護坡的降溫效果也有差別。路基陽坡側(左側)片石護坡降溫效果低于陰坡側(右側)。因此,在采用片石保溫護坡時,陽坡側需要比陰坡側采取更強的防護措施。

5 結論

通過室內試驗及現場地溫監測分析,對青藏鐵路沿線多年凍土區典型路段片石護坡的降溫效果進行了評價,并根據不同條件(有無積沙、陰陽坡)對片石護坡的降溫效果進行比分析,主要結論如下。

(1)由于片塊石層的大孔隙特性(粒徑為20～40 cm的片石層的空隙率為41.6%～45.0%),使得片塊石護坡能通過暖季隔熱、寒季散熱這一機理來對路基體進行降溫,測溫數據顯示,降溫效果良好。

(2)片石護坡積沙后其降溫效果明顯減弱,通過片石層內0.6 m和0.8 m深度的地溫積溫比較,積沙路段積溫明顯高于無積沙路段,其中路基左側高出約50%,路基右側高出約100%。要保證片石護坡的降溫效果,應在沙害易發段落采取措施防止其積沙劣化。

(3)路基陰陽坡的差異也會影響片石護坡的保溫效果。從監測數據來看,無積沙的K1125+430～K1125+460路基陽坡側正積溫約是陰坡側的2.0倍,陽坡側(左側)片石護坡降溫效果低于陰坡側(右側)。因此,在采用片石保溫護坡時,陽坡側需要比陰坡側采取更強的措施。