高原凍土地區(qū)公路涎流冰的成因分析及防治

李海亮，丁姣月，段德峰，梁 斌

(1. 中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471013； 2. 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

在中國(guó)西部和東北部等寒冷地區(qū)，高速公路建設(shè)中存在許多病害問(wèn)題[1-2]，對(duì)公路各類建設(shè)設(shè)施造成嚴(yán)重的影響和破壞，涎流冰是亟待解決的主要病害之一。公路涎流冰病害的成因、特點(diǎn)、發(fā)育機(jī)理以及防治措施，因其不同的地理位置和環(huán)境等因素而存在較大差異[3-5]。涎流冰病害在高寒地區(qū)公路工程中受到較廣泛關(guān)注，研究人員依托公路建設(shè)工程進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)公路涎流冰病害相關(guān)成因、發(fā)育機(jī)理和防治措施等方面進(jìn)行了研究[6-10]。文獻(xiàn)[11]依托銅川到黃陵高速公路，通過(guò)病害情況實(shí)地調(diào)查、有限元模擬和涎流冰成冰理論分析，對(duì)公路涎流冰病害的發(fā)育規(guī)律與內(nèi)部形成機(jī)理開(kāi)展了研究，提出了3種新型組合防治措施。文獻(xiàn)[12]利用MIDAS-GTS NX軟件，對(duì)路塹邊坡蓄冰溝與滲井結(jié)合的新型涎流冰防治措施，進(jìn)行了應(yīng)力與滲流耦合數(shù)值模擬分析。文獻(xiàn)[13]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了水源和薄弱層對(duì)公路涎流冰病害形成和發(fā)育的影響，以及邊坡開(kāi)挖后邊坡內(nèi)部的坡面滲水位置、滲流情況和發(fā)展趨勢(shì)，并提出滲井這一有效防治措施。文獻(xiàn)[14]以在建的銅川到黃陵高速公路為依托，提出了新型滲溝與仰斜式排水孔聯(lián)合法、新型保溫滲井法防治涎流冰。文獻(xiàn)[15]對(duì)公路邊坡的數(shù)值模擬分析表明：邊坡薄弱層破壞導(dǎo)致滲水是形成坡積冰的主要原因之一，薄弱層破壞處是病害最嚴(yán)重的位置。文獻(xiàn)[16]運(yùn)用MIDAS-GTS NX數(shù)值模擬軟件，對(duì)病害區(qū)邊坡的滲流情況進(jìn)行模擬，分析了水源和薄弱層對(duì)公路涎流冰病害形成及發(fā)育的影響，指出薄弱層是誘發(fā)病害的地質(zhì)構(gòu)造因素，豐富水源是病害形成的必備條件之一。文獻(xiàn)[17]以西藏那曲至嘉黎公路為例，根據(jù)高寒地區(qū)涎流冰的發(fā)育特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出繞避、阻擋、排導(dǎo)、加高路堤等治理措施。

目前，中國(guó)正在青藏、川藏地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模道路工程建設(shè)，迫切需要針對(duì)高原凍土地區(qū)公路涎流冰病害及防治措施開(kāi)展系統(tǒng)研究，而國(guó)內(nèi)針對(duì)高海拔地區(qū)公路涎流冰病害方面的研究資料幾乎為空白。本文以西藏自治區(qū)羊八井至大竹卡段公路改建工程為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料查閱等方法，分析高原凍土區(qū)公路涎流冰的病害特點(diǎn)及發(fā)育成因。采用有限元分析軟件MIDAS-GTS NX建立邊坡滲流模型，對(duì)病害區(qū)邊坡滲流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡開(kāi)挖后邊坡內(nèi)部的滲流分布、坡面滲水位置、滲水大小及發(fā)展規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出針對(duì)高原凍土區(qū)公路涎流冰病害的綜合施工防治措施。

1 工程概況及病害調(diào)查

中交二公局第四工程有限公司承擔(dān)的國(guó)家“一帶一路”重點(diǎn)項(xiàng)目——西藏自治區(qū)羊八井至大竹卡段公路改建工程，起于拉薩市當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn)，與國(guó)道109(K3 803+700)相接，在羊八井鎮(zhèn)下穿青藏鐵路，西南向經(jīng)過(guò)拉薩市當(dāng)雄縣格達(dá)鄉(xiāng)、尼木縣麻江鄉(xiāng)，在K93+529處過(guò)界進(jìn)入日喀則市。當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn)主要?dú)夂蛑笜?biāo)如表1所示。

表1 當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn)主要?dú)夂蛑笜?biāo)

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，改建中的羊八井至大竹卡公路沿線涎流冰病害9處，病害程度很嚴(yán)重3處，嚴(yán)重4處，中等1處，輕微1處，影響長(zhǎng)度1 277.7 m。羊八井至大竹卡改建公路段涎流冰病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 改建公路段涎流冰病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

圖1 邊坡模型

2 公路涎流冰的數(shù)值模擬及分析

2.1 邊坡滲流模型的建立

本文選取K49+780～K50+100處邊坡涎流冰最嚴(yán)重?cái)嗝孀鳛閿?shù)值分析對(duì)象，采用MIDAS-GTS NX軟件和莫爾-庫(kù)侖力學(xué)準(zhǔn)則，建立邊坡滲流模型進(jìn)行分析。邊坡模型如圖1所示。

選取的K49+780～K50 +100處右側(cè)路塹高邊坡，坡高36.8 m，坡底長(zhǎng)60 m。結(jié)合勘察資料，確定坡體地質(zhì)分層情況由上而下依次為：黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、碎石層、中風(fēng)化巖，相應(yīng)地質(zhì)分層土體及巖體參數(shù)如表3所示。

表3 K49+780～K50+100處邊坡地質(zhì)分層土體及巖體參數(shù)

2.2 邊坡總水頭分析

圖2 右側(cè)邊坡總水頭等值云圖/m

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特征，邊坡開(kāi)挖前在邊坡模型右側(cè)設(shè)置了75 m總水頭。圖2為K49+780～K50+100右側(cè)邊坡總水頭等值云圖。由圖2可以看出：邊坡從上往下順坡向總水頭值依次遞減，最小值區(qū)間為1.0～25.7 m，占比8.6%；最大值區(qū)間為62.7～75.0 m，占比38.4%，在碎石層呈銳減趨勢(shì)。分析邊坡內(nèi)部總水頭值的變化趨勢(shì)可知，碎石層的總水頭值變化最明顯，為邊坡薄弱層，邊坡開(kāi)挖過(guò)程中薄弱層受力破壞，邊坡內(nèi)部孔隙水滲流致使總水頭壓力明顯降低。

2.3 邊坡孔隙水壓力分析

圖3為K49+780～K50+100右側(cè)邊坡孔隙水壓力等值云圖。由圖3可以看出：邊坡孔隙水壓力從上到下呈遞增趨勢(shì)，變化區(qū)間為38.9～75.0 m；順坡向呈遞減趨勢(shì)，變化區(qū)間為75.0～15.6 m，在坡腳處達(dá)到最小值，其中，孔隙水壓力超過(guò)45.6 m的區(qū)域占比15.9%，孔隙水壓力小于32.6 m的區(qū)域占比32.2%。分析邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的變化趨勢(shì)得出：邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的大小與孔隙水所處位置有關(guān)，到土體表面的距離越大，孔隙水壓力值越大。所以，薄弱層的埋深及厚度將影響涎流冰的發(fā)育程度，薄弱層到土體表面的距離越大，層面越厚，涎流冰病害越嚴(yán)重。

2.4 邊坡水平流速分析

圖4為K49+780～K50+100右側(cè)邊坡水平向滲流速度等值云圖。由圖4可以看出：水在黃土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層的水平滲流流速為5.29×10-6～6.75×10-5m/s，占比73.6%；在碎石層的水平滲流流速為1.04×10-4～2.13×10-4m/h，且水平向滲流流速較大的區(qū)域集中在碎石層，其中，水平向速度大于1.40×10-4m/s的區(qū)域占比4.0%，最大速度為2.13×10-4m/s。分析邊坡土體與巖體參數(shù)表以及邊坡孔隙水水平向滲流流速變化趨勢(shì)得出：水在土體中的流速主要取決于土體滲透系數(shù)、坡體水源含量和薄弱層滲流面，且水在薄弱層的水平滲流流速一般比其他土層或巖層水平向滲流流速快。為防止涎流冰的發(fā)生，須對(duì)薄弱層位置進(jìn)行有效控制。

圖3 右側(cè)邊坡孔隙水壓力等值云圖/m

圖4 右側(cè)邊坡水平向滲流速度等值云圖/(m/s)

3 邊坡涎流冰的形成

本項(xiàng)目公路施工段處于高原凍土地區(qū)，平均海拔在4 600 m以上，最高5 500 m，涎流冰主要由于施工邊坡開(kāi)挖的裂隙水、地下水和地面水漫溢、高山冰雪融水等凍結(jié)產(chǎn)生。

3.1 邊坡開(kāi)挖的裂隙水

裂隙水是存在于巖石裂隙中的水源，一般在邊坡開(kāi)挖面處沿裂隙出水成冰，根據(jù)所在位置又分為潛水、承壓水和上層滯水。高原凍土地區(qū)永凍層一般可以視作隔水層，使得活動(dòng)層的水只能在淺層運(yùn)移，隨著溫度降低，覆蓋層凍結(jié)，形成上下不透水的夾層構(gòu)造。由邊坡數(shù)值模擬可知：邊坡涎流冰的主要出水或成冰位置是某一較為軟弱的層面，且邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的大小與孔隙水所處位置有關(guān)，距離土體表面的距離越大，孔隙水壓力值越大。所以，這種夾層構(gòu)造凍結(jié)越深，中間含水層受壓就越大，在人工開(kāi)挖影響下，薄弱層被破壞，受壓力驅(qū)使，裂隙水外溢，在路面或坡面形成凸起狀涎流冰。路塹開(kāi)挖誘發(fā)的涎流冰病害如圖5所示。

3.2 地下水和地表水漫溢

在寒冷氣候條件下，地下水和地表水漫溢到地面、路面或冰面上，并從下到上逐層凍結(jié)，形成面積在數(shù)平方米至數(shù)百平方米、厚度在幾厘米至幾十厘米的冰塊。區(qū)域內(nèi)季節(jié)性凍土分布廣泛，天寒地凍之時(shí)，地下水侵入公路路基內(nèi)形成暗冰。由邊坡數(shù)值模擬可知：土體內(nèi)部孔隙水水平向滲流流速主要取決于坡體水源含量和滲流面，且水在薄弱層的水平滲流流速一般比其他土層或巖層的水平向滲流流速快。所以，暗冰層的厚度將影響涎流冰的發(fā)育規(guī)模，通常暗冰層較厚的坡體，涎流冰病害也相對(duì)嚴(yán)重。這些暗冰層經(jīng)施工開(kāi)挖或其他原因擾動(dòng)后暴露，漫溢形成山坡型涎流冰，如圖6所示。

圖5 路塹開(kāi)挖誘發(fā)的涎流冰病害

圖6 山坡型涎流冰

3.3 高山冰雪融水

本項(xiàng)目地處青藏高原地區(qū)，山地多且海拔高，高山冰雪融水也會(huì)誘發(fā)涎流冰病害。本地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，11月至次年3月為冬季積雪頻發(fā)期，自然積雪高度一般為0.2～0.4 m，極端氣候條件下積雪厚度可達(dá)1.0 m以上，積雪天數(shù)達(dá)40～80 d。融雪水主要出現(xiàn)在冬季白天午后氣溫較高時(shí)段和春夏換季時(shí)期，山頂積雪融化順坡體流向公路，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，融雪水在路面凍結(jié)成冰，形成公路涎流冰。山頂積雪如圖7所示。

4 涎流冰的防治措施

本工程處于高原凍土地區(qū)，施工中通過(guò)設(shè)置擋冰墻、聚冰坑、盲溝、橋涵跨越、鋼波紋管涵、截水溝以及調(diào)整原有導(dǎo)流槽形式等綜合措施防治公路涎流冰。

4.1 擋冰墻(路肩墻)和聚冰坑

針對(duì)挖方路段坡面地表水漫流、挖方邊坡地下水以及邊坡開(kāi)挖的裂隙水引起的山坡涎流冰，可以采用在邊溝外側(cè)設(shè)置擋冰墻和聚冰坑加以解決。采用浸水路肩墻，可以有效防止涎流冰入侵路基。冰量較小時(shí)，可加大邊溝形成聚冰坑；冰量較大時(shí)，聚冰坑與擋冰墻配合使用，如圖8所示。

圖7 山頂積雪

圖8 擋冰墻和聚冰坑配合

4.2 盲溝

采用盲溝排除地下水，降低地下水位，可以有效防止地表水漫溢和地下水可能形成的涎流冰。盲溝底部采用漿砌片石溝底，坐漿漿砌，安裝聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)排水管后，按照設(shè)計(jì)要求回填碎石等滲水材料。地表加蓋保溫層，減少凍融層的凍結(jié)深度和潛水的凍結(jié)壓力，提高潛水溫度，使其可以從路基順利穿越。盲溝如圖9所示。

4.3 橋涵跨越

針對(duì)溝谷型涎流冰冬季凍脹破壞橋涵，夏季融化沖毀路基，堵塞橋涵，可以抬高路基、設(shè)置或增大橋涵孔徑，必要時(shí)增高凈空。橋涵孔徑除按最大洪水量設(shè)計(jì)外，還需以歷年最高涎流冰水位進(jìn)行驗(yàn)算，并考慮可能的蓄冰高度。橋涵如圖10所示。

圖9 盲溝

圖10 橋涵

4.4 鋼波紋管涵

針對(duì)高山冰雪融水和邊坡開(kāi)挖的裂隙水大量涌出，流入涵洞凍結(jié)形成涎流冰的現(xiàn)象，可以采用在公路下的涵洞鋪設(shè)鋼波紋管涵，有效解決涎流冰對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)的破壞。由于埋設(shè)于一般土質(zhì)地基上的鋼波紋管經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，常會(huì)產(chǎn)生一定的下沉，而且往往是管道中部大于兩端，因此，鋪設(shè)于路堤下的波紋管管身要設(shè)置預(yù)留拱度。

4.5 截水溝

針對(duì)公路兩側(cè)邊坡內(nèi)部滲水或山頂積雪融水沿坡體流向路面，形成公路涎流冰的現(xiàn)象，可以在坡面出水處設(shè)置截水溝，將邊坡滲水截?cái)嗷蚴贡┤谒毓潭ǖ姆较蛄魈剩苊庀蚜鞅下罚绊懶熊嚢踩＝厮疁先鐖D11所示。

4.6 調(diào)整原有導(dǎo)流槽形式

本項(xiàng)目工程在K68+644蓋板涵處，針對(duì)高山冰雪融水流入涵洞內(nèi)，蓄水凍結(jié)形成涎流冰破壞橋涵的現(xiàn)象，采取片石混凝土施工工藝，將原設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽形式進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)增大開(kāi)口寬度，將涎流冰引流入新的導(dǎo)流槽內(nèi)，從蓋板涵內(nèi)排出。導(dǎo)流槽如圖12所示。

圖11 截水溝

圖12 導(dǎo)流槽(單位：cm)

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及防治效果分析

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，邊坡K49+780～K50 +100坡高36.8 m，坡底長(zhǎng)60 m。確定坡體地質(zhì)分層情況由上而下依次為： 黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、碎石層、中風(fēng)化巖。在坡頂鉆取5個(gè)80 mm的井孔，井孔間隔3 m，使用現(xiàn)場(chǎng)地下水動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量?jī)x，勘測(cè)水在黃土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖以及碎石層的流速，其中，中風(fēng)化巖的地下水流速度取井孔3和井孔5測(cè)量值的平均值。K49+780～K50+100路段現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)參數(shù)如表4所示。

表5為K49+780～K50+100工前路段現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與數(shù)值模擬水流速度數(shù)據(jù)對(duì)比。由表5可知：勘測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算值吻合程度良好，證明了有限元模型的正確性和有效性。

由于邊坡內(nèi)部水的滲流，在低溫環(huán)境下，邊坡及公路上蓄結(jié)成涎流冰，涎流冰病害防治前現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果如表6所示。

表4 K49+780～K50+100路段現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)參數(shù)

表5 K49+780～K50+100工前路段現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與數(shù)值模擬水流速度數(shù)據(jù)對(duì)比表

表6 涎流冰病害防治前現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表

以不同時(shí)期病害公路段現(xiàn)場(chǎng)照片形式進(jìn)行了防治效果的對(duì)比，工前涎流冰大量上路，連續(xù)長(zhǎng)度為100～200 m，嚴(yán)重影響行車安全。工后公路上基本不出現(xiàn)或少量出現(xiàn)涎流冰，但不影響公路正常運(yùn)營(yíng)。本工程通過(guò)采用擋冰墻和聚冰坑等防治措施對(duì)該路段邊坡涎流冰進(jìn)行防治，效果明顯。

6 結(jié)論

(1)高原凍土地區(qū)，涎流冰主要由于施工邊坡開(kāi)挖的裂隙水、地下水和地面水漫溢、高山冰雪融水等凍結(jié)產(chǎn)生。

(2)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中碎石層內(nèi)部孔隙水滲流，邊坡內(nèi)總水頭從上往下順坡向依次遞減，在薄弱層呈銳減趨勢(shì)。邊坡孔隙水壓力從上往下呈遞增趨勢(shì)，順坡向呈遞減趨勢(shì)，在坡腳處達(dá)到最小值。孔隙水平向流速大小取決于坡體水源含量大小和土層滲流面大小，薄弱層水平向流速一般比其他土層或巖層水平向流速快。

(3)通過(guò)設(shè)置擋冰墻、聚冰坑、盲溝和截水溝等，可以有效防治挖方路段坡面地表水和地下水漫流、高山冰雪融水以及邊坡開(kāi)挖的裂隙水引起的山坡涎流冰。

(4)針對(duì)蓋板涵處形成涎流冰引起橋涵結(jié)構(gòu)變形，可以采取加設(shè)鋼波紋管涵和調(diào)整原有導(dǎo)流槽形式有效防治橋涵處涎流冰。

(5)對(duì)本項(xiàng)目采取的防治措施進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，公路涎流冰治理效果明顯，達(dá)到預(yù)期目的，適合在依托工程沿線推廣使用。