季节冻土区几种典型分散土边坡冻害防护技术研究

刘丽佳,苏安双，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)



季节冻土区几种典型分散土边坡冻害防护技术研究

刘丽佳,苏安双，张 滨

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080)

在季节冻土区，分散土边坡由于受到冻胀、融沉的影响，极易发生冻胀变形与融沉破坏，随着分散土表面雨水冲蚀沟的形成，水分逐渐富集与入渗坡体内部，使得土坡内部的沟缝逐渐加深，破坏加大，随着冻胀变形的持续发展，边坡的整体稳定性越来越差，造成分散土边坡工程修复难、维修成本高。文章针对季节冻土区分散土边坡特有的破坏形式与冻胀特点，力求削减寒区分散土边坡的冻害程度，研究不同结构形式、种类的冻害防护技术，为实际工程服务。

季节冻土区；分散土边坡；冻害；防护技术

0 引 言

分散性黏土是一种特殊的土质，属于高纳盐渍土。这种土质含有大量可交换钠离子，遇雨水冲刷，土颗粒间黏聚力丧失完全，团聚体自行分散成原状细颗粒，导致土壤分散。边坡表面形成鸡爪冲蚀沟，坡体内部产生冲蚀溶洞，引起堤坝管涌渗漏，造成路基失稳等破坏。在中国，分散土在不同地区均有分布，北部有黑龙江的引嫩工程，南方有海南的岭落水库，东部的官路水库以及西部的引额济克水利工程，分布广，但并不连续。分散土由于自身的分散机理较为复杂，属于物理化学共同作用的结果。目前为止，尚没有成熟的理论论证分散机理。

深季节冻土区的分散土问题由来已久，黑龙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问题。破坏现象严重，虽然也相应采取了一些措施，但效果不佳，分析其主要原因，还是对分散土的认识不足，多少年来，一直关注于分散性的研究，对其冻胀特性的认知甚少，而忽视了“分散性+冻胀性”所造成的破坏[1]。文章结合分散土自身分散特性与北方季节冻土区边坡受冻胀破坏的影响，主要考虑雨水侵蚀与冻融循环作用对边坡的不利影响，提出综合治理措施，对分散土边坡进行有效防护。

1 分散土边坡受冻害破坏现状

鸡爪沟、冲蚀洞是分散土边坡典型的破坏形式。分散土遭受雨水冲蚀以后，由坡面冻缩裂缝或施工接头等薄弱环节起始，沿着坡降，冲蚀发展至坡脚位置。

裂缝逐渐向纵深方向发展，形成一道道密集分布的冲蚀沟。冲蚀沟内的土体随雨水冲刷掏空，形成内部中空的冲蚀洞。大大破坏了分散土边坡整体结构的稳定。伴随施工过程中发生的 “土体流化”现象，也对在建工程的完成与运行使用造成了不可避免的影响。形成冲蚀洞的样貌见图1。

图1 冲蚀洞

图1显示的冲蚀洞有的发生在施工前期,有的发生在工程刚刚竣工验收。经过不断侵蚀，加大破坏，历经冻融循环，工程第2年产生更多的冲蚀溶洞。尤其在在第1次通水后，便初具规模的小冲蚀洞，松嫩平原分散土段曾多处发生“土体流化”现象。冲蚀沟见图2。

图2 冲蚀沟

从图2可以看出，分散土边坡裂缝发展过程是由边坡表面至坡脚位置均有涉及；深浅不一，在坡体转角、接头等薄弱环节，产生干缩、冻缩裂缝，沿着坡面汇集水流方向造成冲蚀沟向纵深发展。鸡瓜沟的破坏特征见图3。

图3 鸡爪沟

图3段护坡鸡爪沟是分散土边坡典型的破坏特征，从图中可以看出，分散土边坡坡面裂缝逐渐加深，发展。分散土土质本身为高钠土，在较纯净的水中常产生离子的游离扩散，以致引起土体表面依次脱，土粒之间凝聚力降低,表层依次崩解脱落，分散过程显著。外界雨水作用在易分散的碱性分散土边坡上，造成分散土边坡表面裂缝逐渐发展，破坏越发严重，再加上季节冻土区冻胀融沉的影响，共同了引发了分散土坡的整体破坏。由此可以看出：有效的防冻害措施是解决季节冻土区分散土边坡冻胀破坏的关键[2-4]。

2 分散土特性影响分析

研究分散土边坡的防冻害措施，首先要了解分散土边坡在低温环境下的冻胀特性。

分散土冻胀特性试验在低温循环试验箱中完成。测定分散土的冻结深度与冻胀量的变化，分析冻胀对分散土坡的影响。表1分散土土样的物理力学指标与表2矿物相对百分含量。

表1 分散土土样物理力学指标

表2 分散土矿物相对含量

从表2中可以看出，分散土中各组分含量显示本次冻胀性分类试验的分散土具有弱膨胀性及分散性特征。

3 分散土边坡冻害防护技术

分散土的冻胀特性与分散土内部的粉粒含量、黏粒含量、比表面积、含水率、含盐量、温度、击实度等因素有关。土坡内部水分迁移与聚集是形成分散土边坡冻胀变形的主要因素。夏季雨水侵蚀冲刷分散土边坡，形成表面的冲蚀沟，分散土自身的分散特性使得勾缝不断向内部加深，加剧，勾缝逐渐增大，导致分散土边坡整体失稳，发生破坏。故对分散土边坡的防护主要考虑对分散土边坡表面进行防护，减缓雨水对坡表面的冲刷、侵蚀，在坡体内采用反滤、排水材料，降低坡体内部的侵润线，消减冻胀形成因素[5]- [8]。

3.1 砂反滤冻害防治技术

砂反滤是防止土体渗透破坏的一种有效措施，分散土的反滤机理不同于普通的黏土反滤，阻止分散土的反滤主要是防止土颗粒被水流冲走，造成土质的淋失、迁移、沉积，使其在反滤层逐渐累积板结，淤堵渗流通道。因而在要求分散土反滤的砂颗粒较之普通土反滤砂粒径小。经过砂反滤处理的分散土边坡有效的降低了坡体内部的侵润线，消减了水分迁移带来的冻胀变形。是一种很好的防冻害技术措施[9-10]。

3.2 分散土边坡表层防护

3.2.1 铰接板护坡

这种护坡是将同样规格、形状、尺寸的混凝土预制块经过连接、拼装，形成整体稳定的连锁结构。这种护坡渗水性好、坡体呈柔性、能植草并改善生态环境，且防冲刷能力强、坡面破损易修补，整体稳定[11]。见图4，护坡工程布置为混凝土铰接块加300g/m2聚酯长纤针刺土工布结构，坡比为1∶2.5，盖板网格规格为8cm×10cm，固脚采用60cm×80cm格宾网箱加土工布型式。

图4 预制混凝土铰接块护坡结构示意图

经过3个冻融周期后，从现场实际工程的观测分析发现：

1)铰接板护坡表面无明显沉降变形，冻胀适应性较好，历经多次冻融循环后，表面无冲蚀沟产生，冲蚀溶洞发展缓慢。

2)植被生长情况较好，水位线以上植被覆盖率显著提高，可接近90%以上。

3)排水结构设置合理，格宾固脚有利于坡体的排水与反滤，降低坡体侵润线，减小土体含水率，对于高地下水位的土质边坡能有效减缓冻胀发生。

4)表面整体防护对分散性土坡，可以减缓雨水冲蚀。

图5 雷诺垫结构示意图

3.2.2 雷诺垫护坡

雷诺垫是在辛高尔凡笼内填充粒径在7-15cm范围内的卵石护坡，这种结构施工速度快，对坡面防护效果好，表面的柔性结构，能够很好的适应渠坡变形，在寒区应用广泛。图5为雷诺垫护坡结构图，工程布置为23cm雷诺垫护坡+300g/m2土工布结构，固脚同样采用格宾网箱加土工布包裹。

图6 雷诺垫护坡工程实例

如图6所示，经过3个冻融周期后，雷诺垫护坡的试验工程整体完整、稳定：

1)雷诺垫护坡在历经多次冻融循环后，坡面无明显的沉降、变形，无裂缝产生，对边坡土体的防护效果明显，护坡结构完好，整体稳定，冻胀适应性良好。

2)坡体排水结构有效的减缓冻胀发生，固脚位置无滑坡破坏，适用不同水位的土质边坡防护结构[12]。

3.3 蜂巢约束系统结构护坡

蜂巢约束系统结构护坡是九十年代开始应用的一种新型土工合成材料护坡结构，这种护坡是在土工格室中填充碎石、卵石，表层覆土，近年来在国内外已被广泛应用于坡面防护中。其特点如下：

1)格室内充填碎石其重力稳定性与格室的整体防护性能相结合，结合无纺布反滤排水效果，有效地起到了防护边坡的目的。

2)每个独立封闭的格室可以缓解水流冲蚀，减缓风浪对坡面的淘刷，起到良好的坡面防护效果。

3)格室中的级配碎石粒径为3-8cm，孔隙中可充填种植土，植被覆盖率高，生态景观性好，坡面植被也可起到固土减缓水流冲击和渗透水流的反滤作用。

4)土工格室的尺寸结构可根据实际工程坡度的大小选择合适的高度与焊距，以便获得最佳的防护效果和经济效益。见图7。

图7 蜂巢格室护坡结构示意图

图8 蜂巢格室护坡工程实例

本次蜂巢格室设计采用蜂巢格室填充碎石+300g/m2土工布结构，固脚采用60cm×80cm格宾网箱+土工布结构。从图8中可以看出，经过3个冻融周期后，蜂巢约束结构在迎水坡面经受了水流的冲刷与侵蚀，降低了坡内水位线，消减了冻胀破坏。

3.4 不同分散土边坡冻害防护技术特点分析比较

不同分散土边坡冻害防护技术特点比较见表3：

表3 分散土护坡防护效果比较

4 结 语

通过对季节冻土区分散土边坡冻胀破坏的调查，冻胀成因的分析，以及防冻胀效果的评价，总结多种形式的防冻害措施应用于季节冻土区分散土边坡上。包括改良土防冻害技术、反滤砂防冻害技术、分散土边坡表面防护等防冻害技术，通过现场实际工程的应用效果来看，在经历几个冻融循环以后，这些防冻害技术均起到了很好的防冻胀效果。今后可将这些防冻害技术应用于分散土边坡上，在季节冻土区得到更广泛的推广与应用。

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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”计划项目(200916)：水利部公益性行业科研专项(编号201001027)。

刘丽佳(1984-)，女，黑龙江大兴安岭人，工程师，硕士，从事冻土力学、岩土力学、水利水电工程研究；苏安双(1980-)，男，辽宁铁岭人，高级工程师；张滨(1957-)，男，辽宁沈阳人，教授级高工。

P642.14

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