疏排下渗措施在铁路路基防冻胀技术中的应用研究

苗 慧

（中铁二十二局哈尔滨铁路建设集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150006）

1 引言

发生冻胀必要因素是足够低温、水源补给以及适宜的土质。当三个条件都满足时，路基就会不可避免地发生冻胀。其中，适宜发生冻胀的土质受土颗粒影响十分显著。水是发生冻胀的主要因素，当土体含水量超过其起始含水量，土体冻结时便会产生冻胀［1-4］。当地下水位较高时，冻结锋面水分补给充分，土体冻胀性也会明显增强［5］。牡绥线低挖浅埋段路基地形左低右高，右侧易汇水积水，通过监测普遍发现类似工点路基右侧冻胀变形最大，中间其次，左侧最小。说明汇水地段的低挖浅埋段路基在汇水一侧宜设置渗水盲沟，保障路基本体排水通畅，减小冻胀性。

2 工程背景

牡绥线线路全长约138 km，其中路基长度53.2 km，正线采用有砟轨道。线路通过地区主要为低山丘陵及中低山区两个地貌单元。牡丹江至爱河为低山丘陵区，山势低缓，地形起伏，冲沟发育，植被茂盛，丘间洼地多有沼泽，喜水杂草茂密，海拔高程在200～600 m；爱河至绥芬河线路多经过中低山区，山势陡峭，峰峦连绵，切割深度较大，高差多在300 m左右，植被发育，海拔高程在1 000～1 100 m。

线路通过主要地表河流有牡丹江、海浪河、马桥河、穆棱河、细鳞河、小绥芬河等，常年流水，均属松花江水系。沿线地下水按赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙潜水，局部具有承压性。孔隙潜水主要分布于第四系砂类土及碎石类土中，埋深0.7～3.5 m，水位变化幅度2～3 m。沿线大部地区属于中温带湿润气候区，四季分明，冬季干旱漫长，夏季湿热短暂，春季多风。按对铁路工程影响的气候分区，属严寒地区，历史极端气温-38.3℃。沿线土壤最大冻结深度见表1。

表1 沿线土壤最大冻结深度

3 技术方案

3．1 渗水盲沟措施设计

渗水盲沟设置于左侧护道下部，盲沟右侧1 m翼缘搭在筏板或桩帽边上。渗沟沟底纵坡原则上同线路纵坡，困难地段不小于2‰。渗沟底宽1.2 m，垂直开挖，渗沟内充填洗净碎石，下设C25混凝土基础，厚0.2 m，基础底部设置4%排水坡，其上设φ315 mm PVC带孔双壁波纹渗水管，在渗沟左侧及上侧设置一层不透水土工布，右侧及下侧采用一层透水土工布反滤层包裹［6-7］，如图 1。

渗沟每隔30 m及平面转折处均设置一处检查井，圆形检查井采用预制拼装式，并在井内设置防寒木盖。沿渗沟每隔120 m，于检查井中设管井。管井采用 DN300铸铁管，直径300 mm，管井长10 m。管井上部2 m的井孔采用黏土回填，其余井孔采用碎石回填。管井底采用10 mm厚钢板焊接封堵，周边采用玻璃纤维增强塑料丝缠裹，缠丝间隙2 mm。铸铁管周边打孔，孔径5 mm，间距20 mm，如图2。

图1 渗水盲沟设置示意（单位：m）

图2 管井示意（单位：m）

3．2 地下水位情况

根据水位监测发现，冻结期间，包括一般路堤、地下水路堑及过渡段各工点范围内的地下水位均呈逐渐降低趋势，三个区域水位变幅（降低值）在0.13～0.31 m之间。针对地下水路堑、浸水路堤等地下水水位较高地段进行了水位监测，分析地下水水位变化对冻胀变形、含水量及冻深的影响。

3．2．1 地下水位与冻胀变形

典型段落地下水位与冻胀变形随时间变化曲线如图3所示，图4为DK416+800处设计断面。

（1）冻期前，本工点地下水位约1.9 m，进入冻期后，地下水水位不断降低，降低幅度较小，最深至2.7 m，进入3月份后，水位又逐步提升；另外本段路基中心冻胀变形较大，达10.96 mm，为自动监测最大变形断面［8-9］。

图3 典型断面地下水位与冻胀变形、含水量随时间变化关系曲线

图4 DK416+800设计断面（单位：m）

（2）基床表层级配碎石含水量冻期前稍高，约13%；进入冻期后含水量有降低趋势，保持在5%左右（初析原因为水分下渗，或部分转换为冰晶）。基床底层的填料部分含水量较低，保持在3%以下，基床底层含水量又明显增大，在25%～30%之间。

（3）本段为浸水路堤，路堤基床表层填筑0.6 m级配碎石，基床底层为1.9 m非冻胀性A、B组土，基床以下护道以上填筑A、B组或C组填料，护道以下填筑渗水土。2013-2014年度冻胀变形较大，采取挖除基床表层，重新施作，基床表层级配碎石掺入5%水泥等整治措施，2014-2015年度仍产生较大冻胀变形。

3．2．2 地下水位与冻结深度

统计4个区域地下水距路基面距离与冻结深度的关系，如表2和图5所示。

表2 地下水距路基面距离与冻结深度关系 m

图5 地下水距路基面距离与冻结深度关系曲线

由表2和图5可知：

（1）地下水距路基面距离越大，冻结深度越小，冻结基本发生在地下水距路基面较近区域；距离超过2.4 m后，各冻结深度最大值的平均值基本保持不变。

（2）根据地下水埋深的不同，地下水对冻深的影响也不同。若地下水埋藏深度很浅，冻结锋面可以接触到地下水位线；若地下水埋深超过了冻深，冻结锋面在地下水的毛细作用带内，冻深由毛细作用的强度决定；若地下水埋深大，毛细作用带完全在冻层之下，地下水对冻深就没有影响。

4 渗水盲沟现场试验

根据全线渗井、盲沟调查情况，选择红旗村、柳毛村、兴源镇三段地质条件不同的渗井进行抽水及注水试验，验证渗井将地表水导入地下含水层的能力，在此基础上进一步确定渗井布设的合理间距［10-11］。

（1）试验段落地层情况（见表3）

表3 试验段地层情况 m

（2）试验过程

按照《铁路工程地质手册》相关抽水及注水试验要求，对试验段落内的两处渗井分别进行抽水与注水试验，抽水（或注水）试验后待水位完全恢复再进行下一项试验。

（3）渗透系数计算结果

由于渗井进入含水层仅10 m，属于潜水非完整井，渗透系数K采用公式（1）计算。

式中，Q为涌水量（m3／s）；R为影响半径（m）；r为渗井半径（m）；L为过滤器有效渗透部分长度（m）；S为水位降深（m）。

由于渗井位置地质条件不同，影响半径根据经验取值，红旗村取值为R＝30 m、柳毛村取值为R＝15 m、兴源镇取值为R＝50 m。各段渗井渗透系数计算结果见表4。

表4 试验段渗井渗透系数计算结果

5 渗水盲沟措施防冻胀效果

根据牡绥沿线地区近10年降雨情况统计，最大月降雨量约为150 mm。渗水井的布设间距为120 m，沿线地势平坦，浅层地层主要为黏性土，结合经验考虑垂直线位方向汇水距离为10 m，汇水面积为1 200 m2。因盲沟设置于黏性土层，降雨后大部分地表水随地表径流排泄，少部分入渗至地下。黏性土入渗系数为0.01，根据渗井现场试验结果，渗透系数平均值为4.5×10-5m／s。按照上述参数计算最大月降雨量为150 mm时，每个渗井段落渗入防冻层的水量为Q、渗井排水时间T可按公式（2）计算。

式中，A为渗井井口面积；K为渗井渗透系数。

如月降雨量为150 mm时，渗入防冻层的水量由渗井完全排出需要约6 d，仅为降雨时间的1／5。因此现有渗井的设置间距以及渗水能力完全可满足雨季排水要求，不会因渗水不利而导致路基防冻层水分的补给。对21段设置渗水盲沟段落进行盲沟施作前后路基冻胀监测数据对比分析，结果如表5所示。

表5 渗水盲沟段落路基冻胀变形量统计

由表5可知，在渗水盲沟施作前，2013年冬季冻胀监测值小于4 mm的比例为83.91%，且存在多个冻胀量大于8 mm的监测点。渗水盲沟施作后，2014年冬季各监测点冻胀值小于4 mm的比例提高至94.27%，而2014年冬季上述渗水盲沟段落冻胀量全部小于4 mm。

图6为各段落三年最大冻胀量监测结果。2014年冬季设置渗水盲沟段落最大冻胀量与2013年冬季相比明显下降，但仍存在冻胀量大于4 mm的监测点，而2014年冬季在路基全部填筑完成并铺轨的情况下，该段落所有监测点冻胀量均小于4 mm。尤其是DK14+950～DK17+000、DK34+000～DK35+950、DK43+300～DK44+500、DK87+500～88+150、DK117+650～DK118+250各段落最大冻胀量下降明显，最大冻胀量基本控制在4 mm以下。在排水条件困难的区段，采用渗水盲沟措施有利于路基本体水量的疏散，对路基防冻胀起到有益作用［12］。

图6 2013-2015年冬季各断面最大冻胀变形量

如图7所示，以柳毛村为例，反映了三年冬季该断面冻胀量随时间变化的情况。三年冻胀量最大值均出现在2月中下旬。但渗水盲沟施作前后，冻结速率及最大冻胀量均有所减小，2014年冬季冻胀规律与前两年度稍有区别，12月底已进入冻胀维持期，且最大冻胀量维持在4 mm以下，3月中旬进入冻胀回落期，并在4月中旬冻胀变形基本回落。根据监测结果，2014年冬季各段落监测点最大冻胀量为3.9 mm，低于2013年冬季该段落最大冻胀量9.5 mm，与2013年冬季监测结果相比（最大冻胀量12.7 mm）最大冻胀量下降69%，渗水盲沟对降低冻胀量起到了一定的效果。

图7 柳毛村2013-2015年冬季冻胀量变化情况

6 结论

（1）路基防排水措施不到位，疏排不利导致路基本体含水量高、冻胀性偏大，是严寒地区各线路发生冻胀的主要因素。严寒地区路基防冻胀结构设计中有效的防排水措施是降低路基发生冻胀变形的关键。防排水结构不仅包括路基表面封水以及排水沟渠，同时也应考虑路基填料的排水性能以及渗水盲沟等地下排水措施。防排水设计时应充分考虑现场地形地势条件，确保排水通道通畅［13］。

（2）牡绥线低挖浅埋段路基地形左低右高，右侧易汇水积水，通过监测普遍发现类似工点路基右侧冻胀变形最大，中间其次，左侧最小。说明汇水地段的低挖浅埋段路基在汇水一侧宜设置渗水盲沟，保障路基本体排水通畅，减小冻胀性。

（3）硬质岩地段路堑基床的横向排水坡应保持一定坡度且应平整，建议采用混凝土找平，否则表面易积水，冻胀性偏大。

（4）经过三个冬季的现场监测与结果分析，渗水盲沟措施对降低路基冻胀量起到了一定的作用，与未采用渗水盲沟措施时相比，最大冻胀量与平均冻胀量均有所下降。