季节性冻土区有砟轨道路基疏排下渗模拟试验研究

刘雪冬

(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 150000)

1 引言

季节性冻土路基的防冻胀问题是世界性难题，我国季节性冻土区分布面积约占全国面积的53.5%。汪锡铭[1]针对高寒地区季节性冻土地区路基渗水盲沟的设计及施工，证明了渗水盲沟对路基冻害防治的可行性。苏丹[2]研究山区公路施工在遇到渗水路基时，采用PVC管盲沟是一种渗水路基处理的有效措施。赵富军[3]通过路基冻胀变形观测数据统计、勘察、试验等进行分析，表明深大路堑段应设置渗水盲沟。张先军[4]根据哈大高速铁路路基冻胀测量结果，对路基冻胀的水分、温度及细颗粒含量等影响因素进行分析，提出应系统梳理严寒地区无砟轨道路基防排水结构存在的问题并优化防排水结构设计。刘彬、魏永幸[5]研究客运专线铁路无砟轨道路基工程防排水体系构成及关键技术，提出路基防排水工程系统优化等关键技术问题。刘伟平[6]通过对哈大高铁路基冻胀原因分析及系统性、针对性的试验研究，提出适合严寒地区高速铁路路基冻胀监测与整治技术。寸树兴[7]等对黄岛出入境检验检疫局综合楼深基坑盲沟排水技术进行研究，将土层中的渗水截留在盲沟中引导至集水坑内排出，具有很好的排水效果。曾繁涛[8]通过对王李站地下水发育路堑处理方法的研究，确定采用渗水明暗沟方案。陈文、李欣[9]针对吉林省长平、长营等几条高速公路进行野外冻害调查，取现场钻探土样进行室内冻胀融沉试验，分析含水率及容重值对冻胀性的影响，为季冻区高速公路防冻设计和维护提供依据和资料。王东[10]针对湿陷性新黄土路堑易发生滑坡的现象，通过稳定性检算提出具体防范措施，并对复杂地质情况提出了渗水盲沟等有效处理方案。本文为降低牡绥线冻胀影响，采用渗水盲沟措施。结合现场试验、数值分析以及实际监测结果，对渗水盲沟的防冻胀效果进行评价[11-12]。

2 渗水盲沟设计

渗水盲沟设置于路肩下部，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，渗沟内填充洗净碎石，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。

渗沟每30 m及转折处均设置一处检查井，检查井采用预制拼装式，井内设防寒木盖。

沿渗沟每隔120 m，于检查井中设管井(采用DN300铸铁管，直径300 mm，长10 m)。井孔采用黏土回填，其余采用碎石回填，井底用10 mm厚钢板焊接封堵。管井周边采用玻璃纤维增强塑料丝缠裹，铸铁管周边打孔，如图1所示。

图1 渗水盲沟设计(单位:m)

3 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。

(1)试验段地质情况(见表1)

表1 试验段地质情况

(2)试验过程

按《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

由于渗井位置地质条件不同，影响半径取经验值，红旗村30 m、柳毛村15 m、兴源镇50 m，计算结果见表2。

表2 渗透系数

4 渗水盲沟数值模拟

为对比降雨后有无渗水盲沟措施的路基渗流情况，采用数值分析的方法模拟降雨不同时间后，路基土体内压力水头、含水量及渗透速度的变化情况。

4.1 数值模型

采用HYDRUS模型模拟降雨条件下路基土体渗流情况，该模型为饱和-非饱和渗流区水、热及多种溶质迁移的模型。

4.2 路基渗流数值分析

4.2.1 计算模型建立

选柳毛村区域断面为研究对象进行渗流分析，对比在设置渗沟后，降雨条件下路基的渗流变化。

柳毛村处地层主要为粉质黏土，路基表层为掺水泥级配碎石层，填料为A、B组非冻胀土，盲沟周边为渗水性级配碎石，地下水水位距基床底层3 m。

牡绥线沿线地区年降雨量在400～600 mm，50年以来最大降雨量为150 mm/d。根据上述数据，按照极端情况，采用75 mm/d的降雨量模拟连续1 d、2 d、5 d路基降雨入渗情况以及停止降雨后路基疏排情况，分析路基冻深范围内的含水量变化情况反映可能产生的冻胀变形。路基断面模型及主要水力学参数如图2及表3所示。

表3 填料主要水力学参数

图2 路基断面示意

4.2.2 渗流模型计算结果分析

(1)稳态分析

在给定水位线与水力学参数情况下，根据边界条件，计算出路基断面初始状态的压力水头与体积含水量分布情况。选择左线路肩下部2 m处点A与A′为计算点。

由初始状态路基断面压力水头分布分析，初始状态下是否设置渗水盲沟区别不大。由初始状态路基断面体积含水量分布分析可见，初始状态下，路基断面模型体积含水量由上向下递增，地下水水位线附近等值线有起伏，表层掺水级配碎石含水量最低，为3.7%；水位线以上土体及路基填料呈非饱和状态；水位线以下土体饱和，含水量为38.9%。

(2)降雨期间瞬态分析

持续降雨1 d后，由于雨量下渗未达到盲沟，因此是否设置渗沟路基断面的压力水头与含水量区别不明显，但渗沟位置附近渗透方向向盲沟聚集；与未设置渗沟断面相比，减少了向轨道下部路基本体的渗透。

降雨2 d后，由于雨量下渗已达到盲沟，周围水体向此处聚集；与未设置渗水盲沟断面相比，大幅减少了向轨道下部路基本体的渗透。

降雨5 d后，在设置盲沟情况下，盲沟附近压力水头较高，渗流流速加快，周围水体向盲沟处聚集并排出；与未设置渗水盲沟断面相比，有效减少轨道下部路基本体含水量，减少水分在路基本体的滞留时间，降低冻胀可能。

(3)停止降雨后瞬态分析

通过持续降雨5 d后不同时间的数值模拟可见，路基体压力水头与含水量向初始状态逐渐平衡，在降雨时经路肩位置入渗的水量大部分沿垂直方向下渗排出，但仍有部分水量向轨道下部路基体渗透，使得轨道距路肩一定范围内下部路基含水量稍有增加，设置盲沟措施路基断面影响范围为轨道距路肩1.0 m内，而未设盲沟措施路基断面影响范围为轨道距路肩2.0 m范围内。渗沟措施可以加快路基体水的排出，停止降雨20 d时，采用渗水盲沟措施侧轨道下方填料最大体积含水量由停止降雨时的27%(无盲沟措施为32%)，下降至14%(无盲沟措施为20%)，且此时的含水量已经比无盲沟措施排疏100 d时含水量(16%)更低。

表4与图3为不同降雨持续时间下，有无盲沟时停止降雨后左线路肩下部2 m处含水量变化情况。

表4 不同降雨条件有无盲沟时停止降雨后左线路肩下部2m处含水量变化

图3 不同降雨条件有无盲沟时停止降雨后左线路肩下部2 m处含水量变化曲线

降雨1 d与2 d，由于持续降雨结束时水量下渗刚达到点A与A′处，在停止降雨后，该处含水量先升高后持续下降；降雨5 d，持续降雨结束时水量下渗已超点A与A′处，停止降雨后，该处含水量持续下降。

当持续降雨1 d时，设渗沟疏排15 d时间含水量恢复至小于11%，未设置渗沟则需60 d；当持续降雨2 d时，设渗沟疏排30 d含水量恢复至小于11%，而未设则需超过100 d。由此可见，渗沟措施对路基本体内的水量疏排效果明显。

5 渗水盲沟措施整治效果

经现场踏勘后对以下四种工点增设渗水盲沟:监测冻胀量大于8 mm；基床地表附近有透水的地层；施工中局部有地下水出露；调查时坡脚、侧沟积水严重。以改DK396＋612～改DK396＋712工点为例。

本段线路主要以低填浅挖通过，地势左低右高，左填右挖。表层粉质黏土厚度0～2 m，下为花岗岩，全～强风化。基床表层换填0.6 m级配碎石，其下为0.1 m中粗砂＋两布一膜土工布＋0.1 m中粗砂；基床底层为1.1 m非冻胀性A、B组填料＋0.6 m A、B组填料。

(1)冻胀情况:2013-2014年度本段8～12 mm的冻胀变形分别为9.38 mm(改DK396＋662右侧)和9.1 mm(改DK396＋812右侧)，均发生在线路右侧，无大于12 mm的测点。

(2)整治措施；本段地势左倾，现场路基右侧坡脚处存大量雨雪水，右侧冻胀量明显大于左侧。为截断右侧地表渗水，于改DK396＋580～改DK396＋860右侧侧沟平台下设置渗水盲沟。

(3)整治效果:2014-2015年度该段铁路已铺轨，2013-2014年度本段冻胀变形8～12 mm有2个点。增设渗水盲沟整治后无大于8 mm变形点，冻胀变形整治效果良好(见图4)。

图4 两年度冻胀变形最大值

6 结论

(1)通过数值模拟采用与未采用渗水盲沟的情况下，持续降雨与降雨停止后不同时间路基断面压力水头、含水量、渗流流速分布，结果表明，在设置渗水盲沟情况下，盲沟附近压力水头较高，渗流流速加快，周围水体向盲沟处聚集并排出，与未设置渗水盲沟断面相比，有效减少轨道下部路基本体含水量，减少水分在路基本体的滞留时间，降低冻胀可能。

(2)牡绥线低挖浅埋段路基地形左低右高，左填右挖，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)经多个冬季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效果，与未采用渗水盲沟措施相比，最大冻胀量与平均冻胀量均有所下降。