西北地区公路涎流冰病害分析及新型防治措施研究

2021-12-21胡佳佳

甘肃科技纵横 2021年10期

胡佳佳

摘要：对于我国北方山区的公路而言，在寒冷冬季常会出现涎流冰病害，该病害的产生对公路的建设、运营、养护均带来了极大的困扰，严重时甚至威胁到行车安全性，给人民的生命和财产安全带来了极大的危害。鉴于此，本文以甘肃省在建的泾源至华亭高速公路工程为依托，通过现场调查、资料查阅等方式整理分析了该公路工程涎流冰病害的形成原因，并在基于保温、集水、引流的处治原理上，综合考虑有效防治、易于施工、节省成本等特点提出了针对挖方边坡单个及小面积框格梁内涎流冰病害治理的新型防治措施，旨在为西北地区涎流冰病害处治提供科学依据及工程指导作用。

关键词：涎流冰;保温板;干砌片石;排水管

中图分类号：U416.1

0 引言

涎流冰是季节性冻土地区冬季公路工程所遇到主要病害之一。在寒冷气候条件下，山区公路挖方边坡截断地下含水层，随着气温的降低，地表向下冻结，季节冻融层发生变化，使原来的冻结层上潜水变成承压水。承压水随着上部冻结层的加厚和过水断面的减小，其压力逐渐增大，在地表盖层薄弱处被挤出或在水头压力下破坏盖层，使地下水流出，漫流在路面上，从下而上逐层冻结，漫延整个路幅，形成可达数十米乃至百余米冰体，这样的冰体在道路工程中称为涎流冰，冰雪消融以后，又给公路带来翻浆、滑塌、路基水毁等病害。由于其危害严重与影响范围广，已引起国内外有关工程领域的密切关注。

在数值模拟研究方面：李海亮[1]、徐世强[2]等人均通过有限元软件MIDAS-GTS对挖方边坡的渗流耦合进行了数值模拟，并分别提出了挡冰墙和聚冰坑以及蓄冰沟与渗井相结合的涎流冰处治措施;长安大学的李哲[3]、张浩[4-5]、等人都以铜川到黄陵高速公路为依托，通过有限元模拟对涎流冰的成冰机理进行了分析，并基于涎流冰形成的密闭三层体系的冻结—压力作用和内部发育机理的基础上提出了多种涎流冰处治措施。

在试验研究方面：徐世强[2]通过饱水粗粒土与饱水细粒土的冻结试验，得出饱水粗粒土的冻结是形成公路涎流冰的内部条件，三层体中形成的密闭体系是其形成的外部条件的结论，并根据其病害形成原理和成因分析，提出了蓄冰沟与渗井相结合的涎流冰处治措施;张景焘[6]在现场工程试验的基础上，运用综合模糊评价方法提出了边坡渗沟与仰斜式排水孔联合治理边坡涎流冰病害的方法，并在实体工程中进行了验证。

在理论研究方面：陈登春[7]、耿万国[8]等人在分析涎流冰形成原因的基础上，提出了排、挡、积、截等措施进行综合处治;田学军[9]等人通过仰斜式排水孔孔深计算以及渗井的流量、孔径等理论计算提出了仰斜式排水孔与渗井相结合的涎流冰处治办法。

综上所述，我国研究人员对于涎流冰的治理已经有了一定的研究成果，但是研究范围大多为高海拔、寒冷地区公路涎流冰病害防治，而针对寒冷与温和气候过渡区、黄土地区公路涎流冰病害方面的研究内容还很滞后，而對于甘肃等西北地区涎流冰防治的研究内容而言就更加稀缺。鉴于此，本文以泾华高速公路为依托，通过现场调查结合工程经验的方式提出了集保温、集水、引流为一体，并对单个及小面积框格梁内涎流冰病害治理具有针对性的新型防治措施。

2 工程概况

泾华高速公路K1+130～K3+430段路线以路基形式通过，该段路基主要以半填半挖形式

布设，路基挖方深度10～37m，挖方坡面采用框格梁加植生袋防护。坡体内部设置仰斜式排水孔，坡口设置截水沟、急流槽、吊沟等排水设施。

K1+130～K3+430段路线通过双疙瘩梁山前斜坡，坡面呈缓坡状台阶状且现均已开垦为农田。山坡坡面覆盖软土，土质疏松、含水量高、土体呈软状，土厚2～3m，坡体呈台阶状，沿台地土坎边缘有多处渗水，坡脚有常流水，流量0.08L/s生长水草，坡面土体受水浸泡多呈软塑状。沟谷地区地层呈多层结构，岩性上部为粉质粘土层，黄褐色，稍湿，稍密，小孔隙发育，土质较均匀，含钙质斑点，粉粒为主，含少量植物根系，厚约1～2m;下部为粗砂、淤泥质土和粉质粘土，局部夹卵石层，粗砂，黄褐色，湿，稍密，砂质较均匀，一般粒径0.5～2mm，含量约占55%，夹少量砾石，粘土充填;淤泥质土，灰黑色，饱和，软塑，土质不均匀，偶见砾石，可见已碳化成黑色植物腐殖质，土体具有腥臭味;粉质粘土，黄褐色夹浅红色，稍湿，中密，小孔隙发育，土质不均匀，含较多砾砂及钙质结核，含量约占20%，可见最大粒径20mm，粘粒含量较高;卵石层，青灰色，稍湿～饱和，稍密，一般粒径20～35mm，含量约占55%，最大粒径45mm，局部夹块石，粒径约65mm，砂土充填，磨圆度差，呈亚圆状，分选性差;下伏古近系砂质泥岩，砖红色，泥质结构，层状构造，抗风化能力差，刀切面较光滑，遇水易崩解，暴晒易龟裂。

该段路线经过六盘山～关山山地属半湿润温冷气候小区，降水集中在7、8、9三个月，降雨量大，由于坡体含水量大，冬季气候寒冷，地下水自下而上逐层结冰，形成涎流冰蔓延于坡面上，部分涎流冰覆盖在路面上，对行车安全以及边坡稳定造成巨大的威胁。经现场调查发现，泾华高速公路K0+215.6 ～K3+540段于2020年冬季出现了大量的涎流冰病害，如下图1所示。据统计，该段落涎流冰出现共26处，长度为270.3m，面积共1544.48m2，具体情况见下表1。

3 涎流冰新型防治措施

通过上述“涎流冰病害段落及规格统计”表分析可得，泾华高速公路涎流冰病害的呈现形式以零散、局部分布为主，且其基本出现在第一级边坡坡面上。同时可得，各段涎流冰病害段落均较短，最短段落为2.5m（K3+257.5～K3+260），为一个框格的长度，涎流冰覆盖范围为该段落一级边坡中第一及第二框格位置;最长段落为30.6m（K1+475～K1+505.6），如上图1（d）所示，涎流冰从一级边坡上部的抗滑桩挡土板间渗出，顺坡面漫流直至右侧行车道路面上，该段落涎流冰覆盖范围较广，若不及时处治，在道路通车后极易引起车辆侧翻，对行车安全存在巨大的威胁。

为此，针对泾华高速涎流冰“零散分布、局部蔓延”的呈现形式，在基于“保温引流”的原则上，提出了单个及小面积框格梁内涎流冰病害治理的新型防治措施。其处治形式如下图2、图3 所示。

如上图2、图3所示，在出现涎流冰的框格内先移出植生袋，然后在该框格内垂直坡面人工开挖1.0m（自框格梁底部起算）深范围，并开挖50cm宽台阶。为防止开挖过程中上部土体坍塌，开挖之前在涎流冰所在框格顶部横梁上方人工打入钢管桩以起到预支护作用，钢管桩直径为60mm，壁厚5mm，每根钢管桩长度均为2.5m，间距为50cm布设，钢管桩中填充M10砂浆以提高其抗剪强度。开挖范围内台阶采用干砌片石码砌后放入90cm深石笼，石笼底部放入Ø200mm带孔PE管，带孔PE管外侧包裹透水土工布。石笼内部填充干砌片石，然后在石笼顶部铺设复合土工膜（两布一膜），再铺筑10cmEPS保温板，最后恢复框格内植生袋。

出现涎流冰框格所对应的碎落台位置处，开挖80cm宽的沟槽，开挖长度为自框格内部台阶范围起至边沟下渗沟位置处结束，开挖坡率为12%，沟槽开挖完成后在其底部设置坡率为12%的带孔PE管，开挖范围自碎落台顶部往下60cm范围内采用素土回填，其他部分采用干砌片石码砌。

干砌片石采用石料應选用耐风化的硬质岩，要求其抗压强度≥30MPa;片石最小厚度≥15cm，其中一条边长≥30cm，体积≥0.01m 。

4 施工过程指导

为指导施工及确保工程质量，施工过程应按下列工序严格逐步逐项进行。

（1）干砌片石采用石料应选用耐风化的硬质岩，要求其抗压强度≥30MPa;片石最小厚度≥15cm，其中一条边长≥30cm，体积≥0.01m 。

（2）框格内开挖及回填均采用人工施工，不对框格梁造成破坏。

（3）若最底部一个框格内出现涎流冰，则仅处治底部框格;若中间框格出现涎流冰，则处治底部及中部框格;若顶部框格内出现涎流冰，则上中下三个框格均进行处治。

（4）每个框格处治之前均采用钢管桩进行支护，施工时沿路线前进方向间隔施工，横断面方向施工顺序按照先顶部再中部最后底部的工序进行。

5 结束语

本文结合工程实际，对挖方边坡坡面出现的涎流冰采用保温集水引流措施进行防治。该处理措施施工简便、对单个框格及小面积涎流冰处理效果明显，其研究成果可为西北地区公路建设中所遇到的坡面局部涎流冰病害处治提供科学依据及工程指导作用。

6 参考文献

[1] 李海亮，丁姣月，段德峰，梁斌.高原冻土地区公路涎流冰的成因分析及防治[J].河南科技大学学报（自然科学版），2021，42（01）：61-67+6.