川藏寒区道路边坡涎流冰防治措施试验研究

2023-01-30刘亚雄吉安娜高文杰王国生

水文地质工程地质 2023年1期

赵文，刘亚雄，吉安娜，高文杰，王国生

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031）

在寒冷气候条件下，地表水或地下水露头，并沿斜坡表层一直渗漏到路面，由下至上在短时间内凝结成冰状，这样的冰体在道路工程中称为涎流冰。涎流冰是高寒地区普遍存在的一种地质病害现象[1]。我国东北、西北及青藏高原，北美、北欧等地区均存在不同程度的涎流冰病害问题[2−3]。涎流冰于路面形成冰面，在反复冻融过程中，诱发众多工程灾害[4−6]。融水渗流至路基内导致路基破坏、道路翻浆等破坏。冻结成固体冰锥体，还将对路基支挡结构产生冻胀破坏[7]，影响车道行人正常运作和安全。涎流冰融化渗水还将影响斜坡稳定性，加速边坡破坏。青藏高原地区因其特殊的地质环境和气候条件，尤其利于涎流冰的形成。

国内外很早就对涎流冰的形成机理、影响因素及工程防治开展了研究[8−11]。王泽浩等[12]认为涎流冰是地下水下堵、露头结冰、解冻融化、消失以及再孕育结冰的连续过程。王影等[13]研究了公路涎流冰形成特征、条件及分类，认为形成公路涎流冰最关键的是扰动三层体的存在与密闭水体的冻结-压力作用，其他因素则决定了涎流冰的规模和持续的时间。张雪华[14]研究了高寒林区道路涎流冰的防治措施，提出涎流冰的防治关键在于查明病害段的水文地质条件。刘宏伟等[15]提出采用塑料防水板、软式透水管、保温层等方法治理路基边坡渗水形成的涎流冰。马磊[16]总结新疆公路涎流冰的治理经验，提出在注重防治设计的同时，还应加强病害点的调查和预测。朱银桥等[1]以西藏那曲至嘉黎公路为例，有针对性地提出绕避、阻挡、排导、加高路堤等治理措施。李海亮等[17]针对西藏羊八井至大竹卡段公路涎流冰问题，提出采用挡冰墙和聚冰坑等综合措施防治边坡涎流冰。张浩[18]针对铜川——黄陵公路涎流冰问题，提出积冰法、挡冰法、含水层侧移分流法、保温渗沟法、含水层延续法等方法进行防治。Saarelainen等[19]提出保持地下水流动温度恒温性的涎流冰防治措施。Varlamov等[20]指出地表水的增温效应降低导致坡下冻土区的形成，保温绝缘材料对坡体具有轻微冷冻作用，提出需采取降低地面温度的防治措施。

川藏寒区由于地形地质条件恶劣，交通建设落后，道路等级较低，在道路建设中对涎流冰的防治重视程度不高，涎流冰病害问题突出。在未来藏区高速公路及铁路建设中，涎流冰病害问题是影响工程建设及安全运营的重要因素。而上述涎流冰防治方法有些具有明显地域性特征，并不能完全适应川藏高寒区路基边坡涎流冰防治。青藏高原环境恶劣，材料运输困难，涎流冰防治宜就地取材，方便施工。本文基于川藏交通廊道涎流冰野外调查和卫图判识，分析该区涎流冰分布特征。利用实际涎流冰路基边坡土体建立溢流型涎流冰物理模拟试验模型，基于防排水原则，进行不同措施涎流冰防治效果对比试验，为川藏寒区道路路基边坡涎流冰防治提供参考。

1 川藏交通廊道涎流冰发育特征

川藏交通廊道区冬季最低气温约−30 °C，从每年10月底到次年的2月份平均气温均在零下。该区年平均降水量896 mm[21]。由于雪层覆盖和地表植被使水分蒸发受到影响，丰富的地下水被储存在地表浅层中，为涎流冰的发育提供了有利条件。通过卫星图像识别和现场调查，对川藏交通廊道东段（G318、G319、G215、G248国道等）涎流冰进行调查。共调查涎流冰2 369处，其中现场调查387处，卫图判识1 982处，调查点分布如图1所示。涎流冰类型主要有坡面溢流型、坡脚渗流型、沟谷型、土石界面型、基岩裂隙型等，各类涎流冰如图2所示。

图1 川藏交通廊道涎流冰调查点分布图Fig.1 Distribution of extruded ice along Sichuan——Tibet Traffic Corridor

图2 涎流冰主要类型Fig.2 Main types of extruded ice

对川藏交通廊道区调查获取的2 369处涎流冰分布特征进行统计，结果如图3所示。统计表明，涎流冰以坡面溢流型为主，占71.7%。涎流冰出露部位集中于缓坡，占比54.8%。涎流冰发育区边坡坡度集中于10°～25°，合计占72.0%（特别是15°～20°，占30.4%）。涎流冰发育区集中于海拔3 500～4 500 m区域，占89.3%。针对广泛发育的对道路路基边坡影响较大的坡面溢流型涎流冰，本文采用模型试验的方法研究其防治措施。

图3 涎流冰分布统计Fig.3 Statistics of extruded ice

2 路基边坡涎流冰防治模型试验设计

涎流冰形成的关键因素是负温和地下水。路基涎流冰病害防治关键在于及时疏导地下水或阻隔地下水。通过室内模型模拟试验，对比研究渗水材料换填和铺设防水土工布等措施对坡面溢流型涎流冰防治的效果。

2.1 模型设计

调查统计表明，溢流型涎流冰的边坡覆盖层厚度多小于3 m（占73%），地下水埋深也多小于3 m（占56%），含水层厚度多小于5 m（占59%），坡度集中于10°～25°（占72%）。因此以边坡土层厚4 m、地下水位0.5 m为原型设计试验模型。模型几何相似比取1∶10，即模型土层厚40 cm，地下水位埋深5 cm，边坡坡度15°。考虑边界效应，并对比边坡宽度，试验模型左右两侧各取40 cm，设计模型总宽度为80 cm，模型框架底长150 cm、坡高100 cm。模型剖面如图4所示，模型实物如图5所示。

图4 试验模型及传感器布置剖面Fig.4 Model and sensor layout section of the experiment

图5 试验装置Fig.5 Test apparatus

试验土样取自邦达地区某涎流冰路基边坡工点，土体为角砾土，天然密度为1.78 g/cm3，渗透系数为0.013 cm/s。试验使用的含砾粗砂渗透系数为0.056 cm/s（角砾土的4.3倍），卵石渗透系数为0.142 cm/s（角砾土的10.9倍）。

2.2 试验装置

模型框架采用镀锌槽钢及不锈钢螺丝固定。侧面采用高强植筋胶粘接1 cm厚有机玻璃，便于观察模型边坡涎流冰形成过程。框架搭接完成后，在内部铺设防水卷材防止渗漏。随后，在模型内部堆建高约30 cm的楔形土体斜坡，并用防水卷材覆盖，模拟隔水层。供水装置为带流量控制开关的20 L储水桶，采用调节式输水滴管控制流量，确保试验过程渗流稳定。

试验制冷装置由压缩机、蒸发器和冷凝器组成，蒸发器由导热性好的铜管组成，经试验测试，制冷时其表面温度可达−20 °C。坡面上铺防水布，防止铜管制冷过程中与土体表面冻结在一起。铜管上部覆盖保温棉，提高制冷效果。

试验过程中对孔隙水压力及土体温度进行监测，监测点如图4所示。左侧试验组（左坡）按一定间距埋设孔隙水压力传感器LP-1、LP-2，温度传感器LT1——LT4；右侧实验组（右坡）相应位置埋设孔隙水压力传感器RP-1、RP-2，温度传感器RT-1——RT-4。考虑到设计冻深达到地下水位，因此温度传感器埋深5 cm；而孔隙水压力传感器应布置在非冻结土层中，设计其埋深为25 cm。后文在分析左、右坡孔隙水压力时，取两个孔隙水压力的平均值，并分别记为LP、RP。温度传感器采用PT100热电阻感温探头，测量范围为−50～200 °C，测量精度为 0.15 °C，预期温度范围是−10～15 °C。孔隙水压力传感器由CM-1A-10静态电阻应变仪连接微型渗压计组合而成，压力测量范围为−10～200 kPa，测量精度为 0.1 kPa。

2.3 试验方案

设计3组涎流冰防治模型试验，分别采用含砾粗砂换填（试验1）、卵石换填（试验2）和防水土工布隔水（试验3）。模型左坡为采取措施试验边坡，右坡为自然无处理（未处治）边坡，中间用防水土工布隔开，各组试验左、右坡剖面如图6所示。考虑到含砾粗砂及卵石层的渗透系数为原土层的4.3～10.9倍，设计换填层厚度为总土层的1/4，即10 cm。左右对照组边坡以相同水头压力渗水，渗流稳定后，开启制冷装置。

图6 试验方案Fig.6 Test scheme

3 涎流冰防治效果试验对比

3.1 含砾粗砂换填

右坡采用角砾土分层铺设；左坡换填层铺设完成后，在含砾粗砂表面铺填与右坡相同的角砾土作为覆盖层。边坡模型填筑过程如图7所示。

图7 边坡模型填筑Fig.7 Slope model construction

（1）渗流及冻结特征

试验开始后，打开供水装置使左右坡同时渗水。左右坡内部冻结前的渗流特征有所不同。1.2 h后左坡坡脚地下水渗出，而右坡坡脚在5 h后出现渗水，且左坡坡脚渗流量明显大于右坡，说明含砾粗砂换填后，有利于地下水疏导。如图8所示，90 h持续制冷后，左坡坡脚局部形成涎流冰，地下水自然溢出，右坡坡脚形成较大规模的涎流冰，而左坡坡体中涎流冰面积明显小于右坡。与右坡相比，左坡地下水流速更大，在相同的制冷环境下涎流冰更难形成，说明地下水流速增大可抑制或减缓涎流冰的形成。

图8 含砾粗砂换填试验边坡涎流冰分布Fig.8 Distribution of extruded ice in gravel-bearing coarse sand backfill slop experiment

（2）坡体温度

试验过程中边坡温度变化特征如图9所示。右坡内部温度在制冷15 h后降到0 °C以下，而左坡在制冷40 h后降到0 °C以下。制冷70 h后，两侧边坡10 cm深度处均降到0 °C以下。右坡温度整体上低于左坡，左坡冻结温度最低约−2 °C，右坡最低约−4 °C。其原因在于含砾粗砂换填边坡地下水渗流速度更快，流出水量更多。

图9 含砾粗砂换填试验坡体温度Fig.9 Temperature in gravel-bearing coarse sand backfill slop experiment

（3）孔隙水压力

试验过程中边坡孔隙水压力平均值变化如图10所示。两侧边坡含水层孔隙水压力整体变化趋势基本一致，均为初期呈负压减小，中期开始正压增大，后期正压减小并趋于平稳。两侧边坡初始阶段均呈现负压是由于坡面冻结时，水分向冻结面迁移造成的[22]。右坡出现两次峰值压力，分别是制冷16 h后上升到7 kPa和制冷58 h后上升到17 kPa。这是由于右坡在制冷16 h后，坡脚地下水渗出形成涎流冰，地下水受阻，孔隙水压力增大；地下水从边坡侧面溢出后孔隙水压力减小，坡面溢出的地下水再次冻结形成涎流冰，造成地下水继续受阻，地下水位抬升，孔隙水压力继续增大。制冷约70 h后，地下水在模型边界蒸发器未覆盖区域溢出，孔隙水压力基本稳定。而左坡孔隙水压逐渐上升达到峰值后，稍有减小并趋于稳定。左坡在制冷过程中，覆盖层及部分含水层冻结，压缩了含水层过水断面，孔隙水压力稍有增加。

图10 含砾粗砂换填试验孔隙水压力Fig.10 Pore water pressure in gravel-bearing coarse sand backfill slope experiment

3.2 卵石换填

（1）渗流及冻结特征

开启供水装置后边坡土体由干燥状态转变为浸润状态。0.5 h后左坡坡脚地下水沿模型边缘滴落，6 h后右坡出现渗水，可见卵石换填层对坡内地下水的排导更有效。经过16 h连续制冷，左坡坡脚处未发现冰体，地下水疏排正常，而右坡坡脚及较低的坡面出现了涎流冰体，如图11（a）（b）所示。经过88 h的制冷后，左坡在相同的制冷条件下形成的冻结区域面积明显更小，如图11（c）所示，说明卵石换填材料对抑制涎流冰形成作用明显。

图11 卵石换填试验边坡涎流冰分布Fig.11 Distribution of extruded ice in pebble backfill slope experiment

（2）坡体温度

试验过程中边坡温度变化如图12所示。冻结16 h后，右坡水位线附近率先达到冻结临界值0 °C；边坡内部温度随制冷时间缓慢降低，试验结束时达到最低值，接近−3 °C。而进行了卵石换填处理的右坡在冻结19 h后边坡内部温度才达到0 °C，随后内部温度降低到最低值−2 °C附近，而后温度缓慢升高，最后趋于稳定；试验结束时温度稳定于−1～0 °C内，温度明显高于右坡。

图12 卵石换填试验坡体温度Fig.12 Temperature in pebble backfill slope experiment model

（3）孔隙水压力

试验过程中边坡孔隙水压力平均值变化如图13所示。制冷开始后，两侧边坡孔隙水压力变化趋势基本一致。右坡在试验初始阶段为负压，在4 h左右水压为正值，说明4 h后地下水已渗流至坡中部。地下水渗流至坡脚溢出冻结形成涎流冰，地下水受阻，地下水位和孔隙水压持续上升，其稳定压力与上一试验中的右坡类似。而左坡孔隙水压力在冻结过程中增加幅度更小。

图13 卵石换填试验孔隙水压力Fig.13 Pore water pressure in pebble backfill slope experiment model

3.3 铺设隔水层

涎流冰防治措施除了采用透水材料换填加强疏排水外，还可以考虑进行坡内地下水的阻隔处理。试验采用防水土工布覆盖含水层形成隔水层，阻隔地下水。左右两侧边坡采用相同级配的角砾土填筑。

（1）渗流及冻结特征

开启渗水装置5 h后，左坡坡脚有地下水渗出，而边坡坡面土体较干燥。8 h后，右坡坡脚有地下水流溢出，而坡面土体湿润，说明左坡防水层起到了阻隔地下水浸润的作用，右坡坡面土体在毛细作用下含水量增加。开启制冷装置数小时后，左坡坡脚渗流量明显大于右坡坡脚，右坡部分地下水已冻结形成涎流冰。模型边坡经过93 h制冷后，左坡坡脚未形成涎流冰，右坡坡脚及较低的坡面形成涎流冰，如图14（a）（b）所示。左坡坡面在相同的制冷条件下形成的冻胀区分布面积较小，如图14（c）所示。

图14 铺设隔水层试验边坡涎流冰分布Fig.14 Distribution of extruded ice in the experiment model with waterproof layer

（2）坡体温度

试验过程中边坡温度变化如图15所示。在制冷46.5 h后右坡内部测温点达到0 °C，试验结束时最低接近−6 °C。左坡在制冷20 h后，测温点降至0 °C以下，试验结束时最低温度为−4 °C左右，温度明显高于右坡。相同条件下，左坡温度下降更快。隔水层下地下水流动速度较快，因此温度降低幅度小于右侧未处治边坡。

图15 铺设隔水层坡体温度Fig.15 Temperature in the experiment model with waterproof layer

（3）孔隙水压力

试验过程中边坡孔隙水压力平均值变化如图16所示。右坡孔隙水压力整体变化趋势与前两组试验基本一致，而左坡孔隙水压力在试验过程中开始阶段持续增大，45 h后基本保持稳定，且孔隙水压力值高于右坡。原因在于铺设隔水层后，过水断面面积减小，且由于隔水层的存在，地下水位被自然抬高。

图16 铺设隔水层孔隙水压力Fig.16 Pore water pressure in the experiment model with waterproof layer

4 防治效果对比

不同措施下边坡坡体温度、孔隙水压力、涎流冰形成部位及规模等均存在差异，这种差异是防排水措施对地下水疏导或阻隔造成的。

未处治边坡在冻结过程中孔隙水压力主要经历增压-减压-增压-稳定的变化过程，其原因在于随着冻结时间的增加，地表土体冻结，压缩过水断面，地下水压力增大。地下水流受阻后寻找薄弱部位溢出，如坡面负地形处或坡脚，地下水压力随之减小；溢出水又缓慢冻结，地下水压力继续上升，达到动态平衡之后，地下水压力趋于稳定；采用渗水材料换填加强地下水疏排之后，在冻结过程中冻结深度达到地下水位以下时，地下水压力也会增加。由于渗水材料利于排水，地下水压力增加幅度不大，换填层渗透性越好，水压力增加幅度越小。而铺设隔水层阻隔地下水时，在冻结过程中，反而可能造成地下水压力上升。相同条件下，各措施引起地下水压力变化如表1所示。可见，采用渗水材料换填疏导地下水，可以减小冻结过程中的地下水压力，本次试验中减少46.2%～58.1%。而铺设隔水层，反而会增加地下水压力，本次试验中增加了97.6%。

表1 涎流冰防治效果对比Table 1 Comparison of prevention effect of extruded ice

试验结束后取出冻结土体测量体积。在未处治边坡冻结土体中，可见一层4～5 cm厚纯冰体（图17）。而在含砾粗砂换填和卵石换填边坡冻结体中，仅见零星冰碴。各措施下冻结土体面积、厚度均小于未处理边坡的冻结土体。将冻结土体融化，测量融水体积，即涎流冰体积。各措施下冻结土体和涎流冰体积如表1所示。从表1可知，通过含砾粗砂换填导水后，冻结体和涎流冰体积分别减少56.1%和85.4%。通过卵石换填导水后，冻结体和涎流冰体积分别减少78.5%和93.9%。采用铺设土工布隔水后，冻结体和涎流冰体积分别减少87.7%和97.5%。因此，粗砂换填、卵石换填、铺设防水土工布隔水均可有效减少冻结体体积，特别是有效减少涎流冰体积，达到治理涎流冰病害的目的。但铺设防水土工布可能引起地下水压力的上升，导致地下水在其它地方溢出形成涎流冰。

综合各种措施的优点，而且川藏交通廊道区卵（碎）石材料充足，推荐采用渗透性良好的卵石（或碎石）作为换填层加强地下水疏导治理路基涎流冰病害，并在换填层上铺设防水土工布加强浅地表隔水，防治措施设计示意图如图18所示。换填层厚度、埋深等应根据当地冻结深度、水文条件等综合确定，建议换填层埋深（d1）大于当地冻深的1.5倍，换填层厚度（d2）大于 1 m。