羅為國

(中國華西工程設計建設有限公司廣州分公司,廣東 廣州 510061)

0 概述

涎流冰是嚴寒地區(qū)道路常見的病害之一,其危害嚴重,影響范圍廣,已引起國內(nèi)外學者的廣泛重視。我國東北及西北寒冷地區(qū),很早就關注對涎流冰形成機理與防治技術的研究[1]。川藏地區(qū)地形地貌、氣候及水文條件利于涎流冰的形成。涎流冰影響因素眾多,涎流冰的研究具有明顯的區(qū)域差異性[2-3]。探討涎流冰影響因素為涎流冰防治提供依據(jù),對川藏公路的建設和安全運營具有重要意義。

國內(nèi)外學者對涎流冰形成機理進行了大量的研究。根據(jù)觀察坡面涎流冰的豎向運動,發(fā)現(xiàn)凍脹丘可在涎流冰冰面下局部發(fā)展[4]。研究粗細粒土在凍結過程中的區(qū)別[5]以及氣候變化對凍土地區(qū)涎流冰形成的影響,有助于涎流冰形成機理的研究[6]。我國相關研究人員提出西藏地區(qū)涎流冰具有在冬春季節(jié)集中出現(xiàn)、分布范圍較廣等特點[7],是我國高寒區(qū)主要的凍害之一[8]。針對公路涎流冰,分析其產(chǎn)生原因、形成時間、持續(xù)時間及發(fā)展規(guī)模對其進行分類[9]。上述研究成果為涎流冰的形成及影響因素的分析提供了基礎。

涎流冰的內(nèi)在影響因素具有明顯的區(qū)域特征。周石硚[10]等認為東北山區(qū)涎流冰間歇性增厚是涌出水在各處反復交替流動凍結的結果。張本良[11]等認為涎流冰形成于上部為透水層、中間為含水層、下部為不透水層的特殊水文地質(zhì)構造段落。由于川藏公路特殊的地質(zhì)條件,上述成果并不適合于該區(qū)涎流冰影響因素的分析。本文在川藏交通廊道區(qū)涎流冰災害調(diào)查分析的基礎上,針對廣泛發(fā)育的坡面溢流型涎流冰形成過程及影響因素進行室內(nèi)模擬試驗研究,為川藏公路溢流型涎流冰的防治提供參考。

1 涎流冰分布特征

為查明川藏公路涎流冰病害特征,采用衛(wèi)星圖片判識以及現(xiàn)場實地調(diào)查進行統(tǒng)計分析。調(diào)查區(qū)域主要是康定-雅江-理塘-巴塘-貢覺-昌都-八宿-左貢-芒康一線G318、G317、G214國道及省道S215等公路。調(diào)研內(nèi)容包括:地理位置、高程、地形地貌、坡向、坡位、巖性、地下水類型、涎流冰類型、涎流冰規(guī)模等。調(diào)研獲得川藏公路涎流冰點2 369處,其中現(xiàn)場調(diào)查涎流冰387處,衛(wèi)星圖片判識1 982處,調(diào)查點分布如圖1所示。

圖1 川藏公路涎流冰調(diào)查點

調(diào)查表明,川藏交通廊道區(qū)涎流冰類型主要為基巖裂隙型、土石界面型、溝槽型、坡面溢流型、坡腳滲流型等。各類型涎流冰占比統(tǒng)計結果如圖2所示,表明川藏交通廊道區(qū)涎流冰以坡面溢流型為主,占71.7%。典型的坡面溢流型涎流冰及其對工程的影響如圖3所示。

圖2 川藏公路涎流冰類型

圖3 坡面溢流型涎流冰

隨著氣溫的降低,地表向下凍結,季節(jié)凍融層發(fā)生變化,使原來的凍結層上潛水變成承壓水。承壓水隨著上部凍結層的加厚和過水斷面的減小,其壓力逐漸增大,在坡面透水層薄弱處被擠出漫流,從下而上逐層凍結,從而形成坡面溢流型涎流冰。若處治不當,涎流冰漫流至公路路面(圖3),將影響行車安全。

對坡面溢流型涎流冰邊坡坡度進行統(tǒng)計,結果如圖4所示。統(tǒng)計表明,形成坡面溢流型涎流冰的邊坡坡度主要在30°以內(nèi),特別是10°～25°的邊坡。調(diào)查表明,坡面溢流型涎流冰所處的地層主要為粗顆粒土,若含水量較高則土體強度低,不易形成較陡的斜坡,而坡度大也不利于地下水存儲,難以形成穩(wěn)定的儲水結構。

圖4 溢流型涎流冰邊坡坡度統(tǒng)計

2 模型試驗裝置及試驗方案

通過室內(nèi)模型模擬試驗,分析溢流型涎流冰的形成過程及影響因素。試驗土體取自昌都邦達地區(qū)的某坡殘積土邊坡涎流冰發(fā)育點,該點邊坡坡度為15°。對土體進行了密度及顆粒分析試驗,土體為角礫土,試驗表層透水層按實際的邊坡土體級配和密度進行配制。

2.1 試驗裝置及監(jiān)測點

試驗模型框架尺寸為底長150cm、坡高100cm、坡寬80cm,如圖5所示。模型框架采用鍍鋅槽鋼并用不銹鋼螺絲固定。側面采用高強植筋膠粘接1cm厚的有機玻璃,便于觀察模型邊坡涎流冰的形成過程。在模型內(nèi)部堆高約30cm的楔形土體斜坡模擬隔水層,并用防水卷材覆蓋。供水裝置為帶水龍頭的20L儲水桶,采用輸水滴管控制流量,保證試驗過程滲流穩(wěn)定。

圖5 試驗裝置設計

試驗用的制冷裝置由壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成。坡面上鋪防水布,防止制冷過程中蒸發(fā)器與土體凍結在一起。蒸發(fā)器上部覆蓋保溫棉,提高制冷效果。

試驗過程中對孔隙水壓力及土體溫度進行監(jiān)測,監(jiān)測點如圖5(a)所示。溫度傳感器采用PT100熱電阻感溫探頭,測量范圍為-50℃～200℃,測量精度為0.15℃。試驗預期溫度范圍是-10℃～15℃?？紫端畨毫鞲衅鞑捎梦⑿蜐B壓計,測量范圍為-100kPa～200kPa,測量精度為0.1kPa,采用CM-1A-10靜態(tài)電阻應變儀測讀數(shù)據(jù)。

2.2 試驗方案

設計了4組模型模擬試驗,分別模擬坡形、地下水位、含水層滲透性、含水層厚度對涎流冰形成時間、形成規(guī)模等的影響。

2.2.1 試驗1-地形的影響

在隔水層上采用角礫土作為含水層和透水層。模型邊坡土體厚35cm,坡度為15°,測試角礫土滲透系數(shù)為0.056cm/s。挖掉模型左側邊坡中間部分土體,形成負地形坡面,最大挖土深10cm。分析負地形對涎流冰形成的影響。模型剖面如圖6(a)所示。

圖6 試驗模型剖面

2.2.2 試驗2-地下水位的影響

邊坡透水層厚度增加10cm,保持供水量和地下水位不變,相當于水位降低了10cm,分析地下水位對涎流冰形成的影響。模型剖面如圖6(b)所示。

2.2.3 試驗3-含水層滲透性的影響

將25cm厚的含水層土體替換成滲透性較高的碎石土,測試其滲透系數(shù)為0.171cm/s。表層角礫土透水層厚度不變,分析含水層滲透性對涎流冰形成的影響。模型剖面如圖6(c)所示。

2.2.4 試驗4-含水層厚度的影響

將含水層碎石土厚度由25cm增加到40cm,表層角礫土透水層厚度不變,分析含水層厚度對涎流冰形成的影響。模型剖面如圖6(d)所示。

3 溢流型涎流冰影響因素

3.1 坡形的影響

打開供水裝置開關調(diào)節(jié)供水量,使?jié)B流穩(wěn)定后左側負地形邊坡地下水流出地表。測得右側邊坡K1-1元件處地下水位埋深約10cm,與試驗設計一致。開啟制冷裝置,監(jiān)測坡體溫度和孔隙水壓力的變化。

制冷1d后,邊坡上的中間傳感器檢測到負溫度。同時,在坡腳觀測到一個小冰膜,在冰膜下可以觀測到一小股水流,表明邊坡的凍結過程是一個由外到內(nèi)的過程。3d后左側坡腳附近形成少量冰體,坡面負地形部位地下水大量滲出,負地形部位形成一定規(guī)模的冰體,如圖7(a)所示。隨著凍結時間的增加,凍結深度越來越大,坡腳凍結處水流受阻,向未凍結處滲流并逐漸凍結,涎流冰規(guī)模也越來越大,如圖7(b)所示。凍結范圍內(nèi)逐漸形成穩(wěn)定的涎流冰體。凍結8d后負地形部位形成了一個規(guī)模較大且穩(wěn)定的涎流冰體,其體積約46cm×53cm×15cm,而右側無涎流冰形成,如圖7(c)所示,說明當?shù)叵滤雎稌r,首先是在地下水露頭處形成涎流冰,涎流冰以地下水露頭點為中心向四周蔓延。坡面無地下水滲出,說明滲出的地下水均已凍結,坡腳處的涎流冰體變化不大。在模型兩側壁制冷裝置未覆蓋處有地下水滲出,說明在制冷裝置覆蓋區(qū)域且凍結深度范圍內(nèi)的地下水均已凍結成冰。

圖7 坡形影響下涎流冰形成

涎流冰的形成過程與坡體溫度和孔隙水壓力監(jiān)測結果對應。圖8所示為坡體溫度隨凍結時間的變化,圖9所示為孔隙水壓力隨凍結時間的變化。

圖8 坡形影響下坡體溫度變化曲線

圖9 坡形影響下孔隙水壓力變化曲線

從圖8可以看出,制冷1d后,坡面部分區(qū)域已降至0℃以下。隨著凍結時間的增加,坡體溫度下降,但兩側邊坡5cm深度處均為負溫,10cm深度處均為正溫。凍結5d后,邊坡5cm深度處溫度在-1℃左右波動,邊坡10cm深度處溫度在1℃～2℃左右波動,說明該模型凍結深度在5cm以上。

從圖9可以看出,左側負地形處孔隙水壓力隨凍結時間先增長,然后大致穩(wěn)定在 3kPa左右。右側上部孔隙水壓力穩(wěn)定壓力稍小,約2kPa。負地形邊坡孔隙水壓力在上升階段中存在坡面負地形附近大于坡腳的現(xiàn)象,其原因是與坡腳相比坡面凹槽部位透水層厚度較薄,使地下水凍結速率更快,從而使坡內(nèi)孔隙水壓力迅速增加。凍結過程中,地下水在凹槽處形成涎流冰,坡內(nèi)地下水流量減小,孔隙水壓力相應減小。

通過上述坡形對涎流冰形成的影響試驗表明,坡形影響坡體匯水條件,負地形邊坡坡面更容易形成大規(guī)模的涎流冰。在邊坡凍結過程中,冰體的形成可分為三個階段。第一階段,地下水出露處最先凍結,由地表向內(nèi)部逐漸發(fā)展;第二階段,當坡腳或負地形等出口處形成一定規(guī)模的冰體時,地下水在坡面薄弱部位擠出凍結形成涎流冰;第三階段,坡內(nèi)地下水壓力增加,擠開涎流冰層溢出后再凍結。如此循環(huán)發(fā)展,直至涎流冰體規(guī)模趨于穩(wěn)定。

3.2 地下水位的影響

試驗開始后控制輸水滴管開關形成穩(wěn)定的地下水流,且孔隙水壓傳感器部位的地下水埋深為20cm,如圖10(a)所示。然后開啟制冷裝置,記錄溫度和孔隙水壓隨制冷時間的變化,同時觀察坡體涎流冰的形成和變化特征。圖10(b)為凍結12d時的涎流冰特征。

圖10 水位影響下涎流冰形成

試驗過程中坡體溫度和孔隙水壓力隨時間變化的關系如圖11和圖12所示。

圖11 水位影響下坡體溫度變化曲線

圖12 水位影響下孔隙水壓力變化曲線

從圖11可以看出,坡體溫度隨凍結時間逐漸下降,右側邊坡坡面5cm埋深處在凍結50h 左右降到0℃,左側邊坡坡面5cm埋深處在凍結100h 左右降到0℃。隨后坡體溫度降低速度變緩。凍結200h后,兩側邊坡5cm埋深處的溫度基本穩(wěn)定在-3℃左右,10cm埋深處的溫度降到0℃～-1℃。制冷200h后凍結深度大于10cm,實際上凍結深度并未達到初始20cm埋深的地下水位。

觀察發(fā)現(xiàn),涎流冰首先在坡腳地下水出露處形成。地下水受阻后,一部分向兩側蒸發(fā)器未覆蓋區(qū)域分流,另一部分在形成的涎流冰后緣漫流,并緩慢凍結成涎流冰。如此反復進行,由坡腳向上逐漸形成涎流冰。當?shù)叵滤幌鄬^深時,一般難以在坡面上直接形成涎流冰。只有當表層逐漸凍結壓縮含水層過水斷面,含水層滲流受阻,孔隙水壓力增加,從而在上覆土層薄弱部位溢出形成涎流冰。12 d后試驗結束,坡面涎流冰體積約60cm×70cm×3.5cm,與地形影響下形成的涎流冰規(guī)模相比,本試驗中形成的涎流冰范圍更大,但厚度較小。

根據(jù)試驗過程中孔隙水壓力的變化(圖12)也能說明涎流冰的形成過程。試驗開始1 d后坡腳滲出地下水凍結,坡腳地下水位逐漸抬高,孔隙水壓力逐漸上升,地下水在凍結區(qū)后緣溢出后凍結。3 d之后,蒸發(fā)器覆蓋區(qū)坡面表層形成了溢流涎流冰層,并形成了地下水封閉空間。其后孔隙水壓力趨于穩(wěn)定,原因在于蒸發(fā)器覆蓋區(qū)以外部位溫度在0℃以上,未凍地下水向兩側溢出。而邊坡上部的孔隙水壓力略小于下部,這與傳感器埋設位置的高差對應。

3.3 含水層滲透性的影響

將含水層替換成滲透性更好的碎石土,試驗開始后控制輸水滴管開關形成穩(wěn)定的地下水流,且孔隙水壓傳感器部位的地下水埋深為10cm。與前述兩個試驗相比,由于含水層滲透性增加,地下水從坡腳流出的時間更短。開啟制冷裝置后,觀察到坡腳附近涎流冰形成的時間較短,這與含水層滲透性增加后,相同時間內(nèi)水量的增加有關。提高含水層滲透性后,涎流冰主要沿坡腳線成片分布,如圖13(a)所示。坡體中在蒸發(fā)器下方的透水層和含水層界面附近形成冰體。表層土體上擠形成凍脹丘,并無地下水從地表溢出形成涎流冰,如圖13(b)所示。試驗6d后,地下水從兩側蒸發(fā)器未覆蓋區(qū)穩(wěn)定溢出,透水層下凍結體也無明顯變化后,結束試驗。取出蒸發(fā)器下方土體中的凍結冰層,其體積約為60cm×50cm×5cm?？梢钥闯?增加含水層滲透性后,地下水滲透速度加快,凍結速度減緩。主要在地下水位附近凍結成冰,而無地下水溢流出地表形成涎流冰,這與本試驗中的凍結深度有限有關。

圖13 含水層滲透性影響下的凍結狀態(tài)

試驗過程中坡體溫度和孔隙水壓力隨凍結時間的關系如圖14和圖15所示。

圖14 滲透性影響下坡體溫度變化曲線

圖15 滲透性影響下孔隙水壓力變化曲線

從圖14可以看出,坡體溫度隨制冷時間先迅速降低,2d后降溫速度逐漸漸緩。制冷1d后埋深5cm處的坡體已凍結;制冷5d后,埋深10cm處的坡體凍結。與提高含水層滲透性之前的試驗相比,土體凍結速度加快。

從圖15可以看出,坡體中孔隙水壓力同樣隨凍結時間的增加而增加。凍結2d后,孔隙水壓力逐漸趨于穩(wěn)定,坡上部孔隙水壓力略高于坡下部,說明增大含水層滲透性同樣增加了坡面附近的孔隙水壓力。水壓力增大的原因是坡腳凍結后,地下水流受阻,抬高了地下水位。

3.4 含水層厚度的影響

將滲透性好的含水層增加到40cm,試驗開始后控制輸水滴管開關形成穩(wěn)定的地下水流,且孔隙水壓傳感器部位的地下水埋深為10cm。開啟制冷裝置19h后,在右側坡腳處地下水凍結成冰,隨后地下水在冰體后側溢出,再次凍結,最后在坡腳形成了較大規(guī)模的涎流冰體,如圖16(a)所示。而在坡體內(nèi)部形成較大規(guī)模的凍結冰層,坡面上無溢出型涎流冰,如圖16(b)所示。試驗結束后,取出蒸發(fā)器下方土體中的凍結冰層,其體積約為60cm×55cm×8cm。與上一試驗相比,凍結冰層范圍相差不大,但厚度增加。說明含水層厚度增加后,地下水量增加,凍結冰層增厚。

圖16 含水層厚度影響下凍結5d的邊坡狀態(tài)

試驗過程中坡體溫度和孔隙水壓力隨凍結時間的關系如圖17和圖18所示。

圖17 含水層厚度影響下坡體溫度變化曲線

圖18 含水層厚度影響下孔隙水壓力變化曲線

從圖17可以看出,坡體溫度隨制冷時間先迅速降低,2d后降溫速度漸緩。制冷1d后,埋深5cm處的坡體已凍結;制冷5d后,埋深10cm處的坡體凍結。凍結過程中土體溫度變化與前一試驗變化不大。

從圖 18可以看出,坡體中孔隙水壓力同樣隨凍結時間的增加而增加。凍結3d后,孔隙水壓力逐漸趨于穩(wěn)定,坡上部的孔隙水壓力高于坡下部。與前一試驗相比,坡體下部的孔隙水壓力增加程度相當,但坡體上部孔隙水壓力稍小。其原因在于,當坡腳地下水凍結后,地下水流受阻,由于含水層厚度大,地下水位抬高的程度降低。

4 結論

在調(diào)研基礎上獲得了川藏公路涎流冰的主要類型,通過室內(nèi)模型試驗,研討分析了溢流型涎流冰影響因素,得到以下結論:

(1)川藏公路涎流冰以坡面溢流型為主,約占71.7%。形成坡面溢流型涎流冰的邊坡坡度主要為10°～30°,平均坡度15°。

(2)當?shù)叵滤诘乇沓雎稌r,在負溫條件下即可形成涎流冰。坡面負地形處形成的涎流冰呈點狀,而坡腳涎流冰呈片狀。地下水溢流至地表凍結后,地下水滲流受阻,在薄弱部位再次溢出,并再次凍結。如果地下水源充足,如此反復會形成大規(guī)模的涎流冰。

(3)當凍結深度小于地下水位時不會形成涎流冰。當凍結深度大于地下水位,在水位線附近地下水凍結成冰,壓縮過水斷面,水流受阻后地下水位升高,地下水可逐漸溢出地表并凍結形成涎流冰,其形成范圍呈面狀或片狀。

(4)含水層滲透性越強、地下水流速越快,越難以形成涎流冰,但可形成地下凍結冰層。含水層越厚、水量越充足,凍結冰層越厚。

(5)川藏公路工程建設中,為減少涎流冰病害,建議采用換填滲透性良好的土層,增大含水層的滲透性,降低地下水位。也可鋪設保溫隔熱層,防止凍結。