青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹邊坡病害特征及防治措施分析

胡田飛，杜升濤

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹邊坡病害特征及防治措施分析

胡田飛1，2，杜升濤2

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000)

青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)共有路塹邊坡78處，長約15.6 km，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到線路安全運營。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，分析其穩(wěn)定性狀況、病害形式、影響因素及機理，討論防治措施的合理性。結(jié)果表明：先后有15處出現(xiàn)病害，其中4處失穩(wěn)，病害問題值得重視；病害形式包括坡面沖刷、縱向裂縫、防護結(jié)構(gòu)破壞、滑塌、坡腳鼓脹等；病害位置以邊坡上側(cè)為主，而非陽坡側(cè)，塹頂是最薄弱的部位，發(fā)育過程表現(xiàn)為周期性和波動性的惡化；地表水和凍結(jié)層上水的熱侵蝕及活動層凍融作用是病害的主要原因，病害機理包括地表水沖刷、滯水凍脹和凍融循環(huán)；經(jīng)過運營期檢驗，無防護的坡面容易沖刷變形，封閉式錨噴混凝土面容易滯水凍脹破裂，輕型、柔性的骨架護坡和L型擋墻防護效果較好。

青藏鐵路；多年凍土；路塹邊坡；病害特征；防護措施

青藏鐵路格拉段穿越多年凍土區(qū)的路基長度約329.7 km，由于地形和線路坡度的限制，不可避免的挖方行為形成了路塹和半路塹邊坡共78處，長度約15.6 km。在青藏鐵路建設(shè)過程中，考慮到多年凍土區(qū)沿線降水量不大，部分路塹二級邊坡和邊坡兩端未做防護，還有少量低含冰量和低路塹邊坡也未采取保護措施。青藏鐵路運營以來，大幅度增加的降水引起了嚴重的坡面沖刷問題，邊坡的凍結(jié)層上水發(fā)育，熱侵蝕導(dǎo)致凍土上限深度逐年加大。路基狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)的路塹邊坡病害問題較為突出[1-2]。針對多年凍土區(qū)邊坡的病害問題，凍土工程界進行了大量相關(guān)的研究工作[3]。發(fā)育特征方面，受厚層地下冰賦存條件的控制，青藏高原斜坡失穩(wěn)的地形坡度一般較小，最小可達4°～6°，破壞形式可分為坍塌、滑塌和泥流3類[4]。青藏鐵路北麓河段兩處路塹邊坡病害的發(fā)展及治理過程表明換填層厚度及保溫和截排水措施對邊坡的破壞形式有較大影響[5]。病害機理方面，多年凍土路塹邊坡可概括為融滑破壞和蠕變破壞兩種類型[6]。王天亮等[7]通過室內(nèi)試驗分析了壓實度、荷載以及凍融次數(shù)對土體融沉性質(zhì)的影響規(guī)律。三軸剪切試驗表明凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓及凍結(jié)溫度之間的交互作用對土體力學(xué)性質(zhì)有顯著影響[8]。穩(wěn)定性評價方面，沈宇鵬等[9]比較了正融土斜坡常用的5種穩(wěn)定性分析方法，推導(dǎo)了考慮孔隙氣壓力的熱融泥流安全系數(shù)計算公式。防護措施方面，鐵路部門于2001年在風(fēng)火山地區(qū)設(shè)置了北麓河厚層地下冰路塹邊坡試驗段，對L型擋墻、加筋土擋墻、加筋土護坡、預(yù)制混凝土拼裝式骨架護坡、泡沫玻璃板護坡和移植草皮護坡等措施進行了長期的觀測，并從設(shè)計、施工、作用機理及應(yīng)用效果等多個方面分析了上述結(jié)構(gòu)的合理性[10-14]。熊治文等[15]總結(jié)了低緯度、高海拔多年凍土區(qū)路塹邊坡及其防護結(jié)構(gòu)的病害特征，并提出了現(xiàn)有路塹邊坡典型病害的整治原則。

本文根據(jù)青藏鐵路沿線氣候長期觀測和路塹邊坡現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，對路塹邊坡穩(wěn)定性狀況、病害形式、影響因素及病害機理進行了分析，并討論了其防治措施的合理性。

1 路塹邊坡穩(wěn)定性狀況

青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)路塹邊坡主要分布在昆侖山區(qū)、風(fēng)火山區(qū)、開心嶺山區(qū)、布曲河谷區(qū)和唐古拉山區(qū)，總長約15.9 km。運營后路塹邊坡病害狀況如表1所示，先后出現(xiàn)嚴重病害的路塹邊坡有15處，占路塹邊坡總數(shù)的19.2%，其中4處整體失穩(wěn)，可見路塹邊坡病害問題較為嚴重。

2 路塹邊坡病害形式

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，路塹邊坡主要出現(xiàn)坡面沖刷、塹頂縱向裂縫、坡面防護結(jié)構(gòu)破壞、局部滑塌和坡腳鼓脹等病害形式。

表1 青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹邊坡病害統(tǒng)計 處

2.1 坡面沖刷

青藏高原雨季集中在暖季的7月～9月，降雨容易在塹坡表面形成地表徑流，引起沖刷破壞和坡腳積水、道床積水及基底過水等水害問題。其中坡面沖刷病害日益嚴重，圖1所示為K1111+720～K1112+200路塹左側(cè)一段邊坡，坡面沖刷嚴重，沖溝發(fā)育。

圖1 K1111塹坡坡面沖刷

2.2 塹頂縱向裂縫

圖2 塹頂縱向裂縫

在暖季，降水集中下滲會增大季節(jié)融化深度，導(dǎo)致多年凍土上限深度增加。對于路塹邊坡，降水量的增加必將增強凍結(jié)層上水對邊坡的熱侵蝕。同時，由于塹頂包角受雙向熱流的影響，其融化深度更大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊坡病害多集中在邊坡的上側(cè)，而非陽坡側(cè)，圖2所示為K1111+720～K1112+200路塹右側(cè)一段邊坡和K1127+900～K1128+400路塹右側(cè)一段邊坡，塹坡頂部縱向張拉裂縫發(fā)育，發(fā)展過程表明其主要與活動層的凍融作用有關(guān)。這說明上側(cè)地表水和凍結(jié)層上水的熱侵蝕比陰陽坡地溫差異對路塹邊坡穩(wěn)定性的影響更大。

2.3 坡面防護結(jié)構(gòu)破壞

青藏鐵路多年凍土區(qū)78處路塹邊坡中有33處采用錨噴混凝土防護，運營后均出現(xiàn)了大小不一的裂縫，嚴重部位還有滲水、掉塊等現(xiàn)象發(fā)生。圖3(a)所示為K1111+720～K1112+200路塹左側(cè)一段邊坡，噴射混凝土面破裂鼓出。由于錨噴混凝土面阻擋了凍結(jié)層上水的排泄，導(dǎo)致混凝土面在冷季滯水凍脹的冰劈作用下隆起變形或破碎脫落。表明封閉式的剛性錨噴混凝土護坡結(jié)構(gòu)不適宜用在多年凍土區(qū)的邊坡防護工程中。

骨架護坡屬于柔性防護結(jié)構(gòu)，菱形空窗內(nèi)土體臨空，可基本釋放凍脹力，但小部分凍脹力也會由骨架承擔(dān)，極端情況下會導(dǎo)致骨架損壞、隆起失效。圖3(b)所示為K1127+900～K1128+400路塹右側(cè)一段邊坡，部分骨架變形過大導(dǎo)致破壞，但骨架結(jié)構(gòu)整體基本完好，坡面保持穩(wěn)定。骨架變形呈現(xiàn)寒季凍脹、暖季融沉的一般特點。

圖3 坡面防護結(jié)構(gòu)破壞

2.4 局部滑塌

在寒季末和暖季初，白天氣溫升至0 ℃以上，地表的積雪和表層的凍土逐漸融化，水分向下滲流，夜間氣溫降至0 ℃以下，重新凍脹。在上述凍融循環(huán)作用下，表層土間會逐漸形成冰土夾層，使夾層上部冰雪融水難以下滲，含水量增大使土體增重、軟化，在重力作用下逐漸產(chǎn)生滑塌。圖4所示為K1149+710～K1149+815路塹右側(cè)一段邊坡，坡體局部滑塌，骨架護坡結(jié)構(gòu)破壞。該邊坡先是于2006年暖季在塹頂平臺出現(xiàn)數(shù)條縱向裂縫，一年后病害進一步發(fā)展，坡面變形塌陷。此類滑塌的主要原因是坡體的反復(fù)凍脹與融解。

圖4 K1149塹坡局部滑塌

2.5 坡腳鼓脹

在高含冰地段，路塹邊坡頂部及坡面上限附近高含冰量凍土的融化，會使季節(jié)融化層下部水分富集。由于凍土上限頂板的隔水作用，容易在凍土上限附近形成軟弱面，導(dǎo)致邊坡滑移失穩(wěn)。圖5所示為K1301+000～K1301+020路塹邊坡，淺層整體滑移，塹頂出現(xiàn)了一條深約100 cm、寬80 cm的拉陷槽，坡體下部鼓脹裂縫發(fā)育，坡腳向外滑移20～30 cm。

圖5 K1301塹坡坡腳鼓脹

2.6 病害發(fā)育特征

青藏高原邊坡受太陽輻射的影響，一般陽坡地溫比陰坡高，存在明顯的不對稱，但這種不對稱性并沒有在路塹邊坡穩(wěn)定性上明顯表現(xiàn)出來。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路塹邊坡上側(cè)的病害發(fā)生率明顯高于下側(cè)，并且多發(fā)生在淺表層。凍土路塹邊坡病害從輕微至嚴重一般會經(jīng)歷較長的過程，開始是坡面防護結(jié)構(gòu)損壞，隨后坡頂裂縫從窄到寬，進而出現(xiàn)錯動的縱向大裂縫，之后坡體上部局部滑塌并逐漸加劇，坡面損壞嚴重，降水不斷入滲形成惡性循環(huán)，坡體下部隆起，最終發(fā)生整體滑塌。

路塹邊坡病害一般在寒季潛伏，暖季發(fā)育。隨著季節(jié)的周期性變化，病害波動性起伏變化，在此過程中緩慢累積，具有一定的周期性和間隔性。

3 病害影響因素及機理分析

多年凍土區(qū)路塹邊坡穩(wěn)定性與邊坡走向、坡率關(guān)系不大，其影響因素主要包括溫度、水、土質(zhì)、工程結(jié)構(gòu)和人為活動五大類。與一般地區(qū)相比，多年凍土區(qū)路塹邊坡的溫度變化和冰(水)是特有的因素，而凍土的蠕變特性，更使多年凍土區(qū)路塹邊坡穩(wěn)定性影響因素比一般地區(qū)復(fù)雜得多。

3.1 溫度

與溫度相關(guān)的影響因素包括多年凍土層地溫、活動層地溫及凍融循環(huán)過程。地溫場不利影響主要表現(xiàn)為坡面凍土融化形成飽水凍融交界面，使邊坡出現(xiàn)融滑失穩(wěn)。對于凍土地層，凍土溫度越低，蠕變變化越小，凍土的熱穩(wěn)定性越大，凍土路塹邊坡越穩(wěn)定。影響地溫場的因素包括活動層厚度、氣溫、降水量、太陽輻射及地表條件等，其中氣溫是決定地溫場穩(wěn)定性的主要因素。受全球氣候變暖影響，青藏鐵路多年凍土區(qū)氣溫呈逐漸上升趨勢，圖6為風(fēng)火山地區(qū)1978～2009年的氣溫變化情況[6]。季節(jié)活動層在春融期的變化特點是白天融化，夜間凍脹，這種反復(fù)的凍融作用會對路塹邊坡造成強力破壞。青藏鐵路多年凍土路塹邊坡病害大多是由凍融循環(huán)過程中的不均勻凍脹和融沉造成的，所以往往在春融期可見大量的邊坡滑塌現(xiàn)象。

圖6 風(fēng)火山地區(qū)1978～2009年間氣溫四年平均值曲線

3.2 水

水是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，對于青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹邊坡也是如此。與多年凍土斜坡路基穩(wěn)定性相關(guān)的水包括地表水和凍結(jié)層上水。地表水對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為坡面沖刷和使活動層土體水分富集。近年來青藏高原降水量逐年增大，圖7為風(fēng)火山地區(qū)1978～2009年的降雨量變化情況[6]。凍結(jié)層上水對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為對多年凍土的熱侵蝕，同時使活動層土體含水飽和而形成相對軟弱面。在活動層融化期，凍土上限作為上部活動層的底板起到隔水作用，凍結(jié)層上水含量隨融化深度的增加而增大，多聚集在凍結(jié)鋒面，并受降水補給而變化較大。凍結(jié)層上水是引發(fā)凍融滑塌的主要因素，所以排除凍結(jié)層上水是邊坡防治的有效措施之一。凍結(jié)層上水的富集程度又與溫度、土質(zhì)條件有關(guān)。

圖7 風(fēng)火山地區(qū)1978～2009年間降雨量四年均值曲線圖

3.3 土質(zhì)

青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹邊坡多建在土質(zhì)、類土質(zhì)或風(fēng)化、半風(fēng)化巖質(zhì)斜坡上，坡體密度低，孔隙大，抗沖蝕能力低，地表水容易入滲，產(chǎn)生流水侵蝕面和冰凍夾層面。凍土上覆活動層的凍融循環(huán)過程會引起一系列的物理、熱物理變化，如凍融變形、水分遷移、凍結(jié)鋒面的存在和遷移、顆粒分選等。這一系列變化的作用使土體趨于松散，強度降低，坡面出現(xiàn)不均勻凍脹和融沉裂縫。尤其在細顆粒土內(nèi)的淺層會出現(xiàn)含水量較高的凍融鋒面，水分遷移使凍土上限附近水分富集，對凍土路塹邊坡的穩(wěn)定性不利。土的凍脹特性主要由土的級配成分決定。因此，選擇合適的路塹換填料可以減小坡面的凍脹和融沉變形，對提高路塹邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。

路塹邊坡病害是一個長期發(fā)展的過程，在此過程中各種因素相互作用與促進，故病害多是各種因素綜合作用的結(jié)果。路塹邊坡根據(jù)破壞機理可以概括為地表水沖刷、滯水凍脹和季節(jié)活動層凍融循環(huán)三種類型。其中地表水沖刷容易引起坡面沖溝和護坡骨架懸空，滯水凍脹容易引起封閉式剛性支擋結(jié)構(gòu)的隆起破壞，季節(jié)活動層凍融循環(huán)容易引起塹頂縱向裂縫及坡體滑塌破壞。

4 路塹邊坡病害防治措施

青藏鐵路多年凍土區(qū)邊坡防護措施主要包括熱防護措施、截排水措施、支擋措施和坡面防護措施等，其特點可以從溫度、水及力學(xué)特性3個方面來論述。溫度方面主要表現(xiàn)為邊坡坡面與塹頂?shù)谋?，水方面主要表現(xiàn)為邊坡上側(cè)凍結(jié)層上水的截排，力學(xué)特性方面主要表現(xiàn)為凍土層中防護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力松弛與蠕變，活動層季節(jié)性凍融循環(huán)致使支擋結(jié)構(gòu)上土壓力與水平凍脹力交替出現(xiàn)。對于多年凍土區(qū)路塹邊坡，應(yīng)采取綜合性的防護措施。

4.1 塹頂及坡面保溫措施

與我國東北及俄羅斯多年凍土地區(qū)相比，青藏高原多年凍土區(qū)太陽輻射強烈，日照時數(shù)長，坡面?zhèn)鳠嵝Ч鼮槊黠@。熱防護主要包括坡面保溫防護和地基凍土保護措施。熱防護能夠降低凍土地溫，增大凍土熱穩(wěn)定性，防止凍土融化，減小凍土蠕變，同時提高凍土強度，降低凍融作用的不利影響。

路塹邊坡的坡面防護一般采用換填表層土體的方法，如圖8所示，換填料采用A、B組填料。同時，在換填層底部設(shè)置隔熱層，常用的材料有聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫板(EPS板)、聚氨酯板(CPU板)和擠壓聚苯乙烯板(XPS板)等低導(dǎo)熱率材料。此外在坡面和塹頂換填地段設(shè)置泡沫玻璃板或移植馬藺、無芒雀麥及紫穗槐等植被進行護坡。由于邊坡上側(cè)的病害發(fā)生率明顯高于下側(cè)，塹頂?shù)臒崆治g最為嚴重，可在塹頂設(shè)置熱棒，增強土體的熱穩(wěn)定性，提高熱棒設(shè)置部位人為上限，以阻擋凍結(jié)層上水向坡體滲流。此外，建議在塹頂平臺上鋪設(shè)片石層。

圖8 路塹邊坡熱防護及截排水治理措施示意圖

4.2 凍結(jié)層上水的截排措施

在融化季節(jié)，路塹邊坡凍結(jié)層上水比較發(fā)育，其水量受地域性和氣候變化的影響。凍結(jié)層上水的截排是多年凍土區(qū)路塹邊坡防護的重要內(nèi)容。截排水措施中，針對地表水一般采用擋水捻。針對凍結(jié)層上水，可設(shè)置豎向與斜向的淺層排水溝、土工濾排水材料和排水孔，土工濾排水材料、排水孔的埋置深度和主溝槽間距根據(jù)凍結(jié)層上水的深度和水量確定，主溝槽周圍回填砂卵石土。此外，在兩側(cè)坡腳處設(shè)置碎石排水盲溝，將基床內(nèi)積水引排至路塹邊坡外路基排水體中。

4.3 支護結(jié)構(gòu)措施

多年凍土區(qū)路塹邊坡的支護措施主要有L型擋墻、加筋土擋墻、加筋土護坡、預(yù)制混凝土拼裝式骨架護坡、錨噴混凝土護坡。L型懸臂式擋墻具有柔性變形卸載的特點，如圖9所示，適應(yīng)于塹坡凍脹的力學(xué)變化過程和融沉的交替變形過程，可以起到很好的防護效果[16]。加筋土擋墻、加筋土護坡能夠滿足防護要求，但試驗證明這兩類結(jié)構(gòu)的施工工藝復(fù)雜，病害多，維修工程量大，不宜推廣使用[17-18]。骨架護坡通過混凝土骨架將坡面分成菱形窗格，如圖10所示，骨架與邊坡土體牢固地聯(lián)結(jié)為一體，從而提高了表層土體的抗剪切能力和抗沖刷能力。封閉式的坡面防護結(jié)構(gòu)容易阻滯凍結(jié)層上水的排出，例如錨噴混凝土層底面附近往往富集水分，在暖季初和寒季末的凍融過程中，受到凍脹力的作用，因此封閉式的護坡結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)滯水凍脹變形破壞。

圖9 L型擋土墻結(jié)構(gòu)示意

圖10 骨架護坡結(jié)構(gòu)示意

在普通地區(qū)，土壓力是擋土結(jié)構(gòu)物上的主要荷載，但在多年凍土區(qū)，土壓力和凍脹力會交替循環(huán)作用在支擋結(jié)構(gòu)上，水平凍脹力量值要比土壓力大數(shù)倍甚至數(shù)十倍[6]。相比重力式擋墻等剛性結(jié)構(gòu)，L型擋墻、骨架護坡、輕型預(yù)制空心混凝土塊等輕型和柔性支護結(jié)構(gòu)的抗變形能力強，對多年凍土區(qū)路塹邊坡的防護效果更優(yōu)。

5 結(jié)論

(1)青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)共有78處路塹邊坡，主要分布在昆侖山區(qū)、風(fēng)火山區(qū)、開心嶺山區(qū)、布曲河谷區(qū)和唐古拉山區(qū)。投入運營后，先后有15處路塹邊坡出現(xiàn)嚴重病害，其中4個失穩(wěn)，嚴重威脅到青藏鐵路的正常安全運營，路塹邊坡問題值得重視。

(2)青藏鐵路多年凍土區(qū)路塹病害主要包括坡面徑流沖刷、滯水凍脹、活動層凍融循環(huán)3種類型。滯水凍脹病害主要指封閉式錨噴混凝土面的破壞，活動層凍融循環(huán)病害主要指塹頂縱向裂縫、坡面防護結(jié)構(gòu)破壞、局部滑坍及坡腳鼓脹，其中邊坡上部和塹頂是病害的高發(fā)部位。路塹邊坡病害是一個波動、緩慢持續(xù)發(fā)展的過程，是溫度、水、土質(zhì)、人工荷載等各種因素綜合作用的結(jié)果。

(3)青藏高原大氣溫度和降水量呈不斷增高的趨勢，地表水及凍結(jié)層上水的熱侵蝕和活動層的凍融循環(huán)作用是病害的主要原因，因此熱防護和截排水是路塹邊坡防治中最基本的措施。支護結(jié)構(gòu)容易受到凍結(jié)層上水凍融循環(huán)過程中凍脹力的影響，支護措施應(yīng)盡量選擇輕型、柔性的L型擋墻和骨架護坡等結(jié)構(gòu)。

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Analysis of Defect Characteristics of and Protective Measures for Cutting Slopes in Permafrost Regions along Qinghai-Tibet Railway

HU Tian-fei1，2, DU Sheng-tao2

(1.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of CREC， Lanzhou 730000， China)

There are 78 cutting slopes in permafrost regions along Qinghai-Tibet Railway， with the length of about 15.6 km， and the stability of the slopes is directly related to the safe operation of the line. This paper analyzes stability conditions， forms of defects， influencing factors and mechanisms of the slopes based on field surveys. The rationality of the protective measures is also discussed. The results show that the number of defected cutting slopes comes to 15， 4 of which lost their stability. The defects are characterized by surface scouring， longitudinal cracks， destruction of protective structures， collapse and toe swollen. The defects are mainly located at the upper part of slopes， rather than the sunny side， and the top of the cutting is the weakest part. The development is characteristics of periodic process and fluctuated deterioration. Thermal erosion of external water and suprapermafrost water， freeze-thaw action of active layer are the main causes of the defects. Defect mechanisms include erosion of external water， frozen expansion of stagnant water and freeze-thaw circulation. The inspection in the operation period shows that slopes without protection are prone to scouring and deformation， closed anchor-spray concretes are likely to be ruptured by freezing expansion force of stagnant water， light and flexible frame structure and L-type retaining wall are effective in protection.

Qinghai-Tibet Railway; permafrost; cutting slope; disease characteristic; protective measure

2015-03-31；

2015-04-13

鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2010G018-C-3)

胡田飛(1988—)，男，博士研究生，E-mail：hutianfei0508@163.com。

1004-2954(2015)11-0026-05

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.007