季節(jié)凍土區(qū)幾種典型分散土邊坡凍害防護(hù)技術(shù)研究

劉麗佳,蘇安雙，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

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季節(jié)凍土區(qū)幾種典型分散土邊坡凍害防護(hù)技術(shù)研究

劉麗佳,蘇安雙，張 濱

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

在季節(jié)凍土區(qū)，分散土邊坡由于受到凍脹、融沉的影響，極易發(fā)生凍脹變形與融沉破壞，隨著分散土表面雨水沖蝕溝的形成，水分逐漸富集與入滲坡體內(nèi)部，使得土坡內(nèi)部的溝縫逐漸加深，破壞加大，隨著凍脹變形的持續(xù)發(fā)展，邊坡的整體穩(wěn)定性越來(lái)越差，造成分散土邊坡工程修復(fù)難、維修成本高。文章針對(duì)季節(jié)凍土區(qū)分散土邊坡特有的破壞形式與凍脹特點(diǎn)，力求削減寒區(qū)分散土邊坡的凍害程度，研究不同結(jié)構(gòu)形式、種類(lèi)的凍害防護(hù)技術(shù)，為實(shí)際工程服務(wù)。

季節(jié)凍土區(qū)；分散土邊坡；凍害；防護(hù)技術(shù)

0 引 言

分散性黏土是一種特殊的土質(zhì)，屬于高納鹽漬土。這種土質(zhì)含有大量可交換鈉離子，遇雨水沖刷，土顆粒間黏聚力喪失完全，團(tuán)聚體自行分散成原狀細(xì)顆粒，導(dǎo)致土壤分散。邊坡表面形成雞爪沖蝕溝，坡體內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕溶洞，引起堤壩管涌滲漏，造成路基失穩(wěn)等破壞。在中國(guó)，分散土在不同地區(qū)均有分布，北部有黑龍江的引嫩工程，南方有海南的嶺落水庫(kù)，東部的官路水庫(kù)以及西部的引額濟(jì)克水利工程，分布廣，但并不連續(xù)。分散土由于自身的分散機(jī)理較為復(fù)雜，屬于物理化學(xué)共同作用的結(jié)果。目前為止，尚沒(méi)有成熟的理論論證分散機(jī)理。

深季節(jié)凍土區(qū)的分散土問(wèn)題由來(lái)已久，黑龍江省在修建北部引嫩工程以及南引工程中都遇到了分散土的問(wèn)題。破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，雖然也相應(yīng)采取了一些措施，但效果不佳，分析其主要原因，還是對(duì)分散土的認(rèn)識(shí)不足，多少年來(lái)，一直關(guān)注于分散性的研究，對(duì)其凍脹特性的認(rèn)知甚少，而忽視了“分散性+凍脹性”所造成的破壞[1]。文章結(jié)合分散土自身分散特性與北方季節(jié)凍土區(qū)邊坡受凍脹破壞的影響，主要考慮雨水侵蝕與凍融循環(huán)作用對(duì)邊坡的不利影響，提出綜合治理措施，對(duì)分散土邊坡進(jìn)行有效防護(hù)。

1 分散土邊坡受凍害破壞現(xiàn)狀

雞爪溝、沖蝕洞是分散土邊坡典型的破壞形式。分散土遭受雨水沖蝕以后，由坡面凍縮裂縫或施工接頭等薄弱環(huán)節(jié)起始，沿著坡降，沖蝕發(fā)展至坡腳位置。

裂縫逐漸向縱深方向發(fā)展，形成一道道密集分布的沖蝕溝。沖蝕溝內(nèi)的土體隨雨水沖刷掏空，形成內(nèi)部中空的沖蝕洞。大大破壞了分散土邊坡整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。伴隨施工過(guò)程中發(fā)生的 “土體流化”現(xiàn)象，也對(duì)在建工程的完成與運(yùn)行使用造成了不可避免的影響。形成沖蝕洞的樣貌見(jiàn)圖1。

圖1 沖蝕洞

圖1顯示的沖蝕洞有的發(fā)生在施工前期,有的發(fā)生在工程剛剛竣工驗(yàn)收。經(jīng)過(guò)不斷侵蝕，加大破壞，歷經(jīng)凍融循環(huán)，工程第2年產(chǎn)生更多的沖蝕溶洞。尤其在在第1次通水后，便初具規(guī)模的小沖蝕洞，松嫩平原分散土段曾多處發(fā)生“土體流化”現(xiàn)象。沖蝕溝見(jiàn)圖2。

圖2 沖蝕溝

從圖2可以看出，分散土邊坡裂縫發(fā)展過(guò)程是由邊坡表面至坡腳位置均有涉及；深淺不一，在坡體轉(zhuǎn)角、接頭等薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生干縮、凍縮裂縫，沿著坡面匯集水流方向造成沖蝕溝向縱深發(fā)展。雞瓜溝的破壞特征見(jiàn)圖3。

圖3 雞爪溝

圖3段護(hù)坡雞爪溝是分散土邊坡典型的破壞特征，從圖中可以看出，分散土邊坡坡面裂縫逐漸加深，發(fā)展。分散土土質(zhì)本身為高鈉土，在較純凈的水中常產(chǎn)生離子的游離擴(kuò)散，以致引起土體表面依次脫，土粒之間凝聚力降低,表層依次崩解脫落，分散過(guò)程顯著。外界雨水作用在易分散的堿性分散土邊坡上，造成分散土邊坡表面裂縫逐漸發(fā)展，破壞越發(fā)嚴(yán)重，再加上季節(jié)凍土區(qū)凍脹融沉的影響，共同了引發(fā)了分散土坡的整體破壞。由此可以看出：有效的防凍害措施是解決季節(jié)凍土區(qū)分散土邊坡凍脹破壞的關(guān)鍵[2-4]。

2 分散土特性影響分析

研究分散土邊坡的防凍害措施，首先要了解分散土邊坡在低溫環(huán)境下的凍脹特性。

分散土凍脹特性試驗(yàn)在低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中完成。測(cè)定分散土的凍結(jié)深度與凍脹量的變化，分析凍脹對(duì)分散土坡的影響。表1分散土土樣的物理力學(xué)指標(biāo)與表2礦物相對(duì)百分含量。

表1 分散土土樣物理力學(xué)指標(biāo)

表2 分散土礦物相對(duì)含量

從表2中可以看出，分散土中各組分含量顯示本次凍脹性分類(lèi)試驗(yàn)的分散土具有弱膨脹性及分散性特征。

3 分散土邊坡凍害防護(hù)技術(shù)

分散土的凍脹特性與分散土內(nèi)部的粉粒含量、黏粒含量、比表面積、含水率、含鹽量、溫度、擊實(shí)度等因素有關(guān)。土坡內(nèi)部水分遷移與聚集是形成分散土邊坡凍脹變形的主要因素。夏季雨水侵蝕沖刷分散土邊坡，形成表面的沖蝕溝，分散土自身的分散特性使得勾縫不斷向內(nèi)部加深，加劇，勾縫逐漸增大，導(dǎo)致分散土邊坡整體失穩(wěn)，發(fā)生破壞。故對(duì)分散土邊坡的防護(hù)主要考慮對(duì)分散土邊坡表面進(jìn)行防護(hù)，減緩雨水對(duì)坡表面的沖刷、侵蝕，在坡體內(nèi)采用反濾、排水材料，降低坡體內(nèi)部的侵潤(rùn)線(xiàn)，消減凍脹形成因素[5]- [8]。

3.1 砂反濾凍害防治技術(shù)

砂反濾是防止土體滲透破壞的一種有效措施，分散土的反濾機(jī)理不同于普通的黏土反濾，阻止分散土的反濾主要是防止土顆粒被水流沖走，造成土質(zhì)的淋失、遷移、沉積，使其在反濾層逐漸累積板結(jié)，淤堵滲流通道。因而在要求分散土反濾的砂顆粒較之普通土反濾砂粒徑小。經(jīng)過(guò)砂反濾處理的分散土邊坡有效的降低了坡體內(nèi)部的侵潤(rùn)線(xiàn)，消減了水分遷移帶來(lái)的凍脹變形。是一種很好的防凍害技術(shù)措施[9-10]。

3.2 分散土邊坡表層防護(hù)

3.2.1 鉸接板護(hù)坡

這種護(hù)坡是將同樣規(guī)格、形狀、尺寸的混凝土預(yù)制塊經(jīng)過(guò)連接、拼裝，形成整體穩(wěn)定的連鎖結(jié)構(gòu)。這種護(hù)坡滲水性好、坡體呈柔性、能植草并改善生態(tài)環(huán)境，且防沖刷能力強(qiáng)、坡面破損易修補(bǔ)，整體穩(wěn)定[11]。見(jiàn)圖4，護(hù)坡工程布置為混凝土鉸接塊加300g/m2聚酯長(zhǎng)纖針刺土工布結(jié)構(gòu)，坡比為1∶2.5，蓋板網(wǎng)格規(guī)格為8cm×10cm，固腳采用60cm×80cm格賓網(wǎng)箱加土工布型式。

圖4 預(yù)制混凝土鉸接塊護(hù)坡結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)3個(gè)凍融周期后，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的觀(guān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)：

1)鉸接板護(hù)坡表面無(wú)明顯沉降變形，凍脹適應(yīng)性較好，歷經(jīng)多次凍融循環(huán)后，表面無(wú)沖蝕溝產(chǎn)生，沖蝕溶洞發(fā)展緩慢。

2)植被生長(zhǎng)情況較好，水位線(xiàn)以上植被覆蓋率顯著提高，可接近90%以上。

3)排水結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，格賓固腳有利于坡體的排水與反濾，降低坡體侵潤(rùn)線(xiàn)，減小土體含水率，對(duì)于高地下水位的土質(zhì)邊坡能有效減緩凍脹發(fā)生。

4)表面整體防護(hù)對(duì)分散性土坡，可以減緩雨水沖蝕。

圖5 雷諾墊結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 雷諾墊護(hù)坡

雷諾墊是在辛高爾凡籠內(nèi)填充粒徑在7-15cm范圍內(nèi)的卵石護(hù)坡，這種結(jié)構(gòu)施工速度快，對(duì)坡面防護(hù)效果好，表面的柔性結(jié)構(gòu)，能夠很好的適應(yīng)渠坡變形，在寒區(qū)應(yīng)用廣泛。圖5為雷諾墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)圖，工程布置為23cm雷諾墊護(hù)坡+300g/m2土工布結(jié)構(gòu)，固腳同樣采用格賓網(wǎng)箱加土工布包裹。

圖6 雷諾墊護(hù)坡工程實(shí)例

如圖6所示，經(jīng)過(guò)3個(gè)凍融周期后，雷諾墊護(hù)坡的試驗(yàn)工程整體完整、穩(wěn)定：

1)雷諾墊護(hù)坡在歷經(jīng)多次凍融循環(huán)后，坡面無(wú)明顯的沉降、變形，無(wú)裂縫產(chǎn)生，對(duì)邊坡土體的防護(hù)效果明顯，護(hù)坡結(jié)構(gòu)完好，整體穩(wěn)定，凍脹適應(yīng)性良好。

2)坡體排水結(jié)構(gòu)有效的減緩凍脹發(fā)生，固腳位置無(wú)滑坡破壞，適用不同水位的土質(zhì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)[12]。

3.3 蜂巢約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)護(hù)坡

蜂巢約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)護(hù)坡是九十年代開(kāi)始應(yīng)用的一種新型土工合成材料護(hù)坡結(jié)構(gòu)，這種護(hù)坡是在土工格室中填充碎石、卵石，表層覆土，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于坡面防護(hù)中。其特點(diǎn)如下：

1)格室內(nèi)充填碎石其重力穩(wěn)定性與格室的整體防護(hù)性能相結(jié)合，結(jié)合無(wú)紡布反濾排水效果，有效地起到了防護(hù)邊坡的目的。

2)每個(gè)獨(dú)立封閉的格室可以緩解水流沖蝕，減緩風(fēng)浪對(duì)坡面的淘刷，起到良好的坡面防護(hù)效果。

3)格室中的級(jí)配碎石粒徑為3-8cm，孔隙中可充填種植土，植被覆蓋率高，生態(tài)景觀(guān)性好，坡面植被也可起到固土減緩水流沖擊和滲透水流的反濾作用。

4)土工格室的尺寸結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際工程坡度的大小選擇合適的高度與焊距，以便獲得最佳的防護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。見(jiàn)圖7。

圖7 蜂巢格室護(hù)坡結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 蜂巢格室護(hù)坡工程實(shí)例

本次蜂巢格室設(shè)計(jì)采用蜂巢格室填充碎石+300g/m2土工布結(jié)構(gòu)，固腳采用60cm×80cm格賓網(wǎng)箱+土工布結(jié)構(gòu)。從圖8中可以看出，經(jīng)過(guò)3個(gè)凍融周期后，蜂巢約束結(jié)構(gòu)在迎水坡面經(jīng)受了水流的沖刷與侵蝕，降低了坡內(nèi)水位線(xiàn)，消減了凍脹破壞。

3.4 不同分散土邊坡凍害防護(hù)技術(shù)特點(diǎn)分析比較

不同分散土邊坡凍害防護(hù)技術(shù)特點(diǎn)比較見(jiàn)表3：

表3 分散土護(hù)坡防護(hù)效果比較

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)分散土邊坡凍脹破壞的調(diào)查，凍脹成因的分析，以及防凍脹效果的評(píng)價(jià)，總結(jié)多種形式的防凍害措施應(yīng)用于季節(jié)凍土區(qū)分散土邊坡上。包括改良土防凍害技術(shù)、反濾砂防凍害技術(shù)、分散土邊坡表面防護(hù)等防凍害技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的應(yīng)用效果來(lái)看，在經(jīng)歷幾個(gè)凍融循環(huán)以后，這些防凍害技術(shù)均起到了很好的防凍脹效果。今后可將這些防凍害技術(shù)應(yīng)用于分散土邊坡上，在季節(jié)凍土區(qū)得到更廣泛的推廣與應(yīng)用。

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Study on Preventive Technology of Frost Damage on Dispersive Soil Slope in Seasonal Frozen Area

LIU Li-jia；SU An-shuang and ZHANG Bin

(Heilongjiang Provincial Hydraulic Science Research Institute，Harbin 150080，China)

Dispersive soil slope is easy to be deformed and damaged due to influence from the frost heave and thaw settlement in the seasonal frozen soil area. With the formation of ditch eroded by rain on the surface of dispersive soil，water enriched gradually and infiltrated into the slop body，which deepened gradually the gap between slopes，and damages were worsening. The overall stability of the slope is more and more worsened with the sustainable development of frost heave deformation，resulting in difficulty to rehabilitee the dispersive soil slope engineering and high cost for rehabilitation. In line with the damaged type and frost characteristics of dispersive soil slope in the seasonal frost area，this paper studied prevention technology against various structures and kinds in order to reduce the frost degree of dispersive soil slope in cold area，so as to serve for actual projects.

seasonal frozen area；dispersive soil slope；frost damage；prevention technology

1007-7596(2017)04-0001-04

科技成果

2017-03-12

水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目(200916)：水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào)201001027)。

劉麗佳(1984-)，女，黑龍江大興安嶺人，工程師，碩士，從事凍土力學(xué)、巖土力學(xué)、水利水電工程研究；蘇安雙(1980-)，男，遼寧鐵嶺人，高級(jí)工程師；張濱(1957-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，教授級(jí)高工。

P642.14

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