青藏鐵路多年凍土區(qū)片石護坡積沙段降溫效果監(jiān)測與分析

趙相卿,程 佳,韓龍武,蔡漢成,孟進寶

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室,青海格爾木 816000)

引言

多年凍土的融沉問題是寒區(qū)鐵路能否安全修建和正常運行的關鍵問題之一[1-5]。為了防止地基多年凍土融化引起路基融沉變形,國內(nèi)外學者提出了主動冷卻路基的思路[6-9]。片石、碎石路堤作為主動保護多年凍土的措施之一,被廣泛應用于青藏鐵路路基。在全球氣候轉(zhuǎn)暖的大背景下,多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定性問題是青藏鐵路建設和安全運營必須解決好的首要技術難題。在鐵路通車運營后,受施工條件的制約,一些工程措施無法采用,而片(碎)石層護坡具有保溫效果顯著、布設施工靈活的特點,是多年凍土區(qū)路基補強和病害整治的首選措施[10-11]。

青藏鐵路多年凍土區(qū)的片石護坡路基的大量使用,起到了降低路基基底多年凍土溫度和調(diào)節(jié)多年凍土人為上限形態(tài)的作用,為青藏鐵路的安全運營提供了技術保障[12-14]。

青藏鐵路多年凍土區(qū)沿線沙害主要分布在河谷及湖泊附近,主要有：紅梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、扎加藏布、措那湖等。在風沙危害嚴重地段,片石護坡孔隙被沙害掩埋,改變了片石層傳熱特性,影響片石護坡的降溫效果[15-17]。

因此,有必要對片石護坡被沙害掩埋后的降溫效果進行深入研究,分析其對多年凍土路基的影響程度,為多年凍土區(qū)路基片石護坡病害整治對策提供科學依據(jù)[18-20]。

1 監(jiān)測斷面工程概況

為了更好地了解沙害掩埋下片石路基工作狀態(tài)及降溫效果,選擇青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)腹地同一地貌單元的北麓河盆地內(nèi)兩段相距較近的積沙和無積沙片石護坡路基進行現(xiàn)場監(jiān)測。

1.1 K1120+100～K1120+200段積沙片石護坡路基

該段路基位于北麓河盆地,為秀水河橋格爾木段橋頭路基,高約4 m,較穩(wěn)定,變形小,線路走向SW8°(圖1),左側(cè)為陽坡側(cè)。根據(jù)地質(zhì)資料：該段地勢平坦,海拔高度在4 547～4 549 m,地層巖性為：地表砂礫土,下伏圓礫土、風化～未風化泥巖。多年凍土類型為多冰凍土,年平均地溫在-1.0～-1.5 ℃,屬低溫基本穩(wěn)定多年凍土區(qū)(Tcp-Ⅲ),工程地質(zhì)條件較好。

圖1 K1120+100～K1120+120監(jiān)測斷面地形示意

片石護坡積沙污染現(xiàn)狀(照片1)如下。

(1)路基左側(cè)：土護道+片石護坡,距橋頭5 m無片石,片石護坡高2～2.5 m,外表整潔,內(nèi)填沙子,K1119+233涵洞至秀水河橋間左側(cè)均為土護道+片石護坡,片石護坡高1.0～2.5 m不等,受積沙影響較嚴重的在橋頭100 m,其余片石段底部積滿沙子,并不均勻,0.5～1.5 m高度內(nèi)積沙,有些部位已長草。

(2)路基右側(cè)：土護道+片石護坡,片石護坡高2～2.5 m,外表看較整潔,縫隙內(nèi)已填充滿沙子,片石護坡長度約50 m,靠橋頭約8 m時無,再往前為普通路基+土護道。

熱敏電阻編號及埋設如下。

陽坡側(cè)2組(左側(cè))：①K1120+100左側(cè)(XBY-188)；②K1120+120左側(cè)(XBY-189)；

陰坡側(cè)1組(右側(cè))：K1120+110右側(cè)(XBY-190)。

照片1 K1120+100～K1120+200監(jiān)測段片石護坡沙害污染

1.2 K1125+430～K1125+460段無積沙片石護坡路基

該段路基位于北麓河盆地,為沖洪積高平原地貌,地勢右高左低,左側(cè)路基高約6 m,路肩做擋砟墻,道砟厚約1 m；右側(cè)路基高3.5～4 m,片石護坡路基,線路走向SW10°(圖2),左側(cè)為陽坡側(cè)。根據(jù)地質(zhì)資料：該段地勢右高左低,海拔高度在4 558～4 562 m,地層巖性為：地表中砂土,下伏風化～未風化泥巖。多年凍土類型為多冰、富冰凍土,年平均地溫在-0.3～-0.5 ℃,屬高溫極不穩(wěn)定多年凍土區(qū)(Tcp-Ⅰ),工程地質(zhì)條件一般。

圖2 K1125+430～K1125+460監(jiān)測斷面地形示意

片石護坡現(xiàn)狀簡介(照片2)如下。

K1125+400～K1125+525(小橋)片石護坡+碎石土護道,左側(cè)路基高約6 m,路肩做擋砟墻,道砟厚約1 m；右側(cè)路基高3.5～4 m,片石護坡,片石護坡較為潔凈,未見沙害侵蝕。

照片2 K1125+430～K1125+460監(jiān)測段片石護坡

熱敏電阻編號及埋設如下。

陽坡側(cè)2組(左側(cè))：①1125+430左側(cè)(XBY-191)；②1125+460左側(cè)(XBY-192)；

陰坡側(cè)1組(右側(cè))： 1125+445右側(cè)(XBY-194)。

2 片石空隙率試驗

受現(xiàn)場條件的制約,空隙率試驗不便于在現(xiàn)場進行。為確定片石層的空隙率,采用模型實驗的方案。以試驗段片石的實際情況以及工程設計中常用的20～40 cm的粒徑為依據(jù),按1∶10的比例縮小為2～4 cm,用碎石替代片石進行實驗,以獲取片石層的相關參數(shù)。實驗中,先用碎石填滿水箱,然后往水箱中灌水以確定片石層的空隙率,實驗結(jié)果見表1。

從表1實驗結(jié)果看：第一組空隙率最大,為46.1%；第四組最小,為41.6%；組實驗結(jié)果的平均值為44.0%。

表1 碎石空隙率實驗結(jié)果

本實驗為片石層空隙率的模型實驗,因此所得的碎石層空隙率值即為放大10倍后片石層的空隙率值。依據(jù)試驗段片石的實際情況,通過對不同組合的6組碎石進行模型實驗可得：粒徑為20～40 cm的片石層的空隙率為41.6%～45.0%。較大的空隙率使得片塊石護坡能通過暖季隔熱、寒季散熱這一機理來對路基體進行降溫。

3 地溫監(jiān)測方案

為了進一步研究積沙條件下排水護坡的防護效果,在兩個斷面各選擇3處進行地溫長期監(jiān)測,受課題研究周期所限,監(jiān)測周期從2016年10月21日持續(xù)到2017年10月4日,達到一個寒季暖季的循環(huán),測溫數(shù)據(jù)基本能夠說明積沙條件對片石護坡保溫的影響。兩個斷面均布設3處測點,并考慮了陰陽坡側(cè)的影響。

K1120+100～K1120+120段共布置3處測溫點,分別為K1120+100左側(cè),K1120+110右側(cè)和K1120+120左側(cè)。如圖3所示。

圖3 K1120+100～K1120+120段片石護坡測點布置示意

K1125+430～K1125+460段共布置3處測溫點,分別為K1125+430左側(cè),K1125+445右側(cè)和K1125+460左側(cè)。如圖4所示。

圖4 K1125+430～K1125+460段片石護坡測點布置示意

每處測點垂直坡面埋設測溫元件,埋設深度位置分別為0 m(坡面),0.2,0.4,0.6,0.8 m,如圖5所示。

圖5 片石護坡地溫監(jiān)測點布置示意

地溫監(jiān)測采用人工監(jiān)測,每7 d監(jiān)測1次。

4 地溫數(shù)據(jù)分析

4.1 總體分析

根據(jù)地溫測試數(shù)據(jù),繪制各測點的地溫曲線,如圖6～圖9所示。對地溫曲線進行分析可以看出：坡面和0.2 m深度的溫度波動幅度比較大,基本說明該深度范圍溫度基本和氣溫保持一致。而0.4 m,0.6 m和0.8 m深度處的地溫曲線波動幅度較小,但整體曲線呈“S”形,變化情況與氣溫變化相對應,可見0.2 m以下深度地溫穩(wěn)定性較好,片石護坡保溫效果整體良好。

圖6 K1120+100左側(cè)坡體不同深度地溫曲線

圖7 K1120+110右側(cè)坡體不同深度地溫曲線

圖8 K1125+430左側(cè)坡體不同深度地溫曲線

圖9 K1125+445右側(cè)坡體不同深度地溫曲線

同時,從圖6～圖9可以看出,在寒季(2016年10月～2017年4月),0.4～0.8 m處地溫基本高于坡面0 m處,說明寒季路基體通過片石向外散熱,降低路基體溫度；在暖季(2017年4月～2017年10月),0.4-0.8 m處地溫基本低于坡面0 m處,說明在暖季片石層起到了阻隔外部熱量,保持路基體低溫的效果。

4.2 不同條件下片石護坡降溫效果分析

(1)不同深度下片石護坡地溫特征

根據(jù)地溫曲線顯示,0.4,0.6,0.8 m深度位置的地溫較為穩(wěn)定,基本可以反映片石氣冷保護下路基坡體的地溫特征,因此,選取不同測點0.6 m(圖10)、0.8 m(圖11)深度的地溫資料進行分析。

圖10 不同測點位置0.6 m深度地溫曲線

從圖10可以看出,在0.6 m深度位置,K1120+100～K1120+200積沙段的3個斷面測點的地溫在整個監(jiān)測周期來看基本高于K1125+430～K1125+460無積沙斷面,即K1120+100～K1120+200處的片石護坡降溫效果要低于K1125+430～K1125+460。由此可見，片石護坡在積沙后降溫效果有所下降。

圖11 不同測點位置0.8 m深度地溫曲線

從圖11可以看出,在0.8 m深度位置,K1120+100～K1120+200積沙段的3個斷面測點的地溫在整個監(jiān)測周期也高于K1125+430～K1125+460的3個無積沙片石護坡監(jiān)測斷面,說明片石護坡在積沙后降溫效果有所下降。

(2)不同條件下片石護坡降溫效果對比分析

根據(jù)前面的分析,0.4，0.6，0.8 m深度位置的地溫較為穩(wěn)定,基本不受氣溫影響。因此，從中選擇0.6 m和0.8 m兩處位置的地溫數(shù)據(jù)進行積溫,研究不同條件下片石護坡的降溫效果,見圖12。

圖12 各測點0.6 m和0.8 m處地溫年積溫柱狀

從2個斷面進行對比分析,可以看出,K1120+100～K1120+200斷面的3個測點的年積溫明顯高于K1125+430～K1125+460斷面,路基左側(cè)高出約50%,路基右側(cè)高出約100%。由此可見,K1120+100～K1120+200斷面的片石保溫效果比K1125+430～K1125+460斷面要差。而兩處斷面的差別在于前者有積沙,說明積沙后片石降溫效果明顯減弱。

對比同一個斷面的左右側(cè)測點積溫進行分析,K1120+100～K1120+200斷面左側(cè)測點積溫約為右側(cè)的1.4倍,K1125+430～K1125+460斷面左側(cè)積溫約為右側(cè)的2.0倍,說明由于陰陽坡的差異使得片石護坡的降溫效果也有差別。路基陽坡側(cè)(左側(cè))片石護坡降溫效果低于陰坡側(cè)(右側(cè))。因此,在采用片石保溫護坡時,陽坡側(cè)需要比陰坡側(cè)采取更強的防護措施。

5 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場地溫監(jiān)測分析,對青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)典型路段片石護坡的降溫效果進行了評價,并根據(jù)不同條件(有無積沙、陰陽坡)對片石護坡的降溫效果進行比分析,主要結(jié)論如下。

(1)由于片塊石層的大孔隙特性(粒徑為20～40 cm的片石層的空隙率為41.6%～45.0%),使得片塊石護坡能通過暖季隔熱、寒季散熱這一機理來對路基體進行降溫,測溫數(shù)據(jù)顯示,降溫效果良好。

(2)片石護坡積沙后其降溫效果明顯減弱,通過片石層內(nèi)0.6 m和0.8 m深度的地溫積溫比較,積沙路段積溫明顯高于無積沙路段,其中路基左側(cè)高出約50%,路基右側(cè)高出約100%。要保證片石護坡的降溫效果,應在沙害易發(fā)段落采取措施防止其積沙劣化。

(3)路基陰陽坡的差異也會影響片石護坡的保溫效果。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,無積沙的K1125+430～K1125+460路基陽坡側(cè)正積溫約是陰坡側(cè)的2.0倍,陽坡側(cè)(左側(cè))片石護坡降溫效果低于陰坡側(cè)(右側(cè))。因此,在采用片石保溫護坡時,陽坡側(cè)需要比陰坡側(cè)采取更強的措施。