西北地區(qū)公路涎流冰病害分析及新型防治措施研究

胡佳佳

摘要：對于我國北方山區(qū)的公路而言，在寒冷冬季常會出現(xiàn)涎流冰病害，該病害的產(chǎn)生對公路的建設(shè)、運營、養(yǎng)護均帶來了極大的困擾，嚴(yán)重時甚至威脅到行車安全性，給人民的生命和財產(chǎn)安全帶來了極大的危害。鑒于此，本文以甘肅省在建的涇源至華亭高速公路工程為依托，通過現(xiàn)場調(diào)查、資料查閱等方式整理分析了該公路工程涎流冰病害的形成原因，并在基于保溫、集水、引流的處治原理上，綜合考慮有效防治、易于施工、節(jié)省成本等特點提出了針對挖方邊坡單個及小面積框格梁內(nèi)涎流冰病害治理的新型防治措施，旨在為西北地區(qū)涎流冰病害處治提供科學(xué)依據(jù)及工程指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：涎流冰;保溫板;干砌片石;排水管

中圖分類號：U416.1

0 ?引言

涎流冰是季節(jié)性凍土地區(qū)冬季公路工程所遇到主要病害之一。在寒冷氣候條件下，山區(qū)公路挖方邊坡截斷地下含水層，隨著氣溫的降低，地表向下凍結(jié)，季節(jié)凍融層發(fā)生變化，使原來的凍結(jié)層上潛水變成承壓水。承壓水隨著上部凍結(jié)層的加厚和過水?dāng)嗝娴臏p小，其壓力逐漸增大，在地表蓋層薄弱處被擠出或在水頭壓力下破壞蓋層，使地下水流出，漫流在路面上，從下而上逐層凍結(jié)，漫延整個路幅，形成可達數(shù)十米乃至百余米冰體，這樣的冰體在道路工程中稱為涎流冰，冰雪消融以后，又給公路帶來翻漿、滑塌、路基水毀等病害。由于其危害嚴(yán)重與影響范圍廣，已引起國內(nèi)外有關(guān)工程領(lǐng)域的密切關(guān)注。

在數(shù)值模擬研究方面：李海亮[1]、徐世強[2]等人均通過有限元軟件MIDAS-GTS對挖方邊坡的滲流耦合進行了數(shù)值模擬，并分別提出了擋冰墻和聚冰坑以及蓄冰溝與滲井相結(jié)合的涎流冰處治措施;長安大學(xué)的李哲[3]、張浩[4-5]、等人都以銅川到黃陵高速公路為依托，通過有限元模擬對涎流冰的成冰機理進行了分析，并基于涎流冰形成的密閉三層體系的凍結(jié)—壓力作用和內(nèi)部發(fā)育機理的基礎(chǔ)上提出了多種涎流冰處治措施。

在試驗研究方面：徐世強[2]通過飽水粗粒土與飽水細粒土的凍結(jié)試驗，得出飽水粗粒土的凍結(jié)是形成公路涎流冰的內(nèi)部條件，三層體中形成的密閉體系是其形成的外部條件的結(jié)論，并根據(jù)其病害形成原理和成因分析，提出了蓄冰溝與滲井相結(jié)合的涎流冰處治措施;張景燾[6]在現(xiàn)場工程試驗的基礎(chǔ)上，運用綜合模糊評價方法提出了邊坡滲溝與仰斜式排水孔聯(lián)合治理邊坡涎流冰病害的方法，并在實體工程中進行了驗證。

在理論研究方面：陳登春[7]、耿萬國[8]等人在分析涎流冰形成原因的基礎(chǔ)上，提出了排、擋、積、截等措施進行綜合處治;田學(xué)軍[9]等人通過仰斜式排水孔孔深計算以及滲井的流量、孔徑等理論計算提出了仰斜式排水孔與滲井相結(jié)合的涎流冰處治辦法。

綜上所述，我國研究人員對于涎流冰的治理已經(jīng)有了一定的研究成果，但是研究范圍大多為高海拔、寒冷地區(qū)公路涎流冰病害防治，而針對寒冷與溫和氣候過渡區(qū)、黃土地區(qū)公路涎流冰病害方面的研究內(nèi)容還很滯后，而對于甘肅等西北地區(qū)涎流冰防治的研究內(nèi)容而言就更加稀缺。鑒于此，本文以涇華高速公路為依托，通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合工程經(jīng)驗的方式提出了集保溫、集水、引流為一體，并對單個及小面積框格梁內(nèi)涎流冰病害治理具有針對性的新型防治措施。

2 ?工程概況

涇華高速公路K1+130～K3+430段路線以路基形式通過，該段路基主要以半填半挖形式

布設(shè)，路基挖方深度10～37m，挖方坡面采用框格梁加植生袋防護。坡體內(nèi)部設(shè)置仰斜式排水孔，坡口設(shè)置截水溝、急流槽、吊溝等排水設(shè)施。

K1+130～K3+430段路線通過雙疙瘩梁山前斜坡，坡面呈緩坡狀臺階狀且現(xiàn)均已開墾為農(nóng)田。山坡坡面覆蓋軟土，土質(zhì)疏松、含水量高、土體呈軟狀，土厚2～3m，坡體呈臺階狀，沿臺地土坎邊緣有多處滲水，坡腳有常流水，流量0.08L/s生長水草，坡面土體受水浸泡多呈軟塑狀。溝谷地區(qū)地層呈多層結(jié)構(gòu)，巖性上部為粉質(zhì)粘土層，黃褐色，稍濕，稍密，小孔隙發(fā)育，土質(zhì)較均勻，含鈣質(zhì)斑點，粉粒為主，含少量植物根系，厚約1～2m;下部為粗砂、淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土，局部夾卵石層，粗砂，黃褐色，濕，稍密，砂質(zhì)較均勻，一般粒徑0.5～2mm，含量約占55%，夾少量礫石，粘土充填;淤泥質(zhì)土，灰黑色，飽和，軟塑，土質(zhì)不均勻，偶見礫石，可見已碳化成黑色植物腐殖質(zhì)，土體具有腥臭味;粉質(zhì)粘土，黃褐色夾淺紅色，稍濕，中密，小孔隙發(fā)育，土質(zhì)不均勻，含較多礫砂及鈣質(zhì)結(jié)核，含量約占20%，可見最大粒徑20mm，粘粒含量較高;卵石層，青灰色，稍濕～飽和，稍密，一般粒徑20～35mm，含量約占55%，最大粒徑45mm，局部夾塊石，粒徑約65mm，砂土充填，磨圓度差，呈亞圓狀，分選性差;下伏古近系砂質(zhì)泥巖，磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，抗風(fēng)化能力差，刀切面較光滑，遇水易崩解，暴曬易龜裂。

該段路線經(jīng)過六盤山～關(guān)山山地屬半濕潤溫冷氣候小區(qū)，降水集中在7、8、9三個月，降雨量大，由于坡體含水量大，冬季氣候寒冷，地下水自下而上逐層結(jié)冰，形成涎流冰蔓延于坡面上，部分涎流冰覆蓋在路面上，對行車安全以及邊坡穩(wěn)定造成巨大的威脅。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，涇華高速公路K0+215.6 ～K3+540段于2020年冬季出現(xiàn)了大量的涎流冰病害，如下圖1所示。據(jù)統(tǒng)計，該段落涎流冰出現(xiàn)共26處，長度為270.3m，面積共1544.48m2，具體情況見下表1。

3 ?涎流冰新型防治措施

通過上述“涎流冰病害段落及規(guī)格統(tǒng)計”表分析可得，涇華高速公路涎流冰病害的呈現(xiàn)形式以零散、局部分布為主，且其基本出現(xiàn)在第一級邊坡坡面上。同時可得，各段涎流冰病害段落均較短，最短段落為2.5m（K3+257.5～K3+260），為一個框格的長度，涎流冰覆蓋范圍為該段落一級邊坡中第一及第二框格位置;最長段落為30.6m（K1+475～K1+505.6），如上圖1（d）所示，涎流冰從一級邊坡上部的抗滑樁擋土板間滲出，順坡面漫流直至右側(cè)行車道路面上，該段落涎流冰覆蓋范圍較廣，若不及時處治，在道路通車后極易引起車輛側(cè)翻，對行車安全存在巨大的威脅。

為此，針對涇華高速涎流冰“零散分布、局部蔓延”的呈現(xiàn)形式，在基于“保溫引流”的原則上，提出了單個及小面積框格梁內(nèi)涎流冰病害治理的新型防治措施。其處治形式如下圖2、圖3 所示。

如上圖2、圖3所示，在出現(xiàn)涎流冰的框格內(nèi)先移出植生袋，然后在該框格內(nèi)垂直坡面人工開挖1.0m（自框格梁底部起算）深范圍，并開挖50cm寬臺階。為防止開挖過程中上部土體坍塌，開挖之前在涎流冰所在框格頂部橫梁上方人工打入鋼管樁以起到預(yù)支護作用，鋼管樁直徑為60mm，壁厚5mm，每根鋼管樁長度均為2.5m，間距為50cm布設(shè)，鋼管樁中填充M10砂漿以提高其抗剪強度。開挖范圍內(nèi)臺階采用干砌片石碼砌后放入90cm深石籠，石籠底部放入?200mm帶孔PE管，帶孔PE管外側(cè)包裹透水土工布。石籠內(nèi)部填充干砌片石，然后在石籠頂部鋪設(shè)復(fù)合土工膜（兩布一膜），再鋪筑10cmEPS保溫板，最后恢復(fù)框格內(nèi)植生袋。

出現(xiàn)涎流冰框格所對應(yīng)的碎落臺位置處，開挖80cm寬的溝槽，開挖長度為自框格內(nèi)部臺階范圍起至邊溝下滲溝位置處結(jié)束，開挖坡率為12%，溝槽開挖完成后在其底部設(shè)置坡率為12%的帶孔PE管，開挖范圍自碎落臺頂部往下60cm范圍內(nèi)采用素土回填，其他部分采用干砌片石碼砌。

干砌片石采用石料應(yīng)選用耐風(fēng)化的硬質(zhì)巖，要求其抗壓強度≥30MPa;片石最小厚度≥15cm，其中一條邊長≥30cm，體積≥0.01m 。

4 ?施工過程指導(dǎo)

為指導(dǎo)施工及確保工程質(zhì)量，施工過程應(yīng)按下列工序嚴(yán)格逐步逐項進行。

（1）干砌片石采用石料應(yīng)選用耐風(fēng)化的硬質(zhì)巖，要求其抗壓強度≥30MPa;片石最小厚度≥15cm，其中一條邊長≥30cm，體積≥0.01m 。

（2）框格內(nèi)開挖及回填均采用人工施工，不對框格梁造成破壞。

（3）若最底部一個框格內(nèi)出現(xiàn)涎流冰，則僅處治底部框格;若中間框格出現(xiàn)涎流冰，則處治底部及中部框格;若頂部框格內(nèi)出現(xiàn)涎流冰，則上中下三個框格均進行處治。

（4）每個框格處治之前均采用鋼管樁進行支護，施工時沿路線前進方向間隔施工，橫斷面方向施工順序按照先頂部再中部最后底部的工序進行。

5 ?結(jié)束語

本文結(jié)合工程實際，對挖方邊坡坡面出現(xiàn)的涎流冰采用保溫集水引流措施進行防治。該處理措施施工簡便、對單個框格及小面積涎流冰處理效果明顯，其研究成果可為西北地區(qū)公路建設(shè)中所遇到的坡面局部涎流冰病害處治提供科學(xué)依據(jù)及工程指導(dǎo)作用。

6 ?參考文獻

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