新疆某公路涎流冰病害成因分析及防治

王亞坤，孫愛斌，張國祥，何宏偉

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300142）

0 引 言

公路涎流冰病害是嚴寒地區(qū)一種獨有的特殊工程地質現(xiàn)象。在寒冷天氣條件下，部分地下水或地表水溢出到路面或已經形成的冰面上，自下而上一層一層地堆積凍結，形成涎流冰[1-3]。在溫度較低的冬天和春天的初期，涎流冰容易形成。在秋冬前后，溫度逐漸降低到0℃左右，地下水或地表水開始形成涎流冰。隨著溫度逐漸降低，冰水不斷溢出、變厚，最終達到高峰期。在春冬換季時期，白天氣溫增高，涎流冰開始融化，到了夜間溫度降低又再次結冰。因此始終處于凍融循環(huán)階段。春天過后，氣溫回升至0℃以上時，涎流冰開始融化并逐漸消失。目前國內學者對不同類型及不同區(qū)域的涎流冰的成因及防治進行了研究和分析[4-7]。

新疆阿勒泰某公路穿過阿勒泰山林區(qū)段落，由于林區(qū)地表水和地下水豐富，同時冬季山區(qū)內氣溫較低，項目區(qū)域容易發(fā)生涎流冰危害。涎流冰會產生路面水毀、沉降、龜裂、斷板、邊坡崩塌、滑坡、剝落、路基失穩(wěn)、沖刷等公路病害，嚴重威脅高寒地區(qū)公路的施工及運營安全。對此，本文針對該道路穿越寒冷地帶林區(qū)的涎流冰病害進行了詳細調查，對病害形成的原因和影響因素進行了分析研究，并提出了相應的治理措施。

1 工程概況

本項目公路位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，阿勒泰地區(qū)東端，額爾齊斯河流域上游，北緯45°00'—48°03'，東經88°10'—90°31' 之間。線路起點位于南部中山帶，向西經過河谷平原，終于中山帶，地勢總體上中部高，兩端低，路線海拔在1 100～2 000 m，兩側山峰海拔一般在2 500～3 900 m，地形起伏較大。

2 涎流冰成因分析

經過實地調查、查詢資料并結合類似項目的施工經驗，山區(qū)涎流冰一般主要發(fā)生水源豐富的區(qū)域內，而且坡腳位置發(fā)生概率較大，陰坡處由于溫度較低發(fā)生可能性也高于陽坡。在坡腳位置、沖溝和內凹地形等地下水容易匯聚的地層中，涎流冰發(fā)生概率最高。經過現(xiàn)場調查分析，本項目涎流冰主要是受水文地質、氣候氣象、地形地貌、地層巖性等內在因素，以及人工擾動等外在因素的影響。

2.1 水文地質

水是誕流冰中冰的主要來源。涎流冰規(guī)模的大小不僅取決于初始水量的大小，更取決于凍結階段后續(xù)水源的補給情況。本公路涎流冰中的冰主要是地下水和地表水漫溢、裂隙水等凍結產生。

項目區(qū)域區(qū)內，地表水主要為額爾齊斯河流域。額爾齊斯河有喀拉額爾齊斯河和克蘭河兩條河域支流。河流補水主要依靠季節(jié)性融雪水和大氣降水。本項目地處阿勒泰山林區(qū)，地形起伏大且海拔高，高山冰雪融水是地表水的主要來源。本項目區(qū)域冬季較長，一般為10 月至次年4 月，此段時間降雪豐富，容易在林區(qū)堆積，自然積雪厚度一般為0.5～1.0 m，極端條件下可以達到2.0 m 左右的積雪厚度，積雪持續(xù)時間較長。積雪融水主要發(fā)生在冬季氣溫較高的白天、換季時節(jié)。融雪水一般順坡流向山谷或坡腳。當夜間溫度低于0℃時，流水凍結成冰并經過層層堆積形成涎流冰。同時在寒冷氣溫條件下，沿線河道中的水結冰后，隨著上游水流和冰雪融水增大，導致河道中的冰層逐漸加厚。當河道中的冰面高程高于公路路面高程后，水逐漸漫溢到公路路面上，隨著溫度持續(xù)降低，冰層逐漸凍結加厚，漫溢范圍逐漸增大，進而形成厚度不等、面積在數平方米至數百平方米區(qū)域的涎流冰。

沿線地下水主要為第三系碎屑巖孔隙水、第四系松散巖類孔隙水和基巖(構造）裂隙水。道路沿線范圍內基巖裂隙水主要存在于各種風化巖石裂隙和構造節(jié)理中，巖性以花崗巖和變質巖為主，表層風化強烈，多呈碎塊、碎石狀，層間和垂直層面裂隙發(fā)育，地下水多沿節(jié)理面和巖石裂隙分布，富水性弱，具有就近補給、就近排泄的特點。在冬季寒冷氣候條件下，裂隙水沿著自然坡面形成冰錐。如果自然坡面開挖后，裂隙水流量增大，在內部一定的水壓力作用下，在邊坡坡面或路面上形成凸起狀涎流冰。坡面裂隙涎流冰如圖1 所示。

圖1 坡面裂隙涎流冰

2.2 氣候氣象

寒冷的氣候環(huán)境是產生涎流冰的必要因素，只有溫度在0℃以下時，才有可能形成涎流冰。溫度對涎流冰的形成和發(fā)展起著至關重要的作用。一般來說，溫度越低，涎流冰發(fā)展的規(guī)模越大。項目區(qū)位于歐亞大陸腹地準噶爾盆地北部邊緣位置，阿爾泰山南部為中溫帶大陸性氣候區(qū)，北部較高的阿爾泰山脈阻擋了吹過北冰洋和大西洋的潮濕空氣，氣候干燥，蒸發(fā)量大，夏季干熱，冬季漫長且嚴寒，山區(qū)冬季積雪較深，積雪時間長。項目區(qū)域全年平均溫度大約為5℃，最高年極端氣溫為41℃，最低極端氣溫為-55℃。秋末冬初，氣溫下降迅速，而冬末春初氣溫又快速回升，在此期間晝夜溫差極大。因此，在此氣候條件下，涎流冰的形成和發(fā)育就比較有利。

2.3 地形地貌

地形地貌是引導地表水和地下水動態(tài)流動和匯聚的一個關鍵條件，也是涎流冰形成和發(fā)育不可缺少的重要因素。通過現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，擬建公路部分段落沿喀依爾特河、阿拉阿依格爾河河床與山麓交匯處展布，地勢起伏較大，除跨河處以橋梁通過外，其余均以路基形式通過。該段河谷為“V”型谷，兩側坡體多處基巖出露。該公路沿線涎流冰病害通常發(fā)生在山前坡地的緩坡、沿山坡腳或溝谷洼地等位置。這種地形提供了較大的匯水區(qū)域，有利于自然降水，以及冰雪融水的滲透和收集。兩側坡體坡度一般為40°～75°，局部為80°～88°。南側植被發(fā)育，北側相對植被較少，為地表及地下水的流動提供了較為有利的條件。另外，在沿線的山坡地區(qū)、坡面坡腳位置和沖溝區(qū)域存在著一定厚度的腐殖土覆蓋層。該覆蓋層透水性能較大，且富水能力較強，也為涎流冰的形成提供了極其有利的條件。坡谷涎流冰如圖2 所示。

圖2 坡谷涎流冰

2.4 地層巖性

地層巖性的特征影響著地下裂隙水的儲存和遷移路徑，含水層巖性對地下水儲水空間特征、孔隙連通性及走向分布、孔隙的大小及發(fā)育程度等影響較大?？紫兜拇笮〉忍卣饔譀Q定著巖性含水層的透水性、給水性和富水性等，這也會直接影響涎流冰的發(fā)育特征和規(guī)模大小。

本項目道路沿線分布的主要地層為第四系全新統(tǒng)坡積層和沖洪積層，以角礫（圓礫）、碎石（卵石）為主，局部揭露有粉土、礫砂，上部為原路基，以碎石為主。有地下水出露的山坡，不斷沿第四系松散堆積層、基巖裂隙通道由高水位流向低水位。同時受凍結-壓力作用，流出地表，在持續(xù)低溫的環(huán)境下不斷地繼續(xù)凍結，蔓延成涎流冰。

2.5 人工擾動

本公路在設計時為了滿足結構、快速線形等要求，在修建過程中造成許多挖方地段。由于路塹開挖截斷了原坡面里裂隙水的滲流通道，破壞了滲流途徑，導致既有的裂隙水到開挖邊坡坡面的滲流途徑距離變小。同時，也導致原本未出露的地下裂隙水、承壓水或者其他潛水可能被人工開挖的邊坡坡面截斷，從而造成從邊坡坡面上出水，進而流入公路路基范圍內，當氣溫在0℃以下時，進而會形成涎流冰病害，影響公路的安全。

3 涎流冰防治措施

公路涎流冰對交通危害極大。導致涎流冰發(fā)生的影響因素較多，因此在公路設計階段，應該加強勘測調查前期工作，深入調查涎流冰的區(qū)域、種類、面積及具體產生的影響因素，進而制定切實有效的預防處理措施。本項目通過設置高路基、橋涵跨越、截水溝及滲水盲溝、擋冰墻和聚冰坑等綜合措施防治公路涎流冰。

3.1 高路基

本項目中公路沿河而走，為避免河道涎流冰上路，通過采用提高路基設計高度的方法進行處置。設計中應保證路基設計高程高于涎流冰最大壅冰高度不小于0.5 m。同時，路堤填料采用滲水性好的碎石、砂礫等材料填筑或者采用填石路基通過涎流冰路段。

3.2 橋涵跨越

針對匯水量較大的溝谷型涎流冰路段和滲水量較大的地下泉水段，可修建橋梁或者涵洞進行跨越。橋涵的凈空和尺寸除了要滿足歷年最大洪水量外，還應滿足歷年最高洪水位的要求，同時需要考慮一定的回水高度。橋涵的尺寸不僅要滿足在雨季泄洪的要求，還要達到在冬季排除涎流冰的目的。因此，本公路中此部分的橋涵孔徑和凈空均比常規(guī)的要大。同時，在橋涵施工完成運行中，應定期清理橋涵下方的淤積物，防止水流不暢導致河灘涎流冰的發(fā)生。

3.3 截水溝及滲水盲溝

水是涎流冰形成的關鍵因素，有效地排出地表水和地下水是防止涎流冰上路的有效手段。本公路通過在邊坡坡面上設置坡頂截水溝和平臺截水溝將兩側邊坡裂隙水或者山頂積雪融水等地表水沿公路縱向排入涵洞或者橋梁范圍內，避免地表水形成涎流冰進入路基范圍內。對于部分地表水流量較大的路段，設置一定的截水溝不能滿足排水要求，本項目在設計過程中通過加深加寬邊溝或者排水溝的措施來排水。同時增大排水縱坡，減小地表水形成涎流冰的可能性。

為了避免地下泉水和邊坡滲水在排出路基之前不結冰，在凍結深度以下設置縱橫向滲水盲溝系統(tǒng)將地下水引出路基范圍。盲溝底部采用素混凝土基座，安裝排水管后，在上部回填碎礫石等滲水材料。盲溝出水口尺寸宜加大，并設置保溫措施。為保證盲溝出口水流順暢，還應加大出水口處縱坡。盲溝設計圖如圖3 所示。

圖3 盲溝設計圖

3.4 設置擋冰墻和聚冰坑

本工程針對開挖路段坡面水溢出、開挖邊坡地下水，以及裂隙水形成的山坡坡面涎流冰，通過在路基坡腳外側較為平緩路段設置擋冰墻和聚冰坑加以解決。擋冰墻可采用混凝土結構或砌石結構，要求墻體致密、防凍。擋冰墻一般布置在路基邊溝或者排水溝的外側，起到攔截危巖落石和擋冰的雙重作用。擋冰墻基礎埋置深度應不小于凍結深度以下，同時應充分考慮墻后的壅冰高度，防止涎流冰越過擋冰墻進入路基范圍內。本道路設計過程中，將擋冰墻和聚冰坑結合使用，將山坡中雨水、春季冰雪融水和少量的降雨進行匯聚，通過縱向排水將其導向橋涵或者自然溝渠中，遠離路基方向，避免產生涎流冰病害。聚冰坑的大小由聚冰量確定，一般底寬1～3 m。擋冰墻及聚冰坑設計圖如圖4 所示。

圖4 擋冰墻和聚冰坑設計圖

4 結 語

新疆寒冷山區(qū)的公路沿線廣泛分布著涎流冰，對道路行車安全影響很大。涎流冰路段易發(fā)生交通安全事故，給道路的養(yǎng)護管理工作帶來很大壓力。本文通過對新疆某公路涎流冰進行詳細的調查分析，并提出了相關的處置措施，得出以下相關結論：

（1）公路涎流冰的產生受水文地質條件、氣候氣象、地形地貌、地質巖性和人工開挖等因素影響較大。影響因素較多，成因復雜，預防治理有較大難度。因此，在建設前期應加強現(xiàn)場調查和勘察，針對涎流冰的類型和形成因素，采取切實有效的治理措施。

（2）公路涎流冰可以通過設置高路基、橋涵跨越、截水溝及滲水盲溝、擋冰墻和聚冰坑等綜合措施防治公路涎流冰。

（3）在山區(qū)公路建設中，由于邊坡地質情況復雜，涎流冰水的來源復雜多變，如原設計無法考慮現(xiàn)場的全面情況，應采用動態(tài)設計。針對施工過程中現(xiàn)場情況的變化，及時調整設計方案。另外，對涎流冰治理方案的選擇，要本著因地制宜、就地取材、對癥下藥、防治結合的原則，應用多種方案綜合治理，才能徹底解決涎流冰的危害，使其既可滿足工程需要，又可大大降低工程造價。