青藏铁路多年冻土区片石护坡积沙段降温效果监测与分析

赵相卿,程 佳,韩龙武,蔡汉成,孟进宝

(1.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000； 2.青海省冻土与环境工程重点实验室,青海格尔木 816000)

引言

多年冻土的融沉问题是寒区铁路能否安全修建和正常运行的关键问题之一[1-5]。为了防止地基多年冻土融化引起路基融沉变形,国内外学者提出了主动冷却路基的思路[6-9]。片石、碎石路堤作为主动保护多年冻土的措施之一,被广泛应用于青藏铁路路基。在全球气候转暖的大背景下,多年冻土区路基的稳定性问题是青藏铁路建设和安全运营必须解决好的首要技术难题。在铁路通车运营后,受施工条件的制约,一些工程措施无法采用,而片(碎)石层护坡具有保温效果显著、布设施工灵活的特点,是多年冻土区路基补强和病害整治的首选措施[10-11]。

青藏铁路多年冻土区的片石护坡路基的大量使用,起到了降低路基基底多年冻土温度和调节多年冻土人为上限形态的作用,为青藏铁路的安全运营提供了技术保障[12-14]。

青藏铁路多年冻土区沿线沙害主要分布在河谷及湖泊附近,主要有：红梁河、秀水河、北麓河、沱沱河、扎加藏布、措那湖等。在风沙危害严重地段,片石护坡孔隙被沙害掩埋,改变了片石层传热特性,影响片石护坡的降温效果[15-17]。

因此,有必要对片石护坡被沙害掩埋后的降温效果进行深入研究,分析其对多年冻土路基的影响程度,为多年冻土区路基片石护坡病害整治对策提供科学依据[18-20]。

1 监测断面工程概况

为了更好地了解沙害掩埋下片石路基工作状态及降温效果,选择青藏铁路沿线多年冻土区腹地同一地貌单元的北麓河盆地内两段相距较近的积沙和无积沙片石护坡路基进行现场监测。

1.1 K1120+100～K1120+200段积沙片石护坡路基

该段路基位于北麓河盆地,为秀水河桥格尔木段桥头路基,高约4 m,较稳定,变形小,线路走向SW8°(图1),左侧为阳坡侧。根据地质资料：该段地势平坦,海拔高度在4 547～4 549 m,地层岩性为：地表砂砾土,下伏圆砾土、风化～未风化泥岩。多年冻土类型为多冰冻土,年平均地温在-1.0～-1.5 ℃,属低温基本稳定多年冻土区(Tcp-Ⅲ),工程地质条件较好。

图1 K1120+100～K1120+120监测断面地形示意

片石护坡积沙污染现状(照片1)如下。

(1)路基左侧：土护道+片石护坡,距桥头5 m无片石,片石护坡高2～2.5 m,外表整洁,内填沙子,K1119+233涵洞至秀水河桥间左侧均为土护道+片石护坡,片石护坡高1.0～2.5 m不等,受积沙影响较严重的在桥头100 m,其余片石段底部积满沙子,并不均匀,0.5～1.5 m高度内积沙,有些部位已长草。

(2)路基右侧：土护道+片石护坡,片石护坡高2～2.5 m,外表看较整洁,缝隙内已填充满沙子,片石护坡长度约50 m,靠桥头约8 m时无,再往前为普通路基+土护道。

热敏电阻编号及埋设如下。

阳坡侧2组(左侧)：①K1120+100左侧(XBY-188)；②K1120+120左侧(XBY-189)；

阴坡侧1组(右侧)：K1120+110右侧(XBY-190)。

照片1 K1120+100～K1120+200监测段片石护坡沙害污染

1.2 K1125+430～K1125+460段无积沙片石护坡路基

该段路基位于北麓河盆地,为冲洪积高平原地貌,地势右高左低,左侧路基高约6 m,路肩做挡砟墙,道砟厚约1 m；右侧路基高3.5～4 m,片石护坡路基,线路走向SW10°(图2),左侧为阳坡侧。根据地质资料：该段地势右高左低,海拔高度在4 558～4 562 m,地层岩性为：地表中砂土,下伏风化～未风化泥岩。多年冻土类型为多冰、富冰冻土,年平均地温在-0.3～-0.5 ℃,属高温极不稳定多年冻土区(Tcp-Ⅰ),工程地质条件一般。

图2 K1125+430～K1125+460监测断面地形示意

片石护坡现状简介(照片2)如下。

K1125+400～K1125+525(小桥)片石护坡+碎石土护道,左侧路基高约6 m,路肩做挡砟墙,道砟厚约1 m；右侧路基高3.5～4 m,片石护坡,片石护坡较为洁净,未见沙害侵蚀。

照片2 K1125+430～K1125+460监测段片石护坡

热敏电阻编号及埋设如下。

阳坡侧2组(左侧)：①1125+430左侧(XBY-191)；②1125+460左侧(XBY-192)；

阴坡侧1组(右侧)： 1125+445右侧(XBY-194)。

2 片石空隙率试验

受现场条件的制约,空隙率试验不便于在现场进行。为确定片石层的空隙率,采用模型实验的方案。以试验段片石的实际情况以及工程设计中常用的20～40 cm的粒径为依据,按1∶10的比例缩小为2～4 cm,用碎石替代片石进行实验,以获取片石层的相关参数。实验中,先用碎石填满水箱,然后往水箱中灌水以确定片石层的空隙率,实验结果见表1。

从表1实验结果看：第一组空隙率最大,为46.1%；第四组最小,为41.6%；组实验结果的平均值为44.0%。

表1 碎石空隙率实验结果

本实验为片石层空隙率的模型实验,因此所得的碎石层空隙率值即为放大10倍后片石层的空隙率值。依据试验段片石的实际情况,通过对不同组合的6组碎石进行模型实验可得：粒径为20～40 cm的片石层的空隙率为41.6%～45.0%。较大的空隙率使得片块石护坡能通过暖季隔热、寒季散热这一机理来对路基体进行降温。

3 地温监测方案

为了进一步研究积沙条件下排水护坡的防护效果,在两个断面各选择3处进行地温长期监测,受课题研究周期所限,监测周期从2016年10月21日持续到2017年10月4日,达到一个寒季暖季的循环,测温数据基本能够说明积沙条件对片石护坡保温的影响。两个断面均布设3处测点,并考虑了阴阳坡侧的影响。

K1120+100～K1120+120段共布置3处测温点,分别为K1120+100左侧,K1120+110右侧和K1120+120左侧。如图3所示。

图3 K1120+100～K1120+120段片石护坡测点布置示意

K1125+430～K1125+460段共布置3处测温点,分别为K1125+430左侧,K1125+445右侧和K1125+460左侧。如图4所示。

图4 K1125+430～K1125+460段片石护坡测点布置示意

每处测点垂直坡面埋设测温元件,埋设深度位置分别为0 m(坡面),0.2,0.4,0.6,0.8 m,如图5所示。

图5 片石护坡地温监测点布置示意

地温监测采用人工监测,每7 d监测1次。

4 地温数据分析

4.1 总体分析

根据地温测试数据,绘制各测点的地温曲线,如图6～图9所示。对地温曲线进行分析可以看出：坡面和0.2 m深度的温度波动幅度比较大,基本说明该深度范围温度基本和气温保持一致。而0.4 m,0.6 m和0.8 m深度处的地温曲线波动幅度较小,但整体曲线呈“S”形,变化情况与气温变化相对应,可见0.2 m以下深度地温稳定性较好,片石护坡保温效果整体良好。

图6 K1120+100左侧坡体不同深度地温曲线

图7 K1120+110右侧坡体不同深度地温曲线

图8 K1125+430左侧坡体不同深度地温曲线

图9 K1125+445右侧坡体不同深度地温曲线

同时,从图6～图9可以看出,在寒季(2016年10月～2017年4月),0.4～0.8 m处地温基本高于坡面0 m处,说明寒季路基体通过片石向外散热,降低路基体温度；在暖季(2017年4月～2017年10月),0.4-0.8 m处地温基本低于坡面0 m处,说明在暖季片石层起到了阻隔外部热量,保持路基体低温的效果。

4.2 不同条件下片石护坡降温效果分析

(1)不同深度下片石护坡地温特征

根据地温曲线显示,0.4,0.6,0.8 m深度位置的地温较为稳定,基本可以反映片石气冷保护下路基坡体的地温特征,因此,选取不同测点0.6 m(图10)、0.8 m(图11)深度的地温资料进行分析。

图10 不同测点位置0.6 m深度地温曲线

从图10可以看出,在0.6 m深度位置,K1120+100～K1120+200积沙段的3个断面测点的地温在整个监测周期来看基本高于K1125+430～K1125+460无积沙断面,即K1120+100～K1120+200处的片石护坡降温效果要低于K1125+430～K1125+460。由此可见，片石护坡在积沙后降温效果有所下降。

图11 不同测点位置0.8 m深度地温曲线

从图11可以看出,在0.8 m深度位置,K1120+100～K1120+200积沙段的3个断面测点的地温在整个监测周期也高于K1125+430～K1125+460的3个无积沙片石护坡监测断面,说明片石护坡在积沙后降温效果有所下降。

(2)不同条件下片石护坡降温效果对比分析

根据前面的分析,0.4，0.6，0.8 m深度位置的地温较为稳定,基本不受气温影响。因此，从中选择0.6 m和0.8 m两处位置的地温数据进行积温,研究不同条件下片石护坡的降温效果,见图12。

图12 各测点0.6 m和0.8 m处地温年积温柱状

从2个断面进行对比分析,可以看出,K1120+100～K1120+200断面的3个测点的年积温明显高于K1125+430～K1125+460断面,路基左侧高出约50%,路基右侧高出约100%。由此可见,K1120+100～K1120+200断面的片石保温效果比K1125+430～K1125+460断面要差。而两处断面的差别在于前者有积沙,说明积沙后片石降温效果明显减弱。

对比同一个断面的左右侧测点积温进行分析,K1120+100～K1120+200断面左侧测点积温约为右侧的1.4倍,K1125+430～K1125+460断面左侧积温约为右侧的2.0倍,说明由于阴阳坡的差异使得片石护坡的降温效果也有差别。路基阳坡侧(左侧)片石护坡降温效果低于阴坡侧(右侧)。因此,在采用片石保温护坡时,阳坡侧需要比阴坡侧采取更强的防护措施。

5 结论

通过室内试验及现场地温监测分析,对青藏铁路沿线多年冻土区典型路段片石护坡的降温效果进行了评价,并根据不同条件(有无积沙、阴阳坡)对片石护坡的降温效果进行比分析,主要结论如下。

(1)由于片块石层的大孔隙特性(粒径为20～40 cm的片石层的空隙率为41.6%～45.0%),使得片块石护坡能通过暖季隔热、寒季散热这一机理来对路基体进行降温,测温数据显示,降温效果良好。

(2)片石护坡积沙后其降温效果明显减弱,通过片石层内0.6 m和0.8 m深度的地温积温比较,积沙路段积温明显高于无积沙路段,其中路基左侧高出约50%,路基右侧高出约100%。要保证片石护坡的降温效果,应在沙害易发段落采取措施防止其积沙劣化。

(3)路基阴阳坡的差异也会影响片石护坡的保温效果。从监测数据来看,无积沙的K1125+430～K1125+460路基阳坡侧正积温约是阴坡侧的2.0倍,阳坡侧(左侧)片石护坡降温效果低于阴坡侧(右侧)。因此,在采用片石保温护坡时,阳坡侧需要比阴坡侧采取更强的措施。