川藏铁路块碎石填料护坡路基降温效果分析

鲁成山，韩鹏飞，胡小川，田承尧，陈慧健 （中建二局土木工程集团有限公司，北京 100000）

0 引言

国家的正常运转、战略储备等物资运输均需要通过铁路来实现，以此来保障我国政治和经济的稳定[1]。我国的川藏铁路中有一半的铁路路程常年处于高海拔冻土地区，使用不同路基填料铺筑铁路在复杂气温条件下的反应各不相同，这将会严重威胁到铁路工程的稳定性和安全性。

为了进一步探究不同填料护坡路基在冻土地区的降温效果，学者们对其进行了大量的试验研究工作。卞晓琳等[2-5]通过数值模拟对铁路抛石护坡路基的温度场和流速场进行了研究，结果表明，抛石护坡路基在夏季能够提高多年冻土上限，冬季路基下部的土体温度升温速率更快，这对路基具有保护作用。邹泽雄等[6]根据实际检测数据，通过数值模拟软件对路基下温度场的稳定性进行了研究，结果表明，多年冻土的人为上限和天然上限均不断降低，路基的不均匀变形与阴阳坡的温度场分布有关。

本文采用川藏铁路试验段地温监测数据，研究了不同填料块石护坡路基、碎石护坡路基降温效果的差异，并与普通护坡路基进行对比分析。研究结果以期为高海拔冻土地区的道路工程建设提供理论依据。

1 不同填料路基降温效果分析

研究以川藏铁路某试验区段路基工程为研究背景，由水文地质资料调查发现，该铁路区段气温变化复杂，温度在-14．1～30℃之间交替显著，冻融次数多，昼夜温差变化大，极端条件可高达30℃，反复的温度荷载致使混凝土更易损伤、开裂，从而引起路基变形。

1.1 不同粒径填料路基下部中心温度变化

本文根据工程需要，对普通路基、块石护坡路基以及碎石护坡路基三种填料路基进行了检测，并得到相应的监测数据。其中，图1（a）为不同填料和不同深度路基下部土体温度-时间变化曲线。由图可知，在多年冻土上限附近，普通路基、块石护坡路基以及碎石护坡路基整体路基的变化趋势均随着时间的增加而逐渐降低。值得注意的是，受工程热扰动影响，三种填料护坡路基中心温度均出现短暂的升温过程，随着时间的推移出现降温趋势。在调料护坡路基完工初期，块石护坡路基中心温度最高，普通路基温度次之，碎石护坡路基温度最低。随着时间年份增长至2021 年，普通路基温度最高，块石路基温度次之，碎石路基温度最低。而对于降低幅度而言，与普通路基和碎石护坡路基相比较，块石护坡路基温度的降低幅度最大。

图1 路基中心下部不同深度土体温度随时间的变化

图1（b）为路基中心下部5m 深度土体的温度随时间变化曲线。从图中可以看出，随着年份的逐渐增加，三种护坡路基中线下部5m 深度土体的温度均呈现上升趋势，相对于块石和碎石护坡路基，普通路基5m 深的温度上升幅度最大，温度最高。在2009 年和2021 年三种路基5m 深度的温度大小为普通路基温度最高，块石路基温度次之，碎石护坡路基温度最低。值得注意的是，普通护坡路基在2016 年之前，下部5m 深度的路基温度随着时间的增加呈上升趋势。在2016 年之后，路基的温度逐渐趋于稳定。而块石护坡路基和碎石护坡路基的温度就是在2013 年之前，路基温度呈现上升趋势，在2013 年之后，路基温度呈现波动稳定趋势。

图1（c）为路基中心下部10m 深度土体温度-时间变化曲线。由图1（c）可知，三种填料护坡路基温度均随着时间的增加呈现出上升趋势。当时间在2014 年之前，三种路基呈现线性上升，在2014 年之后，路基温度上升趋势减缓，但路基下部10m 的温度大小依次为，普通路基温度最高，块石护坡路基温度次之，碎石护坡路基温度最低。对于不同深度不同粒径填料下的路基而言，碎石填料路基的中心温度均低于普通路基和块石护坡路基，且温度梯度随着深度的增加而逐渐减小，反映了土体温度调节作用与路基深度呈反比关系。

1.2 多年冻土上限变化分析

对于川藏铁路沿线高海拔地区而言，因为当地常年属于冻土区，融化下沉作用是铁路路基存在的主要病害之一。因此，要保障和维护铁路的正常运行，首先应对多年冻土上限的变化规律进行研究分析。通常而言，多年冻土上限指标与路基的稳定性是呈正相关的，如果路基下部多年冻土上限表现为上升趋势，则表明该路基护坡工程举措对路基的稳定性具有促进作用，对该路基工程的相关措施是能够保证铁路的正常使用。如果路基下部多年冻土上限表现为下降趋势，则认为该举措对护坡路基的正常运营具有劣化损伤作用，从而对铁路的运营使用产生不良影响。

对于护坡路基而言，左右两侧的路肩发生变形是正常的，若两侧的变形过大，将导致左右路肩的幅度变化差值增大，则在多年冻土上限上表现为不对称分布现象。对于块石和碎石护坡路基而言，左、右侧路肩的多年冻土上限差值在0．05～0．10m 和0．04～0．06m 之间，则表明两种护坡路基对称性较好，两侧路肩的不均匀变形对路基造成的损害较低[8]。

1.3 土体热状态变化

为深入探究分析热通量密度对普通路基、块石护坡路基以及碎石护坡路基下部多年冻土的影响，本文通过热通量密度q 的计算公式（1）和计算公式（2），选取护坡路基下部深部在5～6m 间的土体进行试验研究。选取的土体均在相同试验区段内获得。根据传热学原理，仅考虑一个维度下，热通量密度q 的数学计算公式为：

式中：负号为热通量密度由高温区域流通至低温区域；k 为土体导热系数，取值为1．67W/(m·K)；ΔZ 为土体厚度差值，取值为0．5m；T6．0、T5．0分别为土体在5～6m 间的温度值。通过式（1）计算得到的该试验区段热通量密度，然后通过式（2）对时间进行积分，最后得到路基下部深度在5～6m 范围内在一定时段内的总热量的收支变化情况。

表1为5个周期内不同填料块石、碎石护坡路基下部深层土体热量收支情况表。从表中可以看出，普通路基、块石护坡路基和碎石护坡路基下部土体温度均在第一个周期结束时吸热量达到最大值，并表现出稳定状态。热流量密度分别为4820．12、3411．44、2175．28kJ/m2。随着冻融周期的逐渐增加，三种护坡路基的热流量密度均呈现为先减小后增加的转变。当冻融周期达到3 次时，三种护坡路基的热流量密度均为最小值，分别 为3528．80、2514．24 和1554．20kJ/m2，当冻融周期达到5次时，三种护坡路基的热流量密度分别为3554．72、3136．32 和3136．32kJ/m2。相较于第一次冻融，5 次周期循环后的热流量密度分别降低了26．3%、8．1%和8．3%。造成这种变化的原因是降温效果达到极致后会导致多年冻土上限增加，从而导致浅层土体温度下降，深层土体通过热传导将冷量传递至浅层土体，进而导致深层土体温度不断上升。

2 不同填料路基降温机理分析

由于块石护坡路基之间的空隙较大，密实度较小，因此在冬季和夏季两季节间均会形成空气对流现象。相反，细小碎石护坡路基碎石间的空隙较小，空气对流现象不易在冬季和夏季中形成，因此较慢的热传导成为碎石护坡路基的主要流通方式。此外，由于空隙狭小，阻碍了空气流通，碎石之间依据气体传递的热量也因此被进一步阻碍，因此，空隙小的碎石护坡路基的热传递效率要远远低于空隙大的块石护坡路基。在冻融周期循环的过程中，与块石护坡路基相比较，碎石护坡对路基产生的降温效果较低，对深层路基的保护作用效果更为显著。

除了空气流通不同外，路基的降温效果也与外界的温度变化有关。图2 为2014-2021 年川藏铁路试验区年平均气温变化曲线。从图2 中可以看出，在2014-2018 年，年平均气温变化曲线虽呈现上下波动，但曲线的整体趋势仍是上升的，年平均升温速率为0．02℃/a。在2018-2021 年，年平均气温的整体趋势表现为先减小后增加的转折，相较于2014 年，2021 年时路基的升温速率为0．34℃/a。值得注意的是，2014-2018年，冬半年路基的温度均高于夏半年路基的温度。因此，随着平均温度的持续升高，川藏铁路多年冻土地区路基的温度随之增加，这将会对路基的整体降温效果产生劣化作用。此外，由于不同填料矿物颗粒对于温度的反应程度（热胀冷缩）不尽相同，从而造成护坡路基的多年冻土上限增加，引起左右路肩的不均匀变形增大，进而影响川藏铁路运行的安全性和稳定性。

图2 2014-2021年川藏铁路试验区年平均气温变化曲线

表1 冻融循环后三种填料护坡路基下部深层土体热流量收支变化情况（单位：kJ/m2）

表2 为2011-2021 年不同填料路基在不同深度下多年冻土年平均降温速率表。研究发现，在2011-2018 年期间，多年冻土区域普通路基、块石护坡路基以及碎石护坡路基的降温速率分别为0．58℃/10a、0．87℃/10a 和0．84℃/10a，升温速率分别为0．77℃/10a、0．7℃/10a 和0．51℃/10a。 在2018-2021 年，气温逐渐上升（图2），这是因为浅层区域的块石和碎石护坡路基间的空隙较大，发生空气对流导致。而在深层时，块石和碎石护坡路基的密实度增加，空气不易在空隙间流通，进而导致深层路基下部为升温状态，而浅层路基为降温状态。

表2 不同深度多年冻土的年平均降温速率

3 结论

川藏铁路中最常见的路基形式为块石、碎石护坡路基，为了研究不同粒径填料护坡路基对降温效果的影响，本文选用块石和碎石两种填料护坡路基，并与普通路基进行对比研究，得出主要结论如下：

①对于不同深度不同粒径填料下的护坡路基而言，相同温度下，碎石填料路基的中心温度均低于普通路基和块石护坡路基，温度梯度随着深度的增加而逐渐减小，土体温度与路基深度呈反比；

②多年冻土上限指标与路基的稳定性是呈正相关，路基下部多年冻土上限表现为上升趋势，则表明该路基护坡工程举措对路基的稳定性具有促进作用。多年冻土上限为下降趋势，则表明路基护坡工程对路基的稳定性具有劣化作用；

③不同填料护坡路基的降温效应主要与空气对流效应和外界温度变化有关。与块石护坡路基相比较，碎石护坡对路基产生的降温效果最低，对深层护坡路基的保护效果最为显著。