川藏公路溢流型涎流冰影响因素试验与分析

罗为国

(中国华西工程设计建设有限公司广州分公司,广东 广州 510061)

0 概述

涎流冰是严寒地区道路常见的病害之一,其危害严重,影响范围广,已引起国内外学者的广泛重视。我国东北及西北寒冷地区,很早就关注对涎流冰形成机理与防治技术的研究[1]。川藏地区地形地貌、气候及水文条件利于涎流冰的形成。涎流冰影响因素众多,涎流冰的研究具有明显的区域差异性[2-3]。探讨涎流冰影响因素为涎流冰防治提供依据,对川藏公路的建设和安全运营具有重要意义。

国内外学者对涎流冰形成机理进行了大量的研究。根据观察坡面涎流冰的竖向运动,发现冻胀丘可在涎流冰冰面下局部发展[4]。研究粗细粒土在冻结过程中的区别[5]以及气候变化对冻土地区涎流冰形成的影响,有助于涎流冰形成机理的研究[6]。我国相关研究人员提出西藏地区涎流冰具有在冬春季节集中出现、分布范围较广等特点[7],是我国高寒区主要的冻害之一[8]。针对公路涎流冰,分析其产生原因、形成时间、持续时间及发展规模对其进行分类[9]。上述研究成果为涎流冰的形成及影响因素的分析提供了基础。

涎流冰的内在影响因素具有明显的区域特征。周石硚[10]等认为东北山区涎流冰间歇性增厚是涌出水在各处反复交替流动冻结的结果。张本良[11]等认为涎流冰形成于上部为透水层、中间为含水层、下部为不透水层的特殊水文地质构造段落。由于川藏公路特殊的地质条件,上述成果并不适合于该区涎流冰影响因素的分析。本文在川藏交通廊道区涎流冰灾害调查分析的基础上,针对广泛发育的坡面溢流型涎流冰形成过程及影响因素进行室内模拟试验研究,为川藏公路溢流型涎流冰的防治提供参考。

1 涎流冰分布特征

为查明川藏公路涎流冰病害特征,采用卫星图片判识以及现场实地调查进行统计分析。调查区域主要是康定-雅江-理塘-巴塘-贡觉-昌都-八宿-左贡-芒康一线G318、G317、G214国道及省道S215等公路。调研内容包括:地理位置、高程、地形地貌、坡向、坡位、岩性、地下水类型、涎流冰类型、涎流冰规模等。调研获得川藏公路涎流冰点2 369处,其中现场调查涎流冰387处,卫星图片判识1 982处,调查点分布如图1所示。

图1 川藏公路涎流冰调查点

调查表明,川藏交通廊道区涎流冰类型主要为基岩裂隙型、土石界面型、沟槽型、坡面溢流型、坡脚渗流型等。各类型涎流冰占比统计结果如图2所示,表明川藏交通廊道区涎流冰以坡面溢流型为主,占71.7%。典型的坡面溢流型涎流冰及其对工程的影响如图3所示。

图2 川藏公路涎流冰类型

图3 坡面溢流型涎流冰

随着气温的降低,地表向下冻结,季节冻融层发生变化,使原来的冻结层上潜水变成承压水。承压水随着上部冻结层的加厚和过水断面的减小,其压力逐渐增大,在坡面透水层薄弱处被挤出漫流,从下而上逐层冻结,从而形成坡面溢流型涎流冰。若处治不当,涎流冰漫流至公路路面(图3),将影响行车安全。

对坡面溢流型涎流冰边坡坡度进行统计,结果如图4所示。统计表明,形成坡面溢流型涎流冰的边坡坡度主要在30°以内,特别是10°～25°的边坡。调查表明,坡面溢流型涎流冰所处的地层主要为粗颗粒土,若含水量较高则土体强度低,不易形成较陡的斜坡,而坡度大也不利于地下水存储,难以形成稳定的储水结构。

图4 溢流型涎流冰边坡坡度统计

2 模型试验装置及试验方案

通过室内模型模拟试验,分析溢流型涎流冰的形成过程及影响因素。试验土体取自昌都邦达地区的某坡残积土边坡涎流冰发育点,该点边坡坡度为15°。对土体进行了密度及颗粒分析试验,土体为角砾土,试验表层透水层按实际的边坡土体级配和密度进行配制。

2.1 试验装置及监测点

试验模型框架尺寸为底长150cm、坡高100cm、坡宽80cm,如图5所示。模型框架采用镀锌槽钢并用不锈钢螺丝固定。侧面采用高强植筋胶粘接1cm厚的有机玻璃,便于观察模型边坡涎流冰的形成过程。在模型内部堆高约30cm的楔形土体斜坡模拟隔水层,并用防水卷材覆盖。供水装置为带水龙头的20L储水桶,采用输水滴管控制流量,保证试验过程渗流稳定。

图5 试验装置设计

试验用的制冷装置由压缩机、蒸发器和冷凝器组成。坡面上铺防水布,防止制冷过程中蒸发器与土体冻结在一起。蒸发器上部覆盖保温棉,提高制冷效果。

试验过程中对孔隙水压力及土体温度进行监测,监测点如图5(a)所示。温度传感器采用PT100热电阻感温探头,测量范围为-50℃～200℃,测量精度为0.15℃。试验预期温度范围是-10℃～15℃。孔隙水压力传感器采用微型渗压计,测量范围为-100kPa～200kPa,测量精度为0.1kPa,采用CM-1A-10静态电阻应变仪测读数据。

2.2 试验方案

设计了4组模型模拟试验,分别模拟坡形、地下水位、含水层渗透性、含水层厚度对涎流冰形成时间、形成规模等的影响。

2.2.1 试验1-地形的影响

在隔水层上采用角砾土作为含水层和透水层。模型边坡土体厚35cm,坡度为15°,测试角砾土渗透系数为0.056cm/s。挖掉模型左侧边坡中间部分土体,形成负地形坡面,最大挖土深10cm。分析负地形对涎流冰形成的影响。模型剖面如图6(a)所示。

图6 试验模型剖面

2.2.2 试验2-地下水位的影响

边坡透水层厚度增加10cm,保持供水量和地下水位不变,相当于水位降低了10cm,分析地下水位对涎流冰形成的影响。模型剖面如图6(b)所示。

2.2.3 试验3-含水层渗透性的影响

将25cm厚的含水层土体替换成渗透性较高的碎石土,测试其渗透系数为0.171cm/s。表层角砾土透水层厚度不变,分析含水层渗透性对涎流冰形成的影响。模型剖面如图6(c)所示。

2.2.4 试验4-含水层厚度的影响

将含水层碎石土厚度由25cm增加到40cm,表层角砾土透水层厚度不变,分析含水层厚度对涎流冰形成的影响。模型剖面如图6(d)所示。

3 溢流型涎流冰影响因素

3.1 坡形的影响

打开供水装置开关调节供水量,使渗流稳定后左侧负地形边坡地下水流出地表。测得右侧边坡K1-1元件处地下水位埋深约10cm,与试验设计一致。开启制冷装置,监测坡体温度和孔隙水压力的变化。

制冷1d后,边坡上的中间传感器检测到负温度。同时,在坡脚观测到一个小冰膜,在冰膜下可以观测到一小股水流,表明边坡的冻结过程是一个由外到内的过程。3d后左侧坡脚附近形成少量冰体,坡面负地形部位地下水大量渗出,负地形部位形成一定规模的冰体,如图7(a)所示。随着冻结时间的增加,冻结深度越来越大,坡脚冻结处水流受阻,向未冻结处渗流并逐渐冻结,涎流冰规模也越来越大,如图7(b)所示。冻结范围内逐渐形成稳定的涎流冰体。冻结8d后负地形部位形成了一个规模较大且稳定的涎流冰体,其体积约46cm×53cm×15cm,而右侧无涎流冰形成,如图7(c)所示,说明当地下水出露时,首先是在地下水露头处形成涎流冰,涎流冰以地下水露头点为中心向四周蔓延。坡面无地下水渗出,说明渗出的地下水均已冻结,坡脚处的涎流冰体变化不大。在模型两侧壁制冷装置未覆盖处有地下水渗出,说明在制冷装置覆盖区域且冻结深度范围内的地下水均已冻结成冰。

图7 坡形影响下涎流冰形成

涎流冰的形成过程与坡体温度和孔隙水压力监测结果对应。图8所示为坡体温度随冻结时间的变化,图9所示为孔隙水压力随冻结时间的变化。

图8 坡形影响下坡体温度变化曲线

图9 坡形影响下孔隙水压力变化曲线

从图8可以看出,制冷1d后,坡面部分区域已降至0℃以下。随着冻结时间的增加,坡体温度下降,但两侧边坡5cm深度处均为负温,10cm深度处均为正温。冻结5d后,边坡5cm深度处温度在-1℃左右波动,边坡10cm深度处温度在1℃～2℃左右波动,说明该模型冻结深度在5cm以上。

从图9可以看出,左侧负地形处孔隙水压力随冻结时间先增长,然后大致稳定在 3kPa左右。右侧上部孔隙水压力稳定压力稍小,约2kPa。负地形边坡孔隙水压力在上升阶段中存在坡面负地形附近大于坡脚的现象,其原因是与坡脚相比坡面凹槽部位透水层厚度较薄,使地下水冻结速率更快,从而使坡内孔隙水压力迅速增加。冻结过程中,地下水在凹槽处形成涎流冰,坡内地下水流量减小,孔隙水压力相应减小。

通过上述坡形对涎流冰形成的影响试验表明,坡形影响坡体汇水条件,负地形边坡坡面更容易形成大规模的涎流冰。在边坡冻结过程中,冰体的形成可分为三个阶段。第一阶段,地下水出露处最先冻结,由地表向内部逐渐发展;第二阶段,当坡脚或负地形等出口处形成一定规模的冰体时,地下水在坡面薄弱部位挤出冻结形成涎流冰;第三阶段,坡内地下水压力增加,挤开涎流冰层溢出后再冻结。如此循环发展,直至涎流冰体规模趋于稳定。

3.2 地下水位的影响

试验开始后控制输水滴管开关形成稳定的地下水流,且孔隙水压传感器部位的地下水埋深为20cm,如图10(a)所示。然后开启制冷装置,记录温度和孔隙水压随制冷时间的变化,同时观察坡体涎流冰的形成和变化特征。图10(b)为冻结12d时的涎流冰特征。

图10 水位影响下涎流冰形成

试验过程中坡体温度和孔隙水压力随时间变化的关系如图11和图12所示。

图11 水位影响下坡体温度变化曲线

图12 水位影响下孔隙水压力变化曲线

从图11可以看出,坡体温度随冻结时间逐渐下降,右侧边坡坡面5cm埋深处在冻结50h 左右降到0℃,左侧边坡坡面5cm埋深处在冻结100h 左右降到0℃。随后坡体温度降低速度变缓。冻结200h后,两侧边坡5cm埋深处的温度基本稳定在-3℃左右,10cm埋深处的温度降到0℃～-1℃。制冷200h后冻结深度大于10cm,实际上冻结深度并未达到初始20cm埋深的地下水位。

观察发现,涎流冰首先在坡脚地下水出露处形成。地下水受阻后,一部分向两侧蒸发器未覆盖区域分流,另一部分在形成的涎流冰后缘漫流,并缓慢冻结成涎流冰。如此反复进行,由坡脚向上逐渐形成涎流冰。当地下水位相对较深时,一般难以在坡面上直接形成涎流冰。只有当表层逐渐冻结压缩含水层过水断面,含水层渗流受阻,孔隙水压力增加,从而在上覆土层薄弱部位溢出形成涎流冰。12 d后试验结束,坡面涎流冰体积约60cm×70cm×3.5cm,与地形影响下形成的涎流冰规模相比,本试验中形成的涎流冰范围更大,但厚度较小。

根据试验过程中孔隙水压力的变化(图12)也能说明涎流冰的形成过程。试验开始1 d后坡脚渗出地下水冻结,坡脚地下水位逐渐抬高,孔隙水压力逐渐上升,地下水在冻结区后缘溢出后冻结。3 d之后,蒸发器覆盖区坡面表层形成了溢流涎流冰层,并形成了地下水封闭空间。其后孔隙水压力趋于稳定,原因在于蒸发器覆盖区以外部位温度在0℃以上,未冻地下水向两侧溢出。而边坡上部的孔隙水压力略小于下部,这与传感器埋设位置的高差对应。

3.3 含水层渗透性的影响

将含水层替换成渗透性更好的碎石土,试验开始后控制输水滴管开关形成稳定的地下水流,且孔隙水压传感器部位的地下水埋深为10cm。与前述两个试验相比,由于含水层渗透性增加,地下水从坡脚流出的时间更短。开启制冷装置后,观察到坡脚附近涎流冰形成的时间较短,这与含水层渗透性增加后,相同时间内水量的增加有关。提高含水层渗透性后,涎流冰主要沿坡脚线成片分布,如图13(a)所示。坡体中在蒸发器下方的透水层和含水层界面附近形成冰体。表层土体上挤形成冻胀丘,并无地下水从地表溢出形成涎流冰,如图13(b)所示。试验6d后,地下水从两侧蒸发器未覆盖区稳定溢出,透水层下冻结体也无明显变化后,结束试验。取出蒸发器下方土体中的冻结冰层,其体积约为60cm×50cm×5cm。可以看出,增加含水层渗透性后,地下水渗透速度加快,冻结速度减缓。主要在地下水位附近冻结成冰,而无地下水溢流出地表形成涎流冰,这与本试验中的冻结深度有限有关。

图13 含水层渗透性影响下的冻结状态

试验过程中坡体温度和孔隙水压力随冻结时间的关系如图14和图15所示。

图14 渗透性影响下坡体温度变化曲线

图15 渗透性影响下孔隙水压力变化曲线

从图14可以看出,坡体温度随制冷时间先迅速降低,2d后降温速度逐渐渐缓。制冷1d后埋深5cm处的坡体已冻结;制冷5d后,埋深10cm处的坡体冻结。与提高含水层渗透性之前的试验相比,土体冻结速度加快。

从图15可以看出,坡体中孔隙水压力同样随冻结时间的增加而增加。冻结2d后,孔隙水压力逐渐趋于稳定,坡上部孔隙水压力略高于坡下部,说明增大含水层渗透性同样增加了坡面附近的孔隙水压力。水压力增大的原因是坡脚冻结后,地下水流受阻,抬高了地下水位。

3.4 含水层厚度的影响

将渗透性好的含水层增加到40cm,试验开始后控制输水滴管开关形成稳定的地下水流,且孔隙水压传感器部位的地下水埋深为10cm。开启制冷装置19h后,在右侧坡脚处地下水冻结成冰,随后地下水在冰体后侧溢出,再次冻结,最后在坡脚形成了较大规模的涎流冰体,如图16(a)所示。而在坡体内部形成较大规模的冻结冰层,坡面上无溢出型涎流冰,如图16(b)所示。试验结束后,取出蒸发器下方土体中的冻结冰层,其体积约为60cm×55cm×8cm。与上一试验相比,冻结冰层范围相差不大,但厚度增加。说明含水层厚度增加后,地下水量增加,冻结冰层增厚。

图16 含水层厚度影响下冻结5d的边坡状态

试验过程中坡体温度和孔隙水压力随冻结时间的关系如图17和图18所示。

图17 含水层厚度影响下坡体温度变化曲线

图18 含水层厚度影响下孔隙水压力变化曲线

从图17可以看出,坡体温度随制冷时间先迅速降低,2d后降温速度渐缓。制冷1d后,埋深5cm处的坡体已冻结;制冷5d后,埋深10cm处的坡体冻结。冻结过程中土体温度变化与前一试验变化不大。

从图 18可以看出,坡体中孔隙水压力同样随冻结时间的增加而增加。冻结3d后,孔隙水压力逐渐趋于稳定,坡上部的孔隙水压力高于坡下部。与前一试验相比,坡体下部的孔隙水压力增加程度相当,但坡体上部孔隙水压力稍小。其原因在于,当坡脚地下水冻结后,地下水流受阻,由于含水层厚度大,地下水位抬高的程度降低。

4 结论

在调研基础上获得了川藏公路涎流冰的主要类型,通过室内模型试验,研讨分析了溢流型涎流冰影响因素,得到以下结论:

(1)川藏公路涎流冰以坡面溢流型为主,约占71.7%。形成坡面溢流型涎流冰的边坡坡度主要为10°～30°,平均坡度15°。

(2)当地下水在地表出露时,在负温条件下即可形成涎流冰。坡面负地形处形成的涎流冰呈点状,而坡脚涎流冰呈片状。地下水溢流至地表冻结后,地下水渗流受阻,在薄弱部位再次溢出,并再次冻结。如果地下水源充足,如此反复会形成大规模的涎流冰。

(3)当冻结深度小于地下水位时不会形成涎流冰。当冻结深度大于地下水位,在水位线附近地下水冻结成冰,压缩过水断面,水流受阻后地下水位升高,地下水可逐渐溢出地表并冻结形成涎流冰,其形成范围呈面状或片状。

(4)含水层渗透性越强、地下水流速越快,越难以形成涎流冰,但可形成地下冻结冰层。含水层越厚、水量越充足,冻结冰层越厚。

(5)川藏公路工程建设中,为减少涎流冰病害,建议采用换填渗透性良好的土层,增大含水层的渗透性,降低地下水位。也可铺设保温隔热层,防止冻结。