川藏寒區道路邊坡涎流冰防治措施試驗研究

趙 文，劉亞雄，吉安娜，高文杰，王國生

（西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031）

在寒冷氣候條件下，地表水或地下水露頭，并沿斜坡表層一直滲漏到路面，由下至上在短時間內凝結成冰狀，這樣的冰體在道路工程中稱為涎流冰。涎流冰是高寒地區普遍存在的一種地質病害現象[1]。我國東北、西北及青藏高原，北美、北歐等地區均存在不同程度的涎流冰病害問題[2?3]。涎流冰于路面形成冰面，在反復凍融過程中，誘發眾多工程災害[4?6]。融水滲流至路基內導致路基破壞、道路翻漿等破壞。凍結成固體冰錐體，還將對路基支擋結構產生凍脹破壞[7]，影響車道行人正常運作和安全。涎流冰融化滲水還將影響斜坡穩定性，加速邊坡破壞。青藏高原地區因其特殊的地質環境和氣候條件，尤其利于涎流冰的形成。

國內外很早就對涎流冰的形成機理、影響因素及工程防治開展了研究[8?11]。王澤浩等[12]認為涎流冰是地下水下堵、露頭結冰、解凍融化、消失以及再孕育結冰的連續過程。王影等[13]研究了公路涎流冰形成特征、條件及分類，認為形成公路涎流冰最關鍵的是擾動三層體的存在與密閉水體的凍結-壓力作用，其他因素則決定了涎流冰的規模和持續的時間。張雪華[14]研究了高寒林區道路涎流冰的防治措施，提出涎流冰的防治關鍵在于查明病害段的水文地質條件。劉宏偉等[15]提出采用塑料防水板、軟式透水管、保溫層等方法治理路基邊坡滲水形成的涎流冰。馬磊[16]總結新疆公路涎流冰的治理經驗，提出在注重防治設計的同時，還應加強病害點的調查和預測。朱銀橋等[1]以西藏那曲至嘉黎公路為例，有針對性地提出繞避、阻擋、排導、加高路堤等治理措施。李海亮等[17]針對西藏羊八井至大竹卡段公路涎流冰問題，提出采用擋冰墻和聚冰坑等綜合措施防治邊坡涎流冰。張浩[18]針對銅川——黃陵公路涎流冰問題，提出積冰法、擋冰法、含水層側移分流法、保溫滲溝法、含水層延續法等方法進行防治。Saarelainen等[19]提出保持地下水流動溫度恒溫性的涎流冰防治措施。Varlamov等[20]指出地表水的增溫效應降低導致坡下凍土區的形成，保溫絕緣材料對坡體具有輕微冷凍作用，提出需采取降低地面溫度的防治措施。

川藏寒區由于地形地質條件惡劣，交通建設落后，道路等級較低，在道路建設中對涎流冰的防治重視程度不高，涎流冰病害問題突出。在未來藏區高速公路及鐵路建設中，涎流冰病害問題是影響工程建設及安全運營的重要因素。而上述涎流冰防治方法有些具有明顯地域性特征，并不能完全適應川藏高寒區路基邊坡涎流冰防治。青藏高原環境惡劣，材料運輸困難，涎流冰防治宜就地取材，方便施工。本文基于川藏交通廊道涎流冰野外調查和衛圖判識，分析該區涎流冰分布特征。利用實際涎流冰路基邊坡土體建立溢流型涎流冰物理模擬試驗模型，基于防排水原則，進行不同措施涎流冰防治效果對比試驗，為川藏寒區道路路基邊坡涎流冰防治提供參考。

1 川藏交通廊道涎流冰發育特征

川藏交通廊道區冬季最低氣溫約?30 °C，從每年10月底到次年的2月份平均氣溫均在零下。該區年平均降水量896 mm[21]。由于雪層覆蓋和地表植被使水分蒸發受到影響，豐富的地下水被儲存在地表淺層中，為涎流冰的發育提供了有利條件。通過衛星圖像識別和現場調查，對川藏交通廊道東段（G318、G319、G215、G248國道等）涎流冰進行調查。共調查涎流冰2 369處，其中現場調查387處，衛圖判識1 982處，調查點分布如圖1所示。涎流冰類型主要有坡面溢流型、坡腳滲流型、溝谷型、土石界面型、基巖裂隙型等，各類涎流冰如圖2所示。

圖1 川藏交通廊道涎流冰調查點分布圖Fig.1 Distribution of extruded ice along Sichuan——Tibet Traffic Corridor

圖2 涎流冰主要類型Fig.2 Main types of extruded ice

對川藏交通廊道區調查獲取的2 369處涎流冰分布特征進行統計，結果如圖3所示。統計表明，涎流冰以坡面溢流型為主，占71.7%。涎流冰出露部位集中于緩坡，占比54.8%。涎流冰發育區邊坡坡度集中于10°～25°，合計占72.0%（特別是15°～20°，占30.4%）。涎流冰發育區集中于海拔3 500～4 500 m區域，占89.3%。針對廣泛發育的對道路路基邊坡影響較大的坡面溢流型涎流冰，本文采用模型試驗的方法研究其防治措施。

圖3 涎流冰分布統計Fig.3 Statistics of extruded ice

2 路基邊坡涎流冰防治模型試驗設計

涎流冰形成的關鍵因素是負溫和地下水。路基涎流冰病害防治關鍵在于及時疏導地下水或阻隔地下水。通過室內模型模擬試驗，對比研究滲水材料換填和鋪設防水土工布等措施對坡面溢流型涎流冰防治的效果。

2.1 模型設計

調查統計表明，溢流型涎流冰的邊坡覆蓋層厚度多小于3 m（占73%），地下水埋深也多小于3 m（占56%），含水層厚度多小于5 m（占59%），坡度集中于10°～25°（占72%）。因此以邊坡土層厚4 m、地下水位0.5 m為原型設計試驗模型。模型幾何相似比取1∶10，即模型土層厚40 cm，地下水位埋深5 cm，邊坡坡度15°?？紤]邊界效應，并對比邊坡寬度，試驗模型左右兩側各取40 cm，設計模型總寬度為80 cm，模型框架底長150 cm、坡高100 cm。模型剖面如圖4所示，模型實物如圖5所示。

圖4 試驗模型及傳感器布置剖面Fig.4 Model and sensor layout section of the experiment

圖5 試驗裝置Fig.5 Test apparatus

試驗土樣取自邦達地區某涎流冰路基邊坡工點，土體為角礫土，天然密度為1.78 g/cm3，滲透系數為0.013 cm/s。試驗使用的含礫粗砂滲透系數為0.056 cm/s（角礫土的4.3倍），卵石滲透系數為0.142 cm/s（角礫土的10.9倍）。

2.2 試驗裝置

模型框架采用鍍鋅槽鋼及不銹鋼螺絲固定。側面采用高強植筋膠粘接1 cm厚有機玻璃，便于觀察模型邊坡涎流冰形成過程?？蚣艽罱油瓿珊?，在內部鋪設防水卷材防止滲漏。隨后，在模型內部堆建高約30 cm的楔形土體斜坡，并用防水卷材覆蓋，模擬隔水層。供水裝置為帶流量控制開關的20 L儲水桶，采用調節式輸水滴管控制流量，確保試驗過程滲流穩定。

試驗制冷裝置由壓縮機、蒸發器和冷凝器組成，蒸發器由導熱性好的銅管組成，經試驗測試，制冷時其表面溫度可達?20 °C。坡面上鋪防水布，防止銅管制冷過程中與土體表面凍結在一起。銅管上部覆蓋保溫棉，提高制冷效果。

試驗過程中對孔隙水壓力及土體溫度進行監測，監測點如圖4所示。左側試驗組（左坡）按一定間距埋設孔隙水壓力傳感器LP-1、LP-2，溫度傳感器LT1——LT4；右側實驗組（右坡）相應位置埋設孔隙水壓力傳感器RP-1、RP-2，溫度傳感器RT-1——RT-4?？紤]到設計凍深達到地下水位，因此溫度傳感器埋深5 cm；而孔隙水壓力傳感器應布置在非凍結土層中，設計其埋深為25 cm。后文在分析左、右坡孔隙水壓力時，取兩個孔隙水壓力的平均值，并分別記為LP、RP。溫度傳感器采用PT100熱電阻感溫探頭，測量范圍為?50～200 °C，測量精度為 0.15 °C，預期溫度范圍是?10～15 °C?？紫端畨毫鞲衅饔蒀M-1A-10靜態電阻應變儀連接微型滲壓計組合而成，壓力測量范圍為?10～200 kPa，測量精度為 0.1 kPa。

2.3 試驗方案

設計3組涎流冰防治模型試驗，分別采用含礫粗砂換填（試驗1）、卵石換填（試驗2）和防水土工布隔水（試驗3）。模型左坡為采取措施試驗邊坡，右坡為自然無處理（未處治）邊坡，中間用防水土工布隔開，各組試驗左、右坡剖面如圖6所示?？紤]到含礫粗砂及卵石層的滲透系數為原土層的4.3～10.9倍，設計換填層厚度為總土層的1/4，即10 cm。左右對照組邊坡以相同水頭壓力滲水，滲流穩定后，開啟制冷裝置。

圖6 試驗方案Fig.6 Test scheme

3 涎流冰防治效果試驗對比

3.1 含礫粗砂換填

右坡采用角礫土分層鋪設；左坡換填層鋪設完成后，在含礫粗砂表面鋪填與右坡相同的角礫土作為覆蓋層。邊坡模型填筑過程如圖7所示。

圖7 邊坡模型填筑Fig.7 Slope model construction

（1）滲流及凍結特征

試驗開始后，打開供水裝置使左右坡同時滲水。左右坡內部凍結前的滲流特征有所不同。1.2 h后左坡坡腳地下水滲出，而右坡坡腳在5 h后出現滲水，且左坡坡腳滲流量明顯大于右坡，說明含礫粗砂換填后，有利于地下水疏導。如圖8所示，90 h持續制冷后，左坡坡腳局部形成涎流冰，地下水自然溢出，右坡坡腳形成較大規模的涎流冰，而左坡坡體中涎流冰面積明顯小于右坡。與右坡相比，左坡地下水流速更大，在相同的制冷環境下涎流冰更難形成，說明地下水流速增大可抑制或減緩涎流冰的形成。

圖8 含礫粗砂換填試驗邊坡涎流冰分布Fig.8 Distribution of extruded ice in gravel-bearing coarse sand backfill slop experiment

（2）坡體溫度

試驗過程中邊坡溫度變化特征如圖9所示。右坡內部溫度在制冷15 h后降到0 °C以下，而左坡在制冷40 h后降到0 °C以下。制冷70 h后，兩側邊坡10 cm深度處均降到0 °C以下。右坡溫度整體上低于左坡，左坡凍結溫度最低約?2 °C，右坡最低約?4 °C。其原因在于含礫粗砂換填邊坡地下水滲流速度更快，流出水量更多。

圖9 含礫粗砂換填試驗坡體溫度Fig.9 Temperature in gravel-bearing coarse sand backfill slop experiment

（3）孔隙水壓力

試驗過程中邊坡孔隙水壓力平均值變化如圖10所示。兩側邊坡含水層孔隙水壓力整體變化趨勢基本一致，均為初期呈負壓減小，中期開始正壓增大，后期正壓減小并趨于平穩。兩側邊坡初始階段均呈現負壓是由于坡面凍結時，水分向凍結面遷移造成的[22]。右坡出現兩次峰值壓力，分別是制冷16 h后上升到7 kPa和制冷58 h后上升到17 kPa。這是由于右坡在制冷16 h后，坡腳地下水滲出形成涎流冰，地下水受阻，孔隙水壓力增大；地下水從邊坡側面溢出后孔隙水壓力減小，坡面溢出的地下水再次凍結形成涎流冰，造成地下水繼續受阻，地下水位抬升，孔隙水壓力繼續增大。制冷約70 h后，地下水在模型邊界蒸發器未覆蓋區域溢出，孔隙水壓力基本穩定。而左坡孔隙水壓逐漸上升達到峰值后，稍有減小并趨于穩定。左坡在制冷過程中，覆蓋層及部分含水層凍結，壓縮了含水層過水斷面，孔隙水壓力稍有增加。

圖10 含礫粗砂換填試驗孔隙水壓力Fig.10 Pore water pressure in gravel-bearing coarse sand backfill slope experiment

3.2 卵石換填

（1）滲流及凍結特征

開啟供水裝置后邊坡土體由干燥狀態轉變為浸潤狀態。0.5 h后左坡坡腳地下水沿模型邊緣滴落，6 h后右坡出現滲水，可見卵石換填層對坡內地下水的排導更有效。經過16 h連續制冷，左坡坡腳處未發現冰體，地下水疏排正常，而右坡坡腳及較低的坡面出現了涎流冰體，如圖11（a）（b）所示。經過88 h的制冷后，左坡在相同的制冷條件下形成的凍結區域面積明顯更小，如圖11（c）所示，說明卵石換填材料對抑制涎流冰形成作用明顯。

圖11 卵石換填試驗邊坡涎流冰分布Fig.11 Distribution of extruded ice in pebble backfill slope experiment

（2）坡體溫度

試驗過程中邊坡溫度變化如圖12所示。凍結16 h后，右坡水位線附近率先達到凍結臨界值0 °C；邊坡內部溫度隨制冷時間緩慢降低，試驗結束時達到最低值，接近?3 °C。而進行了卵石換填處理的右坡在凍結19 h后邊坡內部溫度才達到0 °C，隨后內部溫度降低到最低值?2 °C附近，而后溫度緩慢升高，最后趨于穩定；試驗結束時溫度穩定于?1～0 °C內，溫度明顯高于右坡。

圖12 卵石換填試驗坡體溫度Fig.12 Temperature in pebble backfill slope experiment model

（3）孔隙水壓力

試驗過程中邊坡孔隙水壓力平均值變化如圖13所示。制冷開始后，兩側邊坡孔隙水壓力變化趨勢基本一致。右坡在試驗初始階段為負壓，在4 h左右水壓為正值，說明4 h后地下水已滲流至坡中部。地下水滲流至坡腳溢出凍結形成涎流冰，地下水受阻，地下水位和孔隙水壓持續上升，其穩定壓力與上一試驗中的右坡類似。而左坡孔隙水壓力在凍結過程中增加幅度更小。

圖13 卵石換填試驗孔隙水壓力Fig.13 Pore water pressure in pebble backfill slope experiment model

3.3 鋪設隔水層

涎流冰防治措施除了采用透水材料換填加強疏排水外，還可以考慮進行坡內地下水的阻隔處理。試驗采用防水土工布覆蓋含水層形成隔水層，阻隔地下水。左右兩側邊坡采用相同級配的角礫土填筑。

（1）滲流及凍結特征

開啟滲水裝置5 h后，左坡坡腳有地下水滲出，而邊坡坡面土體較干燥。8 h后，右坡坡腳有地下水流溢出，而坡面土體濕潤，說明左坡防水層起到了阻隔地下水浸潤的作用，右坡坡面土體在毛細作用下含水量增加。開啟制冷裝置數小時后，左坡坡腳滲流量明顯大于右坡坡腳，右坡部分地下水已凍結形成涎流冰。模型邊坡經過93 h制冷后，左坡坡腳未形成涎流冰，右坡坡腳及較低的坡面形成涎流冰，如圖14（a）（b）所示。左坡坡面在相同的制冷條件下形成的凍脹區分布面積較小，如圖14（c）所示。

圖14 鋪設隔水層試驗邊坡涎流冰分布Fig.14 Distribution of extruded ice in the experiment model with waterproof layer

（2）坡體溫度

試驗過程中邊坡溫度變化如圖15所示。在制冷46.5 h后右坡內部測溫點達到0 °C，試驗結束時最低接近?6 °C。左坡在制冷20 h后，測溫點降至0 °C以下，試驗結束時最低溫度為?4 °C左右，溫度明顯高于右坡。相同條件下，左坡溫度下降更快。隔水層下地下水流動速度較快，因此溫度降低幅度小于右側未處治邊坡。

圖15 鋪設隔水層坡體溫度Fig.15 Temperature in the experiment model with waterproof layer

（3）孔隙水壓力

試驗過程中邊坡孔隙水壓力平均值變化如圖16所示。右坡孔隙水壓力整體變化趨勢與前兩組試驗基本一致，而左坡孔隙水壓力在試驗過程中開始階段持續增大，45 h后基本保持穩定，且孔隙水壓力值高于右坡。原因在于鋪設隔水層后，過水斷面面積減小，且由于隔水層的存在，地下水位被自然抬高。

圖16 鋪設隔水層孔隙水壓力Fig.16 Pore water pressure in the experiment model with waterproof layer

4 防治效果對比

不同措施下邊坡坡體溫度、孔隙水壓力、涎流冰形成部位及規模等均存在差異，這種差異是防排水措施對地下水疏導或阻隔造成的。

未處治邊坡在凍結過程中孔隙水壓力主要經歷增壓-減壓-增壓-穩定的變化過程，其原因在于隨著凍結時間的增加，地表土體凍結，壓縮過水斷面，地下水壓力增大。地下水流受阻后尋找薄弱部位溢出，如坡面負地形處或坡腳，地下水壓力隨之減??；溢出水又緩慢凍結，地下水壓力繼續上升，達到動態平衡之后，地下水壓力趨于穩定；采用滲水材料換填加強地下水疏排之后，在凍結過程中凍結深度達到地下水位以下時，地下水壓力也會增加。由于滲水材料利于排水，地下水壓力增加幅度不大，換填層滲透性越好，水壓力增加幅度越小。而鋪設隔水層阻隔地下水時，在凍結過程中，反而可能造成地下水壓力上升。相同條件下，各措施引起地下水壓力變化如表1所示?？梢?，采用滲水材料換填疏導地下水，可以減小凍結過程中的地下水壓力，本次試驗中減少46.2%～58.1%。而鋪設隔水層，反而會增加地下水壓力，本次試驗中增加了97.6%。

表1 涎流冰防治效果對比Table 1 Comparison of prevention effect of extruded ice

試驗結束后取出凍結土體測量體積。在未處治邊坡凍結土體中，可見一層4～5 cm厚純冰體（圖17）。而在含礫粗砂換填和卵石換填邊坡凍結體中，僅見零星冰碴。各措施下凍結土體面積、厚度均小于未處理邊坡的凍結土體。將凍結土體融化，測量融水體積，即涎流冰體積。各措施下凍結土體和涎流冰體積如表1所示。從表1可知，通過含礫粗砂換填導水后，凍結體和涎流冰體積分別減少56.1%和85.4%。通過卵石換填導水后，凍結體和涎流冰體積分別減少78.5%和93.9%。采用鋪設土工布隔水后，凍結體和涎流冰體積分別減少87.7%和97.5%。因此，粗砂換填、卵石換填、鋪設防水土工布隔水均可有效減少凍結體體積，特別是有效減少涎流冰體積，達到治理涎流冰病害的目的。但鋪設防水土工布可能引起地下水壓力的上升，導致地下水在其它地方溢出形成涎流冰。

綜合各種措施的優點，而且川藏交通廊道區卵（碎）石材料充足，推薦采用滲透性良好的卵石（或碎石）作為換填層加強地下水疏導治理路基涎流冰病害，并在換填層上鋪設防水土工布加強淺地表隔水，防治措施設計示意圖如圖18所示。換填層厚度、埋深等應根據當地凍結深度、水文條件等綜合確定，建議換填層埋深（d1）大于當地凍深的1.5倍，換填層厚度（d2）大于 1 m。

圖18 防治措施示意圖Fig.18 Schematic diagram of prevention measures

5 結論

（1）川藏交通廊道區涎流冰以坡面溢流型為主，主要出露于坡度10°～20°之間的緩坡，集中發育在3 500～4 500 m海拔高程地帶。

（2）通過強滲水材料換填可有效抑制或減緩涎流冰的形成。換填層滲透性越好，處治效果越佳。含礫粗砂換填邊坡凍結體和涎流冰體積分別減少56.1%和85.4%，孔隙水壓力減少46.2%。卵石換填邊坡凍結體和涎流冰體積分別減少78.5%和93.9%，孔隙水壓力減少58.1%。

（3）鋪設土工布隔水措施也可以有效抑制涎流冰的形成，凍結體和涎流冰體積分別減少87.7%和97.5%，但會導致地下水孔隙水壓力增加。

（4）考慮到川藏交通廊道區卵（碎）石材料充足，推薦采用滲透性良好的卵石（或碎石）作為換填層加強地下水疏導治理路基邊坡涎流冰病害，并在換填層上鋪設防水土工布加強淺地表隔水。