銅黃高速公路邊坡涎流冰的病害與防治

田學(xué)軍，劉 江，段利媛，張 浩，李 哲，張 林，魏曉康

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

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銅黃高速公路邊坡涎流冰的病害與防治

田學(xué)軍，劉 江，段利媛，張 浩，李 哲，張 林，魏曉康

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

在陜北銅黃高速公路，涎流冰病害主要表現(xiàn)在公路邊坡坡面上。以在建的銅川至黃陵高速公路為依托，介紹該地區(qū)涎流冰病害，提出了新型滲溝與仰斜式排水孔聯(lián)合法、新型保溫滲井法等，為治理邊坡涎流冰病害提出建議。

涎流冰；仰斜式排水孔；滲溝；新型滲井

公路涎流冰是陜北公路建設(shè)中較為嚴(yán)重的病害之一。該病害對(duì)高速公路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)都會(huì)帶來(lái)極大的不利影響，嚴(yán)重威脅到行車安全。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)公路涎流冰病害研究基本是基于低等級(jí)公路，大多是在建設(shè)中積累的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)性試驗(yàn)研究資料很少，特別是針對(duì)寒冷與溫和氣候過(guò)渡區(qū)公路涎流冰病害方面的研究資料幾乎為空白。本文以在建的銅川至黃陵高速公路為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料查閱、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)公路涎流冰病害的成因及形成機(jī)理進(jìn)行了研究分析，提出了較為有效的防治措施。

1 工程概況

銅川至黃陵高速公路地處陜北黃土高原與關(guān)中斷陷盆地過(guò)渡區(qū)，屬寒冷與溫和氣候過(guò)渡帶，黃土丘陵地貌，覆蓋土層厚度分布不均勻，基巖斜傾破碎，地下水分布運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜，地表水疏導(dǎo)防排難度大。該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及水文地質(zhì)非常特殊，綜合防排水系統(tǒng)及防冰設(shè)施的不成熟是導(dǎo)致涎流冰病害的主要原因。山區(qū)高速公路主要由半填半挖式及部分路塹式路基構(gòu)成，導(dǎo)致公路在修筑時(shí)需要開(kāi)挖大斷面的山坡體，破壞地下含水層，使含水層懸空于邊坡坡面，在寒冷的冬天極易形成邊坡坡面涎流冰病害[1]，當(dāng)春季氣溫回升，涎流冰融化會(huì)引發(fā)邊坡的不穩(wěn)定[2]。

2 銅黃高速公路沿線邊坡病害調(diào)查

調(diào)查路段涎流冰病害普遍存在，在K110+000～K116+040、K130+000～K130+950、K154+020～K155+450段的病害尤其嚴(yán)重。經(jīng)實(shí)地調(diào)研，上述部分路段為沿河走向，如漆水河、馬場(chǎng)川河及其支流。該區(qū)域出露的地層上部為沖洪積的粉質(zhì)黏土、中粗砂、卵礫石，下部為砂巖、泥巖，地下水主要為潛水，水位埋藏較淺，蓄水豐富。春季氣溫回升，涎流冰融化會(huì)引發(fā)邊坡水毀。發(fā)源于公路上側(cè)邊坡的涎流冰在伴隨氣溫回升漸漸融化，融化的水緩慢的沿著邊坡流下，輕者誘發(fā)邊坡剝落(見(jiàn)圖1、圖2)；重者導(dǎo)致邊坡局部坍塌。靠山體一側(cè)邊坡的涎流冰在天氣變暖完全融化后，路塹開(kāi)挖割斷的地下水露頭，水源不斷濕潤(rùn)靠山體一側(cè)邊坡，使邊坡巖土體含水量增加到一定程度，當(dāng)達(dá)到極限破壞狀態(tài)時(shí)的含水率，巖土體可能依靠自重下移，輕者造成邊坡錯(cuò)落(錯(cuò)臺(tái))；重者導(dǎo)致滑坡，掩埋公路，堵塞交通。

圖1 巖質(zhì)邊坡剝落

圖2 土質(zhì)邊坡剝落

3 邊坡涎流冰病害形成條件和防治措施

3.1 邊坡涎流冰的形成條件

蘇聯(lián)學(xué)者波波夫的進(jìn)氣試驗(yàn)表明，零度的冰變成水所需要的熱量是同樣的冰或水溫度上升一度所需熱量的30倍；相反，凍結(jié)時(shí)放出相同的熱量，這就需要大量的冷氣抵消。這一結(jié)論告訴我們，水的狀態(tài)變化需要大量的冷氣。冷氣傳遞的速度是緩慢的，含水層相對(duì)厚的地方，底板埋的深，推遲凍結(jié)。具有很大壓力的地下水流在薄弱處擠出，就形成了涎流冰。

涎流冰的形成是水源與地形地貌、水文地質(zhì)、氣候等多種因素綜合作用的產(chǎn)物。根據(jù)對(duì)中溫帶典型病害路段的調(diào)查，可以總結(jié)得出涎流冰形成所必須具備的條件，大體為3種：水、低溫、薄弱層或活動(dòng)層。圖3為邊坡涎流冰的形成示意圖。

圖3 邊坡涎流冰形成示意圖

其形成可具體分為：(1)水源；(2)水的運(yùn)移路徑；(3)水流的驅(qū)動(dòng)力；(4)寒冷外部環(huán)境；(5)存在凍土層或不透水層。

3.2 銅黃公路K130+655～K130+950標(biāo)段滲溝與仰斜式排水孔綜合防治

滲溝與仰斜式排水孔結(jié)合主要用于防治挖方(路塹)邊坡裂隙水、孔隙水發(fā)育形成的邊坡涎流冰病害。通過(guò)邊坡滲溝與坡體內(nèi)仰斜式排水孔匯集坡體內(nèi)的地下水，將水引流到滲溝內(nèi)的排水管內(nèi)，然后同滲溝匯集的水一同排至坡體外，消除邊坡表層內(nèi)地下水，避免地下水露頭于邊坡表面，從而防治邊坡涎流冰病害的發(fā)生。

(1)邊坡滲溝。

邊坡滲溝能夠截?cái)噙吰缕麦w表層內(nèi)的地下水，消除邊坡內(nèi)地下水流出坡體表面，從而防止邊坡涎流冰病害的發(fā)生，滲溝的寬度約為1.0～1.5 m。

按滲溝構(gòu)造方式的不同，大致可分為兩種形式(見(jiàn)圖4、圖5)。圖4為填石滲溝，也稱盲滲溝；圖5為下部設(shè)置排水管滲溝；兩種滲溝均有排水溝(石縫或管、洞)、封閉層和反濾層構(gòu)成。

圖4 填石滲溝

圖5 設(shè)排水管滲溝

滲溝的構(gòu)造設(shè)計(jì)與材料要求為：

①路基滲溝的設(shè)計(jì)深度應(yīng)按照地下水位的高程、地下水位需要降低的深度、年凍結(jié)最大深度、含水層巖土體的滲透系數(shù)等綜合因素確定。

②對(duì)于管式排水滲溝設(shè)置于地下排水較長(zhǎng)的路段，當(dāng)排水滲溝設(shè)置過(guò)長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在路基下埋設(shè)橫向排水管，將縱向滲溝內(nèi)匯集的水流，迅速的分段排出路基邊坡外。滲溝溝底縱坡坡度取決于設(shè)計(jì)流速，滲溝設(shè)計(jì)最大流速應(yīng)考慮到滲水管的構(gòu)造及壽命年限，且不能沖毀滲水管下墊枕材料，一般小于1.0 m/s為宜，且不應(yīng)低于最小滲流速度?？v坡大于0.5%，以免淤積。

③對(duì)于洞式排水滲溝，在地下水位較高的路段或缺乏水管材料時(shí)，可以采用石塊砌筑洞口。洞口大小依據(jù)設(shè)計(jì)排水流量而定，溝底縱坡坡度的大小取決于設(shè)計(jì)水流速。

④在設(shè)計(jì)排水滲溝時(shí)，考慮到含水層滲流出來(lái)的水?dāng)y帶土顆粒會(huì)堵塞滲溝，因而需要在滲溝出水一側(cè)設(shè)置反濾層。

⑤管式排水滲溝，可采用帶槽孔的PVC塑料管或者現(xiàn)場(chǎng)制作的水泥混凝土管。管徑大小按水流設(shè)計(jì)流量確定。

(2)仰斜式排水孔。

為了有效地預(yù)防邊坡涎流冰病害，排除坡體內(nèi)部的地下水。常見(jiàn)的仰斜式排水設(shè)施主要有PVC排水管、排水平洞、軟式排水管等。采用仰斜式排水管排出邊坡內(nèi)的地下水，具有施工方便、工期短、節(jié)約材料和人力等特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的邊坡地下排水措施。仰斜式排水管可以單獨(dú)使用，也可以與滲溝或集水滲井聯(lián)合使用。邊坡坡面排水孔能起到顯著降低坡體內(nèi)表層地下水位的作用，而且能夠有效地?cái)r截引流坡體內(nèi)表層地下水，對(duì)防治邊坡涎流冰病害起到至關(guān)重要的作用(見(jiàn)圖6、圖7)。

最佳的坡面排水孔位置應(yīng)是排水量最大類似于泉眼的地方或是最易降低坡體地下水位的方向，即應(yīng)該是排水孔能穿過(guò)最多最寬巖土體裂隙的方向，排水孔的仰斜坡度一般采用平均仰坡度5%～15%。排水孔的間距一般根據(jù)坡體滲流出來(lái)水的流量來(lái)確定。排水斜孔的孔口距坡體表面垂直距離應(yīng)低于需要降低坡面內(nèi)地下水位的最低標(biāo)高，斜孔深入坡體內(nèi)的斜深度L的計(jì)算公式為

(1)

式中：H為要求降低坡體表層地下水位的最低標(biāo)高；h為排水斜孔的孔口標(biāo)高；α為排水孔的傾角。

排水孔可以采用安裝帶槽孔的塑料PVC滲水管。滲水管上的槽孔直徑為10 mm，槽孔沿滲水管長(zhǎng)度方向的間距為100 mm，且沿滲水管上半側(cè)分5排均勻布置，一排在滲水管頂部，兩排分布在滲水管左右水平直徑處的兩側(cè)，其余兩排設(shè)置在頂排與水平直徑之間，相鄰兩排滲水管孔槽相互交錯(cuò)設(shè)置。在靠近地表出水口1～2 m的范圍內(nèi)，應(yīng)布設(shè)不帶槽孔的排水管，在靠近地表出水口0.5～1 m長(zhǎng)的范圍內(nèi)，應(yīng)用黏土堵塞孔壁與排水管之間的空隙，防止地下水從空隙處外滲，形成邊坡涎流冰病害[3]。

圖6 仰斜式排水管引流出坡體左視圖

圖7 仰斜式排水管引流出坡體正視圖

銅黃高速公路K130+680～K130+950標(biāo)段擬采用平臺(tái)滲溝與仰斜式排水管結(jié)合法治理此處邊坡涎流冰病害，平臺(tái)滲溝與仰斜式排水管結(jié)合法一般適用于公路高邊坡，而且在邊坡上有平臺(tái)，沿平臺(tái)坡腳下修建滲溝[4]，滲溝內(nèi)填入碎石，將坡面仰斜式排水管與滲溝內(nèi)排水管相連接，將邊坡表層地下水排到坡體外，防治了邊坡涎流冰，具體見(jiàn)圖8～圖9。

圖8 防治邊坡涎流冰病害遠(yuǎn)視圖

圖9 防治邊坡涎流冰病害近視圖

3.3 銅黃公路K155+450樁號(hào)右側(cè)邊坡新型滲井集排水防治[5]

滲井按其匯集水流的方式不同，可分為集水滲井與排水滲井兩類。根據(jù)對(duì)寒溫帶、中溫帶、高原氣候區(qū)典型病害路段涎流冰病害[6]的防治經(jīng)驗(yàn)，依托工程銅川至黃陵高速公路沿線實(shí)際情況，依據(jù)“保溫引流”防治思路，提出多排水口防冰系統(tǒng)，以更好地實(shí)現(xiàn)集水、排水效果，達(dá)到防治涎流冰的目的。根據(jù)滲井理論[7]分別設(shè)計(jì)了2種新型保溫收水結(jié)構(gòu)和出水結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖10～圖12)。

(1)位于含水巖土層內(nèi)的單位長(zhǎng)度滲井的流量Qs的計(jì)算公式為

(2)

式中：hj為井內(nèi)水深；hd為地下水位高于滲井底的高度(m)；R為滲井影響半徑(m)。

(2)可根據(jù)滲井的最大滲水量設(shè)計(jì)流量，滲井孔徑D的估算公式為

(3)

式中Qs為設(shè)計(jì)流量(m3/s)。

(3)當(dāng)需要排除的水量較多，單個(gè)井點(diǎn)的孔徑又不宜過(guò)大時(shí)，可采用群井分擔(dān)排水，井點(diǎn)的數(shù)量可按式(4)估算，且平面間距小于兩倍的滲井影響半徑(即2R)。

(4)

式中：N為井點(diǎn)的個(gè)數(shù)；W為降低地下水所需的總排水量(m3)；tp為達(dá)到預(yù)期下降的水位所花費(fèi)的排水時(shí)間(h)；Qs為單井的排水能力(m3/s)；β為群井的相互干擾系數(shù)，一般取0.24～0.33。

圖10 新型滲井集排水防冰系統(tǒng)平面示意圖

圖11 收水結(jié)構(gòu)

圖12 新型保溫出水井

(4)新型滲井的降落曲線為

(5)

式中：r為任意位置半徑(m)；K為土的滲透系數(shù)(m/s)；y為半徑為r處的縱距(m)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)銅黃高速公路沿線邊坡涎流冰病害的調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到，當(dāng)春季氣溫回升，涎流冰融化會(huì)引發(fā)邊坡水毀，導(dǎo)致邊坡剝落、局部坍塌、錯(cuò)臺(tái)等，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成重大危害，本文結(jié)合銅黃高速兩個(gè)典型段的工程實(shí)例，在K155+750樁號(hào)右側(cè)邊坡提出了滲溝與仰斜式排水孔綜合防治[8]，在K155+450樁號(hào)右側(cè)邊坡提出了新型滲井集排水防治。本文提出了銅黃高速公路邊坡涎流冰病害防治的有效措施，對(duì)高速公路建設(shè)中涎流冰的防治起指導(dǎo)作用。

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Disease and cure for salivary flow ice disease of side slope in the Tong-Huang Highway

TIAN Xue-jun， LIU Jiang， DUAN Li-yuan， ZHANG Hao，LI Zhe， ZHANG Lin， WEI Xiao-kang

(HighwayInstitute,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

The salivary flow ice disease mainly appears on both highway slopes along Tongchuan-Huangling highway of Northern Shanxi. This paper studied the salivary flow ice and put forward new methods such as the slope blind drain combined with the upward exhaust water pore and leaching well with heat preservation.

salivary flow ice; upward exhaust water pore; sewer; leaching well

2015-07-16

陜西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(220000130168)

田學(xué)軍(1990-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生。

1674-7046(2015)05-0036-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.05.007

U416.1

A