涎流冰對西部某鐵路的影響研究

王崇艮 趙 文 王國生 唐 川 徐正宣

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.西南交通大學， 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[1]。涎流冰是高寒地區(qū)突出的冰雪害現(xiàn)象，涎流冰會使行車道光滑、不平，或產生冰坎、冰槽等，進而影響正常交通。在春季，涎流冰會因溫度上升而消融，冰變成水后出現(xiàn)下滲，進而引發(fā)道路翻漿、路基下沉等嚴重問題，甚至會威脅高寒地區(qū)道路的施工及運營安全[2]。

眾多學者對涎流冰的形成機理進行過研究，并提出了相應的防治工程措施[3-7]。水文條件、氣候和氣象條件、地質地貌條件等是涎流冰形成的必備要素。青藏高原獨特的地形地貌、氣候等自然條件都適合于涎流冰的形成。涎流冰作為一種常見病害，將嚴重影響川西-藏東交通廊道的建設和運營。為此，本文對川西-藏東交通廊道穿越區(qū)的涎流冰發(fā)育特征進行了調查分析，分析了涎流冰形成的條件和成因，并評價了其對某鐵路工程的影響。

1 某鐵路工程概況

某鐵路位于四川省和西藏自治區(qū)境內，線路起于四川省成都市，經雅安、康定、理塘，在崗托跨金沙江后進入西藏自治區(qū)，經昌都、波密、林芝至終點拉薩市，全線長度約 1 838 km。

該鐵路橫穿藏東南橫斷山區(qū)和川西高海拔原區(qū)，中途經過高海拔高寒地域。全年降雨量充足，且冬季氣溫偏低，最低月平均溫度均在0 ℃左右，極端最低溫度為 -10 ℃～-30 ℃。晝夜溫差較大，具備發(fā)生涎流冰病害的氣象條件，該鐵路不可避免涎流冰的工程危害問題，特別是新都橋(甘孜)至拉薩段。

2 川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰發(fā)育特征

通過調研查明川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰的發(fā)育特征及統(tǒng)計規(guī)律，本文主要調查范圍為康定～昌都段，調研主要內容包括：地理位置、高程、地形地貌、坡向、坡位、巖性、地下水類型、涎流冰類型、涎流冰規(guī)模、對工程的影響程度等。

2.1 調研方法

(1)現(xiàn)場調查

對康定-雅江-理塘-巴塘-貢覺-昌都-八宿-左貢-芒康一線國道及省道附近的涎流冰點進行實地調研，包括G318、S215、G317、G214等道路，共計調查涎流冰387處。

(2)衛(wèi)星圖像判識

受交通限制，現(xiàn)場調查不能全面查明川西-藏東交通廊道區(qū)的涎流冰分布，因此通過Google earth衛(wèi)星圖像對該區(qū)的涎流冰進行判識。選取衛(wèi)星圖片時，盡量選擇11月至次年2～3月且精度較高的圖像。圖1所示為DK 384～DK 384段發(fā)育的兩處涎流冰。以DK 384-1為例，該點海拔 3 551 m，經度 101.572 085°，緯度 30.072 549°，通過Google earth軟件可測得其坡向325°，坡度約7.5°，規(guī)模約45 m×130 m，為溝槽型涎流冰，出露于溝口坡積物中，影響線路范圍約50 m。通過衛(wèi)星圖片判識，川西-藏東交通廊道區(qū)康定～昌都區(qū)段共發(fā)現(xiàn)涎流冰 1 982點。

圖1 涎流冰衛(wèi)星圖像判識示例圖

2.2 川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰類型

通過衛(wèi)星圖片分析和現(xiàn)場調查，川西-藏東交通廊道康定-昌都段共發(fā)現(xiàn)涎流冰點 2 369點，調研的涎流冰點主要集中在某鐵路線路附近。涎流冰類型為基巖裂隙型、土石界面型、溝槽型、坡面溢流型、坡腳滲流型、河流型等。

基巖裂隙型涎流冰發(fā)育于基巖之中，為基巖裂隙水滲流凍結形成，如圖2(a)。溝槽型涎流冰發(fā)育于沖溝、溪溝、溝谷等之中，為地表或地下水匯集并溢流出地表凍結而成，如圖2(b)。土石界面型涎流冰發(fā)育于松散覆蓋層與基巖接觸部位，為松散覆蓋層孔隙水沿土石界面滲流凍結而形成，如圖2(c)。坡面溢流型涎流冰一般發(fā)育于松散覆蓋層緩坡地帶，為孔隙水在坡面溢流凍結所致，如圖2(d)。坡腳滲流型涎流冰為地下水在坡腳滲流凍結而成，如圖2(e)。河流型涎流冰是青藏高原河流的普遍現(xiàn)象，不作單獨分析。

圖2 涎流冰主要類型圖

2.3 川西-藏東通廊道涎流冰分布特征

(1)涎流冰類型

川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰的類型統(tǒng)計如圖3所示。從圖3可以看出，川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰以坡面溢流型為主，占71.7%，其次為溝槽型(19.6%)、溝谷型(7.3%)、坡腳滲流型(5.9%)、基巖裂隙型(2.6%)，土石界面型很少。

圖3 涎流冰類型統(tǒng)計圖

(2)涎流冰地形特征

川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰地形統(tǒng)計如圖4所示。緩坡出現(xiàn)涎流冰的頻率為 1 298次，占總比例的54.8%，其次是陡坡地形、溝槽和沖溝，洪積扇上發(fā)育較少。涎流冰通常發(fā)生在山前斜坡的緩坡地帶，是因為這種地形有較大的匯水面積，有利于降水的匯集和滲入。山坡坡度一般為20°～30°，局部可達 30°～40°。

圖4 涎流冰地形統(tǒng)計圖

(3)涎流冰坡位特征

坡位根據(jù)坡向確定，坡向315°～360°、0°～45°為陰坡、45°～135°為半陰坡、135°～225°為陽坡、225°～315°為半陽坡。涎流冰坡位統(tǒng)計結果如圖5所示。統(tǒng)計表明，涎流冰主要發(fā)生在陰坡，陰坡通常氣溫更低，對形成涎流冰更有利。其次為半陽坡、半陰坡，陽坡最少。還有部分涎流冰發(fā)育在高原平緩地帶，如理塘盆地。

圖5 涎流冰坡位統(tǒng)計圖

(4)涎流冰海拔高程

圖6 涎流冰發(fā)育海拔統(tǒng)計圖

涎流冰發(fā)育海拔統(tǒng)計結果如圖6所示。涎流冰病害發(fā)生區(qū)域的海拔統(tǒng)計結果表明，川西-藏東交通廊道區(qū)內涎流冰主要發(fā)育于海拔 3 500～4 500 m之間的高海拔高寒地區(qū)，頻率為 2 115次，所占比例為89.3%。高海拔高寒地區(qū)冬季晝夜溫差大，平均氣溫低，為涎流冰發(fā)育提供了良好的條件。

(5)涎流冰規(guī)模

涎流冰規(guī)模統(tǒng)計結果如圖7所示。川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰的規(guī)模統(tǒng)計結果表明，區(qū)域內涎流冰的規(guī)模分布廣泛，從寬度小于5 m至寬度大于50 m的涎流冰都有分布。以寬度5～10 m為主，占29.3%，其次為10～15 m，占19.5%。涎流冰的規(guī)模與水源水量有著極大的關系，規(guī)模較大的涎流冰會嚴重影響工程建設，應予以高度重視。

圖7 涎流冰規(guī)模統(tǒng)計圖

3 川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰成因

3.1 涎流冰發(fā)育特征

川西-藏東交通廊道區(qū)冬季最低氣溫在-11 ℃～-30 ℃左右，從每年10月底到次年的2月份平均氣溫均在0℃以下。雪層的覆蓋和地表植被的存在，使水分的蒸發(fā)量降低，豐富的地下水被儲存于地表淺層中，為涎流冰的發(fā)育提供了有利條件。

表1 川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰發(fā)育的主要特征表

3.2 涎流冰形成條件

根據(jù)野外調查結果，涎流冰形成必須具備3種必不可少的條件，即水文條件、地質地貌條件和氣象條件。

(1)水文條件

水源是涎流冰形成的內在因素，同時也是必不可少的條件。水文地質條件取決于區(qū)域的地形地貌以及地質構造，同時也影響到淺層地下水的形成、補給、徑流、排泄及動態(tài)變化。

川西-藏東交通廊道區(qū)內，冰川積雪融化而形成的支流較多，地下水的補給量較大，埋藏著松散巖類孔隙水(潛水)和承壓水。據(jù)調查可知，涎流冰的水源主要是埋藏較淺的淺層地下水。淺層地下水與人類工程活動的關系密切，遭到人工破壞后，淺層地下水易出露，夏季以泉水的形式出露，冬季則會形成涎流冰。

(2)地形地貌條件

地形地貌條件對涎流冰的形成非常重要。通過對康定～昌都沿線涎流冰的調查發(fā)現(xiàn)，低山地貌地區(qū)、山前坡地緩坡以及溝谷地區(qū)的涎流冰發(fā)育頻率較大，這些區(qū)域山坡的坡度一般為20～30°，局部可達到30°～60°。這些地形的共同特點就是具有較大的匯水面積。較緩的地形給大氣降水的匯聚與下滲提供了便利的條件，也為地下水的徑流帶來了良好的水力梯度[8-9]。同時，在沿線的低山地貌地區(qū)、山前坡地緩坡以及溝谷地區(qū)存在著厚度較大的第四紀沉積層，該沉積層具有良好的透水性能和較強的富水能力，地下水含量普遍較為豐富。

(3)氣象條件

溫度是形成涎流冰的外部條件。溫度在0 ℃以下時，涎流冰都有發(fā)生的可能。水文條件及地質條件相同時，溫度因素對涎流冰的發(fā)育起主導因素，一般情況下，氣溫越低，涎流冰的規(guī)模越大?？刀?昌都區(qū)域冬季較低的溫度為涎流冰的發(fā)育創(chuàng)造了良好的氣候條件。川西-藏東交通廊道區(qū)氣象條件如表2所示。

表2 川西-藏東交通廊道區(qū)該區(qū)氣象特征表

降水量的大小也會直接影響涎流冰發(fā)育的規(guī)模。當降水充足時，涎流冰的規(guī)模一般偏大。大氣降水會對地表水、淺層地下水、有滲流通道的基巖裂隙水以及河流進行直接補給。因此，由上述幾類水源形成的涎流冰的規(guī)模也會受到大氣降水的較大影響。

4 涎流冰對某鐵路線路的影響

通過現(xiàn)場實際調查和衛(wèi)圖判識，鐵路附近對線路可能存在影響的涎流冰共150處，厚度從幾厘米至數(shù)米不等，面積從數(shù)平方米到數(shù)百平方米不等，沿路線縱向坡度向低處延伸擴展。若防治措施不當，會對工程造成嚴重的影響。鐵路沿線涎流冰的統(tǒng)計分析結果表明，康定～昌都段的涎流冰主要以理塘(占34.2%)、甘孜(21.5%)、察雅(占20.9%)為主。涎流冰發(fā)育的區(qū)域以緩坡地形為主，坡位以陰坡為主，主要為坡面溢流型涎流冰，分布在 3 500～4 500 m海拔高程范圍內，規(guī)模以5～15 m為主。

4.1 影響工程類型

鐵路康定-昌都段規(guī)劃線路附近涎流冰影響的工程類型主要為路基、橋梁和隧道進出口。路基段涎流冰點最多，占總比例的43.3%。其次為橋梁段，占38%，并對隧道的進出口也有一定的影響。

表3 涎流冰影響工程類型統(tǒng)計表

4.2 影響程度

鐵路目前正在勘察設計階段，線路方案、工程類型等尚未完全確定，每個涎流冰發(fā)育點對工程的影響程度還不能具體評價。但根據(jù)其規(guī)模及距線路距離可予以初步判定：(1)若涎流冰位于線路上或線路上方20 m以內，且影響線路的范圍大于20 m，則其影響程度為嚴重；(2)若涎流冰位于線路上或線路上方20 m以內，但影響范圍小于10 m，則其影響程度為一般；(3)除此以外的其它情況，影響程度為輕微。涎流冰危害程度統(tǒng)計結果如表4所示。

表4 康定-昌都段涎流冰危害程度統(tǒng)計表

由表4可以看出，對鐵路影響嚴重的涎流冰點路基有28個，橋梁有24個，隧道有13個。對鐵路影響一般的涎流冰點路基有31個，橋梁有32個，隧道有12個。對鐵路影響一般和嚴重的區(qū)段均應采取防治涎流冰危害的工程措施。

5 結論

本文通過對川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰進行統(tǒng)計調查，得出結論如下：

(1)川西-藏東交通廊道區(qū)的地質條件、氣象條件、水文條件都有利于涎流冰病害的發(fā)生。川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰類型主要為坡面溢流型、坡腳滲流型、基巖裂隙型、土石界面型和溝槽型。

(2)川西-藏東交通廊道區(qū)涎流冰類型以坡面溢流型為主；發(fā)育地形以緩坡為主；發(fā)育坡為以陰坡為主；主要發(fā)育于3 500～4 500 m海拔高程范圍；寬度以 5～10 m為主。

(3)涎流冰對鐵路路基工程影響最大，其次為橋梁工程和隧道進出口。

(4)鐵路線路方案應盡量避開影響隧道進出口和橋臺的涎流冰發(fā)育點，繞避難以防治的嚴重影響路基的涎流冰點，對于具備排泄引流條件的涎流冰點，設計時加強涎流冰工程防治措施。