季節(jié)性凍土區(qū)有砟軌道路基疏排下滲模擬試驗研究

劉雪冬

(中鐵二十二局哈爾濱鐵路建設集團有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150000)

1 引言

季節(jié)性凍土路基的防凍脹問題是世界性難題，我國季節(jié)性凍土區(qū)分布面積約占全國面積的53.5%。汪錫銘[1]針對高寒地區(qū)季節(jié)性凍土地區(qū)路基滲水盲溝的設計及施工，證明了滲水盲溝對路基凍害防治的可行性。蘇丹[2]研究山區(qū)公路施工在遇到滲水路基時，采用PVC管盲溝是一種滲水路基處理的有效措施。趙富軍[3]通過路基凍脹變形觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計、勘察、試驗等進行分析，表明深大路塹段應設置滲水盲溝。張先軍[4]根據(jù)哈大高速鐵路路基凍脹測量結果，對路基凍脹的水分、溫度及細顆粒含量等影響因素進行分析，提出應系統(tǒng)梳理嚴寒地區(qū)無砟軌道路基防排水結構存在的問題并優(yōu)化防排水結構設計。劉彬、魏永幸[5]研究客運專線鐵路無砟軌道路基工程防排水體系構成及關鍵技術，提出路基防排水工程系統(tǒng)優(yōu)化等關鍵技術問題。劉偉平[6]通過對哈大高鐵路基凍脹原因分析及系統(tǒng)性、針對性的試驗研究，提出適合嚴寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹監(jiān)測與整治技術。寸樹興[7]等對黃島出入境檢驗檢疫局綜合樓深基坑盲溝排水技術進行研究，將土層中的滲水截留在盲溝中引導至集水坑內(nèi)排出，具有很好的排水效果。曾繁濤[8]通過對王李站地下水發(fā)育路塹處理方法的研究，確定采用滲水明暗溝方案。陳文、李欣[9]針對吉林省長平、長營等幾條高速公路進行野外凍害調(diào)查，取現(xiàn)場鉆探土樣進行室內(nèi)凍脹融沉試驗，分析含水率及容重值對凍脹性的影響，為季凍區(qū)高速公路防凍設計和維護提供依據(jù)和資料。王東[10]針對濕陷性新黃土路塹易發(fā)生滑坡的現(xiàn)象，通過穩(wěn)定性檢算提出具體防范措施，并對復雜地質(zhì)情況提出了滲水盲溝等有效處理方案。本文為降低牡綏線凍脹影響，采用滲水盲溝措施。結合現(xiàn)場試驗、數(shù)值分析以及實際監(jiān)測結果，對滲水盲溝的防凍脹效果進行評價[11-12]。

2 滲水盲溝設計

滲水盲溝設置于路肩下部，滲溝溝底縱坡原則上同線路縱坡，困難地段不小于2‰。滲溝底寬1.2 m，垂直開挖，滲溝內(nèi)填充洗凈碎石，下設C25混凝土基礎，厚0.2 m?；A底部設置4%排水坡，其上設φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側(cè)及上側(cè)設置一層不透水土工布，右側(cè)及下側(cè)采用一層透水土工布反濾層包裹。

滲溝每30 m及轉(zhuǎn)折處均設置一處檢查井，檢查井采用預制拼裝式，井內(nèi)設防寒木蓋。

沿滲溝每隔120 m，于檢查井中設管井(采用DN300鑄鐵管，直徑300 mm，長10 m)。井孔采用黏土回填，其余采用碎石回填，井底用10 mm厚鋼板焊接封堵。管井周邊采用玻璃纖維增強塑料絲纏裹，鑄鐵管周邊打孔，如圖1所示。

圖1 滲水盲溝設計(單位:m)

3 滲水盲溝現(xiàn)場試驗

根據(jù)全線滲井、盲溝調(diào)查情況，選擇紅旗村、柳毛村、興源鎮(zhèn)三段地質(zhì)條件不同滲井進行抽水及注水試驗，驗證滲井將地表水導入地下含水層的能力，在此基礎上進一步確定滲井布設的合理間距。

(1)試驗段地質(zhì)情況(見表1)

表1 試驗段地質(zhì)情況

(2)試驗過程

按《鐵路工程地質(zhì)手冊》相關抽水及注水試驗要求，對試驗段落內(nèi)兩處滲井分別進行抽水與注水試驗，抽水(或注水)試驗后待水位完全恢復再進行下一項試驗。

(3)滲透系數(shù)計算結果

由于滲井位置地質(zhì)條件不同，影響半徑取經(jīng)驗值，紅旗村30 m、柳毛村15 m、興源鎮(zhèn)50 m，計算結果見表2。

表2 滲透系數(shù)

4 滲水盲溝數(shù)值模擬

為對比降雨后有無滲水盲溝措施的路基滲流情況，采用數(shù)值分析的方法模擬降雨不同時間后，路基土體內(nèi)壓力水頭、含水量及滲透速度的變化情況。

4.1 數(shù)值模型

采用HYDRUS模型模擬降雨條件下路基土體滲流情況，該模型為飽和-非飽和滲流區(qū)水、熱及多種溶質(zhì)遷移的模型。

4.2 路基滲流數(shù)值分析

4.2.1 計算模型建立

選柳毛村區(qū)域斷面為研究對象進行滲流分析，對比在設置滲溝后，降雨條件下路基的滲流變化。

柳毛村處地層主要為粉質(zhì)黏土，路基表層為摻水泥級配碎石層，填料為A、B組非凍脹土，盲溝周邊為滲水性級配碎石，地下水水位距基床底層3 m。

牡綏線沿線地區(qū)年降雨量在400～600 mm，50年以來最大降雨量為150 mm/d。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，按照極端情況，采用75 mm/d的降雨量模擬連續(xù)1 d、2 d、5 d路基降雨入滲情況以及停止降雨后路基疏排情況，分析路基凍深范圍內(nèi)的含水量變化情況反映可能產(chǎn)生的凍脹變形。路基斷面模型及主要水力學參數(shù)如圖2及表3所示。

表3 填料主要水力學參數(shù)

圖2 路基斷面示意

4.2.2 滲流模型計算結果分析

(1)穩(wěn)態(tài)分析

在給定水位線與水力學參數(shù)情況下，根據(jù)邊界條件，計算出路基斷面初始狀態(tài)的壓力水頭與體積含水量分布情況。選擇左線路肩下部2 m處點A與A′為計算點。

由初始狀態(tài)路基斷面壓力水頭分布分析，初始狀態(tài)下是否設置滲水盲溝區(qū)別不大。由初始狀態(tài)路基斷面體積含水量分布分析可見，初始狀態(tài)下，路基斷面模型體積含水量由上向下遞增，地下水水位線附近等值線有起伏，表層摻水級配碎石含水量最低，為3.7%；水位線以上土體及路基填料呈非飽和狀態(tài)；水位線以下土體飽和，含水量為38.9%。

(2)降雨期間瞬態(tài)分析

持續(xù)降雨1 d后，由于雨量下滲未達到盲溝，因此是否設置滲溝路基斷面的壓力水頭與含水量區(qū)別不明顯，但滲溝位置附近滲透方向向盲溝聚集；與未設置滲溝斷面相比，減少了向軌道下部路基本體的滲透。

降雨2 d后，由于雨量下滲已達到盲溝，周圍水體向此處聚集；與未設置滲水盲溝斷面相比，大幅減少了向軌道下部路基本體的滲透。

降雨5 d后，在設置盲溝情況下，盲溝附近壓力水頭較高，滲流流速加快，周圍水體向盲溝處聚集并排出；與未設置滲水盲溝斷面相比，有效減少軌道下部路基本體含水量，減少水分在路基本體的滯留時間，降低凍脹可能。

(3)停止降雨后瞬態(tài)分析

通過持續(xù)降雨5 d后不同時間的數(shù)值模擬可見，路基體壓力水頭與含水量向初始狀態(tài)逐漸平衡，在降雨時經(jīng)路肩位置入滲的水量大部分沿垂直方向下滲排出，但仍有部分水量向軌道下部路基體滲透，使得軌道距路肩一定范圍內(nèi)下部路基含水量稍有增加，設置盲溝措施路基斷面影響范圍為軌道距路肩1.0 m內(nèi)，而未設盲溝措施路基斷面影響范圍為軌道距路肩2.0 m范圍內(nèi)。滲溝措施可以加快路基體水的排出，停止降雨20 d時，采用滲水盲溝措施側(cè)軌道下方填料最大體積含水量由停止降雨時的27%(無盲溝措施為32%)，下降至14%(無盲溝措施為20%)，且此時的含水量已經(jīng)比無盲溝措施排疏100 d時含水量(16%)更低。

表4與圖3為不同降雨持續(xù)時間下，有無盲溝時停止降雨后左線路肩下部2 m處含水量變化情況。

表4 不同降雨條件有無盲溝時停止降雨后左線路肩下部2m處含水量變化

圖3 不同降雨條件有無盲溝時停止降雨后左線路肩下部2 m處含水量變化曲線

降雨1 d與2 d，由于持續(xù)降雨結束時水量下滲剛達到點A與A′處，在停止降雨后，該處含水量先升高后持續(xù)下降；降雨5 d，持續(xù)降雨結束時水量下滲已超點A與A′處，停止降雨后，該處含水量持續(xù)下降。

當持續(xù)降雨1 d時，設滲溝疏排15 d時間含水量恢復至小于11%，未設置滲溝則需60 d；當持續(xù)降雨2 d時，設滲溝疏排30 d含水量恢復至小于11%，而未設則需超過100 d。由此可見，滲溝措施對路基本體內(nèi)的水量疏排效果明顯。

5 滲水盲溝措施整治效果

經(jīng)現(xiàn)場踏勘后對以下四種工點增設滲水盲溝:監(jiān)測凍脹量大于8 mm；基床地表附近有透水的地層；施工中局部有地下水出露；調(diào)查時坡腳、側(cè)溝積水嚴重。以改DK396＋612～改DK396＋712工點為例。

本段線路主要以低填淺挖通過，地勢左低右高，左填右挖。表層粉質(zhì)黏土厚度0～2 m，下為花崗巖，全～強風化?；脖韺訐Q填0.6 m級配碎石，其下為0.1 m中粗砂＋兩布一膜土工布＋0.1 m中粗砂；基床底層為1.1 m非凍脹性A、B組填料＋0.6 m A、B組填料。

(1)凍脹情況:2013-2014年度本段8～12 mm的凍脹變形分別為9.38 mm(改DK396＋662右側(cè))和9.1 mm(改DK396＋812右側(cè))，均發(fā)生在線路右側(cè)，無大于12 mm的測點。

(2)整治措施；本段地勢左傾，現(xiàn)場路基右側(cè)坡腳處存大量雨雪水，右側(cè)凍脹量明顯大于左側(cè)。為截斷右側(cè)地表滲水，于改DK396＋580～改DK396＋860右側(cè)側(cè)溝平臺下設置滲水盲溝。

(3)整治效果:2014-2015年度該段鐵路已鋪軌，2013-2014年度本段凍脹變形8～12 mm有2個點。增設滲水盲溝整治后無大于8 mm變形點，凍脹變形整治效果良好(見圖4)。

圖4 兩年度凍脹變形最大值

6 結論

(1)通過數(shù)值模擬采用與未采用滲水盲溝的情況下，持續(xù)降雨與降雨停止后不同時間路基斷面壓力水頭、含水量、滲流流速分布，結果表明，在設置滲水盲溝情況下，盲溝附近壓力水頭較高，滲流流速加快，周圍水體向盲溝處聚集并排出，與未設置滲水盲溝斷面相比，有效減少軌道下部路基本體含水量，減少水分在路基本體的滯留時間，降低凍脹可能。

(2)牡綏線低挖淺埋段路基地形左低右高，左填右挖，右側(cè)易匯水積水。通過監(jiān)測普遍發(fā)現(xiàn)類似工點路基右側(cè)凍脹變形最大，中間其次，左側(cè)最小。說明匯水地段的低挖淺埋段路基，在匯水一側(cè)宜設置滲水盲溝，保障路基本體排水通暢，減小凍脹性。

(3)硬質(zhì)巖地段路塹基床的橫向排水坡應保持一定坡度且平整，建議采用混凝土找平，否則表面易積水，凍脹性偏大。

(4)經(jīng)多個冬季現(xiàn)場監(jiān)測與結果分析，滲水盲溝措施對降低路基凍脹量起到了一定的效果，與未采用滲水盲溝措施相比，最大凍脹量與平均凍脹量均有所下降。