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。
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。
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。
(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
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
(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
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
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。
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。
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
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。
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。