季節性凍土區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

季節性凍土路基的防凍脹問題是世界性難題，我國季節性凍土區分布面積約占全國面積的53.5%。汪錫銘[1]針對高寒地區季節性凍土地區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據統計、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，提出應系統梳理嚴寒地區無砟軌道路基防排水結構存在的問題并優化防排水結構設計。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優化等關鍵技術問題。劉偉平[6]通過對哈大高鐵路基凍脹原因分析及系統性、針對性的試驗研究，提出適合嚴寒地區高速鐵路路基凍脹監測與整治技術。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查，取現場鉆探土樣進行室內凍脹融沉試驗，分析含水率及容重值對凍脹性的影響，為季凍區高速公路防凍設計和維護提供依據和資料。王東[10]針對濕陷性新黃土路塹易發生滑坡的現象，通過穩定性檢算提出具體防范措施，并對復雜地質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。結合現場試驗、數值分析以及實際監測結果，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，滲溝內填充洗凈碎石，下設C25混凝土基礎，厚0.2 m。基礎底部設置4%排水坡，其上設φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側及上側設置一層不透水土工布，右側及下側采用一層透水土工布反濾層包裹。

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

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 滲水盲溝現場試驗

根據全線滲井、盲溝調查情況，選擇紅旗村、柳毛村、興源鎮三段地質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)試驗段地質情況(見表1)

表1 試驗段地質情況

(2)試驗過程

按《鐵路工程地質手冊》相關抽水及注水試驗要求，對試驗段落內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)滲透系數計算結果

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

表2 滲透系數

4 滲水盲溝數值模擬

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

4.1 數值模型

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-非飽和滲流區水、熱及多種溶質遷移的模型。

4.2 路基滲流數值分析

4.2.1 計算模型建立

選柳毛村區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。

牡綏線沿線地區年降雨量在400～600 mm，50年以來最大降雨量為150 mm/d。根據上述數據，按照極端情況，采用75 mm/d的降雨量模擬連續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的含水量變化情況反映可能產生的凍脹變形。路基斷面模型及主要水力學參數如圖2及表3所示。

表3 填料主要水力學參數

圖2 路基斷面示意

4.2.2 滲流模型計算結果分析

(1)穩態分析

在給定水位線與水力學參數情況下，根據邊界條件，計算出路基斷面初始狀態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。

由初始狀態路基斷面壓力水頭分布分析，初始狀態下是否設置滲水盲溝區別不大。由初始狀態路基斷面體積含水量分布分析可見，初始狀態下，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；水位線以下土體飽和，含水量為38.9%。

(2)降雨期間瞬態分析

持續降雨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)停止降雨后瞬態分析

通過持續降雨5 d后不同時間的數值模擬可見，路基體壓力水頭與含水量向初始狀態逐漸平衡，在降雨時經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，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。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下降；降雨5 d，持續降雨結束時水量下滲已超點A與A′處，停止降雨后，該處含水量持續下降。

當持續降雨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的水量疏排效果明顯。

5 滲水盲溝措施整治效果

經現場踏勘后對以下四種工點增設滲水盲溝:監測凍脹量大于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；調查時坡腳、側溝積水嚴重。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。表層粉質黏土厚度0～2 m，下為花崗巖，全～強風化。基床表層換填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)和9.1 mm(改DK396＋812右側)，均發生在線路右側，無大于12 mm的測點。

(2)整治措施；本段地勢左傾，現場路基右側坡腳處存大量雨雪水，右側凍脹量明顯大于左側。為截斷右側地表滲水，于改DK396＋580～改DK396＋860右側側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)通過數值模擬采用與未采用滲水盲溝的情況下，持續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，右側易匯水積水。通過監測普遍發現類似工點路基右側凍脹變形最大，中間其次，左側最小。說明匯水地段的低挖淺埋段路基，在匯水一側宜設置滲水盲溝，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)經多個冬季現場監測與結果分析，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。