周阳宗，朱宏伟，蔡德钩,闫宏业,李中国,姚建平

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙　410012；2.中国铁建十六局集团有限公司，北京　100048；3.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081；4.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)

当气温下降到零度以下时，季节性冻土区高速铁路的路基易发生冻胀病害。通过对哈大高速铁路路基段轨面高程的复测发现，部分路基地段出现冻胀病害，局部冻胀引起轨面出现不同程度的抬高，最大抬高量超过20 mm，造成部分地段路基轨面不平顺。通过现场地质勘查和路基复测发现，全线冻胀情况严重的路段基本上都发生在地下水较为发育的路堑地段。

为了控制线路冻胀的发展，保障运营安全，选取其中较为典型的路堑地段开展地下水治理研究。路基冻胀发生的3个必要条件是长时间零度以下的气温、较高的土体含水量、冻胀性敏感土[1]。对于线路的冻胀整治，降低土体含水量是比较可行的方法，常用的治理手段包括设置渗水盲沟和井点降水2种。哈大高速铁路已投入运营，受制于天窗时间，施工作业最多只有3小时，而且增设渗水盲沟需要大型施工设备上道，受到高压线的影响，其作业空间小、移动困难，每次上道的准备时间及撤离时间都较长，在这些地段增设渗水盲沟，其代价和难度较大。因此，决定采用井点降水的整治方案，它的优点是工艺成熟，设备简单，适合于针对运营中铁路的地下水治理。井点降水方案的设计需要解决2个关键问题，一是为将地下水位下降到合理位置而需要的抽水深度；二是为保持水位下降后不再回升所应采取的抽水方式。本文采用数值模拟方法对方案中的这些关键问题开展研究。

1　工程概况

选取的路基为双线路基，路基面宽13.3 m，路堑两侧设盲沟，无渗沟，断面情况如图1所示。路基线间和路肩表面采用纤维混凝土进行封闭，基床表层底部铺设两布一膜，换填层底部铺设复合排水网，底部两侧设渗水盲管；基床表层换填0.55 m厚的级配碎石，基床底层换填1.3 m厚的A，B组土，在冻深影响范围内填筑非冻胀A，B组土。

图1　整治路基横断面图(单位：m)

岩层以粉质黏土为主，呈黄褐色，硬塑为主，土质均匀，Ⅱ级普通土。该区间地下水主要为基岩裂隙水，主要见于基岩风化带，分布不均匀。地下水位随季节的变化而变化，补充勘察期间内地下水位埋深在1.0～1.5 m。该地区冬季最大冻深超过2.7 m[2]，要求将地下水降到路基面以下3 m，以减少冻胀。

2　数值建模

为了确定井点降水的水泵抽水参数和进行水井设计，采用SEEP/W软件对水泵抽水的效果进行模拟分析。

SEEP/W软件的计算基于饱和和非饱和土体的达西渗流定律，当渗流处于非饱和条件下，渗透系数不再是常数，而是随着含水量的变化而变化，并且间接地随着水压力的变化而变化。在非饱和土中，水的实际流速等于达西流速除以单位体积的含水量，SEEP/W软件计算和显示的仅仅是达西流速。软件计算的条件是土体单元总应力不变，就是说没有土体的卸载和加载；还假定对于瞬态问题，孔隙的气压保持为恒定的大气压，即单位体积含水量的变化仅仅受到孔隙水压力变化的影响。

根据达西渗流定律，在总应力不变和瞬态问题孔隙气压保持恒定的条件下，可得有限元计算控制方程[3]

(1)

式中：kx为x方向的渗流速率；ky为y方向的渗流速率；H为水头高度；mw为储水曲线的斜率；γw为水的容重。

选用饱和/非饱和渗流本构模型，建立路堑断面计算模型，采用路基填料与地基填料2种材料分别模拟路基本体和地基；路基本体采用0.5 m单元格划分，地基部分采用1 m单元格划分，模型长度160 m(超过井点降水曲线影响半径)[4]，高度50 m，如图2所示。

图2　路堑计算模型

采用在两侧水沟下方布置抽水井的方式进行降水，水泵抽水有效长度约为1.0 m，因此在盲沟下方，距离盲沟顶面4，5和6 m的位置分别设置1.0 m高的渗流边界，通过分别赋予边界流量的方式模拟不同埋深位置的水泵抽水效果。

非饱和渗流计算需要的关键材料参数为体积含水量函数和非饱和渗透系数函数。体积含水量函数可以参考相关试验数据获取，如图3所示。根据体积含水量函数，采用Fredlund&Xing方法预测非饱和渗透系数函数[5]，如图4所示。

图3　体积含水量函数

图4　非饱和渗透系数函数

3　数值分析

3.1　简化及假设

(1)因冻深随时间发生变化，取线路最大冻深——路基面3.0 m以下为水位降低目标，因暂停抽水时地下水位会有一定回升，故结合计算分析，确定降水目标取为路基面下3.8 m。

(2)水泵作用等效于在水泵埋设位置增加一条渗水沟，以及时将渗出的水排走。因此，分析井点降水的水位变化时，假设以水泵进水管1.0 m长的范围为自由渗水边界；分析泵底水压时，通过赋予边界流量的方式模拟水泵抽水。

(3)对长期抽水效果的模拟计算采用稳态分析，对抽水过程中参数变化的分析计算采用瞬态分析。

(4)初始水位在路基面以下0.7 m。

3.2　单次连续抽水时间

因地基土体渗透性较小，水泵抽水后周边汇集的地下水被抽空，此时泵底孔隙水压力下降至0 kPa，地下水汇集需要等待一定时间。因此，将水泵工作时水位从泵顶下降到泵底需要的时间定义为单次连续抽水时间。

常见的小型水泵抽水量为1.5 m3·h-1，进水管长1.0 m，当水泵埋深5.7和6.7 m时(以路堑顶面中心点高程为基准点)，渗流边界分别设置在路基面下4.7～5.7和5.7～6.7 m，水泵抽水过程中泵底孔隙水压力随抽水时间的变化如图5所示。由图5可知，在抽水过程中泵底孔隙水压力随时间增长逐渐减小，水泵埋深越大，水压力下降速度越快，水位下降至泵底需要的时间也越短。水泵埋深5.7和6.7 m时，水泵从完全被水浸没到水位下降至泵底需要的时间较为接近，约为1.3～1.4 h。

图5水位从泵顶下降至泵底时泵底孔隙水压力随抽水时间变化曲线

3.3　入冬前抽水分析

入冬前抽水的主要目的是尽快降低地下水位到冻深以下。由于采取在路堑两侧降水的方式，路堑中心是降水曲线的最高点。通过分析路堑中心孔隙水压力的变化情况，计算不同水泵埋深时长期抽水后路堑中心水位线和相应需要的抽水时间。

3.3.1水泵埋深分析

抽水断面沿线路纵向每10 m设置一对常见的小型水泵，则分配在纵向单位长度上的抽水量按0.15 m3·h-1·台-1(即4×10-5m3·s-1·台-1)考虑。由于水泵进水管长1.0 m，当水泵埋深分别为3.7，4.7，5.7和6.7 m时，渗流边界分别对应设置在2.7～3.7，3.7～4.7，4.7～5.7和5.7～6.7 m。通过稳态分析得到的不同水泵埋深时路堑中心最终水位如图6所示。图7为水泵埋深4.7 m、长期抽水后的最终地下水位分布图。由图6可见，随着水泵埋深的增大，长期抽水后路堑中心最终水位随之下降；水泵埋深分别为4.7，5.7和6.7 m时，路堑中心最终水位可下降到3.0，3.8 和4.7 m。因此，为确保将水位下降到3.0 m以下，需要水泵埋深在4.7 m以下。因此以下研究在水泵埋深5.7和6.7 m这2种工况下开展。

图6　路堑中心地下水位随水泵埋深变化曲线

图7　水泵埋深4.7 m时的最终地下水位分布图

3.3.2入冬前抽水时间分析

水泵埋深在5.7和6.7 m时，路堑中心3.8 m处的孔隙水压力随水泵抽水时间的变化如图8所示，图9为水泵埋深为5.7 m、路堑中心水位降至3.8 m时的地下水位分布图。由图8可知，水泵埋深为5.7和6.7 m时路堑中心水位从路基面下0.7m下降到3.8 m需要的抽水时间分别约为2 410和600 h，即水泵埋深5.7和6.7 m时，需要在入冬前100和25 d开始抽水作业。

图8不同水泵埋深时，路堑中心埋深3.8 m处孔隙水压力随水泵抽水时间变化曲线

图9水泵埋深5.7 m，路堑中心水位降至3.8 m时的地下水分布图

3.4　入冬后抽水分析

入冬前将路堑中心地下水降至路基面下3.8 m，水泵停止抽水后，水位会缓慢回升，为保证入冬后水位保持在3 m以下，水泵应间隔抽水。因此在地下水位回升至3.0 m时再次启动水泵，将水位降至3.8 m后再次关闭水泵，如此循环以确保地下水位在最大冻深以下，减小路基冻胀。

3.4.1间歇时间

以路堑中心水位降至3.8 m时的地下水分布作为分析的初始水位，分析不同水泵埋深下水位回升到3.0 m所需的时间。水泵埋深分别为5.7和6.7 m、停止抽水后，路堑中心埋深3 m处孔隙水压力随时间的变化如图10所示。图11给出了停止抽水后，路堑中心水位回升至3.0 m时地下水分布图。由图10可见，孔隙水压力缓慢上升，水泵埋深5.7和6.7 m时，分别经过243和180 h后路堑中心埋深3 m处孔隙水压力达到0 kPa，即对于水泵埋深分别为5.7和6.7 m的情况，水泵的最大间歇时间分别是10和7.5 d。

图10停止抽水后，路堑中心埋深3 m处孔隙水压随时间变化曲线

图11停止抽水后，路堑中心水位回升至3.0 m时地下水分布图

3.4.2单次循环中抽水时间

单次循环中抽水时间指入冬后地下水位回升到3.0 m后，将水位从3.0 m再次降至3.8 m所需要的抽水时间。在路堑中心水位从3.0 m降至3.8 m的过程中，3.8 m处孔隙水压力随时间变化曲线如图12所示。由图12可见，水泵埋深5.7和6.7 m时，将水位从路基面下3.0 m降至3.8 m需要的抽水时间分别为1 000和144 h，即42和6 d。

图12　路堑中心埋深3.8 m处孔隙水压变化

4　冻胀整治试验

在哈大高铁沿线鲅鱼圈选取一处填料堆埋场地进行工程试验，填料根据路基填筑要求进行压实，并监测井点抽水前后冻胀量的变化情况。

数值模拟分析结果说明采取井点降水的方案可以满足路基防冻胀整治的要求。根据计算结果，路基段井点降水方案设计如下。

线路两侧钻孔成井，成井直径150 mm，井深7 m，水泵埋深5.7 m，沿线路方向井间距为10 m，井内设直径110 mm的滤水管，滤水管内设潜水泵，通过液位传感器控制水泵的开启与关闭，进行抽水，从而达到排出和控制路基内地下水位的目的。根据计算的渗流量选用12 V直流水泵，水泵直径小于90 mm，扬程高度10 m。采用交流220 V经变压后为水泵供电。

参考模拟计算结果，水位降至3.8 m约需要25 d。为达到良好整治效果，在入冬前1个月开始抽水作业。

图13为2013年和2014年试验段路基的冻胀情况，其中2013年为整治前的冻胀监测数据，2014年为整治后的冻胀监测数据。由图13可见，最大冻胀量从2013年的11.6 mm降至2014年的4.5 mm，效果较为显著。

图13　井点降水整治前后冻胀量对比

5　结　论

本文通过对井点降水过程孔隙水压力的变化进行模拟，为季节性冻土路基冻胀整治方案设计提供参考，确定了水泵的抽水方式、埋设深度，估算了将水位降至合理位置所需要的时间，解决了路基井点降水冻胀整治方案设计中的关键问题。

(1)由于土层渗透系数较小，且无渗水盲沟，地下水汇集较慢，经计算分析，抽水量为1.5 m3·h-1的小型水泵在5～7 m埋深时，水泵连续工作约1.3～1.4 h水位可将其周围水位降至泵底。

(2)结合现场地质情况分析结果表明，水泵埋深分别为4.7，5.7和6.7 m时，路堑中心最终水位可下降到3.0，3.8和4.7 m。入冬前将路堑中心地下水位降低到埋深3.8 m时，水泵埋深应不小于5.7 m。水泵埋深为5.7和6.7 m时需要的抽水时间分别约为100 和25 d。

(3)入冬后为继续保持水位在3.0 m以下，可采取间隔抽水的方式。对于水泵埋深分别为5.7和6.7 m的情况，路堑中心地下水位从3.8 m回升到3 m水泵的最大间歇时间分别为10和7.5 d；路堑中心水位从3 m降回3.8 m需要的抽水时间分别为42和6 d 。综合分析表明，水泵埋深6.7 m较为合理。

(4)冻胀整治效果表明根据本文数值模拟制订的方案是合理的。

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