花崗巖崩崗侵蝕區(qū)坡面破壞及新型排水結(jié)構(gòu)研究

蘭金陵，劉韋華，黃小桂

(1.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

公路防排水工程設(shè)計(jì)通常依據(jù)規(guī)范要求、地形地貌、水文條件按常規(guī)方法設(shè)計(jì)即可。常見的排水結(jié)構(gòu)有排水溝和天溝、支撐滲溝及盲溝、泄水隧洞等。在特殊地質(zhì)和特殊土質(zhì)條件下，邊坡具有不同的坡面及坡體破壞形式，排水結(jié)構(gòu)物也會(huì)出現(xiàn)特有的病害類型，因此還有必要進(jìn)一步開展針對性的研究工作。田亞護(hù)等[1]研究了青藏鐵路凍土區(qū)排水溝的破壞形式、病害成因，并提出了防治措施；樊友慶等[2]

針對贛南地區(qū)花崗巖邊坡分布區(qū)的破壞形式，提出了公路邊坡截排水系統(tǒng)；強(qiáng)魯斌等[3]分析了膨脹土渠坡的風(fēng)化特征，討論了坡面排水形式。針對不同的邊坡條件，部分學(xué)者開展了新型排水結(jié)構(gòu)及其方法的研究：田卿燕等[4]采用新型可更換仰斜排水孔方法有效解決了常規(guī)PVC塑料管邊坡內(nèi)排水結(jié)構(gòu)易被泥土淤塞的問題；張素磊等[5]應(yīng)用毛細(xì)排水管結(jié)構(gòu)[6]有效處治了某公路隧道滲漏水治理工程；冷伍明等[7]采用毛細(xì)透排水帶制成的水釘邊坡和支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)排水結(jié)構(gòu)能有效完成吸水、集水、排水的功能；杜麗麗等[8]模擬采用充氣方式對滑坡條件下實(shí)現(xiàn)截排水效果。

我國南方受濕熱氣候影響化學(xué)分化作用強(qiáng)烈，在花崗巖地區(qū)往往在地表形成厚層風(fēng)化殼。我國南方花崗巖的主要造巖礦物為石英、黑云母和長石等，石英是耐分化礦物，黑云母和長石經(jīng)化學(xué)分化作用常形成絹云母和高嶺土。因此，厚層花崗巖風(fēng)化殼中上部主要為由疏松的石英、高嶺土及絹云母組成的完全分化層及殘積土，粘聚力低、極易被雨水侵蝕，常常發(fā)生大規(guī)模的雨水侵蝕作用，極易形成大面積的崩崗侵蝕作用，如廣東省德慶—云浮及五華、廣西蒼梧、江西贛南、福建長汀等地[9]的花崗巖分布區(qū)均坡面侵蝕現(xiàn)象極度發(fā)育。厚層花崗巖分化殼往往厚度達(dá)到30～40 m，就地取石困難；又由于強(qiáng)烈的坡面侵蝕作用容易導(dǎo)致坡面掏蝕、坍塌，常引起坡面漿砌片石邊溝失效，給邊坡防護(hù)與水土保持帶來困難。廣佛肇高速全長約177.34 km，于2012-10-27開工，2016年底通車，其中第C合同段大部分位于廣東省德慶縣內(nèi)，因此，研究適用于花崗巖崩崗侵蝕區(qū)的新型排水結(jié)構(gòu)就成了工程建設(shè)亟待解決的問題。

1 崩崗地區(qū)邊坡坡面侵蝕破壞形式

花崗巖崩崗地區(qū)殘積土及強(qiáng)分化層厚度較大，具有土質(zhì)疏松、土體粘聚力小、滲透力強(qiáng)等特點(diǎn)。新開挖坡面缺乏防護(hù)，極易形成坡面細(xì)溝侵蝕現(xiàn)象。對于邊坡排水結(jié)構(gòu)物來說，坡面防護(hù)未形成前，排水結(jié)構(gòu)物滲漏和堵塞容易造成不同的坡面侵蝕破壞。

1.1 邊溝滲漏

在厚層殘積土和強(qiáng)分化花崗巖分布區(qū)，往往適于用作漿砌片石排水結(jié)構(gòu)的片石材料匱乏，常采用預(yù)制塊砌筑排水結(jié)構(gòu)。預(yù)制塊砌筑排水結(jié)構(gòu)及漿砌片石排水結(jié)構(gòu)容易因漿砌縫隙開裂或不飽滿造成漏水，會(huì)形成溝底掏蝕現(xiàn)象，一兩場暴雨過后，就可掏空排水溝底部，導(dǎo)致排水溝懸空，進(jìn)一步發(fā)展可引起排水溝破壞，造成更嚴(yán)重的徑流沖刷溝破壞。平臺(tái)邊溝滲漏往往會(huì)導(dǎo)致溝底掏空，坡面沖蝕，平臺(tái)溝斷裂，直至造成邊坡平臺(tái)頂部的局部坡面水毀破壞。急流槽滲漏往往會(huì)造成槽底掏空、斷裂，最后形成破壞部位下部坡面的局部水毀破壞。

1.2 堵塞破壞

平臺(tái)邊溝一般斷面尺寸不大，在崩崗地區(qū)，新開挖的路塹邊坡坡面侵蝕嚴(yán)重，常常會(huì)發(fā)生坡面侵蝕泥沙，沖毀和堵塞平臺(tái)邊溝，形成溢流和滲漏，極易引發(fā)平臺(tái)頂部的沖溝溝蝕及崩塌等水毀破壞。

1.3 沖溝侵蝕破壞

我國南方在臺(tái)風(fēng)期間，往往發(fā)生連續(xù)暴雨作用。在臺(tái)風(fēng)暴雨期間，平臺(tái)邊溝及急流槽一旦發(fā)生滲漏或堵塞破壞，極易形成沖溝侵蝕破壞。沖溝侵蝕破壞的初期，主要是造成沖溝附近排水結(jié)構(gòu)物的破壞以及坡面沖蝕，隨著沖溝的加深，沖溝溝壁坍塌，在平臺(tái)堵塞引起溢流范圍較大的坡面，可以造成淺層溜坍。

2 常見坡面排水結(jié)構(gòu)適宜性分析

2.1 漿砌片石排水結(jié)構(gòu)

花崗巖崩崗地區(qū)石料嚴(yán)重缺乏，漿砌片石排水結(jié)構(gòu)用于平臺(tái)邊溝和急流槽材料成本偏高；花崗巖崩崗地區(qū)往往地形起伏大，多數(shù)屬于高邊坡，坡面排水結(jié)構(gòu)工程數(shù)量較大，運(yùn)輸不便，造成工期長、人工成本高。

2.2 預(yù)制塊砌筑排水結(jié)構(gòu)

預(yù)制塊尺寸遠(yuǎn)比漿砌片石尺寸小，溝縫數(shù)量遠(yuǎn)多于漿砌片石排水結(jié)構(gòu)，造成縫隙砌筑施工質(zhì)量很難控制，極易出現(xiàn)因縫隙漿砌不飽滿產(chǎn)生孔洞，從而造成漏水現(xiàn)象。此外，預(yù)制塊排水結(jié)構(gòu)尺寸較小，容易引起沖毀或堵塞，導(dǎo)致坡面沖蝕，引發(fā)大面積水毀破壞。

2.3 現(xiàn)澆水泥混凝土排水結(jié)構(gòu)

現(xiàn)澆水泥混凝土結(jié)構(gòu)尺寸往往較小，易引起結(jié)構(gòu)被堵塞，引起坡面溢流、沖蝕導(dǎo)致邊坡水毀破壞。此外，現(xiàn)澆水泥混凝土結(jié)構(gòu)材料造價(jià)較高。

2.4 平臺(tái)封水結(jié)構(gòu)

通常采用壓實(shí)黏性土和防滲土工布對平臺(tái)進(jìn)行封閉。在花崗巖地區(qū)，黏性土往往在數(shù)十公里以外，運(yùn)距大、費(fèi)用高，難以被建設(shè)者接受；若采用混凝土層封水，不但造價(jià)偏高，還易出現(xiàn)局部開裂，從而因地表水沿裂縫下滲而造成路堤局部水毀破壞。

3 新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)研究

3.1 研究目的

花崗巖崩崗地區(qū)邊坡在連續(xù)降雨作用下，含水量增大，土體軟化，易產(chǎn)生水毀破壞。由于傳統(tǒng)平臺(tái)邊溝結(jié)構(gòu)未進(jìn)行封閉，邊溝漏水或堵塞是造成崩崗地區(qū)排水結(jié)構(gòu)破壞及侵蝕的主要原因；另一方面，漿砌片石及預(yù)制塊砌體結(jié)構(gòu)排水物作為最常用的平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)，又存在容易滲漏或堵塞的弊端。因此，工程實(shí)踐急需研究一種能替代常規(guī)排水結(jié)構(gòu)物、施工簡便、成本低廉、防滲漏的新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)。

3.2 研究思路

針對易出現(xiàn)滲漏或堵塞并引起邊坡水毀病害是花崗巖崩崗地區(qū)邊坡平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)的主要破壞形式的特征，新結(jié)構(gòu)擬通過提高平臺(tái)的封水能力和排水結(jié)構(gòu)的整體性來防止?jié)B漏發(fā)生；通過擴(kuò)大排水結(jié)構(gòu)物尺寸來避免堵塞破壞的發(fā)生。

針對常用平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)物成本高、施工工期長，主要是由于外運(yùn)材料成本高和人力用工成本高造成的特點(diǎn)，新結(jié)構(gòu)擬通過盡量利用當(dāng)?shù)夭牧虾蜋C(jī)械化施工來降低成本。

3.3 新型平臺(tái)結(jié)構(gòu)的特征

新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)采用水泥改性土平臺(tái)邊溝復(fù)合防排水結(jié)構(gòu)(圖1)。新結(jié)構(gòu)主要建筑材料為現(xiàn)場花崗巖殘積土及少量水泥，實(shí)現(xiàn)了盡量采用當(dāng)?shù)夭牧弦赃_(dá)到節(jié)省成本的目的；新結(jié)構(gòu)主要由現(xiàn)拌水泥改性土組成，具有良好的整體性，能有效克服傳統(tǒng)排水結(jié)構(gòu)物的開裂和滲漏缺陷，而且新結(jié)構(gòu)設(shè)置了小滲溝和防滲土工布，綜合考慮了防滲和排水的要求，強(qiáng)化了防滲效果；新結(jié)構(gòu)采用淺碟式排水?dāng)嗝?，極大擴(kuò)展了排水結(jié)構(gòu)尺寸，大大增強(qiáng)了抗堵塞能力；現(xiàn)拌水泥改性土采用挖掘機(jī)作業(yè)，能夠大大提高施工功效，降低人力用工，提高施工效率，縮短工期。

注：1.下一級邊坡；2.三角形小滲溝；3.平臺(tái)坡率；4.防滲土工布；5.軟式透水管；6.現(xiàn)拌水泥改性土；7.邊坡平臺(tái)；8.水泥砂漿抹面；9.平臺(tái)邊溝；10.上一級邊坡

圖1新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)剖面圖

4 新型急流槽排水結(jié)構(gòu)研究

4.1 研究目的

針對常用傳統(tǒng)急流槽排水結(jié)構(gòu)-漿砌片石及預(yù)制塊砌體結(jié)構(gòu)排水物容易滲漏造成崩崗地區(qū)坡面侵蝕破壞的主要病因，以及水泥混凝土結(jié)構(gòu)急流槽等其他急流槽排水結(jié)構(gòu)成本高的特點(diǎn)，亟需研究一種能替代常規(guī)排水結(jié)構(gòu)物、施工簡便、成本低廉、防滲漏的新型排水結(jié)構(gòu)。

4.2 研究思路

與邊坡平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)研究思路相似，同樣也可以采用當(dāng)?shù)夭牧虾蜋C(jī)械化施工來降低成本、提高結(jié)構(gòu)的整性以防止?jié)B漏。但由于急流槽結(jié)構(gòu)要承受更大的水力沖刷和風(fēng)化侵蝕作用，因此，必須強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的表面強(qiáng)度。

4.3 新型急流槽排水結(jié)構(gòu)的特征

新結(jié)構(gòu)采用貼膜結(jié)構(gòu)的思路來實(shí)現(xiàn)邊坡坡面排水結(jié)構(gòu)物的不同功能要求。通過將采用水泥改性土修筑地表排水結(jié)構(gòu)物主體結(jié)構(gòu)層，將邊坡現(xiàn)地的土料作為主要建筑材料，減少了用量最大的石料或砂料的人工搬運(yùn)，從而可減少大量的勞務(wù)用工，降低成本。

新結(jié)構(gòu)采用水泥改性土可以大大增強(qiáng)排水結(jié)構(gòu)物的整體性和降低質(zhì)量控制的難度，可杜絕排水結(jié)構(gòu)物漏水現(xiàn)象的出現(xiàn)。

新結(jié)構(gòu)采用小型攪拌機(jī)和挖掘機(jī)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)層的施工，因而可大大提高施工速度。

為了克服水泥改性土比水泥混凝土的長期抗紫外線輻射、抗水損害和抗熱脹冷縮稍差的缺陷，新結(jié)構(gòu)在水泥改性土表面，設(shè)計(jì)了一個(gè)水泥固化土工織物材料膜層。利用水泥改性土與水泥之間可無縫結(jié)合及水泥漿可將土工織物材料牢牢固化的特性，由現(xiàn)鋪的內(nèi)膜層和外膜層的水泥漿將中間土工織物材料(如玻璃纖維土工格柵、碳纖維布等)牢牢固化，從而形成水泥固化土工織物材料膜層，這使得整個(gè)排水結(jié)構(gòu)物表層具有遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)排水結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體性、抗紫

外線輻射、抗水損害和抗熱脹冷縮等特性(如圖2所示)。

注：1.主體結(jié)構(gòu)層；2.水泥固化土工織物材料膜層；3.溝壁厚度；4.土工織物材料；5.水泥固化層

圖2新型急流槽排水結(jié)構(gòu)剖面圖

5 結(jié)語

新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)和新型急流槽排水結(jié)構(gòu)于2016年春季在廣東德慶花崗巖崩崗地區(qū)邊坡治理工程中得到了部分應(yīng)用。實(shí)踐證明，新型平臺(tái)排水結(jié)構(gòu)和新型急流槽排水結(jié)構(gòu)達(dá)到了研究預(yù)期目的，能夠很好解決花崗巖崩崗地區(qū)傳統(tǒng)邊坡排水結(jié)構(gòu)物由于滲漏和堵塞引起的侵蝕和水毀破壞，與現(xiàn)有邊坡排水結(jié)構(gòu)相比，具有施工簡便、成本低、工期短等顯著優(yōu)勢，值得在相似邊坡地質(zhì)條件下推廣和應(yīng)用。

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