黃土地區(qū)深挖路塹防護與排水綜合處治措施研究

王彥兵

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

高速公路在我國基礎設施建設過程中的地位舉足輕重，由于黃土地區(qū)梁峁溝壑縱橫，地質水文條件復雜，線位比選中不可避免地出現(xiàn)深挖路塹的設計，在滿足相關規(guī)范要求的前提下，為保證高速公路路塹邊坡在復雜工況下的安全穩(wěn)定，須采取有效可靠的綜合防護及排水措施，同時考慮與自然環(huán)境相協(xié)調。本文根據(jù)具體案例，依托現(xiàn)場實際背景，就黃土地區(qū)深挖路塹綜合處治防護及排水措施進行研究，采取了漿砌片石護面墻、拱形骨架、植樹種草等綜合防護措施，以及急流槽、截水溝、支撐滲溝、仰斜式排水孔、滲溝、吊溝等系統(tǒng)排水措施，進行了實際應用，保證了高速公路通暢運營[1]。

2 深挖路塹案例概況及簡介

2.1 工程簡介

該段YK158+476～YK159+018深路塹位于天水市麥積區(qū)西坪村，路線走向NW327°～350°，路塹段工程地質分區(qū)屬侵蝕堆積黃土梁峁溝壑工程區(qū)(Ⅰ區(qū))，該段路基開挖后樁號YK158+476～YK159+018右側形成深路塹，深路塹段落最大中樁、邊坡高度及土石成分概況見表1。

表1 深路塹概況一覽表

2.2 自然地理條件

路塹位于麥積區(qū)西坪村，在全國公路自然區(qū)劃圖中屬甘東黃土山地區(qū)Ⅲ3，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候溫和，年平均氣溫11.3 ℃，最高32.7 ℃，最低-8.3 ℃。年平均降水量546.5 mm。標準凍土深度61 cm，最大積雪厚度15.0 cm，無霜期170 d。工程區(qū)發(fā)育有沖溝，有季節(jié)性流水。

2.3 案例邊坡設計

YK158+476～YK159+018段全斷面深挖，深挖路塹長529.1 m，中樁最大挖方深39.77 m，邊坡處最大挖方深度56.92 m。挖方邊坡分級高度為：右側挖方碎落臺寬2 m，邊坡每6.0 m分級，第一～三級邊坡坡率為1∶1.25，第四級及其以上邊坡坡率均為1∶1.5；第四級平臺寬度為8.0 m，其余每級平臺寬為2.0 m；YK158+476～K159+018右側深挖路塹平面圖見圖1。

隨著高速公路的發(fā)展，深挖路塹邊坡已成為路基工程的一項重要課題，如防護及排水措施不到位，會導致如崩塌、墜落、坡面沖刷及坡頂堆積失穩(wěn)等現(xiàn)象的發(fā)生，本案例YK158+476～YK159+018路基范圍內右側形成高邊坡，其穩(wěn)定性將直接或間接影響到附近居民點的生活安全，因此，需對該段深挖路塹進行防護及排水措施加固，確保邊坡坡率設計滿足規(guī)范要求，把對里程范圍內可能存在的安全隱患降到最低。

3 工程地質條件

3.1 地形地貌

該段路塹橫穿黃土梁前緣，坡面植被一般發(fā)育，梁頂為耕地，地形較平緩，自然地面坡度約10°。路塹區(qū)上覆黃土，厚度大，基巖出露少。路塹段自然地面高程為1 102 m～1 150 m，相對高差為48 m，整體上地形較平坦,黃土梁邊緣兩側坡度較陡，坡度32°～44°。

3.2 地層巖性

路塹段出露地層主要為第四系全新統(tǒng)坡積黃土狀土、第四系上更新統(tǒng)風積黃土及第四系中更新統(tǒng)沖積黃土，簡述如下：

3.3 地震及區(qū)域穩(wěn)定性

根據(jù)國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發(fā)布的GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖圖A.1和圖B.1)，路塹區(qū)地震動峰值加速度為0.30g(相當于地震基本烈度8度，50 a超越概率10%時)，地震動反應譜特征周期為0.45 s，公路工程構造物應采取相應抗震設防措施。路塹的抗震設防標準宜依據(jù)JTG B02—2013公路工程抗震規(guī)范的有關規(guī)定執(zhí)行。

根據(jù)現(xiàn)場地質調繪結合區(qū)域地質資料，路塹區(qū)無活動性斷裂通過，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

3.4 水文地質條件

該區(qū)降水稀少，無常流性地表水補給，地下水埋藏深、儲量少，水質一般，利用價值不大。區(qū)內地下水按其埋藏條件主要分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

1)松散巖類孔隙水：在黃土丘陵溝谷區(qū)，地面坡度較大，降雨后水流很快順地表流走，富水性較差，且不均勻，僅局部含水。

2)基巖裂隙水：主要位于基巖區(qū)，裂隙水沿著裂隙向溝谷中流動補給溝谷第四系沖積層中的潛水，個別地形條件有利時，也以泉的形式溢出地表，水量較少。

依據(jù)地質調查及挖探，勘探期間路塹區(qū)兩側沖溝探井中有地下水發(fā)育，勘探鉆孔中亦有地下水位，埋深約50 m。

3.5 特殊性巖土

3.6 巖土體物理力學性質

表2 巖土體物理力學參數(shù)

4 邊坡防護及排水綜合處治過程及方法

4.1 邊坡處治措施

綜合以上地形地貌、地層巖性、地震及區(qū)域穩(wěn)定性、水文、特殊性巖土等地質條件，著重考慮該深挖路塹地處黃土地區(qū)，含水率較高，挖深較大，兼顧黃土濕陷性，從以下六個方面采取防護及排水措施，對該段深挖路塹邊坡進行綜合處治[2-3]。

1)YK158+476～YK159+018右側挖方邊坡分級為：第一～三級邊坡坡率為1∶1.25，第四級及其以上邊坡坡率均為1∶1.5，每級邊坡高度均為6 m，第四級平臺寬度為8.0 m，其余每級平臺寬為2.0 m；平臺鋪筑天然砂礫墊層(10 cm)以及現(xiàn)澆C10混凝土(10 cm)進行硬化，邊坡橫斷面示意圖見圖3。

2)沿坡頂設置截水溝及急流槽，每級邊坡平臺設置平臺排水溝，并每隔一段距離設置吊溝，形成完善的排水系統(tǒng)(見圖4)。

3)第一級坡面采用漿砌片石孔窗式護面墻防護(見圖5)。

第二級及以上坡面采用拱形骨架植草防護，坡面防護工程施工時，應做好邊坡支撐滲溝、仰斜式排水孔、急流槽等排水設施與坡面防護的銜接，骨架施工必須在路基兩側增寬填筑的0.3 m土方清除后在壓實的邊坡上采用挖槽法進行，挖槽開挖土方應及時清除(見圖6)。

4)第二、三級坡面設置支撐滲溝，支撐滲溝每10 m一道，滲水點嚴重段支撐滲溝每5 m一道(見圖7)。支撐滲溝溝槽采用人工配合機械開挖。溝槽開挖宜自下游向上游進行開挖，應隨挖隨支撐，并迅速回填，不可暴露太久，以免造成坍塌，滲溝應間隔進行開挖。溝槽開挖必須保證兩壁平順，基礎表面應平整，嚴禁出現(xiàn)反坡或凹凸不平現(xiàn)象(見圖7)。

5)邊坡平臺進行植樹植草防護(見圖8)。

6)第一、四、五級坡面設置仰斜式排水孔(見圖9)，排除路塹坡體內的滯水或巖層裂隙水，排水孔深度為5 m～10 m，間距為6.0 m，施工時遇到地下水豐富地段可適當加密。

排水管出水口110 cm范圍內不做槽孔，其余部分均須做槽孔；在靠近坡面至少60 cm長的范圍內，應用黏土堵塞鉆孔和排水管之間的空隙。導水孔鉆孔直徑為100 mm，排水管采用聚乙稀硬質塑料管，外徑90 mm，壁厚5 mm；截水段打孔直徑12 mm，縱向間距45 mm。過濾管包裹：塑料管鉆眼后，用200目尼龍網(wǎng)包裹2層，排水管出水口伸出坡面的長度須不小于50 cm。

施工時最下排仰斜排水孔的設置位置可根據(jù)地質條件適當進行調整，使最下排仰斜排水孔與巖土交界線的豎直間距不小于1 m。且施工時仰斜排水孔的傾角可根據(jù)巖土交界面走勢適當調整，使仰斜排水孔能較好的排除巖土交界面滲水，傾角最小不得小于5°。鉆孔成孔后，應立即將塑料排水管下入孔內，避免因時間過長而塌孔。

4.2 邊坡安全穩(wěn)定性評價

取該段綜合處治邊坡YK158+690斷面(如圖10所示)為計算對象，利用理正巖土6.5進行邊坡穩(wěn)定性計算，采用極限平衡Bishop法，潛在破裂面按照圓弧破壞模型作為邊坡穩(wěn)定性計算的依據(jù)[4]。經(jīng)穩(wěn)定性驗算邊坡安全系數(shù)如表3所示。

表3 路塹邊坡穩(wěn)定性計算結果

計算結果表明：

該段深挖路塹邊坡在正常工況、非正常工況Ⅰ、非正常工況Ⅱ條件下的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，呈穩(wěn)定狀態(tài)。(路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求詳見JTG D30—2015公路路基設計規(guī)范第3.7.7條規(guī)定及JTG B02—2013公路工程抗震規(guī)范8.2.5條規(guī)定)。

5 處治結論及建議

5.1 結論

該深挖路塹經(jīng)防護及排水綜合處治后，根據(jù)工程案例現(xiàn)場實際觀察監(jiān)測及反饋(見表4)，無位移、沉降異常情況，在不利季節(jié)惡劣氣象條件下，能有效維持坡面安全穩(wěn)定，及時引排邊坡坡面及坡體內裂隙滲水，同時依據(jù)穩(wěn)定性計算結果，結合工程地質類比分析，該段深路塹邊坡開挖后在正常工況(天然狀態(tài))、非正常工況Ⅰ(暴雨或連續(xù)降雨)、非正常工況Ⅱ(地震)均滿足安全穩(wěn)定性要求，保障了后續(xù)運營過程中高速公路暢通無阻。

表4 沉降位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

5.2 建議

結合該處深挖路塹案例及施工中出現(xiàn)問題，黃土地區(qū)深挖路塹經(jīng)綜合防護及排水處治后，施工中還應注意以下事項：

1)路塹開挖后若路基邊坡與滑塌體后緣形成單薄黃土梁，穩(wěn)定性較差，建議適當挖除兩坡間單薄土體，降低邊坡高度。

2)邊坡開挖后要及時采取支擋防護措施，加強坡腳必要的加固措施。建議加強施工過程中監(jiān)測與防護。

3)采用分層開挖、分層防護和坡腳預加固。

4)為保證該段深挖路塹安全施工和準確設計，施工中應加強對路塹邊坡開挖動態(tài)觀測，鑒于地質構造及地質水文的復雜性和變異性，施工中須根據(jù)具體情況，及時核對地質資料、參數(shù)的選取，如在施工中遇到與資料不符的情況，應及時會同相關人員進行核對，反饋相關單位，便于及時動態(tài)設計，使其達到經(jīng)濟合理、安全可靠的效果。

5)在后期運營過程中，應對高邊坡進行實時監(jiān)測，特別是降雨及雨季邊坡變形的監(jiān)測，同時對高邊坡進行定期檢查維修。