基于甘肅省隴南市水毀路基防護(hù)與支擋破壞分析及優(yōu)化修復(fù)的研究

趙 軍,劉穎才，尚高鵬

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

近年來，甘肅省隴南市夏季短期內(nèi)多次出現(xiàn)特大暴雨天氣，暴雨頻度高、強(qiáng)度大、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)降雨量大，突破隴南氣象歷史極值記錄，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)國家氣象站歷史資料統(tǒng)計(jì)，隴南市1961年—2019 年8 月各流域最大降雨量記錄，白龍江流域?yàn)?00.5 mm（2012 年），白水江流域?yàn)?1.7 mm（1961 年），嘉陵江流域?yàn)?71.6 mm（1970 年）。在2020 年8 月，白龍江、白水江、嘉陵江流域降雨量分別是其歷年最大降雨量的2.3 倍、3.0 倍、1.7 倍，各站點(diǎn)累計(jì)降雨量均為1961 年以來同期第一位，根據(jù)氣象觀測站數(shù)據(jù)，8 月20 日累計(jì)降雨量超過250 mm 的有102 站，超過150 mm 的有294 站，超過100 mm的共有339 站，占比85%以上，4 次暴雨過程中共出現(xiàn)121 次短時(shí)強(qiáng)降水，文縣碧口更是達(dá)到569.1 mm，有歷史記錄以來歷年平均降雨量的1.7～4.4 倍，白龍江支流白水江文縣尚德站實(shí)測洪峰流量2 780 m3/s，超200 年一遇（2 050 m3/s）。

暴雨造成隴南地區(qū)多處路基水毀，其中防護(hù)設(shè)施水毀嚴(yán)重，主要為：臨河路段坡腳受水流沖刷，導(dǎo)致原有漿砌防護(hù)路肩墻、路堤墻、駁岸墻、內(nèi)護(hù)墻等沖毀、垮塌，基礎(chǔ)懸空；山區(qū)路段山體飽和，裂隙水等浸入路基，破壞原有擋土墻基礎(chǔ)，使擋土墻沉降、外傾、垮塌等。

2 項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)及破壞原因分析

2.1 工程地質(zhì)

項(xiàng)目區(qū)位于秦嶺山脈西延部分的隴南山地。區(qū)內(nèi)山巒起伏，連綿不斷，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈隆起與流水侵蝕作用下急劇下切，山高谷深、嶺谷相間、溝壑縱橫、鋒銳坡陡，僅局部有不對(duì)稱的零星狹長臺(tái)階地。受構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)地貌按成因分為構(gòu)造剝蝕地貌和河流侵蝕堆積地貌。構(gòu)造剝蝕地貌主要為西秦嶺南部高中山區(qū)峽谷區(qū)，而流水地貌主要為岷江、白龍江、白水江及其支流侵蝕堆積的高中山河谷區(qū)。

地層巖性除河谷區(qū)為第四系沖積層覆蓋外，地表大部分為新生代沉積地層覆蓋，僅在局部河谷地段有三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系和志留系老地層出露。第四系（Q）：中更新統(tǒng)，主要分布于高階地，主要巖性為灰色、青灰色卵石，鈣質(zhì)膠結(jié)，密實(shí)，強(qiáng)度高。上更新統(tǒng)，主要分布于殘坡積和河流階地沉積，多沿山、峁梁坡和大河兩岸零星分布，巖性主要為淺黃色粉砂土、黃土狀粉質(zhì)黏土，偶夾少數(shù)礫石和碎巖塊，含鈣質(zhì)較高，淋濾富集后生成形狀不規(guī)則及不穩(wěn)定的鈣質(zhì)結(jié)核層，靠底部一般有厚度不等的砂礫層。上更新統(tǒng)分布于山坡，主要為土黃色、淡黃色疏松狀黃土，局部偶含鈣質(zhì)結(jié)核。全新統(tǒng)（Q4）：全新統(tǒng)坡積層以碎石土為主，下部多塊石。I 級(jí)階地由礫石層、砂層及粉土組成，厚3～10 m。II 級(jí)階地堆積物為砂卵礫石層夾砂、條帶狀黏性土等，具水平層理，底部為砂、礫夾黃土。全新統(tǒng)沖洪積層分布在河漫灘及階地上，巖性為砂礫、卵石層、碎石層，松散，亞圓-次棱角狀，分選性較好。志留系為一套厚度較大的淺變質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖建造，屬海相還原沉積，主要巖性包括板巖、炭千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖、灰?guī)r，呈夾層狀；泥盆系為一套厚度較薄的碳酸鹽巖建造，主要巖性包括板巖、千枚巖、灰?guī)r及少量砂巖，局部為炭質(zhì)，呈互層狀；石炭系以中上統(tǒng)碳酸巖建造為主、下統(tǒng)為碎屑巖建造，主要巖性中上統(tǒng)為灰?guī)r，下統(tǒng)為炭質(zhì)千枚巖；二疊系主要為一套厚度較大碳酸鹽巖建造，屬淺海相沉積，下部為含炭板巖夾灰?guī)r，上部為灰?guī)r、泥灰?guī)r；三疊系為典型的復(fù)理石和陸源沉積建造，下部為板巖、灰?guī)r夾砂巖和灰?guī)r，具明顯的復(fù)理石沉積，中部為砂巖、板巖夾灰?guī)r，為陸源碎屑巖沉積。巖土體承載力基本允許值的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（fao）見表1。

表1 巖土體承載力基本允許值的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 破壞原因分析

臨河路段擋土墻基礎(chǔ)滑移，墻身變形、傾覆，位置主要為半挖半填路段或原坡面沖溝路段。主要因?yàn)樵袚跬翂闈{砌片（塊）石，基礎(chǔ)埋深一般在1～2.0 m，嵌入新鮮巖面一般在0.5 m，滿足原有設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但根據(jù)2020 年水文計(jì)算看，沖刷深度最大在2.948 m。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015），受水流沖刷的直接防護(hù)工程，基底應(yīng)埋置在沖刷線以下不小于1 m 或嵌入基巖內(nèi)，則埋置深度應(yīng)不小于3.948 m。一般沖刷深度按照《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）常用的有兩種計(jì)算公式，分別是根據(jù)輸沙平衡原理建立的橋下河槽一般沖刷深度公式，局部沖刷采用《公路橋位勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 062—1991）修正公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到K 575+480～K 575+780 沖刷最小，其河床寬為15 m，一般水深為1.0 m，最大水深為1.5 m，總沖刷深度為2.624 m，最小埋置深度為3.624 m；K 605+300～K 605+400 沖刷最大，其河床寬為55 m，一般水深為1.6 m，最大水深為2.5 m，總沖刷深度為2.948 m，最小埋置深度為3.948 m。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 某公路恢復(fù)重建工程水文計(jì)算一覽表 m

山區(qū)路段原有山體因降雨導(dǎo)致含水率極劇增加，滲入路基后巖土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角下降，以及地下水滲流引起滲透壓力，坡體對(duì)支擋防護(hù)的主動(dòng)土壓力增大，超出承載能力。上邊坡坡面松散堆積物溜塌，引起內(nèi)擋墻、護(hù)面墻損毀，下邊坡?lián)跬翂A(chǔ)懸空、下沉、開裂、垮塌等[1]。正常情況下巖土體物理力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表3 巖土體物理力學(xué)性能指標(biāo)一覽表

3 支擋防護(hù)的恢復(fù)與優(yōu)化

一般路肩墻用于主動(dòng)土壓力較小的路堤支擋防護(hù)，修補(bǔ)路基缺口、減少占地、防止河道壓縮。路堤墻用于邊坡高度較高、坡腳延伸較遠(yuǎn)的路堤支擋防護(hù)，減少占地、節(jié)約土方、收縮坡腳，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。護(hù)裙墻用于既有防護(hù)設(shè)施基礎(chǔ)掏空、外露，但主體結(jié)構(gòu)完好，通過增設(shè)防沖護(hù)裙，提高抗沖刷能力的沿河路段防護(hù)。駁岸墻用來保護(hù)岸坡或構(gòu)造物不受洪水沖刷的影響。

內(nèi)護(hù)墻用于土質(zhì)或風(fēng)化嚴(yán)重的巖質(zhì)邊坡，易發(fā)生碎落、崩塌等不穩(wěn)定斜坡的挖方路段邊坡防護(hù)。護(hù)面墻用于土質(zhì)或易風(fēng)化剝落的軟質(zhì)巖、較破碎的硬質(zhì)巖及夾有松散層的挖方路段坡面防護(hù)。擋渣墻適用于路基上邊坡土體松散，易發(fā)生崩塌、碎落的挖方路段，且具備設(shè)置擋渣墻及蓄渣池條件的地段。

石籠式擋土墻適用于路基主體與河道有一定距離，但岸坡平緩、土質(zhì)松散、沖刷嚴(yán)重的河岸，保護(hù)構(gòu)造物不受水流直接沖蝕而產(chǎn)生破壞或沿河路堤坡腳防護(hù)。適用于寬淺性河段、堤岸易受庫區(qū)泄洪沖刷，岸坡欠穩(wěn)定、且不宜設(shè)置圬工支擋防護(hù)設(shè)施的浸水路段防護(hù)。還有路堤邊坡高度較高、河床比降大、沖刷較大、暴洪時(shí)坡腳易受漂石沖擊的路基防護(hù)，以及邊坡土體含水量較高、坡面較緩、且易發(fā)生溜滑的挖方路基坡腳防護(hù)。

需要注意的是，擋土墻基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)不小于1 m，冰凍地區(qū)基礎(chǔ)應(yīng)埋置于凍結(jié)線以下不小于0.25 m，受沖刷影響時(shí)基礎(chǔ)應(yīng)埋置于沖刷線以下不小于1 m。對(duì)于軟弱地基等不良地質(zhì)路段，應(yīng)采取換填等處理措施使其滿足地基承載力要求。臨河路段應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)埋深，依據(jù)計(jì)算進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)及優(yōu)化。河道順直、河床寬度較窄、水流較急、沖刷嚴(yán)重的臨河路段，采取恢復(fù)原有路肩墻等防護(hù)設(shè)施，路肩墻外側(cè)設(shè)置石籠。對(duì)于河道順直、河床寬度較寬的臨河路段，采取恢復(fù)原有路肩墻等防護(hù)設(shè)施，路肩墻外側(cè)未考慮設(shè)置石籠。受洪水沖刷、掏蝕影響，既有擋土墻等防護(hù)設(shè)施出現(xiàn)空洞、損壞路段，對(duì)既有擋土墻采用現(xiàn)澆混凝土修復(fù)后，空洞部分填充混凝土。對(duì)于路基坡腳及防護(hù)設(shè)施易受水流沖刷，既有擋土墻等防護(hù)設(shè)施基礎(chǔ)外露路段，坡腳增設(shè)鉛絲石籠防護(hù)；路基位于河彎、頂沖路段，根據(jù)地形條件增設(shè)挑壩，以減小水流沖刷[2]。

水毀支擋防護(hù)圬工量最大的為臨河重力式擋土墻。根據(jù)地形、地質(zhì)選擇合理的重力式擋土墻形式，并通過針對(duì)不同工點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，在保證安全合理的前提下，有效降低圬工，從而最大限度降低工程投資。隴南市部分臨河路段沖刷線較深，埋置深度最大需要4 m，但地質(zhì)情況較好，因此在驗(yàn)算重力式擋土墻地基承載力、抗滑移及抗傾覆時(shí)，可在參考常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)圖及圖集的情況下，進(jìn)一步驗(yàn)算截面尺寸，降低整體圬工量。經(jīng)過比較計(jì)算，臨河路段在地基承載力[σ]=500 kPa、填土內(nèi)摩擦角40°時(shí)，墻高4 m時(shí)路肩墻頂寬僅為60 cm，墻高10 m 時(shí)路肩墻頂寬僅為130 cm，在地基承載力[σ]=800 kPa、填土內(nèi)摩擦角45°時(shí)，墻高10 m 時(shí)路肩墻頂寬僅為60 cm。

地基承載力低時(shí)，可在墻底設(shè)鋼筋混凝土板，可減薄墻身，減少開挖量，適用于低墻、地質(zhì)情況較好、有石料地區(qū)。在抗滑移穩(wěn)定方面，可通過傾斜墻底或加防滑凸榫來增加抗滑穩(wěn)定性，特別是凸榫利用前土體的被動(dòng)土壓力，也可以增強(qiáng)抗傾覆性及提高地基的穩(wěn)定性，還可減小斷面尺寸。在不良地基條件下，優(yōu)先考慮設(shè)置凸榫。在抗傾覆方面，要驗(yàn)算地基應(yīng)力，防止地基出現(xiàn)過大下沉，同時(shí)，驗(yàn)算偏心距來防止因基底過度不均勻沉降而引起墻身傾斜。在橫向陡坡段，通過設(shè)置臺(tái)階式擋土墻，可有效降低擋土墻的設(shè)置高度和截面尺寸[3]。

4 結(jié)論

路基水毀對(duì)于支擋與防護(hù)的圬工需求量大，基于當(dāng)?shù)氐臍夂?、降雨、水文、地質(zhì)等因素，在滿足一般性防護(hù)設(shè)計(jì)的條件下，選用合理的支擋與防護(hù)形式，并基于其進(jìn)行計(jì)算，通過傾斜基底或設(shè)置凸榫等方式，在保證安全的前提下，可很大程度優(yōu)化支擋與防護(hù)的圬工量，節(jié)約工程投入，保證工程的經(jīng)濟(jì)合理。