甘肅和政地區(qū)松散層路塹邊坡病害防治方案優(yōu)選

談兵、李茂山

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

0 引言

近年來，隨著和政縣公路建設(shè)的發(fā)展，在公路建設(shè)過程中形成了大量松散層或松散層-泥巖、砂巖路塹邊坡。其中以殘坡積粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土土邊坡發(fā)育最為廣泛。此類邊坡在低等級公路建設(shè)時(shí)，受投資資金限制，大多沒有完善的邊坡支護(hù)措施，在強(qiáng)降雨條件下，易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞。2018年和政縣夏季降水量為545.3mm，與歷年相比增加79%，其中7月降水量較歷年增加81%，8月降水量較歷年增加142%，區(qū)域性暴雨出現(xiàn)次數(shù)及強(qiáng)度屬歷史罕見，造成和政縣多處松散層邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，對當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸安全造成威脅。故對此類邊坡防治方案進(jìn)行研究對當(dāng)?shù)毓愤吰虏『μ幹尉哂幸欢ǖ闹笇?dǎo)意義。

1 和政地區(qū)松散層路塹邊坡特性及破壞模式分析

1.1 邊坡特性

和政地區(qū)松散層路塹邊坡受其所處地理位置及巖土體性質(zhì)影響，與傳統(tǒng)松散層邊坡相比具有以下特性：

1.1.1 保水性強(qiáng)

受和政地區(qū)湖湘沉積地層控制，松散層堆積物黏土占比大，黏粒含量高，孔隙小，坡體透水性差，保水性強(qiáng)。

1.1.2 凍融作用強(qiáng)烈

和政縣海拔高度為1900～4368m，海拔高低懸殊，夏季短而涼爽，冬季漫長而干燥，氣溫寒冷多變。結(jié)凍期為10月至來年4月，長達(dá)5 個(gè)月。區(qū)內(nèi)降水量大，坡體細(xì)粒含量較大，易發(fā)生凍結(jié)，春季凍融作用明顯。

1.2 破壞模式分析

邊坡失穩(wěn)的原因除外界作用力打破其原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)外，主要為坡體巖土體自身抗剪強(qiáng)度受外界因素影響而降低。降雨作為誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素之一，其對黏性非飽和邊坡的影響尤為顯著。隨著降雨入滲，坡體土中基質(zhì)吸力迅速下降，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，引起坡體失穩(wěn)。和政地區(qū)黏土占比較大的松散層路塹邊坡，具有滲透性差、保水性強(qiáng)的特點(diǎn)。在強(qiáng)降雨條件下，雨水很難入滲至深層，淺層土體先達(dá)到飽和狀態(tài)，易發(fā)生淺層蠕滑和溜塌。表現(xiàn)形態(tài)多為坡面泥流和淺表層溜塌，見圖1。在連續(xù)降雨條件下，表層土體逐步達(dá)到飽和，坡體頂部易發(fā)生蠕變，在坡面形成裂隙，為雨水提供了入滲路徑，坡體飽和區(qū)會逐步發(fā)展加深，易發(fā)生坡體沿裂隙面或隔水層發(fā)生滑塌，見圖2。

圖1 坡面淺層溜塌

圖2 松散層滑塌

2 防治方案設(shè)計(jì)與比較

2.1 防治方案設(shè)計(jì)

根據(jù)和政地區(qū)松散層路塹邊坡的特性和常見破壞模式，結(jié)合工程實(shí)踐過程中典型松散層路塹邊坡病害，對其進(jìn)行邊坡防治方案設(shè)計(jì)。在考慮坡腳支擋的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坡體截水、排水設(shè)計(jì)，有效降低坡體含水量。常用的設(shè)計(jì)方案為：混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案和石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案。

2.1.1 混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案

（1）坡頂設(shè)置截水溝。

（2）采用緩邊坡放坡，邊坡坡率1∶1.5。

（3）路側(cè)設(shè)置邊溝，邊溝底套設(shè)盲溝，降低路基范圍地下水。

（4）坡腳設(shè)置外露高度為3m 的混凝土擋土墻。

2.1.2 石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案

（1）坡頂設(shè)置截水溝。

（2）采用緩邊坡放坡，邊坡坡率1∶1.5。

（3）路側(cè)設(shè)置邊溝，邊溝底套設(shè)盲溝，降低路基范圍地下水。

（4）坡腳設(shè)置高度為3m 的石籠擋土墻。

見圖3、圖4。

圖3 混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案

圖4 石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案

2.2 方案分析

兩種方案均是在坡腳設(shè)置支擋措施，防止坡體應(yīng)力平衡狀態(tài)打破后從坡腳發(fā)生剪切破壞。但兩種方案在安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性方面存在差異。

邊坡處治后的安全性是設(shè)計(jì)方案首要考慮的問題，也是判斷方案是否合理的決定性因素。上述兩種方案在加強(qiáng)坡體排水的同時(shí)，對坡腳進(jìn)行了支擋，處治后能夠保證邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。在此前提下，混凝土擋土墻作為剛性支護(hù)措施不易發(fā)生變形，耐久性較強(qiáng)，但存在其地基承載力要求較高、需對地基進(jìn)行處理、工程造價(jià)較高、坡體表層失穩(wěn)物質(zhì)易越過墻頂、坡體內(nèi)部水不易排出等缺點(diǎn)。石籠擋土墻作為柔性支擋措施，具有對地基承載力要求低、透水性強(qiáng)、墻頂可作為有效堆積區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但亦存在耐用性較差的缺 點(diǎn)。

3 防治方案優(yōu)選

此次研究擬采用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行綜合評價(jià)。首先考慮影響方案的幾項(xiàng)重要因素確定評價(jià)要素集。然后從評價(jià)要素出發(fā)對兩個(gè)方案進(jìn)行評價(jià)，建立評價(jià)集。利用層次分析法確定評價(jià)要素權(quán)重集。最后根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度進(jìn)行定量評價(jià)，選擇出最優(yōu)方案。

評價(jià)要素集：本文選擇兩種方案的安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性四個(gè)因素作為參與評價(jià)的指標(biāo)，組成評價(jià)要素集R。

R={r1，r2，r3，r4}

評價(jià)集：對評價(jià)要素集中四個(gè)指標(biāo)可建立三個(gè)等級進(jìn)行評價(jià)，如“安全性好、安全性一般、安全性差”“可行、基本可行、不可行”“造價(jià)高、造價(jià)一般、造價(jià)低”“耐久性好、耐久性一般，耐久性差”。最終建立評級集S。

S={s1，s2，s3}

擋土墻方案和石籠方案評分標(biāo)準(zhǔn)見表1，量化打分得到評分結(jié)果見表2。

表1 各評價(jià)要素評分標(biāo)準(zhǔn)

評價(jià)指標(biāo)取值10～6.6安全性好經(jīng)濟(jì)性低耐久性好6.6～3.3一般一般一般3.3～0差可行性可行基本可行不可行高差

表2 兩種方案評分結(jié)果

評價(jià)指標(biāo)安全性可行性經(jīng)濟(jì)性耐久性方案一7.5方案二7 5 7 8 7 8 6

四個(gè)評價(jià)要素對方案的影響程度不同，其重要程度可通過權(quán)重的大小表示。用層次分析法確定各評價(jià)要素的權(quán)重，建立權(quán)重集M。在評價(jià)要素相互重要性評價(jià)時(shí)，用數(shù)值表示行要素相對于列要素的重要性，見表3。

表3 行指標(biāo)相對列指標(biāo)重要程度數(shù)值表

判斷矩陣數(shù)值1 3 5 7 9行指標(biāo)對列指標(biāo)相對重要程度同等重要稍微重要明顯重要非常重要極為重要

對本文選取的四個(gè)評價(jià)要素相互之間的重要程度進(jìn)行評價(jià)，得到重要性判斷矩陣，見表4。

表4 評價(jià)要素重要性判斷矩陣

安全性1.000 1.000 0.200 0.333評價(jià)要素安全性可行性經(jīng)濟(jì)性耐久性可行性1.000 1.000 0.200 0.333經(jīng)濟(jì)性5.000 5.000 1.000 1.250耐久性3.000 3.000 0.800 1.000

求解可得判斷矩陣最大特征值

λ

=4.0098，利用平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I 進(jìn)行特征值一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)，n=4 時(shí)，R.I 取值為0.90，見表5。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I 取值

n 3 4 5 6 7 8 9 R.I 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45

進(jìn)行特征值的一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)：

式（1）中：CI 為一致性指標(biāo)；λ為判斷矩陣最大特征值；n 為評價(jià)要素個(gè)數(shù)。

式（2）中：CR 為一致性比率；R.I 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

由計(jì)算結(jié)果可知判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)要求，最大特征值對應(yīng)的特征向量可作為權(quán)重集，用最大特征值法歸一化處理得到權(quán)重集M。

M =（0.396,0.396,0.085,0.123）

根據(jù)兩種方案評價(jià)要素評分結(jié)果表，計(jì)算判斷矩陣。

式（3）中：

Q

為判斷矩陣；

S

為兩種方案的評分?jǐn)?shù)值。得到兩種方案評判矩陣

Q

。

利用模糊綜合評價(jià)模型對混凝土擋土墻配合坡體截水、排水和石籠擋土墻配合坡體截水、排水兩種方案進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。

求得最終評價(jià)結(jié)果向量R = M·Q

按照模糊評判法最大隸屬度原則，可以看出設(shè)置石籠擋土墻配合坡體截水、排水的防治方案更為經(jīng)濟(jì)合理。

4 結(jié)語

甘肅和政地區(qū)松散層路塹邊坡受其所處地理位置及巖土體性質(zhì)影響，具有保水性強(qiáng)、凍融作用明顯等特點(diǎn)。區(qū)域內(nèi)目前對此類路塹邊坡的防治方案主要為坡腳設(shè)置支擋措施。同時(shí)，加強(qiáng)坡體截水、排水設(shè)施。其中坡腳常設(shè)置的支擋措施為混凝土擋土墻和石籠擋土墻。其中混凝土擋土墻不易發(fā)生變形，耐久性較強(qiáng)，但存在其對地基承載力要求較高，需對地基進(jìn)行處理、工程造價(jià)較高、坡體表層失穩(wěn)物質(zhì)易越過墻頂、坡體內(nèi)部水不易排出等缺點(diǎn)。石籠擋土墻具有對地基承載力要求低，透水性強(qiáng)，墻頂可作為有效堆積區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但亦存在耐用性較差的缺點(diǎn)。

本文在定性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對此兩種方案進(jìn)行定量評價(jià)，根據(jù)最大隸屬度原則，得出對甘肅和政地區(qū)保水性強(qiáng)、凍融作用明顯的松散層路塹邊坡坡腳設(shè)置石籠擋土墻配合坡體截水、排水的防治方案更為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)論。該研究為和政地區(qū)今后公路工程建設(shè)時(shí)，松散層路塹邊坡處治方案的選擇提供了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。