黃土地區(qū)高速公路永臨結(jié)合復(fù)合水泥毯特點(diǎn)與應(yīng)用

張 偉,吳曉明,薛軍秀

(陜西交通控股集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710065)

1 引 言

黃土溝壑區(qū)作為黃土高原特殊的地貌形態(tài),丘陵起伏,溝壑縱橫,土質(zhì)疏松。近年來,雖然生態(tài)環(huán)保舉措效果明顯,但由于氣候干旱,雨水集中且多以暴雨、陣雨形式出現(xiàn),植被分布不均,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境仍然脆弱。黃土溝壑區(qū)高速公路路基防護(hù)排水設(shè)施的選擇至今仍然是一個(gè)值得探討的問題。目前,對(duì)高速公路路基防排水雖已有大量的研究和工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),羅大天[1]等對(duì)高速公路排水設(shè)施進(jìn)行調(diào)查和病害分析,并提出了采用預(yù)制裝配式溝渠與排水路面技術(shù)等措施;龔明焱[2]對(duì)山區(qū)高速公路路基排水設(shè)施進(jìn)行了研究,提出了塑料管急流槽、生態(tài)型植草溝的排水方式,但主要集中在傳統(tǒng)的混凝土和漿砌工藝或者對(duì)適用條件有所限制,對(duì)排水工程永臨結(jié)合的研究及實(shí)施較少;溫張保[3]介紹了水泥毯在基坑深度5.3 m的沙土類地質(zhì)一級(jí)邊坡支護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用,說明水泥毯用于邊坡防護(hù)安全可靠且高效環(huán)保;何勰琨[4]通過試驗(yàn)研究,探索了水泥毯在灘田護(hù)坡中的應(yīng)用,認(rèn)為在灘田溝渠沖刷較大、坡面不完整,工期緊、無施工便道等情況下可選用水泥毯。水泥毯作為新型復(fù)合材料在新建高速公路工程上的使用較少,許媛媛[5]介紹了某高速公路第四標(biāo)段邊溝及截水溝施工中采用柔性毯的實(shí)際應(yīng)用,展現(xiàn)了其在高速公路排水工程中的可行性。水泥毯的在黃土地區(qū)高速公路的應(yīng)用值得關(guān)注。為此,針對(duì)黃土溝壑地區(qū)路基排水設(shè)施進(jìn)行了研究,以子長至姚店高速公路排水工程中截水溝為依托,分析復(fù)合水泥毯的特點(diǎn),探討水泥毯的應(yīng)用,為以后高速公路的排水工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

2 高速公路排水狀況

2.1 路基排水原則

公路路界內(nèi)的排水設(shè)施要統(tǒng)籌規(guī)劃,合理布局,應(yīng)與路界外的排水系統(tǒng)和設(shè)施合理銜接。公路排水系統(tǒng)必須保證有效性和耐久性,同時(shí),排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)也應(yīng)安全耐久。排水設(shè)施的設(shè)計(jì)與施工要經(jīng)濟(jì)合理,便于施工、檢查和養(yǎng)護(hù)維修。路界地表排水設(shè)施的地基應(yīng)密實(shí)穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與地基條件與地勢(shì)地貌相匹配。需采取措施避免地基變形等引起排水設(shè)施的破壞。減少堵塞、溢流、滲漏、淤積、沖刷等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 地表排水設(shè)施

路基地面排水一般采用邊溝、截水溝、排水溝、跌水與急流槽等設(shè)施。將可能停滯在路基范圍內(nèi)的地面水迅速排除,防止路基范圍內(nèi)的地面水流入路基內(nèi)。常用的材料包括漿砌片石、現(xiàn)澆混凝土、鋼筋混凝土等。常用的形式包括U型、矩形、梯形及淺碟形等。漿砌片石主要采用水泥砂漿、片石或者塊石進(jìn)行砌筑,砂漿強(qiáng)度一般采用M7.5及M10。具有施工材料易獲取、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但易出現(xiàn)空洞等問題;現(xiàn)澆混凝土和鋼筋混凝土整體性好,耐久性好,但施工需要支模板且造價(jià)較高。漿砌片石、現(xiàn)澆混凝土、鋼筋混凝土排水設(shè)施在陡坡路段施工難度大,施工接縫處質(zhì)量難以保證。

2.3 排水設(shè)施問題

受地形影響,山區(qū)的降水強(qiáng)度一般遠(yuǎn)大于平原地區(qū)的降水強(qiáng)度。山區(qū)公路地表排水設(shè)施常見問題包括[6]:排水溝進(jìn)口及渠道伸縮縫等設(shè)置部位、砂漿連接不當(dāng)造成的排水溝開裂、滲漏、結(jié)構(gòu)垮塌;急流槽底部未設(shè)置消能設(shè)施,雨水匯集后不能及時(shí)排走且沖擊力較大,導(dǎo)致水流溢出槽外造成沖刷破壞;雨水匯集后沒有進(jìn)入溝渠導(dǎo)致在自然坡面的切口沖刷造成水溝損壞;清淤不及時(shí)、不徹底等導(dǎo)致排水溝堵塞,繼而造成損壞。基底壓實(shí)不足、防滲等措施不到位引起的不均勻沉降對(duì)排水設(shè)施剛性材料拉裂;縱坡及轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)置不合理導(dǎo)致外側(cè)發(fā)生溢流;斷面尺寸大小不合理,排水能力不足;排水溝過長導(dǎo)致下游匯水量過大;施工時(shí)存在先砌筑側(cè)墻,未鋪砌及加固渠底導(dǎo)致雨水滲漏;未綜合設(shè)置排水系統(tǒng)導(dǎo)致的系統(tǒng)不完備,不具備獨(dú)立的排水能力等。

在黃土溝壑區(qū),雨水集中,匯水溢出對(duì)路基和邊坡產(chǎn)生極大的沖刷或下滲,導(dǎo)致沉陷、滑坡等病害[7]。如截水溝雨水溢出,將直接沖刷坡面和坡腳,并可能從高處下濺,從而對(duì)路基直接侵蝕,造成水土流失,并危及邊坡和路基的穩(wěn)定性。流速超過溝渠材料的抗沖刷允許流速時(shí),溝壁和溝底將被沖刷,并逐漸損壞以致失效。黃土地區(qū)公路因黃土地基自身特點(diǎn),普遍存在著較大下沉變形,在雨水及交通荷載等作用下,極易產(chǎn)生各種病害,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí),黃土受沖刷后,流水短時(shí)間內(nèi)對(duì)土體側(cè)向侵蝕嚴(yán)重,極易引發(fā)大面積次生災(zāi)害。在黃土溝壑區(qū)溝渠失效后的危害程度遠(yuǎn)大于一般地區(qū)。

3 復(fù)合水泥毯的特點(diǎn)

水泥毯是采用聚乙烯和聚丙烯長絲編織成的三維纖維復(fù)合結(jié)構(gòu),含有特殊配方的干混凝土混合料,是一種遇水后發(fā)生水合反應(yīng)形成耐用混凝土層的混凝土帆布[8,9]。在生產(chǎn)中水泥毯已按科學(xué)配比配置好混凝土,施工時(shí)不需要任何混凝土攪拌設(shè)備,方便裝卸與運(yùn)輸。施工中,水泥毯采用不銹鋼錨固定,毯間接縫處采用密封膠密封,固定在開挖好的基底上,使水流從上端順暢流入發(fā)生水合反應(yīng),待凝固后纖維起到增強(qiáng)混凝土抗拉伸性能的作用。

3.1 操作便捷

水泥毯可以成大卷散裝提供,每平方米的重量只有15 kg,可實(shí)現(xiàn)人工裝卸和運(yùn)輸。施工需要的資源包括復(fù)合水泥毯、鋼釬、卷尺、鐵錘、水桶、剪刀、鐵鏟等,不需要大型的施工機(jī)械。水泥毯能夠依從所覆蓋的物體表面的復(fù)雜形狀,既能垂直懸掛,也能鋪設(shè)在溝槽之中,無需現(xiàn)場(chǎng)配置,不會(huì)發(fā)生過度水合反應(yīng)。凝固前的水泥毯可以用普通手工工具隨意切割或裁剪,且后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單,僅需在施工后的水泥毯表層涂刷一層水泥漿即可。

3.2 生態(tài)環(huán)保

水泥毯生產(chǎn)時(shí)能夠節(jié)省約90%的水泥材料及砂石料等傳統(tǒng)材料,能夠減少對(duì)砂石料場(chǎng)的開采,大幅降低二氧化碳的排放量。水泥毯堿含量較低,表面耐沖刷能力強(qiáng),材料強(qiáng)度高,拉伸性能好,對(duì)使用地的生態(tài)幾乎沒有影響,屬生態(tài)友好型材料。

3.3 降低成本

以高速公路排水工程為例,同等排水能力下,水泥毯與現(xiàn)澆混凝土排水設(shè)施相比,材料成本能節(jié)約40%左右,同時(shí)在人工成本、機(jī)械成本、養(yǎng)護(hù)成本、運(yùn)輸成本上也都有著良好表現(xiàn),在地形復(fù)雜的區(qū)域表現(xiàn)更為突出。同時(shí)采用水泥毯施工,工期能節(jié)約60%左右,能極大的縮短建設(shè)工期,有利于工程推進(jìn)。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)

水泥毯在工廠生產(chǎn)制造,能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),滿足個(gè)性化要求。材料性能差異小,便于形成標(biāo)準(zhǔn)化施工流程,能有效進(jìn)行質(zhì)量控制。

4 水泥毯的工程應(yīng)用

4.1 工程概況

子長至姚店高速公路起于子長縣東約11 km的好坪溝口,設(shè)樞紐立交與清澗至子長高速相接,終點(diǎn)在黃家屯設(shè)樞紐立交與延安至延川高速公路相接,路線全長55.173 km,設(shè)計(jì)速度80 km/h,采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),投資概算60.91億元。項(xiàng)目全線路基排水工程設(shè)計(jì)中,全部塹頂截水溝及邊坡坡率為1∶0.5且高度大于40 m的挖方邊坡平臺(tái)均采用了復(fù)合水泥毯,工程量近1.2萬m2。

4.2 設(shè)計(jì)情況

塹頂截水溝溝側(cè)坡率1∶1,底寬0.4 m,頂寬1.2 m,溝深0.4 m;平臺(tái)截水溝溝側(cè)坡率1∶0.25,底寬0.4 m,頂寬0.6 m,溝深0.4 m。水泥毯由坡頂橫向延伸0.2 m。

4.3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

(1)施工準(zhǔn)備。施工前,清理平整場(chǎng)地。測(cè)量專業(yè)人員根據(jù)施工圖放出截水溝的施工位置,要確保線型順適,且截水溝的縱坡滿足排水要求。

(2)溝槽開挖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求掛線,開挖并清理溝槽,做好溝槽的排水坡度,平整溝槽兩側(cè),溝槽兩側(cè)下各挖10 cm用作水泥毯邊緣壓邊處理。原則上溝內(nèi)、坡面上不得有虛土或空洞。如存在上述問題,鋪設(shè)前對(duì)涉及位置進(jìn)行夯實(shí)處理,直到處理后的位置穩(wěn)定性良好。

(3)水泥毯鋪設(shè)。水泥毯放樣測(cè)量后滿足截水溝排水坡度要求進(jìn)行鋪設(shè),鋪設(shè)按照從下游至上游的順序進(jìn)行,鋪設(shè)時(shí)兩塊水泥毯搭接10 cm。截水溝兩邊溝沿采用不銹鋼螺絲釘錨固,錨釘采用φ8×L400 mm U型不銹鋼螺絲釘,錨釘材質(zhì)為螺紋鋼(做防銹處理),間距40 cm。

(4)水泥毯接縫處理。相鄰水泥毯疊壓處橫向挖寬10 cm,深度為水泥毯一倍的凹坑,將疊壓處水泥毯接頭放入并壓平;沿水流流出方向?qū)⑸厦娴乃嗵簤涸谙旅嫠嗵荷?疊加處不得少于10 cm;水泥毯接縫處采用密封膠密封,接頭、接縫撒水泥粉,使用不銹鋼螺絲釘錨固,水泥毯抗壓強(qiáng)度需滿足≥20 MPa。截水溝每間隔10 m設(shè)伸縮縫一道,縫寬2 cm,縫內(nèi)用瀝青麻絮填塞。

(5)水泥毯水合反應(yīng)。水泥毯鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)收合格后澆水固化,每平方需澆水9 kg(厚度以10 mm計(jì)算),水泥毯澆透處理。澆水時(shí)以噴灑的方式從邊沿往中間均勻?yàn)⑺?流量為4 000 ml/min,直到水泥毯顏色變深。

(6)施工結(jié)束。澆水完成后,強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求之前,嚴(yán)禁踩踏。陜北地區(qū)施工水泥毯時(shí),應(yīng)避免在低溫下進(jìn)行,當(dāng)溫度≤5 ℃時(shí)應(yīng)采取有效保溫措施;當(dāng)平均氣溫≥30 ℃時(shí)應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),表面應(yīng)覆蓋塑料膜或土工布等材料保證水泥毯表面濕潤,養(yǎng)護(hù)時(shí)間需保證3 d以上。

4.4 水泥毯在高速公路適用性

在路基塹頂截水溝、平臺(tái)截水溝施工中采用水泥毯(復(fù)合材料毯)施工,選用新型、輕型材料替代傳統(tǒng)的重型砌體,不但結(jié)構(gòu)更加輕便、施工相對(duì)簡(jiǎn)單,而且施工整體效果更加顯著?？焖倌坛尚?可作為臨時(shí)性排水設(shè)施,也可以和混凝土截水溝綜合使用作為永久性排水設(shè)施,在施工中可以廣泛應(yīng)用。

(1)搶險(xiǎn)救災(zāi)。水毀具有突發(fā)性,黃土地區(qū)高速公路水毀事故發(fā)生時(shí),由于道路損毀等原因,施工材料、設(shè)備、人員進(jìn)場(chǎng)困難,水毀災(zāi)害難以在第一時(shí)間得到有效控制,容易導(dǎo)致水毀危害進(jìn)一步擴(kuò)大。采用復(fù)合水泥毯材料,只需工人和簡(jiǎn)單的工具即可初步完成整治,初步敷設(shè)后即能發(fā)揮效能,避免水毀損害性擴(kuò)大。且能在24 h內(nèi)硬化到80%的強(qiáng)度,進(jìn)一步提升排水效能,對(duì)降低水毀起到積極作用。

(2)永臨結(jié)合。高速公路施工過程中,根據(jù)規(guī)范,臨時(shí)工程、邊坡防護(hù)排水工程實(shí)施前需設(shè)置臨時(shí)排水設(shè)施。常規(guī)做法中,永久性防護(hù)排水工程實(shí)施后,拆除初期施做的臨時(shí)工程,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響且容易造成資源浪費(fèi)。采用復(fù)合水泥毯可以在臨時(shí)功能發(fā)揮后,作為永久排水設(shè)施進(jìn)一步發(fā)揮作用,既考慮了前后的協(xié)調(diào)銜接,也避免了不必要的資源浪費(fèi)。

(3)沉降路基。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),高速公路高填方施工后不可避免產(chǎn)生工后沉降,不均勻沉降易將混凝土等剛性材料拉裂,破壞結(jié)構(gòu),進(jìn)而造成滲水及水毀。水泥毯表面為帆布,內(nèi)部為紡織布等,作為柔性材料,其較好的拉伸性能對(duì)輕微變形有較強(qiáng)的適應(yīng)性,路基沉降后,一般不會(huì)出現(xiàn)水泥毯排水溝拉斷等現(xiàn)象,繼而能夠確保排水功能正常。

(4)養(yǎng)護(hù)工程。高速公路建成通車后,交通開放,車輛行駛速度總體較快,路域內(nèi)的養(yǎng)護(hù)工程施工干擾因素多,持續(xù)時(shí)間長,安全隱患較大。使用水泥毯能快速恢復(fù)及修復(fù)損毀工程,且施工后能夠立即發(fā)揮使用效能,確保正常運(yùn)行,降低安全隱患。

4.5 水泥毯的不足

復(fù)合水泥毯在高速公路排水工程中有較好的前景,但目前仍存在一些不足。首先是材料的耐久性方面,與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土材料相比,它在黃土地區(qū)縱坡較大段落中抗沖刷性能方面略顯不足。其次在工藝方面,施工人員未形成與之相適應(yīng)的工藝?yán)砟詈唾|(zhì)量意識(shí),未能完全考慮其作為永久排水工程設(shè)施,容易造成施工質(zhì)量缺陷。

5 結(jié) 論

通過項(xiàng)目采用的水泥毯施工工藝來看,充分體現(xiàn)了水泥毯施工的便捷性及良好的適應(yīng)性,適用于各種排水溝、路塹截水溝,可作為臨時(shí)性排水設(shè)施,也可以和混凝土截水溝綜合使用作為永久性排水設(shè)施,在施工中適應(yīng)性強(qiáng),且符合國家公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,采用水泥毯鋪設(shè)工藝極大的提高了施工作業(yè)效率,降低了施工成本,減少水泥混凝土材料的使用,施工簡(jiǎn)便靈活,縮短工期,效果良好。但要注意在使用中應(yīng)加強(qiáng)接縫及邊部處理。水泥毯作為新技術(shù)、新材料正在引起人們的關(guān)注,子長至姚店高速公路的工程實(shí)際也證明了其應(yīng)用可行性,未來可進(jìn)一步探索在高速公路防護(hù)工程乃至其他工程領(lǐng)域的作用。