公路修復(fù)路堤侵蝕敏感性與邊坡穩(wěn)定性比較

王佳偉

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

在銀昆高速寧夏段內(nèi),挖填邊坡導(dǎo)致了淺層邊坡破壞和地表侵蝕,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),許多基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞。寧夏地區(qū)風(fēng)化花崗巖豐富,常被用作填土材料。風(fēng)化花崗巖的主要成分為粉砂,由于抗剪強(qiáng)度較低,極易發(fā)生沖蝕破壞[1-2]。邊坡失穩(wěn)和公路侵蝕破壞給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了一定程度的危害和影響,為解決由風(fēng)化花崗巖沖蝕破壞造成的邊坡失穩(wěn)和路堤侵蝕,目前采用的最具成本效益的侵蝕控制和邊坡防護(hù)方法是土壤生物工程和生態(tài)邊坡工程[3-4]。本文通過(guò)田間觀察和試驗(yàn)評(píng)價(jià),研究了五種不同的侵蝕控制方法對(duì)公路路堤邊坡的侵蝕敏感性和穩(wěn)定性的影響。每種方法均結(jié)合香根草技術(shù)、土毯、土壤圓木、黏土草、土工格室植被護(hù)坡和侵蝕控制墊室等多種侵蝕控制和穩(wěn)定方法。

1.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 測(cè)試地點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)儀器

試驗(yàn)場(chǎng)位于寧夏地區(qū)的銀昆高速太彭段公路項(xiàng)目。其中LJ08-3路段的邊坡由風(fēng)化花崗巖組成,主要成分為非塑性砂質(zhì)粉砂(SM)和黏性砂(SC),塑性指數(shù)為10%,液限為30%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察可以發(fā)現(xiàn),部分邊坡段存在少量卵石。該地點(diǎn)在2020年12月曾遭受大雨。大量地表徑流和地下水壓力的增加導(dǎo)致邊坡嚴(yán)重侵蝕和淺層邊坡破壞,如圖1所示。為對(duì)邊坡進(jìn)行修復(fù),本文提出了五種不同的侵蝕控制和護(hù)坡方法,并在遭受破壞的邊坡上進(jìn)行了施工。根據(jù)我國(guó)公路路基施工技術(shù)規(guī)范[6],對(duì)基底花崗巖進(jìn)行重新壓實(shí),然后在夯實(shí)的邊坡上安裝侵蝕控制測(cè)試設(shè)備,各侵蝕控制部分的組成如表1所示。

表1 侵蝕控制方法

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)布局

該邊坡剖面的平均高度在23～35 m之間,坡角在25～34°之間。施工段的設(shè)計(jì)主要是為了控制地表侵蝕和增加邊坡穩(wěn)定性,每段均包含水平排水溝、側(cè)溝、截流溝和排水溝。

1.2 巖土工程調(diào)查

依據(jù)公路路基施工技術(shù)規(guī)范中提到的滲透測(cè)試試驗(yàn),沿邊坡0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m深度處分別安裝張力計(jì),對(duì)五個(gè)測(cè)試段進(jìn)行巖土工程調(diào)查,以測(cè)量孔隙水壓力和吸力[5-6]。滲透試驗(yàn)結(jié)果表明,風(fēng)化花崗巖的厚度小于3 m。天文臺(tái)安裝了翻斗雨量計(jì),用于收集在測(cè)試時(shí)間內(nèi)該地降雨量數(shù)據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布和降雨監(jiān)測(cè),對(duì)5個(gè)斷面的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。該路段施工完成后,分別在2020年雨季中期(6月24日)和末期(9月14日)進(jìn)行了兩次野外觀測(cè)。

2.氣候條件及降雨量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)海拔為2175 m,年平均氣溫20℃左右。屬云林氣候,空氣濕度高,蒸散量相對(duì)較低,2020年采集到的總降雨量為3462 mm。月降雨量和日降雨量匯總在表2?？梢钥闯?9月是2020年降水量最大的月份,日最大降雨量為110 mm。由該地年均和月均降雨量可知,試驗(yàn)區(qū)降水格局具有降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度中等的特點(diǎn)。這種降水強(qiáng)度相對(duì)較大的前期強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致大量雨水滲入邊坡土層中,造成邊坡處相對(duì)較高的孔隙水壓力和土壤水分。

表2 2020年月降雨量

2.1 雨季中期的侵蝕類型

2020年6月24日正值雨季中期,當(dāng)年的累計(jì)雨量已達(dá)1350 mm,當(dāng)日對(duì)A～E五個(gè)修復(fù)路段的觀測(cè)結(jié)果如下。

A段:采用防蝕毯、防蝕原木和黏土草皮。該段幾乎沒(méi)有出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象。香根草在邊坡上部生長(zhǎng)良好,由于邊坡下部的香根草接受的有效日照時(shí)間有限,日照強(qiáng)度較低,無(wú)法達(dá)到植物生長(zhǎng)所需的正常日照時(shí)間,香根草在邊坡下部生長(zhǎng)狀況相對(duì)邊坡上部較差。

B段:采用侵蝕控制原木和黏土草甸。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)在B段邊坡的不同部位發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的侵蝕,產(chǎn)生了包括溝蝕和片狀侵蝕在內(nèi)的侵蝕類型。邊坡的黏土層未受保護(hù),被徑流沖刷,幾乎從坡面消失。

C段:采用侵蝕控制毯和侵蝕控制原木。該段僅在部分地區(qū)發(fā)現(xiàn)中度侵蝕,總體來(lái)看侵蝕程度小于B剖面,高于A剖面,由此可知B剖面的黏土夾層在一定程度上有助于減少侵蝕。

D段:采用土工格室。該段觀察到嚴(yán)重的侵蝕,土工格室下面的土壤由于徑流的沖刷大量流失。若未通過(guò)控制侵蝕原木來(lái)減小地表徑流速度,坡腳處的侵蝕將加劇。

E段:采用綜合侵蝕控制墊。該段可觀察到細(xì)溝和一些溝壑形式的輕度到中度侵蝕。在坡腳處,如果沒(méi)有控制坡面徑流速度的原木,坡腳處的侵蝕將加劇。但由于觀測(cè)過(guò)程中濃霧的存在,該剖面的侵蝕嚴(yán)重程度難以評(píng)估。

綜上所述,五個(gè)試驗(yàn)段在雨季中期受侵蝕程度由高至低排列:A段、E段、C段、B段和D段。然而,這個(gè)觀測(cè)結(jié)果是邊坡經(jīng)受降雨后的侵蝕結(jié)果,只能反映該邊坡在有降雨季節(jié)的受侵蝕情況,目前還沒(méi)有較為完善的方法用于測(cè)試邊坡修復(fù)方法的成本和邊坡在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的受侵蝕情況。

2.2 雨季末的侵蝕類型

2020年9月14日,雨季即將結(jié)束,試驗(yàn)區(qū)累計(jì)降雨量超過(guò)3400 mm,通過(guò)實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)五個(gè)斷面均出現(xiàn)嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象。在試驗(yàn)區(qū)可觀察到各種類型的侵蝕,如侵蝕碗、侵蝕溝(深度為1.0～3.0 m,寬度為0.5～5.0 m)和片狀侵蝕。香根草的根生長(zhǎng)得較短,多數(shù)情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的加固,這可能是由于該地區(qū)日照不足、氣候寒冷、侵蝕等因素的影響導(dǎo)致香根草生長(zhǎng)受阻,無(wú)法發(fā)揮其正常功效。

3 孔隙水壓力測(cè)量

本次試驗(yàn)使用安裝在0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m不同深度的KU-張力儀對(duì)邊坡進(jìn)行孔隙水壓力和吸力測(cè)量。圖2為A段在枯水期(2020年2月27日)和雨季(2020年9月15日)的孔隙水壓力的測(cè)量結(jié)果。可以看出,在枯水期,孔隙水壓力主要為負(fù)值,而雨季末期大部分的降雨和地下水滲流使邊坡產(chǎn)生內(nèi)滲透,孔隙水壓力增加,數(shù)值變?yōu)檎?表明孔隙水壓力存在于地下水位2.0～3.0 m的位置處。而邊坡下部3 m深度處的孔隙水壓力為負(fù)值,如圖2(c)所示,表明在基層的花崗巖和壓實(shí)邊坡之間存在排水路徑。

(a)上部

圖3為五個(gè)路段的孔隙水壓力分布。可以看出,大部分?jǐn)嗝嫖达柡?A段剖面的孔隙水壓力高于其他剖面。這與地形和水文地質(zhì)因素有關(guān),而與土壤覆蓋系統(tǒng)無(wú)關(guān),結(jié)果表明A段更接近天然的溝壑。

(a)上部

由于數(shù)據(jù)記錄儀在采集邊坡失穩(wěn)數(shù)據(jù)時(shí)受到損壞,邊坡失穩(wěn)時(shí)的孔隙水壓力數(shù)據(jù)丟失。雨季結(jié)束時(shí)(2020年9月15日)的孔隙水壓力被認(rèn)為是當(dāng)年的最大孔隙水壓力。因此,設(shè)計(jì)中使用的孔隙水壓力值至少應(yīng)大于實(shí)測(cè)值,今后設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH),取值為0.4～0.5?？紫端畨毫捌渑c降雨量相關(guān)的信息越充足,設(shè)計(jì)孔隙水壓力時(shí)的取值越合理。

4 邊坡穩(wěn)定分析

基于有效應(yīng)力原理,在邊坡穩(wěn)定性分析中采用通用極限平衡法對(duì)A段剖面的邊坡失穩(wěn)進(jìn)行了分析。假定邊坡孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH),取值為0.55。假設(shè)在邊坡受侵蝕過(guò)程中的ru值大于雨季結(jié)束時(shí)的觀測(cè)值,觀測(cè)到的滑移面如圖4所示,分析中使用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表3所示。這些數(shù)值與國(guó)內(nèi)外報(bào)道的花崗巖殘存土的相關(guān)數(shù)據(jù)吻合較為良好。通過(guò)對(duì)圖4的滑動(dòng)面進(jìn)行分析,得出的安全系數(shù)(FS)為0.95,與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果吻合較好。

表3 邊坡穩(wěn)定性分析的參數(shù)

圖4 由A段剖面穩(wěn)定性分析得到的滑移面

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明,當(dāng)年降水量小于1400 mm時(shí),坡面侵蝕控制毯、坡面侵蝕控制原木、植被適宜的黏土草甸對(duì)坡面侵蝕控制效果最佳。而對(duì)于年降水量大于3400 mm的長(zhǎng)時(shí)間降雨,文中所研究的路段均遭受了嚴(yán)重的侵蝕。雨季末監(jiān)測(cè)的孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH)值在0.4～0.5之間?；谶吰路€(wěn)定性分析,假設(shè)破壞時(shí)ru=0.55,抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′=10 kPa,φ′=40°,得到的安全系數(shù)為0.95。