貴州德余高速公路大型堆積體邊坡設(shè)計(jì)方案研究

摘要 堆積體邊坡設(shè)計(jì)是公路工程建設(shè)的關(guān)鍵工作，需確保安全可靠的前提下，全力、全面優(yōu)化實(shí)體工程規(guī)模，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、區(qū)域地質(zhì)資料、物探、孔內(nèi)電視、鉆探等勘察手段查明堆積體的分布形態(tài)及特征，采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，經(jīng)綜合比選研究擬定設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)。該文結(jié)合貴州省德江（合興）至余慶高速公路項(xiàng)目K76+250～K76+600段堆積體研究過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為公路工程的相關(guān)堆積體邊坡設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞 公路工程；堆積體邊坡；穩(wěn)定性分析；設(shè)計(jì)方案

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0133-03

0 引言

貴州省德江（合興）至余慶高速公路被納入《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（加密規(guī)劃）》，是《貴州省交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目，路線全長104.207 km，批復(fù)概算約149億元。K73+680～K81+320段位于河壩向斜南東翼近核部，沿線分布19處5～50 m厚度的堆積體，嚴(yán)重制約工程建設(shè)安全及規(guī)模，其中以K76+250～K76+600為典型工點(diǎn)。

1 工程概況

貴州德余高速公路K73+680～K81+320段路線沿河壩向斜軸由北向南展布，靠近河壩向斜南東翼近核部，路線與河壩向斜軸平面距離5～1 200 m不等。區(qū)域出露地層由老到新主要為二疊系上統(tǒng)長興組（P2c）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）、下統(tǒng)茅草鋪組（T1m）、中統(tǒng)松子坎組（T2s）的一套碳酸鹽巖類及碎屑巖類地層。該段崩塌堆積體主要為河壩向斜核部隱伏逆沖斷層F6引起，斷層上盤向上滑動，導(dǎo)致地層產(chǎn)狀陡立，向斜南東翼松子坎組（T2s）地層被剝蝕缺失，茅草鋪組（T1m）碳酸巖形成臨空面。

K76+250～K76+600段線位區(qū)屬山前斜坡地貌，斜坡前緣坡度較緩，約25°～35°，后緣坡度較陡，約45°～60°，局部近似直立。路線位于斜坡陡緩過渡帶附近，部分區(qū)域表面被堆積體覆蓋，堆積體母巖主要以白云巖與灰?guī)r為主，塊徑0.2～2 m不等，部分塊徑達(dá)5 m以上。

2 勘察方法

2.1 工程物探

為查明堆積體分布形態(tài)及特征，針對性布設(shè)物探探測斷面，采用DZD-8多功能全波形直流電法儀進(jìn)行探測，主要設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下：

K73+680～K81+320段第四系覆土層及松子坎組泥巖、碎屑巖電阻率相對較低，茅草鋪組基巖（灰?guī)r、白云巖）電阻率高；含水量低的塊石堆積體電阻率高。其中：第四系土層電阻率為50～200 Ω·m；松子坎組軟巖電阻率為n×10～102 Ω·m；茅草鋪組灰?guī)r、白云巖電阻率為n×102～104 Ω·m；堆積體地層電阻率≥n×104。

2.2 地質(zhì)鉆探

根據(jù)高密度電法物探成果，結(jié)合《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）[1]有針對性地布設(shè)地質(zhì)鉆孔。為確保堆積體巖芯取樣質(zhì)量，采用雙層巖芯管鉆探，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)回次，以提高巖芯采取率。鉆至物探成果預(yù)估巖土界面以上5 m或發(fā)現(xiàn)巖土界面跡象時(shí)，進(jìn)行干鉆，每次進(jìn)尺不大于0.3 m，以確定巖土界面位置。

2.3 孔內(nèi)電視

當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖土界面較難確定時(shí)，采用HX-JD-04B型三維智能高清鉆孔電視成像儀進(jìn)一步判別。鉆孔電視成像儀對實(shí)時(shí)攝錄鉆孔360°全景圖PeQdnEGljkpcdv/TMI6yGQ==像按照一定的方位順序進(jìn)行展開，根據(jù)記錄深度連續(xù)拼接，形成展開式鉆孔孔壁圖像。設(shè)備采集探頭直徑50 mm，輸出圖像≥2 048 pix×2 048 pix。

3 堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算參數(shù)確定

K76+340段典型地質(zhì)斷面采用上述勘察成果綜合確定，堆積體母巖主要以茅草鋪組白云巖與灰?guī)r硬質(zhì)巖為主，下伏基巖為松子坎組泥灰?guī)r及頁巖。該段地下水埋藏較深，右側(cè)坡腳出水點(diǎn)主要為大氣降水及部分裂隙水在上部堆積體架空段中沿巖土界面不斷下滲，軟化坡腳頁巖產(chǎn)生。左側(cè)堆積體在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，未見開裂及蠕變跡象?？紤]天然邊坡的各類最不利滑動面，此次設(shè)計(jì)方案反算抗剪強(qiáng)度分別考慮巖土界面和堆積體內(nèi)部。

潛在滑面1及潛在滑面2處于厚層堆積體內(nèi)部，主滑段范圍較小，阻滑段由被動擠壓形成；潛在滑面3后緣牽引及中部主滑段范圍較大，堆積體前段坡面局部失穩(wěn)后坡體沿上部硬巖塊石與下部軟巖分界面進(jìn)行滑移，前緣沿巖土界面與下部軟巖碎石土交匯處剪出。潛在滑面1、2、3段堆積體所處范圍未開挖時(shí)在歷史上經(jīng)歷多次不利工況組合，邊坡未見開裂及滑動跡象。故潛在滑面1、2、3反算時(shí)非正常工況下未開挖的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不低于1.1。此次計(jì)算中對于堆積體（塊石土）內(nèi)部抗剪強(qiáng)度、巖土界面及下部軟巖碎石土按照不同性質(zhì)取值。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[2-3]，采用兩種工況對堆積體邊坡進(jìn)行分析計(jì)算：①正常工況：天然狀態(tài)；②非正常工況Ⅰ：暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)。高速公路路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)天然狀態(tài)下取值1.20～1.30，暴雨?duì)顟B(tài)下取值1.10～1.20。此段地質(zhì)條件復(fù)雜，破壞后危害嚴(yán)重，故按最不利工況考慮，穩(wěn)定安全系數(shù)取大值；采用折線形滑動面并基于極限平衡理論的傳遞系數(shù)法對堆積體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。建設(shè)場地地震動峰值加速度0.05 g，對應(yīng)地震基本烈度值為6度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。傳遞系數(shù)法的計(jì)算公式如下：

（1）

式中：Wi——第i條塊的重量（kN/m）；αi——第i條塊潛在滑面傾角（°）；φi——第i條塊內(nèi)摩擦角（°）；Ci——第i條塊內(nèi)聚力（kPa）；Li——第i條塊潛在滑面長度（m）；ψi——第i-1塊段的剩余下滑力傳遞至第i塊段時(shí)的傳遞系數(shù)；Ri——第i計(jì)算條塊單位寬度重力及其他外力引起的下滑力（kN/m）；Ti——第i計(jì)算條塊單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力（kN/m）。

此段邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下反算的控制穩(wěn)定系數(shù)及計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)見表2。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探、孔內(nèi)電視等成果進(jìn)行綜合分析，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、參數(shù)反算可綜合確定覆蓋層的重度、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)，各地層的抗剪強(qiáng)度見表3。

3.2 處治方案

通過以上綜合勘察及穩(wěn)定性計(jì)算，可查明堆積體特征及現(xiàn)狀穩(wěn)定性，即可開展堆積體的防治方案研究。堆積體防治的整個(gè)過程中，合理的方案是貫穿始終的靈魂，是地質(zhì)工程理念下滑坡防治的關(guān)鍵。堆積體防治方案的合理確定，是在依據(jù)具體的堆積體地質(zhì)條件，結(jié)合防治原則，靈活運(yùn)用路線、支擋、橋梁、截排水等工程措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一個(gè)合理有效的堆積體防治方案能起到“對癥下藥、藥到病除”的效果，否則可能會造成大量的人力、物力浪費(fèi)。

防護(hù)支擋加固是堆積體防治中必不可少的處治方法，防護(hù)支擋方案應(yīng)結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析及水文地質(zhì)條件進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，K76+250～K76+600段受前后多因素控制，需采用路基形式從堆積體中部通過。

此段路基屬半填半挖段，路基左側(cè)為挖方，右側(cè)填方高度大于20 m。施工期路塹開挖及堆積體段各種永久和臨時(shí)建筑設(shè)施的建設(shè)和投入使用將對堆積體前緣坡腳進(jìn)行破壞，降低斜坡的穩(wěn)定性，結(jié)合三種潛在滑面開展支護(hù)設(shè)計(jì)。

方案一路基區(qū)左側(cè)開挖形成一處4級邊坡，第一，二、三級邊坡高度為8 m，第四級坡高3.4 m；各級邊坡坡率1∶1.5；第二級平臺寬6 m；路基右側(cè)填方區(qū)高10 m，坡率1∶1.5，坡腳設(shè)置抗滑樁。在不考慮坡腳支護(hù)的情況下，左側(cè)邊坡按照方案一開挖后潛在滑面1、2、3處的整體穩(wěn)定性計(jì)算見表4。

方案二路基區(qū)左側(cè)開挖形成一處2級邊坡，第一級邊坡高度為10 m，第二級坡高13 m；第一，二級邊坡坡率均為1∶1.50，路基右側(cè)填方區(qū)高20 m，第一填方區(qū)坡率1∶1.5，第二填方區(qū)坡率1∶1.75，坡腳設(shè)置擋土墻。不考慮左側(cè)抗滑樁及右側(cè)坡腳擋墻支護(hù)的情況下，左側(cè)邊坡按照方案二開挖后潛在滑面1、2、3處的整體穩(wěn)定性計(jì)算見表5。

方案一中潛在滑面一暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)剩余下滑力為82.80 kN/m，考慮坡面防護(hù)即可；潛在滑面二不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；潛在滑面三暴雨工況下樁后支護(hù)剩余下滑力為902 kN/m，綜合計(jì)算后抗滑樁長度取20 m，方樁形式，樁身規(guī)格為2 m×3 m。第一、二級邊坡采用錨桿框架梁防護(hù)，方案一總造價(jià)為779萬。

方案二中潛在滑面一不同工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)；樁左側(cè)潛在滑面二暴雨工況下支護(hù)剩余下滑力為994.72 kN/m，潛在滑面二中需要考慮樁后主動土壓力，經(jīng)計(jì)算樁后主動土壓力為1 126.38 kN/m；樁右側(cè)潛在滑面三暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)剩余下滑力為61.65 kN/m?？够瑯队?jì)算中取樁后主動土壓力值，綜合計(jì)算后樁長度為28 m，方樁形式，樁身規(guī)格為2 m×3 m。右側(cè)坡腳設(shè)置擋土墻，擋土墻高5 m。方案二總造價(jià)為987萬。

當(dāng)堆積體邊坡存在架空、溶蝕、裂隙發(fā)育、斷層帶時(shí)，坡體不宜采用錨索錨固，注漿質(zhì)量及預(yù)應(yīng)力難以保障。當(dāng)必須采用錨索錨固，鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)明顯空洞、溶隙時(shí)，自由段可采用黏土、混凝土提前封堵，錨固段應(yīng)視情況調(diào)整錨固長度或錨索間距；錨索注漿發(fā)生串漿、漏漿問題時(shí)，可采用分時(shí)段間隔灌漿、調(diào)整漿液配合比、添加砂石骨料等措施控制注漿質(zhì)量。

除以上處治工程外，地表水和地下水截排對堆積體的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用，截排水工程能夠消除或減輕水對邊坡的危害，可依據(jù)具體堆積體的水文地質(zhì)條件在堆積體防治中優(yōu)先考慮。主要有環(huán)形截水溝、支撐盲溝、截水暗溝、滲溝、仰斜式排水管、急流槽、排水溝、涵洞等，堆積體應(yīng)重點(diǎn)解決接觸帶、填挖交界、泉眼、支擋結(jié)構(gòu)物等排水問題。此段堆積體設(shè)置完整的截排水系統(tǒng)，并在右側(cè)坡腳出水點(diǎn)采用仰斜式排水孔及時(shí)引流排出。由于堆積體存在局部松散、架空現(xiàn)象，當(dāng)采用低填淺挖方式通過時(shí)，需對路床基底進(jìn)行強(qiáng)夯處理，對路床采用碎石土、石渣等材料進(jìn)行換填處理，確保路基基底穩(wěn)定和路床CBR值、回彈模量滿足要求。

4 結(jié)論

該堆積體形成時(shí)間長，從鉆探及物探成果看，堆積體與下部基巖接觸面多呈臺階狀，與區(qū)域斷面圖中膝折構(gòu)造吻合，堆積體內(nèi)部具一定膠結(jié)性。方案一開挖規(guī)模較大，但開挖區(qū)基本處于后緣陡立區(qū)與下部平緩區(qū)的過渡段，堆積體整體較為穩(wěn)定，局部不穩(wěn)定段可采取提前加固措施，且造價(jià)相對較優(yōu)。故經(jīng)綜合分析，從安全、經(jīng)濟(jì)及施工方面考慮，推薦采用方案一?？偨Y(jié)堆積體的勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）堆積體處治的關(guān)鍵在于地質(zhì)勘察，可采用地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、激光三維掃描、孔內(nèi)電視及試驗(yàn)等手段進(jìn)行綜合地質(zhì)勘察，成果資料相互驗(yàn)證，定性、定量分析確定堆積體特征，確保地質(zhì)勘察成果的可靠性。

（2）堆積體可結(jié)合路線繞避、減載反壓、低填淺挖、橋梁跨越、防護(hù)支擋、截排水等措施進(jìn)行綜合處治研究，確保處治方案的安全經(jīng)濟(jì)。

（3）堆積體在施工建設(shè)期間，勘察設(shè)計(jì)還應(yīng)做好技術(shù)交底、動態(tài)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場符合性排查等后續(xù)服務(wù)工作，關(guān)注堆積體監(jiān)測數(shù)據(jù)及施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，確保處治方案有效落地。

參考文獻(xiàn)

[1]公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范：JTG C20—2011[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2011.

[2]公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[3]公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3334—2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

收稿日期：2024-05-12

作者簡介：仲超（1994—），男，本科，工程師，從事道路勘察設(shè)計(jì)工作。