山區公路沿河路基設計及其穩定性研究

竺支珍

中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100000

公路項目的建設規模日益擴大，質量控制也更加嚴格，而路基設計和邊坡穩定性是影響公路建設水平最關鍵的因素。特別是對于沿河路基，由于受到水流長期侵蝕與水位變化的干擾，受力變形機制較復雜，建設難度大，應當重視對沿河路基的設計和安全系數的計算[1]。但是，很多設計人員在開展沿河路基設計時，還是以工程類比法為主，選擇的加固方案較保守，故研究山區公路沿河路基設計及其穩定性十分必要。

1 山區公路沿河路基分類

大部分山區沿河路基所處的地質構造比較復雜，長期受到大氣降水、堤壩潰水等的沖刷侵蝕。在對沿河路基進行設計和穩定性計算之前，必須明確沿河路基所屬的類別，以選擇合適的設計理念和安全系數分析理論。目前，常用的山區公路沿河路基分類方法多樣，但主要有按路基結構分類和按路基巖土體性質分類兩種[2]。

（1）按路基結構分類。①半填半挖沿河路基。山區公路往往地勢起伏較大，如果被河流切割，容易出現高陡邊坡，此時為了減小邊坡地挖方深度或填土高度，不會將路線縱斷高程抬升過高，會半填半挖。沿河路基受到河沖刷后，坡腳被掏空，從而產生邊坡病害等。②填方型沿河路基。山區公路穿越開闊、地形較平坦路段時，路基形式通常以填方為主，此時路基邊坡穩定性受到河水和路基相對位置、水流大小等因素的影響較大。③挖方型沿河路基。沿河挖方路基是沿著坡體展開全斷面開挖得到，這種路基由于削坡嚴重常常會出現塌岸、落石等病害，如圖1所示。

圖1 挖方型沿河路基斷面實例

（2）按路基巖土體性質分類。山區公路路線較長，沿線可能穿過各個類型的巖土區域。根據巖土路基所處位置巖土體性質的不同，可將沿河路基分為巖質、土質、土石混填路基。①巖質路基。山區公路巖質路基相對更多。由于巖體自身具有一定的抗沖刷能力，巖石路基在河流作用下的穩定性要強于土質路基和土石混填路基。但是，如果巖石路基中存在軟弱夾層較厚的泥巖等，受到水流沖刷可能逐漸剝落，從而引起路基失穩。②土質路基。土質沿河路基以填方邊坡為主，根據填料不同劃分成無黏性土（碎石土、砂礫土等）與黏性土，其中無黏性土結構松散，黏聚力低，路基內部滲水容易排出（不易形成孔隙水壓力），故無黏性土路基穩定性較好；黏性土路基滲透系數小，在河流水位降低期間邊坡內孔隙水壓力不易消散，導致邊坡下滑力提高和土體抗剪強度指標減小，使路基安全系數減小。③土石混合路基。土石混合路基是由堅硬巖石和砂土碎屑堆積而成，在山區沿河路基建設期間十分常見。這類邊坡均勻性較差，受到沖刷后容易沿著軟弱土和基巖接觸面組成。

2 山區公路沿河路基設計要點

2.1 沿河路基高程確定

沿河路基頂高程=設計洪水位+超高=設計洪水位+壅水高+波浪侵襲高度+安全加高[3]。如果該山區公路具有通行和堤防的雙重功能，則還必須符合防洪標準中的規定，此時安全加高在設計時應考慮防洪重現期和堤防級別，如表1所示。

表1 沿河路基安全加高值選擇

2.2 沿河路基綜合防排水設計

山區公路沿河路基破壞均與河流水位變化和流動直接有關。沿河路基綜合防排水的設計應當堅持防滲和排水兩大原則[4]。

（1）沿河路基防滲。沿河路基迎水側防滲應選擇滲透系數小的材料，具體要求如下：①土質防滲結構。橫斷面應選擇上小下大梯形斷面。②混凝土防滲結構。應當在防滲結構與填料之間設計1或2層過渡層。③土工織物防滲結構。防滲結構表面應加強保護，防止其因機械破壞而失去其防滲性能。

（2）沿河路基排水。山區公路沿河路基排水構造物豐富，在設計具體的排水結構時，要確保其具有良好的透水性，并盡量選擇項目所在地的性能好、價格實惠的砂石料、碎石等。

3 山區公路沿河路基失穩破壞及穩定性分析

3.1 沿河路基失穩破壞模式

（1）沿河路基滑移破壞。山區公路沿河路基滑移是較為普遍的破壞模型，如圖2所示。沿河路基在水流的長期浸泡下，其填料的抗剪強度參數減小，在動水力作用下可能形成坡面圓、坡腳圓、坡底圓等。在這種類型沿河路基邊坡設計期間，必須驗算路基邊坡安全系數。

圖2 沿河路基滑移破壞

（2）沿河路基崩塌破壞。根據發生機理的不同，山區公路沿河路基崩塌破壞可分為三種模式[5]：第一，路基坡腳下方被水流掏空，而在自身重力影響下崩塌；第二，路基外邊坡和河岸重合，路基填料中的細小顆粒逐漸被水流沖走，導致路基整體塌陷；第三，河岸長期受到水流的侵蝕軟化崩塌后，水庫線也會隨之后移，直接影響沿河公路施工和通車運營期間的安全性。

3.2 沿河路基穩定性分析方法

山區公路沿河路基穩定性計算理論包括定性、定量分析，前者包括圖解法、自然歷史分析法、SMR法等，后者包括簡化Bishop法等。

（1）定性分析方法。圖解法分析路基邊坡穩定性是基于赤平投影圖、摩擦圓等，并結合相關沿河路基邊坡的設計及施工經驗，得到邊坡主要結構面與次要結構面的形態、傾角等參數，從而推測出邊坡滑體大小、可能滑動方位等。自然歷史分析方法要求工程人員先對路基邊坡所在區域的地質情況進行詳細勘探，初步判斷可能影響邊坡安全性的因素，并對沿河路基邊坡的發展趨勢展開初步的探討。SMR法主要用于巖質路基安全系數計算，該方法是基于沿河路基邊坡滑體質量參數，而不考慮地應力、坡高等對邊坡安全系數的干擾，精確度有待進一步提升。

（2）定量分析方法。簡化Bishop法是《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中所推薦的邊坡穩定性分析方法，屬于剛體極限平衡法的范疇。簡化Bishop法將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，計算時以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，得到抗滑力矩與下滑力矩的比值，即為邊坡安全系數。

3.3 沿河路基穩定性計算

（1）工程實例。以某山區二級公路沿河路基工程為例，采用理正巖土導入CAD模型進行計算。該沿河路基屬于挖方路基，邊坡最大高度為16m，分兩級進行開挖，控制坡高選擇8m，并設置不小于2m的平臺。計算該沿河路基穩定性時考慮了兩種工況。正常工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態；非正常工況Ⅱ：邊坡處于連續降雨狀態，降雨強度取20mm/h，降雨歷時60min。

（2）安全系數計算結果。天然狀態下沿河路基安全系數為1.24，處于穩定狀態。但是，隨著降雨的持續，河流水位不斷抬升，邊坡內部滲入的雨水量也持續增多，此時路基安全系數迅速從1.24降低至1.03，降低幅度達到16.9%；邊坡安全系數小于1.1，路基失穩概率較大。

4 結論

文章詳細分析了山區公路沿河路基的類型、設計要點、失穩模式和穩定性分析方法，得出以下結論：首先，在進行沿河路基設計和穩定性計算之前，必須明確沿河路基所屬的類別，常用的沿河路基可按路基結構和路基巖土體性質分類；其次，沿河路基邊緣頂高程與設計洪水位、壅水高、波浪侵襲高度、安全加高等密切相關，同時防排水的設計應當堅持防滲和排水兩大原則；最后，沿河路基失穩破壞模式主要有滑移破壞和崩塌兩種，穩定性分析方法主要有定性和定量分析兩大類。