公路修復路堤侵蝕敏感性與邊坡穩定性比較

王佳偉

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

在銀昆高速寧夏段內,挖填邊坡導致了淺層邊坡破壞和地表侵蝕,地質災害頻發,許多基礎設施遭到破壞。寧夏地區風化花崗巖豐富,常被用作填土材料。風化花崗巖的主要成分為粉砂,由于抗剪強度較低,極易發生沖蝕破壞[1-2]。邊坡失穩和公路侵蝕破壞給人們生產生活帶來了一定程度的危害和影響,為解決由風化花崗巖沖蝕破壞造成的邊坡失穩和路堤侵蝕,目前采用的最具成本效益的侵蝕控制和邊坡防護方法是土壤生物工程和生態邊坡工程[3-4]。本文通過田間觀察和試驗評價,研究了五種不同的侵蝕控制方法對公路路堤邊坡的侵蝕敏感性和穩定性的影響。每種方法均結合香根草技術、土毯、土壤圓木、黏土草、土工格室植被護坡和侵蝕控制墊室等多種侵蝕控制和穩定方法。

1.現場試驗

1.1 測試地點和現場儀器

試驗場位于寧夏地區的銀昆高速太彭段公路項目。其中LJ08-3路段的邊坡由風化花崗巖組成,主要成分為非塑性砂質粉砂(SM)和黏性砂(SC),塑性指數為10%,液限為30%。通過現場觀察可以發現,部分邊坡段存在少量卵石。該地點在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致邊坡嚴重侵蝕和淺層邊坡破壞,如圖1所示。為對邊坡進行修復,本文提出了五種不同的侵蝕控制和護坡方法,并在遭受破壞的邊坡上進行了施工。根據我國公路路基施工技術規范[6],對基底花崗巖進行重新壓實,然后在夯實的邊坡上安裝侵蝕控制測試設備,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 施工現場布局

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

1.2 巖土工程調查

依據公路路基施工技術規范中提到的滲透測試試驗,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,對五個測試段進行巖土工程調查,以測量孔隙水壓力和吸力[5-6]。滲透試驗結果表明,風化花崗巖的厚度小于3 m。天文臺安裝了翻斗雨量計,用于收集在測試時間內該地降雨量數據。通過現場觀測、邊坡內孔隙水壓力分布和降雨監測,對5個斷面的性能進行了評價。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)進行了兩次野外觀測。

2.氣候條件及降雨量數據

試驗區海拔為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,試驗區降水格局具有降水持續時間長、強度中等的特點。這種降水強度相對較大的前期強降雨會導致大量雨水滲入邊坡土層中,造成邊坡處相對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,當年的累計雨量已達1350 mm,當日對A～E五個修復路段的觀測結果如下。

A段:采用防蝕毯、防蝕原木和黏土草皮。該段幾乎沒有出現侵蝕現象。香根草在邊坡上部生長良好,由于邊坡下部的香根草接受的有效日照時間有限,日照強度較低,無法達到植物生長所需的正常日照時間,香根草在邊坡下部生長狀況相對邊坡上部較差。

B段:采用侵蝕控制原木和黏土草甸。通過現場觀測在B段邊坡的不同部位發現了嚴重的侵蝕,產生了包括溝蝕和片狀侵蝕在內的侵蝕類型。邊坡的黏土層未受保護,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。該段僅在部分地區發現中度侵蝕,總體來看侵蝕程度小于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。若未通過控制侵蝕原木來減小地表徑流速度,坡腳處的侵蝕將加劇。

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

綜上所述,五個試驗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,這個觀測結果是邊坡經受降雨后的侵蝕結果,只能反映該邊坡在有降雨季節的受侵蝕情況,目前還沒有較為完善的方法用于測試邊坡修復方法的成本和邊坡在較長時間內的受侵蝕情況。

2.2 雨季末的侵蝕類型

2020年9月14日,雨季即將結束,試驗區累計降雨量超過3400 mm,通過實地觀測發現五個斷面均出現嚴重的侵蝕現象。在試驗區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。香根草的根生長得較短,多數情況下無法實現對邊坡的加固,這可能是由于該地區日照不足、氣候寒冷、侵蝕等因素的影響導致香根草生長受阻,無法發揮其正常功效。

3 孔隙水壓力測量

本次試驗使用安裝在0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m不同深度的KU-張力儀對邊坡進行孔隙水壓力和吸力測量。圖2為A段在枯水期(2020年2月27日)和雨季(2020年9月15日)的孔隙水壓力的測量結果?？梢钥闯?在枯水期,孔隙水壓力主要為負值,而雨季末期大部分的降雨和地下水滲流使邊坡產生內滲透,孔隙水壓力增加,數值變為正值,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值,如圖2(c)所示,表明在基層的花崗巖和壓實邊坡之間存在排水路徑。

(a)上部

圖3為五個路段的孔隙水壓力分布?？梢钥闯?大部分斷面未飽和,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因素有關,而與土壤覆蓋系統無關,結果表明A段更接近天然的溝壑。

(a)上部

由于數據記錄儀在采集邊坡失穩數據時受到損壞,邊坡失穩時的孔隙水壓力數據丟失。雨季結束時(2020年9月15日)的孔隙水壓力被認為是當年的最大孔隙水壓力。因此,設計中使用的孔隙水壓力值至少應大于實測值,今后設計時應采用孔隙水壓力系數ru=u/(γH),取值為0.4～0.5?？紫端畨毫捌渑c降雨量相關的信息越充足,設計孔隙水壓力時的取值越合理。

4 邊坡穩定分析

基于有效應力原理,在邊坡穩定性分析中采用通用極限平衡法對A段剖面的邊坡失穩進行了分析。假定邊坡孔隙水壓力系數ru=u/(γH),取值為0.55。假設在邊坡受侵蝕過程中的ru值大于雨季結束時的觀測值,觀測到的滑移面如圖4所示,分析中使用的抗剪強度參數如表3所示。這些數值與國內外報道的花崗巖殘存土的相關數據吻合較為良好。通過對圖4的滑動面進行分析,得出的安全系數(FS)為0.95,與現場觀測結果吻合較好。

表3 邊坡穩定性分析的參數

圖4 由A段剖面穩定性分析得到的滑移面

5 結論

研究結果表明,當年降水量小于1400 mm時,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坡面侵蝕控制效果最佳。而對于年降水量大于3400 mm的長時間降雨,文中所研究的路段均遭受了嚴重的侵蝕。雨季末監測的孔隙水壓力系數ru=u/(γH)值在0.4～0.5之間?；谶吰路€定性分析,假設破壞時ru=0.55,抗剪強度參數c′=10 kPa,φ′=40°,得到的安全系數為0.95。