生態柔性路基支擋在烏瑪高速的應用探討

張子陽

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司第二公路市政設計分院, 甘肅蘭州 730030)

0 引言

隨著我國經濟社會的全面發展,以及在鄉村振興發展戰略中,高速公路建設正如火如荼地開展,目前正逐步完善高速公路網的各處“毛細血管”,但是也正是處于艱險山區的“毛細血管”,成為了當前交通建設領域難啃的“硬骨頭”[1],這類工程既要面臨邊坡的防護處理,更要面對路基支擋結構的防護處理,如何處理好工程建設與生態建設的關系,這是當前高速公路建設急需破解的難題[2-4]。其中,生態柔性路基支擋以生態性、環保性和柔性支護理念為特色,因地制宜,充分利用線路周邊的自然資源,作為生態柔性路基支擋的填充材料,做到物盡其用的目的,達到“少棄碴,多利用,全循環”的建設目的[5]。

1 工程概述

1.1 項目概況

擬建項目(烏瑪高速)位于甘肅省甘南藏族自治州合作市、夏河縣、碌曲縣境內，地處青藏高原東端，甘、青、川三省交界處，東南與四川省阿壩藏族羌族自治州的若爾蓋縣、阿壩縣為鄰，西面與青海省果洛藏族自治州河南蒙古族自治縣毗鄰。項目起點位于合作市西南的大灑，與現有臨合高速公路終點相接，經周曲、阿木去乎、碌曲(日洼多)、來格加尼合、多喀尕秀，終點位于尕秀西哈斯迪肉、甘青兩省交界處。

本項目主線采用設計速度100 km/h的雙向四車道高速公路技術標準,整體式路基寬度26 m、分離式路基寬度13 m,行車道寬度2×2×3.75 m;夏河機場連接線采用設計速度80 km/h的雙向4車道一級公路技術標準,整體式路基寬度22.5 m,分離式路基寬度11.25 m。

1.2 地形地貌

甘南山地高原位于青藏高原東部邊緣,西鄰青海,南接四川省,東部逐漸向隴南山地過渡,北連甘肅隴中黃土高原,兩者之間有清晰的地貌界線。這是一個海拔較高、地表呈現波狀起伏、山地與高原相間分布的地區,常被稱為山原。地勢西高東低,地形復雜,西有積石山,南有岷山,北有太子山,中有西傾山,均呈近東西向展布。區內山巒重迭,河流溝谷縱橫,草原遍布,可劃分為高原山地和中高山河(峽)谷兩個大的地貌單元。

高山森林區,森林茂密,溝壑縱橫,是甘南主要的林區;丘陵低山區,山巒起伏,溝淺谷寬,是發展飼養業和種植業的主要地區。山脈主要有岷山、西傾山、積石山3條山脈,均屬昆侖山脈余脈,呈西北—東南走向,主峰多在3 500～5 400 m之間。河流侵蝕作用微弱,山地多在4 000 m以下,一般坡度不大,溝淺谷寬,在山體與河谷交接處形成許多緩坡和灘地,各山地間多為開闊的盆地草灘,盆地中部海拔3 000 m左右,地表切割深度在300 m以下,地表起伏比較平緩,許多山麓有黃土覆蓋,呈典型的山原地貌。

根據項目區內地貌形態及成因類型可分為構造堆積盆地(Ⅰ)、構造剝蝕山地(Ⅱ)、河流侵蝕堆積河(溝)谷(Ⅲ)三大地貌單元,其中構造堆積盆地(Ⅰ)又可細分為山麓斜坡堆積(Ⅰ-1)和山間堆積平原(Ⅰ-2),河流侵蝕堆積河(溝)谷(Ⅲ)又可細分為河流侵蝕堆積河谷(Ⅲ-1)和河流侵蝕堆積溝谷(Ⅲ-2),1.3 變速車道的構成

1.3 地質構造與地層巖性

項目區地處秦嶺東西復雜構造帶西端,北鄰祁呂賀山字型前弧西翼,西毗康藏歹字型體系,東部已達武都弧型構造的邊緣,構造格局大體形成于三迭紀末至白堊紀之間,為強烈擠壓形成的構造形式,在強烈擠壓的同時,伴有中酸性巖漿侵入。

工程區出露地層主要有三疊系(T)、新近系(N)和第四系(Q)不同成因堆沉積物(見下圖),區內分布主要地層,貫穿路線全線,可分為下三迭統(T1)和中三迭統(T2),并進一步細分為:下三迭統下巖組(T1a)、下三迭統上巖組(T1b)、中三迭統下巖組(T2a)和中三迭統上巖組(T2b)。

2 生態柔性路基支擋的設計原則

路基支擋結構形式多樣,作用機理各異,使用場合靈活,根據項目特點,適度應用生態擋墻結構,減少圬工數量,預留綠化平臺,通過綠植的遮擋作用,削弱混凝土結構的生硬感,降低環境影響?，F對加筋土擋土墻、加筋土砌塊擋土墻、石籠擋土墻、混凝土擋土墻等防護形式做比較論證[6],具體如表1所示。

表1 路基支擋防護方案比較

為了貫徹生態防護、柔性防護設計理念,路基支擋結構設計應當積極采用新技術、新結構、新材料、新工藝,采用植被生態擋墻(加筋土擋土墻、砌塊加筋土擋土墻),預留綠化平臺,達到生態防護效果(圖1、圖2)。

圖1 加筋土擋墻

圖2 加筋土砌塊擋墻

(1)吊裝石籠擋墻推薦用于上邊坡滲水坡腳防護。

(2)路基高度不大于8 m時(非臨河路段),適度采用加筋土及加筋土砌塊擋墻,收縮坡腳。

(3)臨河段沖刷防護,推薦采用混凝土擋土墻,墻外碼砌吊裝石籠,減少圬工痕跡。

(4)路基高度大于8 m時,推薦采用混凝土擋土墻,應結合民族特色,有景觀需求時,裝飾要體現民俗民風,響應“五無甘南”、“七美碌曲”等政策導向,有條件時慮設置綠化平臺或采用植物遮蓋,遵循工程防護和植物防護相結合的原則。

3 生態柔性路基支擋的工程應用

3.1 生態柔性路基支擋的設計參數

(1)設計荷載:公路—Ⅰ級,設計地震加速度0.1g,設計采用地震烈度Ⅶ度。

(2)生態柔性路基支擋基底摩擦系數f=0.45(基底換填砂礫后)。

(3)墻背填料計算內摩擦角φ=35°,重度γ=18～19 kN/m3。

(4)墻身圬工γ=24 kN/m3。

(5)生態柔性路基支擋最不利荷載組合穩定系數見表2。

(6)生態柔性路基支擋結構采用極限狀態法驗算。

(7)沿線土壤最大凍結深度150 cm,擋土墻等構造物最小埋置深度不小于1.5 m。

(8)本項目局部支擋段落下臥層巖性為粉質黏土,原地基承載力為120 kPa左右,無法滿足設計要求,設計中對支擋基底進行了換填處理(換填厚度0.5～1.5 m)或者采用復合地基進行處治。

3.2 生態柔性路基支擋的結構檢算

生態柔性路基支擋的結構穩定性檢算采用簡化Bishop法[7-8],其結構檢算模型依據實際情況進行,如圖3所示。簡化Bishop法檢算示意圖如圖4所示,檢算公式如式(1)所示。

圖3 結構檢算示意

(1)

經過簡化Bishop法檢算,生態柔性路基支擋結構所劃分的642個微單元,計算所得的穩定性系數取值均滿足要求。

3.3 生態柔性路基支擋的材料及施工要求

3.3.1 吊裝石籠擋墻(上邊坡)

(1)石籠內填塞直徑為10～25 cm的卵石、片塊石;

(2)石籠網采用φ6 mm鋅鋁合金絲焊接而成,合金鋼絲抗拉強度采用高強度等級,抗拉強度大于400 MPa;

(3)石籠網片采用螺旋鋼筋與角鋼兩種連接方式連接、固定,螺旋鋼筋兩端采用老虎鉗夾緊,避免脫落或被盜;

(4)石籠網連接成型后,將吊裝加強箍放入石籠網,采用螺旋筋與網箱連接成為整體后,將網箱放入裝石模板箱內,再填裝石料;

(5)石籠采取6點吊裝方式安裝,吊裝點處,螺旋鋼筋設置須環向封閉成環。

3.3.2 石籠擋墻(下邊坡)

(1)供貨前網箱生產廠家需提供:鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層重量、鋁含量、均勻度檢驗報告;熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲須提供國家級實驗室——鹽水噴霧試驗GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》1 000 h以上的試驗報告。其中鍍層的腐蝕量不得大于170 g/m。網箱/網墊采用熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層重量需要達到表3要求。

表3 鋼絲網防腐要求

(2)綠格網箱/網墊編織方法需滿足YB/T 4190-2019《工程用機編鋼絲網及組合體》中相關要求:GT827網箱網孔為8 cm×10 cm,網片網絲φ2.7 mm,網片邊絲φ3.4 mm扎絲絲徑φ2.2mm。綁扎間距為200～250 mm。

(3)熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層的結合牢固性必須符合GB2976-88《金屬線材纏繞試驗方法》標準規定,鋼絲在自身纏繞(即一倍纏繞)8圈以上后,對鋼絲表面進行放大拍照 (放大到12倍),鍍層不得出現裂痕。對熱鍍10%鋁鋅合金鋼絲鍍層厚度均勻測量四點數值(上下左右),其中最厚處與最薄處的比值不得大于2。

3.3.3 加筋土砌塊擋墻

(1)加筋材料采用整體式高強土工格室,要求格室片單位寬度的斷裂拉力不小于18 kN/10cm;格室片間連接處的斷裂拉力不小于18 kN/10cm。

(2)連接處連接件的抗剪切力≥18 kN/10cm;格室網帶連接方式采用U型鋼釘插接編織,U型釘直徑≥2.8mm,U型鋼釘須做鍍鋅防腐處理。

(3)格室高度50 mm,網格尺寸40 cm×40 cm,單網面積50 m2,布網時應張拉到位,及時填埋,嚴禁暴曬。

(4)填料原則上就近采用碎石土或開山土,加筋體填料分層壓實,壓實度不低于96%。

4 結束語

通過對烏瑪高速部分路段路基支擋結構的研究與應用,結果表明:采用生態柔性路基支擋結構既能充分利用事故過程中的棄土或棄渣,而且能確保路基承載能力滿足設計要求,施工工藝成熟可靠,施工材料易得,能夠有效降低施工成本,為未來的山區高速公路路基支擋防護技術提供了可行的方法與經驗。