山区高速公路路堑边坡防护设计

李 聪

山区高速公路路堑边坡防护设计

李 聪

针对山区高速公路因受地形限制和复杂地质条件的影响,设计难度较大的情况,以湖南省龙山—永顺高速公路为实例,对山区高速公路路堑边坡防护设计形式分类介绍,并对设计要点进行了实例分析,以期为山区高速公路路堑边坡防护设计提供一些帮助。

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1 项目概况

湖南省龙山—永顺高速公路主线全长 91.3 km,设计速度80 km/h,路基宽度24.5m,地处湘西武夷山腹地,呈南北向纵贯湘西地区,位于湘西自治州龙山县、永顺县,为湘鄂两省西部地区一条重要的出省通道。本项目的建设将缩短沿线地区与外界沟通的时空距离,可带动湘西地区的经济发展,有利于推动该地区实现脱贫致富,保障湖南省全面建设小康社会。

2 项目特点

本项目穿越湘西山区,路线走廊带内沿线高差大,峡谷和山沟众多,坡地植被发育,地质条件复杂,所经区域属中亚热带季风湿润气候区,四季分明,热量较足,雨量充沛。本项目受地形和地貌控制,初步设计阶段桥隧比达 60%,高填深挖路段多,工程概算达 1.4亿/km,被称为湖南省设计最复杂、施工最困难、造价最高的高速公路。山区高速公路中,高桥墩、大跨径桥梁是设计的重点,同时高填深挖路基设计也是勘察设计中最为复杂的部分,特别是路堑边坡防护设计,是路基设计的关键部分,需引起足够的重视。笔者以龙永路为实例,对山区高速公路路堑边坡防护设计进行探讨,具有典型性和代表性。

3 路堑边坡防护设计的分类

结合地质条件和边坡高度可按路堑边坡的稳定性分为两类。

3.1 稳定边坡和基本稳定边坡

这类边坡通常直接进行普通防护设计就能满足路堑边坡稳定性要求,一般直接采用草灌护坡、三维网植草灌护坡、客土喷播护坡、浆砌片石骨架护坡、浆砌片石窗式护面墙等。

3.2 欠稳定边坡和不稳定边坡

这类边坡需要综合考虑地形、地质情况、边坡受水的影响程度、边坡受力荷载分析,采用治理与防护设计相结合的方式,保证边坡安全。一般首先采取“治水”措施,采取坡顶截水、坡面排水、坡体排水(地下排水),有效控制水对边坡稳定性的影响。有条件的地段可同时采用边坡放缓、清方减载和压力注浆等治理措施。对于这类路堑边坡,需要采用钢筋混凝土方格骨架锚杆护坡、路堑挡土墙、桩板墙、抗滑桩、预应力锚索护坡、SNS挂网护坡等边坡防护设计,甚至多种防护形式相结合的设计方案。

4 本项目路堑边坡防护设计介绍

4.1 路堑草灌护坡

适用于边坡稳定、坡面冲刷轻微,边坡高度不大于 3.0m,坡比不陡于 1∶1,且宜于草类植物生长的土质或强风化的岩石路堑边坡。草灌护坡施工简便,价格低廉,在路堑边坡防护设计中被广泛使用。

4.2 路堑三维网植草灌护坡

适用于边坡高度 3m＜H≤6m、坡比一般不陡于 1∶1的土质或耐冲刷性差的岩石路堑边坡,边坡绿化效果较好,成本低。

4.3 客土喷播护坡

适用于边坡高度大于 6m,坡比一般不陡于 1∶0.75的稳定岩石路堑边坡,可在多级边坡中使用。客土喷播是将含有植物生长所需营养的基质材料混合胶结材料喷附在岩基坡面上,在岩基坡面上创造出宜于植物生长硬度、牢固且透气、与自然表土相近的土板块,种植出可粗放管理的植物群落,最大程度地恢复自然生态。客土喷播可以改善边坡土质条件,水、土、肥均可以保持,绿化效果非常好,成本较高。

4.4 浆砌片石拱型骨架内草灌护坡

适用于边坡高度大于6m,坡比一般不陡于 1∶1,单靠植草不能维持边坡长期稳定的路堑边坡。浆砌片石厚度一般为 0.4m,每隔 10m～15m应留一道伸缩缝,缝宽约 2 cm。骨架内草皮采用花格草皮内播草籽,当边坡不适宜草皮(喷草籽)生长时,骨架应露出地面 10 cm,边坡凿槽、回填种植土厚 10 cm,草绿化后,可以栽植灌木。龙永路沿线石料资源非常丰富,浆砌片石拱型骨架内草灌护坡,不但能维持边坡稳定,而且造型美观,是本项目路堑边坡防护设计使用最多的防护形式之一(见图 1)。

4.5 浆砌片石窗式护面墙

适应于易风化或较破碎的岩石路堑边坡以及坡面易受侵蚀的土质路堑边坡,坡比不陡于 1∶0.75。护面墙除自重外,不担负其他荷载,亦不承受墙后的土压力;修筑护面墙前,对所防护的边坡,应清除风化层至新鲜岩面,并立即修筑;护面墙的顶部应用原土夯填,以免边坡水流冲刷,渗入墙后引起破坏。护面墙的顶宽和底宽均为 1.0m,浆砌片石厚度一般为 0.5m,单级护面墙的高度不宜超过 10m,每隔 10m～20m应留一道伸缩缝。

4.6 路堑挡土墙和桩板墙

挡土墙是一种能够抵抗侧向土压力,防止墙后土体坍塌,增加边坡稳定性的构造物,同时也常被用于处理路基边坡滑坡、崩塌等路基病害。在本项目路堑边坡防护设计中,大量的挡土结构得到了广泛应用。挡土墙按断面的几何形状及特点,常见的形式有：重力式、锚杆式、悬臂式、扶臂式、柱板式和竖向预应力锚杆式等。各种挡土墙都有其特点及适用范围,在处理实际挡土工程时,应对可能提供的一系列挡土体系的可行性作出评价,选取合适的挡土结构形式,做到安全、经济、可行。山区高速公路,自然边坡较为陡峭,在边坡坡率和边坡防护设计时,要注意结合原始边坡坡率、地质情况综合考虑。可以采用路堑挡土墙或桩板墙的设计,增强边坡稳定,同时达到大大降低边坡开挖高度和挖方工程量,最大限度的减少对原始边坡破坏的效果。

实例分析：本项目 K 40为分离式路基,左幅左侧有段 110 m路堑边坡,自然边坡陡峭,地形坡度约为 35°～40°。该边坡地质由强 ～中 ～微风化砂质页岩组成,以薄层状为主,岩层倾向与边坡呈大角度相交,边坡较稳定,但浅部强风化裂隙发育,裂隙倾角较陡,岩质较软,边坡开挖后,结构面遇水强度降低,坡体浅部岩石沿陡倾角裂隙可能会产生局部塌坍,下部中～微风化岩组成的边坡较稳定。若按常规坡比设计,第 1级,第 2级坡比采用 1∶0.75,第 3级～第 5级坡比采用 1∶1,路基横断面显示,边坡高度达到 50m (见图 2左),对原有山体扰动较大,也增加了防护面积。在这种情况下,设计时应增加主动工程防护措施,尽量放陡边坡,减少边坡高度。优化设计后第 1级采用8m路堑挡土墙,第 2级,第 3级坡比为 1∶0.75并采用钢筋混凝土方格骨架锚杆护坡设计进行边坡加固,边坡高度降低到 30m左右(见图 2右),减少了对原始边坡的破坏。同时采用坡顶截水沟,平台截水沟,防止雨水冲刷,该路堑边坡总体防护效果良好。

4.7 抗滑桩

抗滑桩是一种能迅速、经济、有效地整治滑坡的工程结构物,它主要通过锚固在滑床的桩体,同时在有些情况下通过发挥受力段桩前土力来抵抗滑坡体的下滑力。抗滑桩埋入滑面以下的部分称为锚固段,滑动面以上的部分称为受力段,承受滑坡推力,并通过桩身传递到锚固段,依靠锚固段地层反力来嵌住桩身,如果桩身强度及锚固段地层强度能够承受住滑坡的下滑力,那么抗滑桩就能阻止桩背滑体的滑动。抗滑桩的突出优点是：抗滑能力强,尤其适用于滑坡推力大、滑动带深的滑坡;桩位灵活,可设置在滑坡中最利抗滑的部位;开挖量小,不易恶化滑坡状态;圬工量小,节省材料,设备简单,施工方便。抗滑桩是目前工程中滑坡处置应用最广的工程方法,技术成熟,效果明显,但造价较高。

4.8 钢筋混凝土方格骨架锚杆护坡

适用于边坡坡率 1∶0.75～1∶1.25的页岩、泥质砂岩、泥岩等岩质边坡,主要是防止边坡坍塌和页岩泥化剥落,是加强路堑边坡稳定的一种重要而又成熟的防护设计形式,也是本项目中对欠稳定边坡采用的最主要的防护设计形式之一(见图 3)。

实例分析：本项目 K60左侧有段 120m的路堑边坡,地质条件为该路堑山体由碎石和页岩组成,岩层产状：124°∠28°。岩层走向与路线走向呈小角度相交,对边坡稳定较不利。页岩节理裂隙发育,易风化碎落。针对地质情况本项目采用的边坡坡比和防护设计为：第 1级,第2级坡比为 1∶0.75,第 3级,第 4级坡比为 1∶1级,第 1级,第 2级,第 3级边坡采用钢筋混凝土方格骨架锚杆护坡,第 4级边坡采用浆砌片石方格骨架内草灌护坡,坡顶设置截水沟。

4.9 预应力锚索护坡

适用于岩体松散破碎地段或局部承载能力较低,粘结式锚杆不能满足稳定需要的路堑边坡。预应力锚索护坡能适应坡比不陡于 1∶0.5的路堑欠稳定边坡。非顺层坡路段锚索垂直于坡面设置,顺层坡地段锚索与坡面间夹角视岩层倾角等因素确定。立柱断面尺寸为800mm×600mm,采用C30浇筑,钢筋混凝土保护层为 35mm,搭接长度 35d。立柱与立柱之间采用厚层基材喷射植被护坡。预应力锚索护坡,通常与路堑挡土墙、桩板墙配合设计,处治较复杂的欠稳定和不稳定的路堑边坡,实际效果好,但对施工工艺要求较高。

4.10 SNS柔性网防护系统

SNS(Safety Netting System)系统是一种以钢丝网为主要构成部分来防止崩塌落石危害的柔性防护系统,它和以圬工结构为代表的传统防护方法的主要差别在于系统本身具有柔性和高强度,更能适应抗击集中荷载和高冲击荷载,且在大量的室内外试验和理论分析计算基础上建立的标准化部件形式,使系统的设计计算原理趋于科学化和标准化。此外,系统设置后的较小视觉干扰和最大限度的维持原始地貌和植被,同时可进行人工植被绿化,在美化环境方面的社会效益是其他方法无法比拟的。该系统包括覆盖(主动防护)和拦截(被动防护)两大基本类型,主动防护系统通过锚杆和支撑绳固定方式将钢绳网覆盖在有潜在危害的坡面上,从而实现阻止和限制崩塌落石危害的目的(见图4)。

实例分析：本项目 K54左侧有段长 200 m的路堑边坡,自然边坡陡峭,地形坡度约为 50°～55°,地质条件：该路堑山体主要由灰岩组成,薄层状,方解石脉较发育,岩层产状：288°∠57°,岩层走向与路线走向虽呈小角度相交,但岩质坚硬,岩石较完整,边坡较稳定。由于该段边坡离隧道进口不远,隧道弃渣数量大,路线周边有大量居民区,很难找到合适的弃土场,若采用 1∶0.75和 1∶1放坡,边坡高度将达到60m。结合挖方工程量和地质条件综合考虑后,决定将边坡放陡,坡比按1∶0.5设计,边坡高度降低到 34m,大量减少了弃方和防护工程量。由于边坡开挖爆破的施工过程中,担心会对边坡稳定造成扰动,从安全的方面考虑,本项目对该路堑边坡采用SNS挂网主动防护系统,防止崩塌落石危害,同时坡顶设置截水沟,防止雨水冲刷。

5 动态设计与动态施工

设计人员应根据施工过程中的信息反馈,不断修改和调整设计,对原有路堑边坡设计进一步完善与优化,实现“动态设计、动态施工”。在设计阶段尽管对边坡的地质情况做了大量调查工作,但要想彻底搞清楚是很难的,时间和财力也是不允许的。而边坡挖开后能对边坡地质情况有直观明了的认识,再结合现场的施工情况和监测单位反馈的信息,重新审视原先设计,合理之处可以得到印证和总结提高,不妥之处及时修正,从而有效避免因防护不足而导致边坡失稳的情况发生,或防护过当而造成的浪费,使路堑边坡设计更为合理。

6 结语

我国是个多山的国家,山区高速公路因受地形的限制和复杂地质条件的影响,设计难度大大增加,在进行路堑边坡设计时必须结合实际地形、地质情况、边坡受水的影响程度等因素综合考虑,从而制定合理的路堑边坡开挖坡率和防护设计方案,同时要注意“动态设计与动态施工”的原则在施工过程中进一步完善和优化设计。本文以湖南省龙山—永顺高速公路为实例,分类介绍了山区高速公路路堑边坡防护设计形式,并对几段边坡防护设计进行实例分析,希望能使读者在高速公路路堑边坡防护设计中得到一点帮助。

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LICong

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U 412.36

A

1009-6825(2011)09-0138-03

2010-12-02

李 聪(1978-),男,工程师,湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008