溜砂坡防治措施之棚硐和挡砂墙工程研究

卜祥航,傅荣华,李 川,何 娜,汪留洋

(成都理工大学环境与土木工程学院,地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

“溜砂坡”是指在强烈的物理风化作用下,高陡斜坡形成大量的碎石和砂粒,由于自重产生散落,并在坡脚堆积形成锥状斜坡。溜砂坡与滑坡、崩塌、落石有着明显区别:滑坡有滑动面,以滑移运动为特征;崩塌无滑动面,但有破裂壁,以滚动、跳跃式运动为主,大、小混杂堆积[1];溜砂坡有滑动面,无破裂壁,堆积物较均匀,堆积坡度与此种砂粒(碎屑)的天然休止角一致。本研究就是针对溜砂坡防治措施展开的,重点在棚硐挡砂工程和挡砂墙工程。

1 溜砂坡防治对策

根据溜砂坡的形成演化规律,溜砂坡的综合防治可以从以下3个途径进行。

1.1 控制砂源区措施

控制砂源区,是用水泥砂浆或水泥砂浆+生态复合喷护产砂的高陡岩质边坡使之停止或少产砂,是遏制溜砂坡发生的理想对策[2]。

1.2 砂坡脚保护措施

目前,公路上常用的工程措施有如下几种:

(1)挡砂墙 是防治溜砂坡的最常用的工程措施,适用于砂源区已基本稳定,无明显的砂粒、碎屑溜动的溜砂坡的地区。

(2)棚硐挡砂工程 不仅可以挡砂,而且可将多余的溜砂排向公路外侧。它适用于砂源区不断产砂并且向堆积区汇集或开挖高度大于4 m的规模较大的溜砂坡。

(3)排砂渡槽 适用于已有明显的溜砂凹槽,并且砂源区不断向凹槽供砂的溜砂坡。此工程除需设计足够高的挡砂墙外,还应在溜砂槽处设计排导渡砂槽,将溜砂排到公路外侧[3]。

1.3 稳定砂坡体

1.3.1 砂坡深部固砂工程

砂坡内部结构的最大特征是散体,砂粒之间无胶结物,正因为如此,只要砂坡的坡度大于此类砂的天然休止角就会产生溜砂。如果改变这种组成与结构,溜砂这种现象就会得到控制[4]。主要工程措施是:

(1)粘土水泥网状浆液固砂,即用一定比例的粘土和水泥拌合成浆液,用高压将浆液灌入砂坡,使部分砂粒成胶结状,阻止大部砂粒溜动。

(2)花管微型树根桩固砂,此法是模拟树根固砂的原理设计的。

1.3.2 植被快速恢复固砂措施

在溜砂坡上应用植被快速恢复措施,除满足建设生态边坡工程的要求外,更重要的是具有固砂作用。现行的主要措施是格梁锚杆固砂植被护坡工程和钢筋挂网植被喷护工程。

2 棚硐挡砂工程试验

2.1 试验模型制作

模型中棚硐板长2.4 m,板上抹2cm～3cm厚混凝土,棚硐板后缘为砖砌挡墙的高度1.4 m(图1)。

图1 棚硐模型

2.2 试验样品

本次试验样品取自汶川野外散粒体堆积物,采料区的地理位置处于海拔高度较高的山区,是形成溜砂坡的典型区域。样品Ⅰ约有35 t,不均匀系数Cu约为7,曲率系数Cc约为1.14。

2.3 试验结果及分析

2.3.1 棚硐对坡体排砂效果影响分析

堆积率是指堆积在棚硐板上的颗粒质量与加砂的总质量之比。本实验中采用堆积率来分析棚硐顶面坡度与坡体排砂效果(图2),堆积率越小说明棚硐的排砂效果越好[5]。

图2 棚硐顶面坡度与排砂效果关系

由图2数据分析,当棚硐顶面没有抹混凝土时,棚硐最佳排砂角度约为33°,堆积率几乎为0;当棚硐顶面抹混凝土时,棚硐最佳排砂角度约为37°,堆积率几乎为0。棚硐顶面抹混凝土后,顶面摩擦系数会增大,坡体失稳时滑落至棚硐上的颗粒运动阻力增大,因此通过试验模拟得出棚硐顶面设置的角度比没有抹混凝土时的顶面角度大4°左右才能达到最佳的排砂效果。

试验中堆积坡体的天然休止角约为36°,这与野外调查结果基本一致。当棚硐顶面设置的角度大于其天然休止角约1°时能达到最佳的排砂效果。

2.3.2 排砂后坡体倾角变化分析

试验中坡体排砂后上部、中部、下部的倾角会出现不同程度的变化。

通过观察,坡体堆积过程中同一部位倾角不断起伏,这与野外观察现象相符。通过分析可知,棚硐设置角度为30°时,坡体次生坡面上、中、下部位倾角平均值为 35.6°、38.7°、39.4°;棚硐设置角度为 33°时,坡体次生坡面上、中、下部位倾角平均值为37.8°、38.2°、40.8°;棚硐设置角度为 37°时,坡体次生坡面上、中、下部位倾角平均值为 35.6°、37.9°、42.3°。坡体排砂后下部倾角最大,中部次之,上部最小。溜砂坡在堆积过程中坡体上部由于受到砂源颗粒快速运动的强烈冲击,导致坡度相对较小。中部受上部颗粒冲击相对较小,容易堆积。由于排砂工程中的挡墙的阻挡作用,使得坡体下部倾角大于中部倾角。棚硐设置角度在最佳排砂角度37°时,坡体排砂后不同部位的倾角偏离天然休止角在约0.4°～ 6.3°之间。

图3是坡体塌陷后处于休止状态的次生坡面及棚硐顶板上的砂砾堆积形态。次生坡面为凹槽形,滑动面是从坡顶开始的,穿越坡体的整个断面。滑落至棚硐顶板上的颗粒呈条带状,且上部较窄,中部次之,下部最宽约为1.3 m占棚硐板的1/2,堆积颗粒中粗粒约为总堆积量的98%。

在实际工程应用中,可根据以上分析的结果估计边坡开挖的影响高度和开挖方量以及棚硐的设置最佳角度、宽度。

图3 坡体塌陷

3 挡砂墙试验

3.1 试验模型制作

挡砂墙高度1.3 m,长2.4 m,斜面由粗糙的坚硬木板组成,木板之间的链接空隙用混凝土进行了胶结(图4)。

图4 挡砂墙模型

3.2 试验样品及仪器

本次试验材料取自野外散粒体堆积物,样品Ⅰ约有35 t,样品Ⅱ约有30 t。样品Ⅰ不均匀系数Cu约为7,曲率系数Cc约为1.14。样品Ⅱ不均匀系数Cu约为4,曲率系数Cc约为1.34。应力记录仪采用BH16多路信号显示记录仪,应力传感器埋设时底部土壤平整密实,用细沙或细粒土填平压实,周围填土用小锤敲实,宁紧勿松。

3.3 试验结果及分析

3.3.1 降雨对墙背土压力影响分析

挡墙高度130cm,5#通道探头距墙底31cm,6#通道探头距墙底50cm,4#通道探头距墙底100cm。由图5得出,降雨后墙后散粒体对墙背的土压力值降低,并对墙背产生主动土压力,墙高越小,粘聚力的影响相对越大。散粒体粘聚力是由孔角水张力和颗粒分子吸引力以及胶结作用而形成的,降雨过后散粒体的粘聚力增加并起到由粘聚力引起的负侧压力作用,使得墙背土压力减小较多.在墙高25cm～45cm之间降低速率较大,土压力值降低约66%。负侧压力对墙背是拉力,但实际上墙与散粒体在很小的拉力作用下就会分离。工程上计算挡墙土压力时,对散粒体的粘聚力几乎不考虑,通过这次分析,考虑散粒体的粘聚力,能够降低挡墙的主动土压力,同时进一步的减轻挡砂墙的结构和降低其造价,可是这必须十分慎重。

图5 两种工况下墙背土压力比较

3.3.2 墙背土压力随时间的变化关系

(1)挡墙后散粒体为样品Ⅱ时,墙背不同高度处土压力随时间的变化关系见图6～图8。

试验样品为样品Ⅱ时,4#通道探头距离挡砂墙底端94cm,5#通道探头距挡砂墙底端40cm,6#通道探头距离挡砂墙底端70cm。

图6 4#通道数据对比

图7 5#通道数据对比

图8 6#通道数据对比

(2)挡墙后散粒体为样品Ⅰ时,墙背不同高度处土压力随时间的变化关系见图9～图10。

试验样品为样品Ⅰ时,4#通道探头距离挡砂墙底端94cm,5#通道探头距离挡砂墙底端40cm。

图9 4#通道数据对比

图10 5#通道数据对比

从停止加砂时起以相同时间间隔测一次探头数据,14 h后仍以相同时间间隔测一次探头数据,得出墙背侧压力随时间的变化关系曲线。在试验加砂的过程中,颗粒以不同的冲击力不断堆积同时伴随细颗粒不断下渗和颗粒堆积量的不断增加,探头测得的压力值呈上升趋势。当停止加砂后,在一定时间内细颗粒仍不断通过粗颗粒间隙向坡体下渗,造成颗粒分化,由表及里颗粒逐渐由粗到细,颗粒不均匀度由大变小。由上面曲线图分析得知,当墙后坡体颗粒分化趋于稳定,探头测得的数据也趋于该点压力上升过程中的某一值,此时散粒体到达稳定状态。

位于挡墙后面的散粒体,在重力作用下力图发生运动和占据被自然坡面所包围的体积时,将遇到墙的阻碍从而对墙后产生压力。密实的散粒体的偏角比松散散粒体的大。因为偏角随着深度而增加,所以墙背土压力的方向沿墙高不是固定不变的。根据样品Ⅰ和样品Ⅱ的挡墙后土压力对比,相同高度处材料Ⅰ对墙背产生的土压力大于材料Ⅱ对墙背产生的土压力,野外溜砂坡不均匀系数越大,墙背土压力越大。并且相同材料不同高度处的压力不同,在约1/3墙高处土压力最大。

4 结 论

(1)溜砂坡具有独特的结构特征和工程物理力学性能,采用一般的加固防护措施收效甚微。特别是在西部高山区封闭、控制砂源区产砂,因地形高陡,面积大,投资大,不可取。应把溜砂坡的防治重点放在稳定防护砂坡体,保护加固挖砂坡脚上。

(2)棚硐工程中,棚硐板的设置角度应比野外溜砂坡的天然休止角大约1°,能达到最佳的排砂效果。

(3)降雨过后挡砂墙后主动土压力会降低,降雨下渗,散粒体粘聚力增加,在墙0.2～0.34倍墙高之间土压力降低速率较大。

(4)溜砂坡的不均匀系数越大,墙背土压力越大。

[1]徐海洋,夏克勤,张晓光.天山公路典型溜砂坡防治措施研究[J].地质灾害与环境保护,2008,19(4):25-28.

[2]王成华,徐 俊,何思明,等.粒状碎屑溜砂坡树根桩固砂防护技术[J].中国水土保持科学,2007,5(1):93-96.

[3]常 旭,陈朝清,郭 迁.溜砂坡形成机理及防治措施研究[J].公路,2006,(1):89-91.

[4]梁光模,王成华,张小刚.川藏公路中坝段溜砂坡形成与防治对策[J].中国地质灾害与防治学报,2003,14(4):33-38.

[5]张元才,傅荣华,郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程参数试验研究[J].地质灾害与环境保护,2007,18(4):7-10.