拱形棚洞在公路高边坡灾害防治中的应用

贾艳领, 夏永旭, 韩兴博, 周勇狄

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2. 广西交通科学研究院有限公司 勘察设计事业部, 广西 南宁 530007)

在以前的公路工程建设中,修筑了大量高边坡路段,严重扰动了山体,打破了原有的山体平衡状态.同时,随着时间的推移,原有坡面加固措施逐渐失效,坡面岩体风化日益严重,坡面稳定性变差,在降雨、地震等作用下,易诱发滑坡、崩塌、落石、泥石流等自然灾害,严重影响行车安全.特别是在交通咽喉路段,一旦发生高边坡灾害,严重阻碍救灾力量及时到达灾区,致使错过黄金救援时间,造成人民重大生命财产损失[1-2].铁路工程中棚洞结构的应用早于公路工程,技术也比较成熟[3].文献[4]结合成昆铁路的实际情况,论述了棚洞结构在隧道洞口路段及高边坡路段的灾害治理中的应用.拱形棚洞结构于本世纪初被蒋树屏等应用于公路隧道中[5],因其诸多优点受到关注,但其在公路高边坡病害防治中较少采用,且鲜有报道.文献[6]结合汶川Y018公路复建工程, 从设计和施工两个方面阐述了棚洞在震后公路复建工程中的应用情况.文献[7]以重庆万州太白岩南坡旅游公路为研究对象,从设计的角度对棚洞结构用于防御崩塌落石灾害的方案进行了分析.文献[8]依托G213二级公路的灾后复建工程中防落石钢棚洞为工程背景,分析了钢棚洞的相关技术指标.文献[9-11]采用数值计算或者模型试验方法,对新建棚洞结构的受力特性、与边坡之间的相互作用关系等进行了研究.综上可知,目前相关研究成果在高边坡灾害的防治中难以直接参考借鉴.

笔者以龙胜至资源公路高边坡路段灾后复建工程为依托工程,采用数值模拟方法,研究拱形棚洞在防治高边坡病害中的受力特性及设计关键技术,以期对今后公路高边坡病害的预防和处治有所裨益.

1 工程背景

1.1 场地条件分析

龙胜至资源公路是龙胜县重点旅游公路,建成于20世纪80年代.路段边坡陡峭,坡高最高达120 m,坡面与水平面成65°.该路段经历数次塌方,多次清理了塌渣,拓宽了路基宽度,坡脚距离浔江江岸挡墙的距离最宽处也仅为20 m,场地非常狭窄.棚洞平面布置图如图1所示.龙胜至资源公路建成运营至今,曾多次发生滑坡、塌方等高边坡病害,其中尤以K31+680.0～K31+796.4高边坡路段最为突出.

图1 棚洞平面布置图

该路段左侧紧邻浔江,右侧紧靠山体.图2为棚洞场地照片.在路段发生塌方时无法搭建临时道路,也无绕行条件,交通将被中断,直至清理完塌方体.养护记录显示,该路段因塌方造成的交通堵塞最长达2个月有余,对沿线居民的生产生活影响较大.

拟建棚洞区域位于龙胜县温泉口景区出口右侧100 m处,属于低山-重丘地貌,山体总体走势近南北向,地层主要有第四系人工填土(Qml)及震旦系南沱组下段(Zan1)变质岩组成.经历多次构造运动,断裂发育,局部挤压扭曲现象较多见,岩层产状有一定的变化,伴生的构造节理发育,倾角较陡.裂隙水量比较丰富,经水质检测,场地范围内的水对构造物有轻微腐蚀性.隧址区属于亚热带季风气候区,气候湿润,雨量充沛,日照充足,区域气候条件和水文地质条件会加速裸露岩石的风化,不利于高边坡路段的边坡稳定和耐久.

图2 棚洞场地

1.2 工程地质

棚洞右侧为岩质边坡,倾向西南,山高坡陡,路基外侧紧邻浔江,边坡上主要有碎石土、强风化变质砂岩和弱风化变质砂岩组成,第四系坡积碎石土厚度较薄.边坡岩体节理裂隙发育,路堑边坡被开挖,边坡坡脚形成临空面,原始坡面稳定性较差.连续降雨或偶降暴雨会加速弱化软弱结构面的黏结能力,导致边坡山体发生浅层滑塌或崩塌.运营维修资料显示,该区域每次塌方均伴随降雨,可见降雨对坡面的影响之大.

场地左侧(靠近河流一侧)地层主要由人工填土、强风化变质砂岩和弱风化变质砂岩组成.其中,人工填土承载能力较差,不适宜作为天然地基持力层;强风化变质砂岩埋深较深,且分布不均匀,同样不适宜作为棚洞天然地基持力层或天然地基下卧层;弱风化变质砂岩埋深较深,强度较高,力学性质良好,厚度较大,是良好的桩基基础持力层.场地右侧(靠近山体一侧)地层主要由人工填土和弱风化变质砂岩组成,弱风化变质砂岩埋深较浅,厚度较大,适宜采用天然地基.

1.3 高边坡灾害分析

龙胜至资源公路K31+680.0～K31+796.4高边坡路段,右侧挖方边坡异常陡峭,边坡高达120 m,岩面石边坡呈65°.由于该公路为改革开放初期建设的项目,资金较少,人们的环保意识淡薄,公路建设技术力量不足,致使筑路时沿山傍河路段大挖大填,形成了挖方高边坡.经过二三十年的坡面风化和坍塌碎落,原有支护结构已消失殆尽,现在坡面岩石已经完全裸露,坡面上有多处凌乱凸起的风化待碎落岩石,坡顶覆盖层较厚,且为易渗水的碎石土.当地的气候条件和水文地质条件都对坡面岩石的风化碎落起到了催化作用.

表1为1992—2012年K31+680.0～K31+796.4路段塌方情况统计表.由表1可知:最大塌方量发生于1998年,平均单次塌方量达到18 352 m3;其次为2011年,平均单次塌方量为7 715 m3;平均单次塌方量大于1 500 m3的有8个年份;平均单次塌方量小于1 500 m3的有10个年份,其中塌方量小于500 m3的有7个年份.该高边坡路段几乎每年都会发生塌方灾害,给沿线居民及公路运营带来了严重影响.

勘察设计期间的现场调查发现:在距离坡顶上边坡20 m的地方,已出现一条滑移错缝,裂缝沿路线方向间隔出现,并未贯通,滑动体厚度约5 m.该滑动体在长时间雨水渗透的情况下,随时有坍塌的可能.

表1 K31+680.0～K31+796.4路段塌方情况统计表

2 棚洞设计方案

本研究主要以滑动体及落石作为病害目标,并参考以往高边坡病害记录情况,在温泉口路段设置了棚洞,计算分析棚洞结构的稳定性,并根据计算结果优化棚洞结构的设计参数,研究应用棚洞结构来预防和治理高边坡病害的相关技术难题.该棚洞长116.4 m,设置两处变形缝,分3联,各联长度合计为33.5 m+49.4 m+33.5 m=116.4 m.隧道净宽9.0 m,净高5.5 m.上部结构采用斜柱曲墙平板结构,板厚为0.8 m.靠近山体一侧地层条件较好,表层为人工填土,覆盖层厚1.0～3.5 m,下伏弱风化变质砂岩;下部结构采用条形扩大基础,宽1.7 m,高1.5 m;靠近河岸一侧地质条件较差,表层为人工填土,覆盖层厚12.5 m,下伏强风化至弱风化变质砂岩;下部结构采用斜柱桩基础托梁结构,整个隧道纵向共设置15根钻孔灌注桩桩基础,桩径1.5 m,矩形斜柱边长1.4 m,托梁高1.2 m.斜柱桩基础托梁结构与条形扩大基础之间采用矩形连系梁连接,连系梁边长0.8 m.洞顶采用级配碎石+黏土+种植土回填,最薄处厚度为3.0 m.棚洞上、下结构构件采用钢筋混凝土结构.棚洞结构横断面和纵断面设计示意图分别如图3,4所示.

图3 棚洞横断面设计示意图

图4 棚洞纵断面设计示意图(单位:cm)

3 结构稳定性分析

计算采用通用有限元软件ANSYS,建立三维数值模型,进行不同工况结构受力模拟计算.假定:围岩为均质弹塑性材料,采用Drucker-Prager屈服准则;棚洞结构材料的特性远优于围岩,计算中将其假定为弹性体.

3.1 正常使用和滑塌工况

正常使用状态数值计算模型中,靠近河流一侧的按照实际选取到河边,与桩基中心的距离约10 m,靠近山体一侧依照圣维南原理,选取3倍开挖宽度为模拟范围.模型宽为55 m,高为130 m.参照表1中的边坡滑塌情况,近10年来,2011年平均单次塌方量最大,超过7 000 m3·次-1.根据依托工程的高边坡灾害记录,

并参照与依托工程边坡地质相似

的边坡塌方情况,边坡滑塌体会形成坡度约35°的自然坡体.根据依托工程棚洞结构体的实际情况进行测算,棚洞顶部最多可容纳约1 500 m3滑塌岩土体,多余滑塌岩土体会顺坡滑塌至河道中.因此,在滑塌工况中,选取1 500 m3的滑塌体作用在棚洞结构上,进行数值计算.模型采用3D实体单元(SOLID65),计算模型共分607 069个单元,105 825个节点.正常使用及滑塌工况棚洞模型如图5所示.材料参数取值见表2.

图5 正常使用及滑塌工况下的棚洞模型

正常使用及滑塌工况棚洞构件受力计算结果统计如表3所示.由表3可知:棚洞在正常使用的情况下,斜柱出现应力集中,最大拉应力σt在与托梁连接的斜柱顶部外侧,为2.17 MPa,同部位内侧的压应力σc为6.91 MPa,其中斜柱拉应力σt为0.56～1.56 MPa;系梁与斜柱相接的上缘受拉较大,最大拉应力σt达到了2.14 MPa,同部位的下缘受压较大,最大压应力σc为7.02 MPa;其余结构受力相对比较小.

表2 材料参数取值表

表3 不同工况棚洞构件受力情况 MPa

由表3可知:棚洞在滑塌工况下,各主要构件的应力明显增大;系梁的受力最大,拉应力σt为2.36 MPa,最大部位在与斜柱底相连接处,同部位内侧的压应力σc为7.27 MPa,其中拉应力σt为0.70～1.36 MPa;曲板拱肩内侧最大拉应力σt为1.74 MPa,下部与条形基础相接处,最大压应力σc为2.32 MPa,其中曲板最大拉应力σt为0.34～1.27 MPa;其余结构受力相对较小.

由表3可知:各主要构件的最大压应力均小于混凝土的抗压强度.拉应力在个别构件中出现应力集中现象,系梁拉应力极值超过C30混凝土的抗拉极限值2.2 MPa.考虑在建模过程中棚洞构件未配置钢筋,而实际构件配筋率达到了3%以上,按照文献[12]所述公式，将钢筋弹性模量等效换算成混凝土弹性模量.即

(1)

配筋率为3%时,构件钢筋混凝土的弹性模量为35.8～37.3 MPa，大于C50混凝土弹性模量35.5 MPa,结构强度较高,各构件所受拉应力极值远小于C50混凝土的抗拉极限值3.1 MPa,且所受拉应力主要范围并未超过C30混凝土的抗拉极限值2.2 MPa,结构安全.

3.2 落石冲击工况

落石对棚洞的冲击效应是造成棚洞破坏的又一可能因素.根据依托工程的地质调查情况:依托工程落石体积一般为0.1～0.5 m3,落石的冲击速度为8.5～21.0 m·s-1,且10.0 m·s-1左右居多.本研究选取半径为1 m,速度为10.0 m·s-1,体积约为0.5 m3的球体,作为落石冲击模型的落石.利用LS-DYNA动力学分析模块,模拟落石对棚洞结构的冲击作用.计算模型共18 108个节点,87 780个单元.棚洞各构件的材料参数如表2所示.落石冲击计算模型如图6所示.落石冲击工况计算结果如表4和表5所示.

图6 落石冲击计算模型

由表4可知:从结构受力时间上分析,0.03 s时棚洞构件受拉应力σt达到极值3.05 MPa,受力部位为曲板撞击处下方柱顶,受拉应力范围为0.90～2.55 MPa;0.02 s时棚洞构件受压应力σc达到极值8.65 MPa,受力部位为曲板撞击处下方柱底,受压应力范围为2.59～6.63 MPa.

由表5可知:曲板和托梁最先受到落石的冲击力,而后传递到斜柱和系梁,最后经棚洞基础传递给地基.

由表4,5可知:各主要结构的最大压应力均小于混凝土的抗压强度.主拉应力在斜柱、系梁和曲板等构件中出现拉应力集中现象,三者的拉应力极值分别达到3.06,3.03和2.97 MPa.构件拉应力极值已超出C30混凝土的抗拉极限值2.2 MPa,考虑构件配筋较多,采用文献[12]所述将钢筋弹性模量等效换算成混凝土弹性模量方法,提高混凝土的强度.拉应力极值均未超出C50混凝土的抗拉极限值3.1 MPa,结构是安全的,但是安全系数较低.当然,普通钢筋混凝土结构允许出现不超限宽的裂缝,结构安全基本不受影响,但在日常养护中应及时处理结构裂缝,以免影响结构耐久性.

表4 不同时刻棚洞受落石冲击受力情况

表5 单个主要构件受落石冲击受力情况

3.3 结构优化设计

根据3种工况数值模拟结果,在原设计参数的基础上,优化棚洞结构设计参数.曲板、斜柱和系梁等构件是拱形棚洞结构受力薄弱处,曲板与斜柱的配筋率由6%增大到9%,优化设计时将系梁边长增大至计算时的1.5倍;施工时,该构件外表面应喷涂水性渗透性防水材料,避免地下毛细水经由系梁中细小裂缝侵蚀钢筋,影响棚洞结构的耐久性.斜柱顶部与托梁连接部位增加过度截面;斜柱底部与系梁、桩基连接处应增加承台;消减斜柱顶部和底部拉应力集中现象,避免混凝土过早出现裂缝,影响结构安全和耐久性.

优化设计时,曲板顶部回填应在原有1.5 m厚的土石回填层基础之上再增加1.5 m厚度的级配碎石层,以保护拱顶棚洞的防水层,并消减落石对曲板的直接冲击.

4 结 论

1) 利用有限元软件,对滑塌、落石等高边坡灾变时拱形棚洞结构的受力特性进行了分析,数值模拟结果显示:初拟的结构设计参数,在落石工况下,结构受力未超出混凝土的受力极限值,但安全系数较低,耐久性受到影响.由此,对棚洞结构进行了结构设计优化调整,以提高棚洞结构的安全性和耐久性.

2) 如今高边坡路段灾后复建工程的拱形棚洞已建成运营,在运营阶段发生滑坡、落石等高边坡灾害后,其结构未发现明显病害,特别是该路段交通未受影响.