黄土地区深挖路堑防护与排水综合处治措施研究

王彦兵

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

1 概述

高速公路在我国基础设施建设过程中的地位举足轻重，由于黄土地区梁峁沟壑纵横，地质水文条件复杂，线位比选中不可避免地出现深挖路堑的设计，在满足相关规范要求的前提下，为保证高速公路路堑边坡在复杂工况下的安全稳定，须采取有效可靠的综合防护及排水措施，同时考虑与自然环境相协调。本文根据具体案例，依托现场实际背景，就黄土地区深挖路堑综合处治防护及排水措施进行研究，采取了浆砌片石护面墙、拱形骨架、植树种草等综合防护措施，以及急流槽、截水沟、支撑渗沟、仰斜式排水孔、渗沟、吊沟等系统排水措施，进行了实际应用，保证了高速公路通畅运营[1]。

2 深挖路堑案例概况及简介

2.1 工程简介

该段YK158+476～YK159+018深路堑位于天水市麦积区西坪村，路线走向NW327°～350°，路堑段工程地质分区属侵蚀堆积黄土梁峁沟壑工程区(Ⅰ区)，该段路基开挖后桩号YK158+476～YK159+018右侧形成深路堑，深路堑段落最大中桩、边坡高度及土石成分概况见表1。

表1 深路堑概况一览表

2.2 自然地理条件

路堑位于麦积区西坪村，在全国公路自然区划图中属甘东黄土山地区Ⅲ3，属中温带干旱和半干旱气候区，冬无严寒、夏无酷暑，气候温和，年平均气温11.3 ℃，最高32.7 ℃，最低-8.3 ℃。年平均降水量546.5 mm。标准冻土深度61 cm，最大积雪厚度15.0 cm，无霜期170 d。工程区发育有冲沟，有季节性流水。

2.3 案例边坡设计

YK158+476～YK159+018段全断面深挖，深挖路堑长529.1 m，中桩最大挖方深39.77 m，边坡处最大挖方深度56.92 m。挖方边坡分级高度为：右侧挖方碎落台宽2 m，边坡每6.0 m分级，第一～三级边坡坡率为1∶1.25，第四级及其以上边坡坡率均为1∶1.5；第四级平台宽度为8.0 m，其余每级平台宽为2.0 m；YK158+476～K159+018右侧深挖路堑平面图见图1。

随着高速公路的发展，深挖路堑边坡已成为路基工程的一项重要课题，如防护及排水措施不到位，会导致如崩塌、坠落、坡面冲刷及坡顶堆积失稳等现象的发生，本案例YK158+476～YK159+018路基范围内右侧形成高边坡，其稳定性将直接或间接影响到附近居民点的生活安全，因此，需对该段深挖路堑进行防护及排水措施加固，确保边坡坡率设计满足规范要求，把对里程范围内可能存在的安全隐患降到最低。

3 工程地质条件

3.1 地形地貌

该段路堑横穿黄土梁前缘，坡面植被一般发育，梁顶为耕地，地形较平缓，自然地面坡度约10°。路堑区上覆黄土，厚度大，基岩出露少。路堑段自然地面高程为1 102 m～1 150 m，相对高差为48 m，整体上地形较平坦,黄土梁边缘两侧坡度较陡，坡度32°～44°。

3.2 地层岩性

路堑段出露地层主要为第四系全新统坡积黄土状土、第四系上更新统风积黄土及第四系中更新统冲积黄土，简述如下：

3.3 地震及区域稳定性

根据国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的GB 18306—2015中国地震动参数区划图图A.1和图B.1)，路堑区地震动峰值加速度为0.30g(相当于地震基本烈度8度，50 a超越概率10%时)，地震动反应谱特征周期为0.45 s，公路工程构造物应采取相应抗震设防措施。路堑的抗震设防标准宜依据JTG B02—2013公路工程抗震规范的有关规定执行。

根据现场地质调绘结合区域地质资料，路堑区无活动性断裂通过，区域稳定性较好。

3.4 水文地质条件

该区降水稀少，无常流性地表水补给，地下水埋藏深、储量少，水质一般，利用价值不大。区内地下水按其埋藏条件主要分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

1)松散岩类孔隙水：在黄土丘陵沟谷区，地面坡度较大，降雨后水流很快顺地表流走，富水性较差，且不均匀，仅局部含水。

2)基岩裂隙水：主要位于基岩区，裂隙水沿着裂隙向沟谷中流动补给沟谷第四系冲积层中的潜水，个别地形条件有利时，也以泉的形式溢出地表，水量较少。

依据地质调查及挖探，勘探期间路堑区两侧冲沟探井中有地下水发育，勘探钻孔中亦有地下水位，埋深约50 m。

3.5 特殊性岩土

3.6 岩土体物理力学性质

表2 岩土体物理力学参数

4 边坡防护及排水综合处治过程及方法

4.1 边坡处治措施

综合以上地形地貌、地层岩性、地震及区域稳定性、水文、特殊性岩土等地质条件，着重考虑该深挖路堑地处黄土地区，含水率较高，挖深较大，兼顾黄土湿陷性，从以下六个方面采取防护及排水措施，对该段深挖路堑边坡进行综合处治[2-3]。

1)YK158+476～YK159+018右侧挖方边坡分级为：第一～三级边坡坡率为1∶1.25，第四级及其以上边坡坡率均为1∶1.5，每级边坡高度均为6 m，第四级平台宽度为8.0 m，其余每级平台宽为2.0 m；平台铺筑天然砂砾垫层(10 cm)以及现浇C10混凝土(10 cm)进行硬化，边坡横断面示意图见图3。

2)沿坡顶设置截水沟及急流槽，每级边坡平台设置平台排水沟，并每隔一段距离设置吊沟，形成完善的排水系统(见图4)。

3)第一级坡面采用浆砌片石孔窗式护面墙防护(见图5)。

第二级及以上坡面采用拱形骨架植草防护，坡面防护工程施工时，应做好边坡支撑渗沟、仰斜式排水孔、急流槽等排水设施与坡面防护的衔接，骨架施工必须在路基两侧增宽填筑的0.3 m土方清除后在压实的边坡上采用挖槽法进行，挖槽开挖土方应及时清除(见图6)。

4)第二、三级坡面设置支撑渗沟，支撑渗沟每10 m一道，渗水点严重段支撑渗沟每5 m一道(见图7)。支撑渗沟沟槽采用人工配合机械开挖。沟槽开挖宜自下游向上游进行开挖，应随挖随支撑，并迅速回填，不可暴露太久，以免造成坍塌，渗沟应间隔进行开挖。沟槽开挖必须保证两壁平顺，基础表面应平整，严禁出现反坡或凹凸不平现象(见图7)。

5)边坡平台进行植树植草防护(见图8)。

6)第一、四、五级坡面设置仰斜式排水孔(见图9)，排除路堑坡体内的滞水或岩层裂隙水，排水孔深度为5 m～10 m，间距为6.0 m，施工时遇到地下水丰富地段可适当加密。

排水管出水口110 cm范围内不做槽孔，其余部分均须做槽孔；在靠近坡面至少60 cm长的范围内，应用黏土堵塞钻孔和排水管之间的空隙。导水孔钻孔直径为100 mm，排水管采用聚乙稀硬质塑料管，外径90 mm，壁厚5 mm；截水段打孔直径12 mm，纵向间距45 mm。过滤管包裹：塑料管钻眼后，用200目尼龙网包裹2层，排水管出水口伸出坡面的长度须不小于50 cm。

施工时最下排仰斜排水孔的设置位置可根据地质条件适当进行调整，使最下排仰斜排水孔与岩土交界线的竖直间距不小于1 m。且施工时仰斜排水孔的倾角可根据岩土交界面走势适当调整，使仰斜排水孔能较好的排除岩土交界面渗水，倾角最小不得小于5°。钻孔成孔后，应立即将塑料排水管下入孔内，避免因时间过长而塌孔。

4.2 边坡安全稳定性评价

取该段综合处治边坡YK158+690断面(如图10所示)为计算对象，利用理正岩土6.5进行边坡稳定性计算，采用极限平衡Bishop法，潜在破裂面按照圆弧破坏模型作为边坡稳定性计算的依据[4]。经稳定性验算边坡安全系数如表3所示。

表3 路堑边坡稳定性计算结果

计算结果表明：

该段深挖路堑边坡在正常工况、非正常工况Ⅰ、非正常工况Ⅱ条件下的稳定性均满足规范要求，呈稳定状态。(路堑边坡稳定安全系数要求详见JTG D30—2015公路路基设计规范第3.7.7条规定及JTG B02—2013公路工程抗震规范8.2.5条规定)。

5 处治结论及建议

5.1 结论

该深挖路堑经防护及排水综合处治后，根据工程案例现场实际观察监测及反馈(见表4)，无位移、沉降异常情况，在不利季节恶劣气象条件下，能有效维持坡面安全稳定，及时引排边坡坡面及坡体内裂隙渗水，同时依据稳定性计算结果，结合工程地质类比分析，该段深路堑边坡开挖后在正常工况(天然状态)、非正常工况Ⅰ(暴雨或连续降雨)、非正常工况Ⅱ(地震)均满足安全稳定性要求，保障了后续运营过程中高速公路畅通无阻。

表4 沉降位移监测数据

5.2 建议

结合该处深挖路堑案例及施工中出现问题，黄土地区深挖路堑经综合防护及排水处治后，施工中还应注意以下事项：

1)路堑开挖后若路基边坡与滑塌体后缘形成单薄黄土梁，稳定性较差，建议适当挖除两坡间单薄土体，降低边坡高度。

2)边坡开挖后要及时采取支挡防护措施，加强坡脚必要的加固措施。建议加强施工过程中监测与防护。

3)采用分层开挖、分层防护和坡脚预加固。

4)为保证该段深挖路堑安全施工和准确设计，施工中应加强对路堑边坡开挖动态观测，鉴于地质构造及地质水文的复杂性和变异性，施工中须根据具体情况，及时核对地质资料、参数的选取，如在施工中遇到与资料不符的情况，应及时会同相关人员进行核对，反馈相关单位，便于及时动态设计，使其达到经济合理、安全可靠的效果。

5)在后期运营过程中，应对高边坡进行实时监测，特别是降雨及雨季边坡变形的监测，同时对高边坡进行定期检查维修。