基于甘肃省陇南市水毁路基防护与支挡破坏分析及优化修复的研究

赵 军,刘颖才，尚高鹏

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 概述

近年来，甘肃省陇南市夏季短期内多次出现特大暴雨天气，暴雨频度高、强度大、范围广、持续时间长、累计降雨量大，突破陇南气象历史极值记录，造成严重的经济损失。

根据国家气象站历史资料统计，陇南市1961年—2019 年8 月各流域最大降雨量记录，白龙江流域为100.5 mm（2012 年），白水江流域为91.7 mm（1961 年），嘉陵江流域为171.6 mm（1970 年）。在2020 年8 月，白龙江、白水江、嘉陵江流域降雨量分别是其历年最大降雨量的2.3 倍、3.0 倍、1.7 倍，各站点累计降雨量均为1961 年以来同期第一位，根据气象观测站数据，8 月20 日累计降雨量超过250 mm 的有102 站，超过150 mm 的有294 站，超过100 mm的共有339 站，占比85%以上，4 次暴雨过程中共出现121 次短时强降水，文县碧口更是达到569.1 mm，有历史记录以来历年平均降雨量的1.7～4.4 倍，白龙江支流白水江文县尚德站实测洪峰流量2 780 m3/s，超200 年一遇（2 050 m3/s）。

暴雨造成陇南地区多处路基水毁，其中防护设施水毁严重，主要为：临河路段坡脚受水流冲刷，导致原有浆砌防护路肩墙、路堤墙、驳岸墙、内护墙等冲毁、垮塌，基础悬空；山区路段山体饱和，裂隙水等浸入路基，破坏原有挡土墙基础，使挡土墙沉降、外倾、垮塌等。

2 项目区工程地质及破坏原因分析

2.1 工程地质

项目区位于秦岭山脉西延部分的陇南山地。区内山峦起伏，连绵不断，在新构造运动强烈隆起与流水侵蚀作用下急剧下切，山高谷深、岭谷相间、沟壑纵横、锋锐坡陡，仅局部有不对称的零星狭长台阶地。受构造控制，区内地貌按成因分为构造剥蚀地貌和河流侵蚀堆积地貌。构造剥蚀地貌主要为西秦岭南部高中山区峡谷区，而流水地貌主要为岷江、白龙江、白水江及其支流侵蚀堆积的高中山河谷区。

地层岩性除河谷区为第四系冲积层覆盖外，地表大部分为新生代沉积地层覆盖，仅在局部河谷地段有三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系和志留系老地层出露。第四系（Q）：中更新统，主要分布于高阶地，主要岩性为灰色、青灰色卵石，钙质胶结，密实，强度高。上更新统，主要分布于残坡积和河流阶地沉积，多沿山、峁梁坡和大河两岸零星分布，岩性主要为浅黄色粉砂土、黄土状粉质黏土，偶夹少数砾石和碎岩块，含钙质较高，淋滤富集后生成形状不规则及不稳定的钙质结核层，靠底部一般有厚度不等的砂砾层。上更新统分布于山坡，主要为土黄色、淡黄色疏松状黄土，局部偶含钙质结核。全新统（Q4）：全新统坡积层以碎石土为主，下部多块石。I 级阶地由砾石层、砂层及粉土组成，厚3～10 m。II 级阶地堆积物为砂卵砾石层夹砂、条带状黏性土等，具水平层理，底部为砂、砾夹黄土。全新统冲洪积层分布在河漫滩及阶地上，岩性为砂砾、卵石层、碎石层，松散，亚圆-次棱角状，分选性较好。志留系为一套厚度较大的浅变质碎屑岩和碳酸盐岩建造，属海相还原沉积，主要岩性包括板岩、炭千枚岩、炭质千枚岩、炭质板岩、灰岩，呈夹层状；泥盆系为一套厚度较薄的碳酸盐岩建造，主要岩性包括板岩、千枚岩、灰岩及少量砂岩，局部为炭质，呈互层状；石炭系以中上统碳酸岩建造为主、下统为碎屑岩建造，主要岩性中上统为灰岩，下统为炭质千枚岩；二叠系主要为一套厚度较大碳酸盐岩建造，属浅海相沉积，下部为含炭板岩夹灰岩，上部为灰岩、泥灰岩；三叠系为典型的复理石和陆源沉积建造，下部为板岩、灰岩夹砂岩和灰岩，具明显的复理石沉积，中部为砂岩、板岩夹灰岩，为陆源碎屑岩沉积。岩土体承载力基本允许值的摩阻力标准值（fao）见表1。

表1 岩土体承载力基本允许值的摩阻力标准值

2.2 破坏原因分析

临河路段挡土墙基础滑移，墙身变形、倾覆，位置主要为半挖半填路段或原坡面冲沟路段。主要因为原有挡土墙为浆砌片（块）石，基础埋深一般在1～2.0 m，嵌入新鲜岩面一般在0.5 m，满足原有设计规范要求。但根据2020 年水文计算看，冲刷深度最大在2.948 m。根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015），受水流冲刷的直接防护工程，基底应埋置在冲刷线以下不小于1 m 或嵌入基岩内，则埋置深度应不小于3.948 m。一般冲刷深度按照《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）常用的有两种计算公式，分别是根据输沙平衡原理建立的桥下河槽一般冲刷深度公式，局部冲刷采用《公路桥位勘测设计规范》（JTJ 062—1991）修正公式进行计算。计算得到K 575+480～K 575+780 冲刷最小，其河床宽为15 m，一般水深为1.0 m，最大水深为1.5 m，总冲刷深度为2.624 m，最小埋置深度为3.624 m；K 605+300～K 605+400 冲刷最大，其河床宽为55 m，一般水深为1.6 m，最大水深为2.5 m，总冲刷深度为2.948 m，最小埋置深度为3.948 m。计算结果见表2。

表2 某公路恢复重建工程水文计算一览表 m

山区路段原有山体因降雨导致含水率极剧增加，渗入路基后岩土体的内聚力和内摩擦角下降，以及地下水渗流引起渗透压力，坡体对支挡防护的主动土压力增大，超出承载能力。上边坡坡面松散堆积物溜塌，引起内挡墙、护面墙损毁，下边坡挡土墙基础悬空、下沉、开裂、垮塌等[1]。正常情况下岩土体物理力学性能指标见表3。

表3 岩土体物理力学性能指标一览表

3 支挡防护的恢复与优化

一般路肩墙用于主动土压力较小的路堤支挡防护，修补路基缺口、减少占地、防止河道压缩。路堤墙用于边坡高度较高、坡脚延伸较远的路堤支挡防护，减少占地、节约土方、收缩坡脚，增强路基稳定性。护裙墙用于既有防护设施基础掏空、外露，但主体结构完好，通过增设防冲护裙，提高抗冲刷能力的沿河路段防护。驳岸墙用来保护岸坡或构造物不受洪水冲刷的影响。

内护墙用于土质或风化严重的岩质边坡，易发生碎落、崩塌等不稳定斜坡的挖方路段边坡防护。护面墙用于土质或易风化剥落的软质岩、较破碎的硬质岩及夹有松散层的挖方路段坡面防护。挡渣墙适用于路基上边坡土体松散，易发生崩塌、碎落的挖方路段，且具备设置挡渣墙及蓄渣池条件的地段。

石笼式挡土墙适用于路基主体与河道有一定距离，但岸坡平缓、土质松散、冲刷严重的河岸，保护构造物不受水流直接冲蚀而产生破坏或沿河路堤坡脚防护。适用于宽浅性河段、堤岸易受库区泄洪冲刷，岸坡欠稳定、且不宜设置圬工支挡防护设施的浸水路段防护。还有路堤边坡高度较高、河床比降大、冲刷较大、暴洪时坡脚易受漂石冲击的路基防护，以及边坡土体含水量较高、坡面较缓、且易发生溜滑的挖方路基坡脚防护。

需要注意的是，挡土墙基础埋置深度应不小于1 m，冰冻地区基础应埋置于冻结线以下不小于0.25 m，受冲刷影响时基础应埋置于冲刷线以下不小于1 m。对于软弱地基等不良地质路段，应采取换填等处理措施使其满足地基承载力要求。临河路段应根据基础埋深，依据计算进行挡土墙设计及优化。河道顺直、河床宽度较窄、水流较急、冲刷严重的临河路段，采取恢复原有路肩墙等防护设施，路肩墙外侧设置石笼。对于河道顺直、河床宽度较宽的临河路段，采取恢复原有路肩墙等防护设施，路肩墙外侧未考虑设置石笼。受洪水冲刷、掏蚀影响，既有挡土墙等防护设施出现空洞、损坏路段，对既有挡土墙采用现浇混凝土修复后，空洞部分填充混凝土。对于路基坡脚及防护设施易受水流冲刷，既有挡土墙等防护设施基础外露路段，坡脚增设铅丝石笼防护；路基位于河弯、顶冲路段，根据地形条件增设挑坝，以减小水流冲刷[2]。

水毁支挡防护圬工量最大的为临河重力式挡土墙。根据地形、地质选择合理的重力式挡土墙形式，并通过针对不同工点进行计算，在保证安全合理的前提下，有效降低圬工，从而最大限度降低工程投资。陇南市部分临河路段冲刷线较深，埋置深度最大需要4 m，但地质情况较好，因此在验算重力式挡土墙地基承载力、抗滑移及抗倾覆时，可在参考常规标准图及图集的情况下，进一步验算截面尺寸，降低整体圬工量。经过比较计算，临河路段在地基承载力[σ]=500 kPa、填土内摩擦角40°时，墙高4 m时路肩墙顶宽仅为60 cm，墙高10 m 时路肩墙顶宽仅为130 cm，在地基承载力[σ]=800 kPa、填土内摩擦角45°时，墙高10 m 时路肩墙顶宽仅为60 cm。

地基承载力低时，可在墙底设钢筋混凝土板，可减薄墙身，减少开挖量，适用于低墙、地质情况较好、有石料地区。在抗滑移稳定方面，可通过倾斜墙底或加防滑凸榫来增加抗滑稳定性，特别是凸榫利用前土体的被动土压力，也可以增强抗倾覆性及提高地基的稳定性，还可减小断面尺寸。在不良地基条件下，优先考虑设置凸榫。在抗倾覆方面，要验算地基应力，防止地基出现过大下沉，同时，验算偏心距来防止因基底过度不均匀沉降而引起墙身倾斜。在横向陡坡段，通过设置台阶式挡土墙，可有效降低挡土墙的设置高度和截面尺寸[3]。

4 结论

路基水毁对于支挡与防护的圬工需求量大，基于当地的气候、降雨、水文、地质等因素，在满足一般性防护设计的条件下，选用合理的支挡与防护形式，并基于其进行计算，通过倾斜基底或设置凸榫等方式，在保证安全的前提下，可很大程度优化支挡与防护的圬工量，节约工程投入，保证工程的经济合理。