公路修复路堤侵蚀敏感性与边坡稳定性比较

王佳伟

(中铁十八局集团第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

在银昆高速宁夏段内,挖填边坡导致了浅层边坡破坏和地表侵蚀,地质灾害频发,许多基础设施遭到破坏。宁夏地区风化花岗岩丰富,常被用作填土材料。风化花岗岩的主要成分为粉砂,由于抗剪强度较低,极易发生冲蚀破坏[1-2]。边坡失稳和公路侵蚀破坏给人们生产生活带来了一定程度的危害和影响,为解决由风化花岗岩冲蚀破坏造成的边坡失稳和路堤侵蚀,目前采用的最具成本效益的侵蚀控制和边坡防护方法是土壤生物工程和生态边坡工程[3-4]。本文通过田间观察和试验评价,研究了五种不同的侵蚀控制方法对公路路堤边坡的侵蚀敏感性和稳定性的影响。每种方法均结合香根草技术、土毯、土壤圆木、黏土草、土工格室植被护坡和侵蚀控制垫室等多种侵蚀控制和稳定方法。

1.现场试验

1.1 测试地点和现场仪器

试验场位于宁夏地区的银昆高速太彭段公路项目。其中LJ08-3路段的边坡由风化花岗岩组成,主要成分为非塑性砂质粉砂(SM)和黏性砂(SC),塑性指数为10%,液限为30%。通过现场观察可以发现,部分边坡段存在少量卵石。该地点在2020年12月曾遭受大雨。大量地表径流和地下水压力的增加导致边坡严重侵蚀和浅层边坡破坏,如图1所示。为对边坡进行修复,本文提出了五种不同的侵蚀控制和护坡方法,并在遭受破坏的边坡上进行了施工。根据我国公路路基施工技术规范[6],对基底花岗岩进行重新压实,然后在夯实的边坡上安装侵蚀控制测试设备,各侵蚀控制部分的组成如表1所示。

表1 侵蚀控制方法

图1 施工现场布局

该边坡剖面的平均高度在23～35 m之间,坡角在25～34°之间。施工段的设计主要是为了控制地表侵蚀和增加边坡稳定性,每段均包含水平排水沟、侧沟、截流沟和排水沟。

1.2 岩土工程调查

依据公路路基施工技术规范中提到的渗透测试试验,沿边坡0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m深度处分别安装张力计,对五个测试段进行岩土工程调查,以测量孔隙水压力和吸力[5-6]。渗透试验结果表明,风化花岗岩的厚度小于3 m。天文台安装了翻斗雨量计,用于收集在测试时间内该地降雨量数据。通过现场观测、边坡内孔隙水压力分布和降雨监测,对5个断面的性能进行了评价。该路段施工完成后,分别在2020年雨季中期(6月24日)和末期(9月14日)进行了两次野外观测。

2.气候条件及降雨量数据

试验区海拔为2175 m,年平均气温20℃左右。属云林气候,空气湿度高,蒸散量相对较低,2020年采集到的总降雨量为3462 mm。月降雨量和日降雨量汇总在表2。可以看出,9月是2020年降水量最大的月份,日最大降雨量为110 mm。由该地年均和月均降雨量可知,试验区降水格局具有降水持续时间长、强度中等的特点。这种降水强度相对较大的前期强降雨会导致大量雨水渗入边坡土层中,造成边坡处相对较高的孔隙水压力和土壤水分。

表2 2020年月降雨量

2.1 雨季中期的侵蚀类型

2020年6月24日正值雨季中期,当年的累计雨量已达1350 mm,当日对A～E五个修复路段的观测结果如下。

A段:采用防蚀毯、防蚀原木和黏土草皮。该段几乎没有出现侵蚀现象。香根草在边坡上部生长良好,由于边坡下部的香根草接受的有效日照时间有限,日照强度较低,无法达到植物生长所需的正常日照时间,香根草在边坡下部生长状况相对边坡上部较差。

B段:采用侵蚀控制原木和黏土草甸。通过现场观测在B段边坡的不同部位发现了严重的侵蚀,产生了包括沟蚀和片状侵蚀在内的侵蚀类型。边坡的黏土层未受保护,被径流冲刷,几乎从坡面消失。

C段:采用侵蚀控制毯和侵蚀控制原木。该段仅在部分地区发现中度侵蚀,总体来看侵蚀程度小于B剖面,高于A剖面,由此可知B剖面的黏土夹层在一定程度上有助于减少侵蚀。

D段:采用土工格室。该段观察到严重的侵蚀,土工格室下面的土壤由于径流的冲刷大量流失。若未通过控制侵蚀原木来减小地表径流速度,坡脚处的侵蚀将加剧。

E段:采用综合侵蚀控制垫。该段可观察到细沟和一些沟壑形式的轻度到中度侵蚀。在坡脚处,如果没有控制坡面径流速度的原木,坡脚处的侵蚀将加剧。但由于观测过程中浓雾的存在,该剖面的侵蚀严重程度难以评估。

综上所述,五个试验段在雨季中期受侵蚀程度由高至低排列:A段、E段、C段、B段和D段。然而,这个观测结果是边坡经受降雨后的侵蚀结果,只能反映该边坡在有降雨季节的受侵蚀情况,目前还没有较为完善的方法用于测试边坡修复方法的成本和边坡在较长时间内的受侵蚀情况。

2.2 雨季末的侵蚀类型

2020年9月14日,雨季即将结束,试验区累计降雨量超过3400 mm,通过实地观测发现五个断面均出现严重的侵蚀现象。在试验区可观察到各种类型的侵蚀,如侵蚀碗、侵蚀沟(深度为1.0～3.0 m,宽度为0.5～5.0 m)和片状侵蚀。香根草的根生长得较短,多数情况下无法实现对边坡的加固,这可能是由于该地区日照不足、气候寒冷、侵蚀等因素的影响导致香根草生长受阻,无法发挥其正常功效。

3 孔隙水压力测量

本次试验使用安装在0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m不同深度的KU-张力仪对边坡进行孔隙水压力和吸力测量。图2为A段在枯水期(2020年2月27日)和雨季(2020年9月15日)的孔隙水压力的测量结果。可以看出,在枯水期,孔隙水压力主要为负值,而雨季末期大部分的降雨和地下水渗流使边坡产生内渗透,孔隙水压力增加,数值变为正值,表明孔隙水压力存在于地下水位2.0～3.0 m的位置处。而边坡下部3 m深度处的孔隙水压力为负值,如图2(c)所示,表明在基层的花岗岩和压实边坡之间存在排水路径。

(a)上部

图3为五个路段的孔隙水压力分布。可以看出,大部分断面未饱和,A段剖面的孔隙水压力高于其他剖面。这与地形和水文地质因素有关,而与土壤覆盖系统无关,结果表明A段更接近天然的沟壑。

(a)上部

由于数据记录仪在采集边坡失稳数据时受到损坏,边坡失稳时的孔隙水压力数据丢失。雨季结束时(2020年9月15日)的孔隙水压力被认为是当年的最大孔隙水压力。因此,设计中使用的孔隙水压力值至少应大于实测值,今后设计时应采用孔隙水压力系数ru=u/(γH),取值为0.4～0.5。孔隙水压力及其与降雨量相关的信息越充足,设计孔隙水压力时的取值越合理。

4 边坡稳定分析

基于有效应力原理,在边坡稳定性分析中采用通用极限平衡法对A段剖面的边坡失稳进行了分析。假定边坡孔隙水压力系数ru=u/(γH),取值为0.55。假设在边坡受侵蚀过程中的ru值大于雨季结束时的观测值,观测到的滑移面如图4所示,分析中使用的抗剪强度参数如表3所示。这些数值与国内外报道的花岗岩残存土的相关数据吻合较为良好。通过对图4的滑动面进行分析,得出的安全系数(FS)为0.95,与现场观测结果吻合较好。

表3 边坡稳定性分析的参数

图4 由A段剖面稳定性分析得到的滑移面

5 结论

研究结果表明,当年降水量小于1400 mm时,坡面侵蚀控制毯、坡面侵蚀控制原木、植被适宜的黏土草甸对坡面侵蚀控制效果最佳。而对于年降水量大于3400 mm的长时间降雨,文中所研究的路段均遭受了严重的侵蚀。雨季末监测的孔隙水压力系数ru=u/(γH)值在0.4～0.5之间。基于边坡稳定性分析,假设破坏时ru=0.55,抗剪强度参数c′=10 kPa,φ′=40°,得到的安全系数为0.95。