论鹤大高速七台河至鸡西辅道重丘路段路堤的综合设计

徐艳海,韩 健,刘 轩

(1.黑龙江省路友工程招标代理有限公司;2.黑龙江公路勘察设计院;3.东北林业大学)

0 前 言

黑龙江省是一个暴雨成灾的地区,每年的公路、铁路水毁事件令各级管理、养护部门疲于应付,严重地影响了当地人民正常的生产和生活,给当地的国民经济建设造成了巨大的损失。在山区公路建设过程中,如何确保山区公路路基的稳定性,防止路基失稳,加强排水,并充分利用荒山荒地弃土,节约宝贵的农业资源是每一位道路设计人员要面对的首要问题。

鹤大高速七台河至鸡西辅道为鹤大国家高速公路辅道的一部分,途经七台河市勃利县、鸡西市鸡东县、鸡西市滴道区、鸡西市城子河区。全长约 75.5 km,设计计算行车速度为 40 km/h,路基宽 8.5m,路面行车道宽 7m。

鹤大高速七台河至鸡西辅道所经路线所处区域公路自然区划为Ⅱ1区,即东北东部山地润湿冻区,路线位于太平岭山脉北麓,沿线地形以重丘低山为主,山地面积占 36%,丘陵占 23%,低丘岗地占 41%。地形复杂,山岭陡峭。本项目所处区域属大陆性北温带季风气候,年平均气温为3.9℃,极端最高气温为 37.4℃,极端最低气温为 -41℃;全年日照时数为 2 621h,年平均降雨量为 509.6mm,降雨期集中在 6～8月份,占年总降水量的 69%,年蒸发量平均1 269mm;最大积雪厚度为 40 cm,最大冻深为 1.95m,地面稳定冻结日期为 11月中旬,稳定解冻日期为翌年 4月中旬;冬季主导风向为西南风,最大风速为 22m/s。较高的设计技术标准的采用,使得道路路线往往没有太多的选择余地。当道路经过陡峭的山坡坡体,大填大挖和大量的取、弃土都是不可避免的。

从而使得工程技术人员在进行路基稳定性、排水、防护和环保设计时必须进行综合分析考虑,跳出传统的设计思路,敢于充分利用不良地形条件,化不利为有利。同时又确保或进一步提高路基的稳定性,减少道路运营期间的隐患,得到一个完美的、质优价廉的设计方案。

1 实 例

1.1 路段概况

鹤大高速七台河至鸡西辅道鸡西市内 K 41+150～K 41+550段的 400m范围内,路线纵断面经过了填、挖九次变换,可见该段地形变化之频繁。在完成道路平纵横综合优化设计后,区段内土石方不能填挖平衡,为综合弃土区。经调查,道路坡脚左侧为林地和旱田,单独从弃土的角度考虑,向路基左侧弃土确实简便易行。但路基左侧征用为弃土场将严重破坏生态平衡和影响当地人民的正常生产生活。而且农田(尤其是高产良田)的大幅度减少,已经成为全省乃至全国农业生产的首要问题。征用农田弃土对于当前全国农田面积大幅减少更是雪上加霜。本着一切从实际出发的原则,应该尽量利用荒山荒地作为零散弃土场,降低集中弃土的程度。

1.2 设计方案

(1)设置涵洞方案

按照通常的设计思路,只需在每段沟谷处设置一道涵洞加强排水即可。在此处就意味着需要连续设置 4道长约20m的1×3m的盖板涵或圆管涵来排除汇水面积仅为0.16 km2的积水。这将会增加 20余万元的工程造价,目的仅仅是为了路基的稳定,没有任何便民或其他方面的必要性。

(2)不设置涵洞方案

考虑工程的经济性,不设置涵洞对于工程造价将是一个很大的节省。但单独设置路基边排水沟是不可能完全及时排除路线右侧沟谷中的积水的。路基右侧的积水若不能迅速排除,将渗透到路基基底,并将对路基的稳定性产生非常不利的影响。

(3)采用的综合处理方案

依照道路排水系统设计考虑,可将该地形路基横断面设计成路右侧完全填起,并设计成表面保持 5%左右的坡度倾向于道路一侧,使得道路右侧的汇水能及时排向路基边缘的排水沟。同时填方路段的排水沟可以和挖方路段边沟顺畅连接。从而确保路线右侧排水的顺畅,使得路基的稳定性不再受到不利季节积水的影响。同时,可以大大减少设置涵洞的数量,节约工程造价。

依照道路路面稳定性对排水的要求,将填方段的排水沟平均向外移动 3～5m,尽可能减少排水沟可能的渗水或溅水对公路路面干湿状况的影响。设计时将整个填方路段排水沟的四周包覆土工布。

为尽可能减少弃土堆表层渗水对路基基底的影响,采用以下几项防护处理措施:①设计时在整个弃土堆的上层铺设一层土工布,然后上覆 20 cm粘土,种植绿化草皮和树木,减少水土流失;②在弃土堆与山体相接处的边缘,开挖山坡坡体,将土工布埋置在山坡坡体内以减少接合部的渗水现象。同时在开挖坡体上方 5m处设置截水沟。③整个弃土堆的填筑和压实按照路基土石方的填筑和压实要求进行处理。

1.3 弃土堆的稳定

按照路基的稳定性要求,在路基右侧设置弃土堆后将会对该段整个路基的稳定性产生极大的影响,而且成为该设计思路能否顺利贯彻实施的制约性因素。

1.4 稳定性验算

在地面横坡陡于 1∶2.5时,路堤可能沿地面下滑,造成路堤变形过量而破坏,这是一类稳定问题。因此对陡坡路堤应进行稳定性验算。以鹤大高速七台河至鸡西辅道 K51+500断面为例,进行综合处理后的路基稳定性验算。

依据钻探资料,填料容量 γ=1.87 t/m3,φ=27°30′28″(f=tanφ=0.381)。取路基下滑的稳定系数为 K=1.25,且辅道的设计车辆荷载为公路Ⅱ级,车辆荷载的纵向分布长度为 13m,横向分布宽度为 5.5m,换算土柱高度为 h0=nG/γBl=2×55/(1.87×5.5×13)=0.82m。

具体验算过程详见表 1。

表 1 陡坡路堤稳定性验算

剩余下滑力 E=-175.4 t,路堤稳定,不须加以处理。

在鹤大高速七台河至鸡西辅道K 51+500桩号处路基横断面与弃土场联合设计后,能顺利通过路基稳定性验算,表明该设计完全可以顺利、安全地实施。在该区域内实施该方案后可弃土约 3万m3,节约弃土面积约 5亩(1亩=666.6m2)。

2 推广运用的体会

2.1 增强稳定

在采用上述思路进行设计时,如果陡坡路堤验算后不能满足路基稳定性的要求,考虑到下滑的主要原因,除地面横坡过陡或基底接触面情况不良、摩擦阻力过小之外,与地表水和地下水密切相关。因此,可以有针对性地采取增强其稳定系数的措施。

(1)改善基底状况

增加基底滑动面抵抗路堤下滑力的摩擦阻力,如清除表层松软的覆盖土或基底夯实,使路堤置于坚实的土层上;开挖台阶改善基底受力情况;放缓边坡,以减少路堤下滑力等,并在路堤上方一侧开挖截、排水沟以阻止地表水浸湿基底从而降低接触面的阻力;若受地下水的影响,则应设渗沟,以疏干基底土层,提高抵抗下滑的能力。

(2)改变填料及断面形式

如采用粗颗粒填料填筑或放缓边坡坡度增大抗滑面积及摩擦阻力。

(3)设置支挡结构物

在边坡直脚处设置支挡结构物,如石砌护脚、石砌挡墙等。

采用上述措施综合处理直至通过验算。

2.2 高填方的稳定

对于山岭重丘陡坡路段,在推广运用时应特别注意填方总高度土、石质超过 20m或砂、砾质超过 12m的高路堤稳定性问题。除应进行高路堤稳定性验算外,更加需要注意路基基底状况,了解地基浅层有无软弱夹层和地质不良地段;地下水及地表水对稳定性有无影响等。防止由于高路堤失稳而引起连锁破坏。

2.3 施工效果

目前,鹤大高速七台河至鸡西辅道正处于施工阶段,依照该设计方案实施后,业主单位取得了良好的经济效益,在弃土方面节约了大量的人力、物力和财力。同时取得了良好的社会效益,节约了宝贵的农业资源,并且有利于道路的排水通畅和沿线的环境保护。

3 结 语

公路的建设与环境保护在设计过程中必须得到高度的协调和统一。尽最大可能地利用荒山荒地,减少农田的占有量是每一位道路工程师的应尽职责。

在保证工程质量的前提下,尽一切可能降低工程造价。敢于创新,在设计中使用新结构、新工艺、新材料和新方法,从而提高道路工程设计的科技含量。综合前人已经取得的各种经验教训,努力探索,不断完善和提高运用科技知识解决问题、难题的能力。

[1] 交通部标准.公路工程技术标准(JTJ 001-97)[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 交通部标准.公路路基设计规范(JTJ 013-95)[M].北京:人民交通出版社,1995.

[3] 高速公路丛书编委会.高速公路路基设计与施工[M].北京:人民交通出版社,1998.

[4] 陆鼎中,陈家驹.路基路面工程[M].上海:同济大学出版社,1998.

[5] 朱新时,蒋周平.公路排水设施[M].北京:人民交通出版社,2000.