浅析朔黄铁路路堤高边坡病害特征及防治技术

魏兴国

朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司 山西 原平 034100

1 研究背景

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相连，东至河北省沧州市黄骅港口货场，为一条双线电气化重载铁路，全线长约598公里，是国家能源集团一体化工程中的重要组成部分。2000年5月正式开通运营，2009年朔黄铁路万吨、两万吨扩能改造逐步完成，并于当年首列万吨列车正式开行，2014年9月30吨轴重2.5万吨重的列车在朔黄铁路开行。现年运输能力已达3.5亿吨，远期4.5亿吨，对保证华东、东南沿海地区能源供应具有极其重要的战略意义。

朔黄铁路在取得如此成绩的同时，大运量、大轴重、高密度的运输模式，加上铁路修筑时间长，且当时修建技术较落后，导致了各种边坡病害的快速发生、发展。特别是朔黄铁路西段原平分公司管内地处山区，高填深挖，近几年路堤高边坡病害频发，严重影响了朔黄铁路的安全运营。路堤高边坡坡脚是应力集中区，特别是在运营动荷载作用下对于受力敏感性较高，遇强降雨天气当雨水汇集于路堤坡脚时会显著降低填土的物理力学参数从而造成坡体溜塌、坡脚支挡措施开裂甚至变形失效等病害，对线路的安全运营造成了严重影响。

本文通过调查朔黄铁路K201+140～+200路堤高边坡溜塌的成因及对其病害形成机理及影响因素的研究，有针对性地提出对于此类高边坡溜塌病害治理的工程措施，对于沿线此类边坡的加固防护有一定的借鉴意义。

2 工程概况

病害点为朔黄线K201+140～+200段路堤高边坡，本区属山前坡脚河谷地带，地形起伏较大。

根据地质资料揭示，地表上覆第四系全新统（Q4ml）人工填土，下伏基岩为太古界（Ar）混合岩。人工填土：棕黄色，厚度13～20m，层厚不均，主要以粉土为主含少量碎石，稍密，稍湿。太古界（Ar）混合岩：在本区广泛出露，灰黄色，以石英，长石为主，变晶结构，强风化[1]。

工程位置属Ⅰ级构造单元为中朝准地台。工程影响范围内未发现断裂等地质构造。

该区域属暖温带半湿润季风大陆性气候。四季分明，春暖夏热秋爽冬寒。年平均气温12.7℃，极端最高气温41.8℃，极端最低气温-17.9℃；多年平均降水量609mm；多年平均蒸发量1815.4mm；最大季节性冻结深度90cm。

3 病害特征及形成机理

朔黄铁路K201+140～+200段局部浆砌片石护坡已发生鼓胀开裂，勾缝脱落现象。2016年7月，经连续强降雨后，该路堤高边坡发生溜塌，急需对其进行治理。

该溜塌病害主要有以下三种特征：①坡脚脚墙开裂、土体挤出、浆砌片石护坡鼓胀开裂，局部形成贯通裂缝；②护坡砂浆勾缝脱落，片石鼓胀外挤；③边坡平台上出现纵向裂缝，并伴有不均匀下沉。病害照片见图1。

图1 病害照片

对病害边坡形成机理进行分析可以得出，形成朔黄K201+140～+200段路堤边坡溜塌病害的主要原因有以下几个方面：

3.1 动荷载对高边坡的影响

高陡边坡对于振动效应的敏感性较高，同时高陡边坡会放大动荷载的影响，该段路堤边坡平均高度14m，地层为人工填土。朔黄铁路上常年重载、高频运行列车对高陡路堤边坡有一定的影响，根据文献[2-3]等研究结果表明，在列车低频振动荷载重复作用影响下，填方路基更容易产生病害。

3.2 施工质量影响

根据现场调查发现，既有护坡存在坡面浆砌片石厚度较薄、砂浆松散易渗水、平台截水沟排水不畅等病害，这些施工质量问题导致坡面及平台积水难以及时排出，从而下渗于坡体内，增强了坡体内孔隙水压力同时，坡脚脚墙不足以满足在暴雨天气下坡体稳定性的要求，从而导致了本次病害的发生。

3.3 水的原因

水是导致此次病害发生的主要原因，2016年7月份在该区发生持续降雨天气，由于雨水下渗造成了路堤填土局部达到湿润～饱和，使得岩土体重度变大，边坡岩土体在雨水浸泡和渗流作用下，发生软化，岩土体物理力学性能变差，同时降雨改变了土的含水情况降低了土的基质吸力[4-5]，从而降低土的抗剪强度，最终导致边坡失稳。

4 坡体稳定性分析及加固方案设计

通过对朔黄线K201+140～+200段路堤边坡溜塌病害的调查结果来看，目前病害主要为坡脚发生溜塌破坏，暂时不会导致大型灾害的发生。但是如果对坡脚溜塌区不能及时进行治理，在雨水下渗，重载列车的动荷载的耦合影响下，极有可能造成整个路堤坡体的滑塌，危及列车行运，造成严重的后果。本文结合现场实际调查与数值模拟手段相结合对K201+140～+200段路堤边坡稳定性进行了综合分析。

4.1 坡体稳定性分析

根据病害特征、形成机理及岩土力学参数，采用传递系数法对坡体在不同工况下的稳定性进行了分析计算。参数及稳定性计算结果如表1、2所示。

表1 坡体人工填土物理力学参数

表2 各工况稳定系数计算表

根据上计算结果及滑坡稳定性状态划分原则，认为该段边坡在天然状况下处于基本稳定状态，在暴雨状况下处于不稳定状态，因此该段路堤边坡需要加固整治，防治因边坡体失稳而造成生命和财产安全的损失。

4.2 边坡数值模拟

本文采用ABAQUS有限元数值模拟软件对该段路堤边坡进行了模拟分析，图2为路堤边坡在天然状态的自重应力分布，从图中可以看出坡体在天然状态下自重应力按照地层深度呈线性分布，符合自重应力一般分布规律。

图2 坡体自重应力分布云图

图3、图4为通过强度折减法模拟边坡在降雨受雨水下渗土体物理力学参数降低后边坡在水平方向位移增量、坡体塑性区云图，从图3可以看出经过雨水入渗后路堤边坡在坡脚处产生明显位移，坡体存在会从坡脚剪出从而导致整个路堤失稳的危险。图4的坡体塑性区云图也表明该段路堤边坡在坡脚处会发生破坏，这与现场调查情况基本吻合。

图3 路堤边坡X方向位移增量云图

图4 路堤边坡塑性区云图

通过对该段路堤边坡的稳定性分析、数值模拟和现场实际调查，结合定性、定量分析手段综合得出该段路堤边坡发生的病害如果不能及时治理，任由其发展将有可能导致整个坡体失稳，对朔黄铁路线的运营造成严重的影响。

4.3 加固方案

根据对K201+140～+200段路堤边坡病害的机理分析，该段路堤产生病害主要是由于雨水入渗导致岩土体物理力学参数降低，同时，坡脚脚墙支挡措施不足以维持整个坡体的稳定性，因此对于该段路堤病害的治理主要从“治水、压脚”这两点出发。主要治理措施如下：

（1）截水措施

为防止地表汇水和雨水入渗坡体，将路堤及平台上破损严重、排水不畅的截、排水沟拆除重建，对护墙中失效的泄水孔进行重新施作，同时在坡体中下部增加一排深层排水孔排出坡体内积水[6]。

（2）“压脚措施”

本次主要病害为边坡坡脚发生滑塌，原设计的脚墙支挡稳定性不足，为防止路堤边坡局部或整体失稳，在坡脚处设置桩板墙支挡结构，对坡体进行加固。坡体加固方案设计代表性断面如图5所示。

图5 加固方案代表性断面

5 结束语

通过此次对该段路堤高边坡的调查研究及综合整治笔者有以下几点体会：

（1）路堤高边坡长期在列车运行的动荷载影响下，填土路基可能已经发生缓慢的蠕变变形，加之强降雨天气下，雨水下渗导致边坡体的物理力学参数和基质吸力变小，同时雨水入渗也会形成一定的静水压力，在这几种力的相互耦合作用下极有可能造成边坡失稳，因此防排水对于路堤边坡显得尤为重要。

（2）路堤高边坡在雨雪渗融、长期动荷载相互耦合作用下容易发生病害。因此路堤高边坡支挡防护设计时，需要加强支挡结构，达到一次设计整体稳固的目标。