高寒地区路堑边坡柔性防护技术应用研究

2022-03-07常明军CHANGMingjun魏明WEIMing井含伟JINGHanwei科文萍KEWenping明锋MINGFeng

价值工程 2022年8期

常明军 CHANG Ming-jun；魏明 WEI Ming；井含伟 JING Han-wei；科文萍 KE Wen-ping；明锋 MING Feng

（①海北藏族自治州交通运输综合服务中心，海北 812200；②海北藏族自治州交通运输综合行政执法监督局，海北 812200；③中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州 730000）

0 引言

我国多年冻土面积约占国土面积的22.5%，主要分布在西北部和东北部。随着振兴东北和西部大开发战略的深入实施以及对高海拔、严寒地层等地质条件下的资源不断开发，高寒地区的交通网络建设和基础设施建设得到很大发展。然而，高寒地区道路边坡的稳定性问题也日渐凸显[1]。统计结果表明在2008～2010年三年时间里，寒区边坡失稳事件多达5万起，而且有逐年增加趋势。边坡失稳导致道路瘫痪，造成交通堵车，且维护难度大，严重影响道路安全。根据《国家公路网规划（2013年～2030年）》，已在高寒地区规划了多条高速公路及高等级公路。因此，如何确保高寒地区边坡的稳定，己经成为寒区工程建设中亟待解决的关键[2]。

现有工程经验对冻土采取的是“宁填勿挖”的原则，然而，在实践中仍然存在冻土挖方的问题。传统经验的禁锢导致国内多年冻土区挖方路基技术尚未形成系统、完整的理论。参考普通地区的边坡防护结构，尽管有多种防护措施已经被用在寒区边坡支挡结构中，但实践效果却并不理想（图1）。这是因为高寒地区边坡有其独特性。受周期性气候变化的影响，寒冷地区的路堑边坡的土体将经历冻胀和融沉两个阶段[3]。在地下水补给相对充足的情况下，土体在冬季发生冻胀，挡墙或护坡结构（混凝土板或浆砌片石等）将被顶起。当外界温度较高，土体在春季或夏季发生融沉。当挡墙或护坡结构在融沉时不能完全恢复原位，就会导致局部的破坏。此外，传统刚性挡土墙后的水平冻胀力很大，可到300kPa[4]。这对护坡结构的完整性存在较大的威胁。可以看出，高寒地区边坡因其特殊的环境特点，常规护坡方式存在一定的局限性。

图1 边坡支挡结构破坏

近年来，格宾石笼因其具有结构型式多样、适应性强、绿色环保、经济实用等特点，被广泛应用于河道治理以及边坡支挡等工程中。格宾石笼挡土墙能够有效提高挡土墙结构的整体性与完整性。由于格宾石笼的网箱用的是强度高、耐腐蚀的低碳重镀锌钢丝，并且是机械编织而成，其力学性能和耐久性均有明显提高[5]。因此，即使格宾石笼发生局部破坏，其仍具有一定的承载力，可以抵抗不同形式的弯曲应力、拉应力以及剪应力。此外，相对于传统混凝土挡墙和浆砌石挡墙，格宾石笼挡墙具有与周围自然环境融合度高的能力，符合目前节能减排的要求[6]。因此，拓展格宾石笼挡墙在高寒地区公路边坡防护等领域的应用具有重要意义。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

海北州位于青海湖北岸和祁连山脉之间，冻土区属于祁连山中段大通河谷地山地冻土区和祁连山黑河上游高寒带高山冻土区，在海拔3700～4000m间分布有岛状多年冻土，在海拔4000m以上高山分布有非连续片状多年冻土，经多年地质钻探研究，祁连山区冻土随气候变化在逐年退化，近40年来，冻土分布面积在逐渐减少。该地区年平均地温-0.8℃～0℃，冻土上限深度2～5m之间，冻土下限深度27～64m之间，年平均地温-0.84℃～-0.2℃之间，属于冻土高温不稳定带。区域内土层大多为砂砾石土，表层覆盖草皮。

1.2 主要病害特征

在海北州已建成的G227达坂山至景阳岭段、G213热水至大冬树山段、G338盘坡至木里段、S301野牛沟至二指哈拉山段，以及刚油公路、茶默公路、天默公路、小东索旅游公路、刚察至热水公路、铁麻公路等县道和部分乡道、村道公路出现了路基路面沉陷、边坡消融垮塌等病害，严重影响公路的通行安全（图2）。尤其农村公路在建设当中前期工作较粗，缺少地质勘察，设计深度不足，对冻土区公路一般不做相应的工程设防，对后期运营带来更大的影响，甚至出现大面积地质灾害，如刚油公路江仓至油葫芦段2010年建成后出现了3处富冰冻土区山体消融，形成热融滑坡体和融沟而使交通中断。为此如何对高寒冻土区农村公路路基进行有效加固，提高路基稳定性、保障公路安全通行，是海北交通高质量发展面临的难题之一。

图2 典型边坡失稳

2 路堑边坡病害形成机制

与非冻土区边坡稳定性的影响因素不同的是，寒区边坡还经历着环境温度变化的影响，这是因为冻土的物理力学性质与温度变化密切相关。根据边坡失稳的表现形式，可根据滑塌部位可分为浅层失稳、中部失稳和整体失稳三类[7]。现场地质调查发现，边坡失稳区域存在高含冰量冻土，地表植被稀疏。寒冻风化作用强烈，路堑边坡失稳具有明显的季节性。已有资料表明，在11月至次年4月、5月间寒冷季节边坡变形趋缓或不发生变形，而5月至11月间较温暖季节边坡变形病害比较集中，尤其在雨季易发生大面积滑坡等重大地质灾害。这是因为，当环境气温回升，边坡表层土体开始融化，由于下部的土体还没有融化，导致水分在边坡浅层土体内聚集，可能使得土体处于水分饱和或过饱和状态。此时孔隙水压力增大，将造成边坡失稳[8]。

现场调查发现，现有寒区公路路堑边坡多采用放坡结合混凝土挡墙。然而，这样的组合方式在冻土区并不适用。这是因为一方面，混凝土挡墙属于刚性支护，难以适应冻土地基不均匀融化；另一方面，混凝土挡墙阻碍了挡墙背后水分的迁移，导致冬季在挡土墙背后形成较大冻胀力，破环混凝土结构[4]。这将对挡土墙结构和边坡稳定性造成巨大影响。

由于农村公路投资少，建设项目前期工作深度不足，都未进行地质勘探，在项目实施过程中，因地质原因应发的路基边坡病害较普遍。此外，在工程尺寸及路基高度、路面宽度等和路线走向阴阳面差异、表面状态吸收太阳辐射的能力及工程防护措施等工程条件方面的考虑存在不足。

3 防治方案

针对高寒地区路堑边坡失稳特征，以及支挡结构破坏原因，经过多次实地勘察，结合多年的建设管理实践，总结了“排水减重、早期预防、柔性防护、生态恢复”的治理方案，应用拦截和疏通地表水及地下水、石笼护坡+植被修复的工程措施进行综合治理。根据现行相关规范要求，对格宾石笼挡土墙进行了抗滑移、抗倾覆、整体稳定性、地基承载力等验算。确定了图3的格宾石笼挡墙设计方案。

图3 格宾石笼挡土墙设计

为了更好的理解设计意图，现针对此设计方案进行说明：

①格宾石笼由采用镀锌铁丝包裹PVC的铁丝绑扎而成，然后在绑扎成型的网箱中填充就地取材的块石。格宾石笼埋置深度为0.5m，错缝布置，并在适当位置设置“U”形加强筋，以提高宾格石笼的整体性。

②设置外保温层的目的是防止挡土墙结构发生冻胀产生冻胀力而破坏整体结构。格宾石笼外保温层由复合防水板和保温板组成，复合防水板由土工布和防水板组成。复合防水板密贴宾格石笼外侧满铺，完全阻断格宾石笼积水浸渗保温板，确保保温板不受破坏。保温板所用材料不仅包括保温所用聚酚醛等保温材料，还包括防水抹面砂浆和装饰层，所用材料应具有优异的保温性能。保温填充层位格于宾石笼与边坡坡面之间，自下而上填充中粗砂建少边坡土体冻胀带来的冻胀力，兼具保温和排水作用。

③边坡排水系统包括深入边坡的仰斜式泄水孔、用于汇集边坡排水的坡面汇水管和位于边坡坡底的沿坡面纵向布置的双壁波纹管，其中仰斜式泄水孔直径宜为50mm，内置直径42mm钢花管，泄水孔沿坡面梅花形布置，间距宜为250×200cm。坡面汇水管沿坡面，宜采用直径110mmPVC管，纵向间距2.5m/道，坡面汇水管沿坡面顺坡布置，采用三通分别与仰斜式排水管和双壁波纹管连接。

④深埋排水沟由横向汇水管、混凝土基座、上半圆透水波纹管、碎石填充和土工布组成。深埋排水沟沟底标高应低于宾格石笼底面1m以上。横向汇水管边坡一侧与双壁波纹管通过三通连接，另一侧深入上半圆透水波纹管内，目的是将边坡水排入深埋排水沟。通过碎石填充可以将宾格石笼内积水汇入深埋排水沟。深埋排水沟最终将汇水排出路基外，保持边坡和宾格石笼干燥。而深埋排水沟由于埋深较大，可以防止汇水结冰堵塞排水沟，确保水流通畅，防止冻融。