甘肃和政地区松散层路堑边坡病害防治方案优选
2022-09-20谈兵李茂山
谈兵、李茂山
（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030）
0 引言
近年来，随着和政县公路建设的发展，在公路建设过程中形成了大量松散层或松散层-泥岩、砂岩路堑边坡。其中以残坡积粉质黏土、含砾粉质黏土土边坡发育最为广泛。此类边坡在低等级公路建设时，受投资资金限制，大多没有完善的边坡支护措施，在强降雨条件下，易发生边坡失稳破坏。2018年和政县夏季降水量为545.3mm，与历年相比增加79%，其中7月降水量较历年增加81%，8月降水量较历年增加142%，区域性暴雨出现次数及强度属历史罕见，造成和政县多处松散层边坡发生失稳破坏，对当地交通运输安全造成威胁。故对此类边坡防治方案进行研究对当地公路边坡病害处治具有一定的指导意义。
1 和政地区松散层路堑边坡特性及破坏模式分析
1.1 边坡特性
和政地区松散层路堑边坡受其所处地理位置及岩土体性质影响，与传统松散层边坡相比具有以下特性：
1.1.1 保水性强
受和政地区湖湘沉积地层控制，松散层堆积物黏土占比大，黏粒含量高，孔隙小，坡体透水性差，保水性强。
1.1.2 冻融作用强烈
和政县海拔高度为1900～4368m，海拔高低悬殊，夏季短而凉爽，冬季漫长而干燥，气温寒冷多变。结冻期为10月至来年4月，长达5 个月。区内降水量大，坡体细粒含量较大，易发生冻结，春季冻融作用明显。
1.2 破坏模式分析
边坡失稳的原因除外界作用力打破其原始的应力平衡状态外，主要为坡体岩土体自身抗剪强度受外界因素影响而降低。降雨作为诱发边坡失稳的主要因素之一，其对黏性非饱和边坡的影响尤为显著。随着降雨入渗，坡体土中基质吸力迅速下降，导致土体抗剪强度降低，引起坡体失稳。和政地区黏土占比较大的松散层路堑边坡，具有渗透性差、保水性强的特点。在强降雨条件下，雨水很难入渗至深层，浅层土体先达到饱和状态，易发生浅层蠕滑和溜塌。表现形态多为坡面泥流和浅表层溜塌，见图1。在连续降雨条件下，表层土体逐步达到饱和，坡体顶部易发生蠕变，在坡面形成裂隙，为雨水提供了入渗路径，坡体饱和区会逐步发展加深，易发生坡体沿裂隙面或隔水层发生滑塌，见图2。
图1 坡面浅层溜塌
图2 松散层滑塌
2 防治方案设计与比较
2.1 防治方案设计
根据和政地区松散层路堑边坡的特性和常见破坏模式，结合工程实践过程中典型松散层路堑边坡病害，对其进行边坡防治方案设计。在考虑坡脚支挡的同时，应加强坡体截水、排水设计，有效降低坡体含水量。常用的设计方案为：混凝土挡土墙配合坡体截水、排水方案和石笼挡土墙配合坡体截水、排水方案。
2.1.1 混凝土挡土墙配合坡体截水、排水方案
（1）坡顶设置截水沟。
（2）采用缓边坡放坡，边坡坡率1∶1.5。
（3）路侧设置边沟，边沟底套设盲沟，降低路基范围地下水。
（4）坡脚设置外露高度为3m 的混凝土挡土墙。
2.1.2 石笼挡土墙配合坡体截水、排水方案
（1）坡顶设置截水沟。
（2）采用缓边坡放坡，边坡坡率1∶1.5。
（3）路侧设置边沟，边沟底套设盲沟，降低路基范围地下水。
（4）坡脚设置高度为3m 的石笼挡土墙。
见图3、图4。
图3 混凝土挡土墙配合坡体截水、排水方案
图4 石笼挡土墙配合坡体截水、排水方案
2.2 方案分析
两种方案均是在坡脚设置支挡措施，防止坡体应力平衡状态打破后从坡脚发生剪切破坏。但两种方案在安全性、可行性、经济性、耐久性方面存在差异。
边坡处治后的安全性是设计方案首要考虑的问题，也是判断方案是否合理的决定性因素。上述两种方案在加强坡体排水的同时，对坡脚进行了支挡，处治后能够保证边坡处于整体稳定状态。在此前提下，混凝土挡土墙作为刚性支护措施不易发生变形，耐久性较强，但存在其地基承载力要求较高、需对地基进行处理、工程造价较高、坡体表层失稳物质易越过墙顶、坡体内部水不易排出等缺点。石笼挡土墙作为柔性支挡措施，具有对地基承载力要求低、透水性强、墙顶可作为有效堆积区等优点，但亦存在耐用性较差的缺 点。
3 防治方案优选
此次研究拟采用模糊数学理论进行综合评价。首先考虑影响方案的几项重要因素确定评价要素集。然后从评价要素出发对两个方案进行评价，建立评价集。利用层次分析法确定评价要素权重集。最后根据模糊数学最大隶属度进行定量评价，选择出最优方案。
评价要素集：本文选择两种方案的安全性、可行性、经济性、耐久性四个因素作为参与评价的指标，组成评价要素集R。
R={r1，r2，r3，r4}
评价集：对评价要素集中四个指标可建立三个等级进行评价，如“安全性好、安全性一般、安全性差”“可行、基本可行、不可行”“造价高、造价一般、造价低”“耐久性好、耐久性一般，耐久性差”。最终建立评级集S。
S={s1，s2，s3}
挡土墙方案和石笼方案评分标准见表1，量化打分得到评分结果见表2。
表1 各评价要素评分标准
评价指标取值10～6.6安全性好经济性低耐久性好6.6～3.3一般一般一般3.3～0差可行性可行基本可行不可行高差
表2 两种方案评分结果
评价指标安全性可行性经济性耐久性方案一7.5方案二7 5 7 8 7 8 6
四个评价要素对方案的影响程度不同，其重要程度可通过权重的大小表示。用层次分析法确定各评价要素的权重，建立权重集M。在评价要素相互重要性评价时，用数值表示行要素相对于列要素的重要性，见表3。
表3 行指标相对列指标重要程度数值表
判断矩阵数值1 3 5 7 9行指标对列指标相对重要程度同等重要稍微重要明显重要非常重要极为重要
对本文选取的四个评价要素相互之间的重要程度进行评价，得到重要性判断矩阵，见表4。
表4 评价要素重要性判断矩阵
安全性1.000 1.000 0.200 0.333评价要素安全性可行性经济性耐久性可行性1.000 1.000 0.200 0.333经济性5.000 5.000 1.000 1.250耐久性3.000 3.000 0.800 1.000
求解可得判断矩阵最大特征值λ
=4.0098，利用平均随机一致性指标R.I 进行特征值一致性和随机性检验，n=4 时，R.I 取值为0.90，见表5。表5 平均随机一致性指标R.I 取值
n 3 4 5 6 7 8 9 R.I 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45
进行特征值的一致性和随机性检验：
式（2）中：CR 为一致性比率；R.I 为平均随机一致性指标。
由计算结果可知判断矩阵满足一致性检验要求，最大特征值对应的特征向量可作为权重集，用最大特征值法归一化处理得到权重集M。
M =（0.396,0.396,0.085,0.123）
根据两种方案评价要素评分结果表，计算判断矩阵。
Q
为判断矩阵；S
为两种方案的评分数值。得到两种方案评判矩阵Q
。
利用模糊综合评价模型对混凝土挡土墙配合坡体截水、排水和石笼挡土墙配合坡体截水、排水两种方案进行模糊综合评价。
求得最终评价结果向量R = M·Q
按照模糊评判法最大隶属度原则，可以看出设置石笼挡土墙配合坡体截水、排水的防治方案更为经济合理。
4 结语
甘肃和政地区松散层路堑边坡受其所处地理位置及岩土体性质影响，具有保水性强、冻融作用明显等特点。区域内目前对此类路堑边坡的防治方案主要为坡脚设置支挡措施。同时，加强坡体截水、排水设施。其中坡脚常设置的支挡措施为混凝土挡土墙和石笼挡土墙。其中混凝土挡土墙不易发生变形，耐久性较强，但存在其对地基承载力要求较高，需对地基进行处理、工程造价较高、坡体表层失稳物质易越过墙顶、坡体内部水不易排出等缺点。石笼挡土墙具有对地基承载力要求低，透水性强，墙顶可作为有效堆积区等优点，但亦存在耐用性较差的缺点。
本文在定性分析的基础上，运用模糊数学对此两种方案进行定量评价，根据最大隶属度原则，得出对甘肃和政地区保水性强、冻融作用明显的松散层路堑边坡坡脚设置石笼挡土墙配合坡体截水、排水的防治方案更为经济合理的结论。该研究为和政地区今后公路工程建设时，松散层路堑边坡处治方案的选择提供了一定的实践经验和依据。
