建宁县某水厂边坡支护与排水设计

许传贝，陈志敏，陈 滢，陶小飞，赵玉凯

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311100;2.华东勘测设计院(福建)有限公司,福建 福州 350000;3.浙江华东工程建设管理有限公司,浙江 杭州 311100; 4.华北水利水电大学,河南 郑州 450000)

0 引言

边坡(斜坡)是工程建设十分常见的基本工程形式,因此对边坡的稳定性研究直接影响着相关工程建设的安全。随着国民经济的快速发展,我国的建设用地指标日趋紧张,所以诸多工程选址在山坡之上修建,以此来保护耕地和减少相应的支出[1-3]。在这种情况下,山体被开挖或沿坡进行填方,出现许多建筑边坡,如果对这些建筑边坡的处理不正确,那么就非常容易造成滑塌,甚至滑坡。这样不仅影响相关工程的安全,又破坏周边的生态环境。因此为了确保工程中的建筑边坡的稳定,防止坡体失稳,就需要在工程进行过程中采取合理、适宜、安全的边坡支护措施[4-7]。对于挖方、填方形成的边坡,目前已经有了大量成熟的技术和处置方案[8-12],但对于每个具体工程而言,工程地质条件、水文地质条件、气候条件均有不同,还需要针对具体的工程特点,提出适合的支护方案。本文以建宁县某水厂为工程案例,研究该水厂建设形成的挖方边坡和填方边坡的稳定性,对边坡支护方案进行设计,研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

拟建某水厂位于约700 m的山包上,属低山丘陵地貌单元,高20 m～30 m,坡度约30°,植被茂盛。场址中部发育一条南北走向冲沟,宽30 m,长100 m,沟内地势平缓,未见常年性流水。场址北侧、西侧紧邻道路,为填方边坡,北侧边坡的最大高差为12 m,西侧边坡的最大高差约为2 m～8 m,场址南侧、东侧紧邻山体,属于挖方边坡,南侧边坡高度约为16 m～23 m。该边坡为永久性边坡,边坡主体结构设计使用年限为50 a,按安全等级划分,属于一级边坡,当坡顶为路面时荷载按20 kPa考虑,其余坡顶荷载按10 kPa考虑。

1.2 工程地质与水文地质条件

根据勘察成果,该建筑边坡开挖影响范围内的主要岩土层及岩土体物理力学指标见表1。

表1 地勘报告及工程经验取值

拟建场地内地表未见常年性自然流水,场地地表水主要为降雨补给,蒸发或地表径流排泄,地表水对本工程影响较小。地下水含水层性质、地下水埋藏条件,本场地地下水类型以第四系孔隙水及基岩裂隙水为主。第四系孔隙水主要赋存于素填土①1、粉质黏土③2层内,主要受大气降水补给,地表水以及地下水层间补给,以渗流及蒸发方式排泄,地下水水位受季节影响明显。据钻孔资料,勘察期间测得稳定地下水位埋深为2.4 m～15.4 m(高程362.79 m～374.74 m),场地地下水位的年变化幅度为1 m～2 m。

1.3 工程建设面临问题

场地为山坡地形,场址的南侧和东侧紧邻山体,工程建设中需要对存在的山体进行削坡挖方处理,挖方形成的边坡最大高度23 m,为一级边坡,挖方形成高陡临空面,可能造成边坡滑塌,且挖方区表层多为黏土和风化层遇水易软化崩解,在降雨等不利因素影响下极易形成滑坡等地质灾害,为保证挖方形成边坡的稳定,需对挖方形成的高边坡进行支护结构设计。在场址的中部存在一条南北向的冲沟,北侧和西侧紧邻乡道,地势较低,均需要进行回填。由于填土抗剪强度较差,为避免工程回填对道路的影响,需要设置支护结构,并对支护结构进行设计。边坡的稳定性与水文地质和降雨气候条件紧密相关,降雨不仅会对表层土体的冲刷、冲蚀,而且会加大岩土体的重量,增大下滑力,雨水下渗转化地下水时,对岩土体内部结构产生潜蚀和润湿软化作用,同时也会引起地下水位升高,增大孔隙水压力,减少有效应力,改变土体力学强度,降低抗滑力,进而降低了岩土体的稳定性,而且雨量越大,降雨时间越长,越容易产生滑坡和崩塌,为保证工程安全,需要结合不同支护结构类型制定排水方案。因此,工程建设中面临的问题可以概括为三个方面:1)开挖形成的高边坡的稳定性和支护方案确定;2)回填形成的边坡的稳定性及支护方案的确定;3)边坡支护的排水方案的确定。

2 边坡支护方式的确定

针对本工程边坡开挖深度、回填高度、周边环境条件及水文地质情况,边坡可采用的支护型式有钻孔灌注桩+锚索、挡土墙、框架锚杆等多种结构形式。各种支护型式比选见表2。

表2 边坡支护方案的比选

钻孔灌注桩(抗滑桩)+锚索具有工艺成熟、支护刚度大、抗滑稳定性好对周围影响小的优点,对比其他方案,造价相对较高、施工进度较慢;挡土墙造价对比桩锚相对较低、施工快,但主要缺点是对场地占用较大;框架锚杆优点是对原状山体扰动较小,对边坡稳定性有较大提高,缺点是施工工艺较为复杂;骨架放坡植草造价较低,但场地占用较大。

综合考虑场地工程地质条件、水文地质条件、周边建筑、环境控制条件等,确定边坡支护结构方案。

2.1 挖方段高边坡支护设计

场地南侧和东侧紧邻山体,需要进行削坡挖方处理,挖方后边坡高度大,存在整体稳定性问题。根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范并结合当地经验,要求边坡稳定安全系数大于1.35,为了保证边坡的稳定,需要结合地形条件,对高边坡进行支护。初步拟定的设计方案为:场地南侧的坡体多为黏土与全风化岩,边坡高度较高,具有一定的放坡条件,可以采用最上级边坡1∶1.5骨架放坡植草,下两级边坡1∶0.5放坡框架锚杆支护。场地东侧也具有一定的放坡条件,相对东侧高度稍低,可以采用1∶0.5放坡框架锚杆支护。框架梁截面尺寸为300 mm×350 mm,混凝土框架梁柱混凝土强度为C30,典型的剖面支护如图1所示,框架锚杆现场施工如图2所示。此处挖方形成的边坡主要为土质边坡,最可能发生的是在自重、坡顶荷载或强降雨等因素下沿土体内产生的剪切滑动,边坡可能的滑动面为圆弧面,故这里采用圆弧滑动法对开挖支护后的边坡进行稳定性计算,计算参数如表3所示,计算后的安全系数为1.49,大于1.35,满足规范要求。

表3 框架锚杆支护计算参数

2.2 填方段边坡支护设计

场地北侧为填方区,道路北侧填方高度约为0 m～9 m,场地条件较为紧凑,故该段边坡采用衡重式挡墙支护,道路南侧边坡填方高度最高约为8 m,采用放坡型式空间不足,且该部分填土对道路北侧挡墙具有一定的推力,若坡底无支护措施,则该部分土体的变形将直接影响道路北侧的挡墙,造成道路挡墙的变形甚至倾倒,故综合考虑场地条件、边坡稳定性、道路北侧挡墙安全性,该段采用1∶1.5人字骨架植草放坡+钻孔灌注桩(抗滑桩)结合锚索支护,抗滑桩+锚索可承担上部分土压力,减小道路北侧挡墙所受荷载。场地北侧至西侧边坡为填方边坡,边坡高度较高,场地紧凑,且坡脚位于原始边坡上,综合考虑场地条件和边坡安全,故该段采用直径1 000@1 500 mm 抗滑桩结合锚索支护+桩顶人字骨架放坡植草支护型式,填方段典型支护剖面如图3所示,现场施工如图4所示。此处填方形成的边坡主要为土质边坡,最可能发生的是在自重、坡顶荷载或强降雨等因素下沿土体内产生的剪切滑动,边坡可能的滑动面为圆弧面,故这里采用圆弧滑动法对开挖支护后的边坡进行稳定性计算,计算参数如表4所示,采用刚体极限平衡法计算后的安全系数为1.455,大于1.35,满足规范要求。

表4 抗滑桩部分设计参数

3 排水设计

由于南方多雨,降雨会降低边坡的稳定性,所以需要结合支护方案进行排水设计。结合场地支护条件,排泄水方案拟采用地表集水明排+坡体软式透水管或泄水管泄水。主要包括:采用集水明排,坡体坡顶、坡脚、平台设置截排水沟,截排水沟坡度不小于3‰,截水沟和排水沟如图5所示;坡面设置仰斜软式透水管排水,上斜10%,位置可根据现场开挖揭露的水文情况进行调整,挡墙墙体内设置φ75 PVC泄水水管,上斜10%,墙背设500厚中粗砂滤层,泄水管伸出挡墙面50 mm,如图6所示。场地内设有一条自东南侧填方向北侧的排水盲沟,边坡坡脚排水沟应与场地内排水系统统一设置。

4 结论

以建宁某水厂边坡支护为例,对填方、挖方边坡的支护设计方法和排水措施进行了分析,主要结论如下:

1)该新建水厂工程区存在挖方边坡和填方边坡,根据边坡的工程地质、水文地质条件,优选了合适的支护方案,挖方边坡采用放坡+框架锚固进行支护,填方边坡采用挡土墙、抗滑桩+锚索分段支护,通过计算支护后的稳定性,均满足规范要求。

2)结合支护的形式和降雨气候条件,采用在坡体坡顶、坡脚、平台设置截、排水沟,在坡面采用仰斜软式透水管,在挡墙内设置泄水管的排水方案,使得水体及时排水减小对边坡稳定的影响。

3)高边坡内部岩土体力学特性非常复杂,单一的设计理论并不完善,且设计计算过程中往往需一些假设和简化,为了使设计方案更好的切合实际,建议采用动态设计方法,根据施工现场的地质状况、施工情况和变形、应力等监测信息,必要时对设计进行校核、修改和完善。