治理公路边坡坍塌技术

摘要:边坡是自然或人工形成的斜坡,是人类工程活动中最基本的地质环境之一,也是工程建设中最常见的形式。文章以公路边坡坍塌灾害为研究对象,通过研究公路边坡坍塌灾害产生的机理和主要的影响因素,提出了公路边坡坍塌灾害的基本处理措施,并针对实际工程设计了具体的防治措施,实践证明该措施对灾害整治效果明显。

关键词:公路边坡坍塌;灾害机理;边坡坍塌治理;治理效果评价

中图分类号:U417文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0133-03

边坡是自然或人工形成的斜坡,是人类工程活动中最基本的地质环境之一,也是工程建设中最常见的工程形式。同时,随着我国基础建设的大力发展,在大量铁路、公路、矿山、水利等部门都涉及大量的边坡问题,特别是在丘陵和山区建设中,人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多,高度将越来越大。以公路为例,北京-福州高速公路面建段200余公里内高度大于40m的边坡达180多处;云南省元江-磨黑高速公路147km内高度大于50m的边坡160余处;宝成铁路陕西省宝鸡至四川省绵阳段,通过的地段大部分为深山峡谷区,河道蜿蜒,山坡陡立,自然斜坡一般接近其临界坡度,稳定性较差,边坡灾害发生频繁。作为公路边坡常见地质灾害之一的坍塌灾害,已经严重危及公路及公路运输的安全和畅通。因此,对公路边坡各类灾害成灾机理及诱发因素进行分析研究,是采取科学合理的防治措施的依据,是减少灾害损失的有效途径。

一、边坡坍塌现象及特征

坍塌是土层、堆积层或风化破碎岩层斜坡,由于土壤中水和裂隙水的作用、河流冲刷或人工开挖坡陡于岩体自身强度所能保持的坡度而产生逐层塌落的变形现象。其具有“滑坡”和“崩塌”两种机制和“先滑后塌”的变形破坏过程。由于其突发性和频繁发生的特点,给公路造成严重危害。

坍塌主要产生于边坡表面松散的风化破碎层,边坡的设计坡率超过了岩土体所能保持的稳定角,在风化、干湿循环和降雨作用下,或因开挖改变了地下水的渗流条件而使坡面渗水,岩土软化,从而引起边坡上部失稳。坍塌形成必须具备以下两个条件:(1)松散的岩土边坡,坡度较大,一般大于潮湿状态下天然休止角,平均坡度为30°～40°以上;(2)有较丰富的降水或地表水与地下水水源。

坍塌的基本特征:(1)坍塌发生后,坍塌体堆于坡脚,整体性完全破坏;(2)坍塌裂缝逐次向边坡上方发展,最外一条裂缝受边坡坡度控制,一般自坡脚以上平均坡度在1U1.5范围内;(3)每次坍塌均不按固定的面移动,而是按新的不规则的面移动,一直坍塌至潮湿土层稳定为止;(4)坍塌体下缘均在临空面以上;(5)雨水、坡面水和地下水是诱发坍塌的重要原因,其中90%以上直接由降雨引起;(6)坍塌体厚度不大,通常小于6m。

坍塌按照物质组成可以分为岩石类坍塌、坡残积层坍塌和土质坍塌三类。

二、公路边坡坍塌灾害发生机理及影响因素

(一)公路边坡坍塌灾害发生机理

公路边坡是有人工开挖或填筑而成的斜坡,由于公路断面形式的不同而分为路堑边坡和路基边坡。公路边坡坍塌是指发生在路域边坡范围内的坍塌,将直接造成公路边坡的破坏,严重的将造成公路及其附属设施的破坏,进而将带来经济损失。

坍塌是高边坡常见的变形现象,其变形是从表层开始,逐渐向内部发展,受坡体整个松弛带内结合强度的控制,无贯通的软弱带,非坡内某一软弱带或面的破坏。破坏的主要原因是坡度大于其稳定坡率,在降雨等因素诱发下发生局部破坏,破坏面为岩土体最危险剪切面,即同生面。

(二)公路边坡坍塌灾害的影响因素

影响公路边坡坍塌灾害的因素很多,按不同因素的作用特点及作用形式,主要可以归纳为内因和外因或诱发因素两部分:

1.灾害形成的内在条件有:岩土类型,坡形、坡度、坡高,节理裂隙发育程度,岩石风化强度等。在各类内因之中,坡度、坡体结构、坡型和岩性是主要因素。边坡类型按不同的分类指标可有多种分类。(1)按构成边坡的物质种类可以分为土质边坡(整个边坡均由土体构成,按土体种类又可分为:1)粘性土边坡、黄土边坡、膨胀土边坡、堆积土边坡、填土边坡等);2)岩质边坡(整个边坡均由岩体构成,按岩体的强度又可分为硬岩边坡、软岩边坡和风化岩边坡等,按岩体结构分为整体状(巨块状)边坡、块状边坡、层状边坡、碎裂状边坡、散体状边坡);3)岩土混合边坡(边坡下部为岩层,上部为土层,即所谓的二元结构的边坡)。(2)按边坡的高度分为:一般边坡(岩质边坡总高度在30m以下,土质边坡总高度在15～20m以下)和高边坡(岩质边坡总高度大于30m,土质边坡总高度大于15～20m)。(3)按公路断面形式分为路堑边坡和路基边坡。(4)按坡体结构特征可以分为类均质土边坡、近水平层状边坡、顺倾层状边坡、反倾层状边坡、块状岩体边坡、碎裂状岩体边坡和散体状边坡等。

实践证明,容易发生变形破坏的边坡多为高边坡、顺倾层状边坡及节理裂隙发育强烈的边坡,因此,这些边坡将是研究与防治的重点。

2.坍塌灾害的诱发因素很多,主要有地震、降雨、地表冲刷、融雪、浸泡、地下水活动、冲刷或开挖坡脚,冻融、昼夜温度变化等。其中,降雨和人类工程活动(边坡开挖)是诱发灾害的主要因素。大量的调查表明,边坡坍塌灾害的发生大都与降雨有关。在降雨量较多,雨季持续时间较长的滑坡地段,大量雨水渗入坡体内,使岩(土)层潮湿软化,从而降低了抗剪强度,也导致容重增大。同时,自然灾害的产生并不完全是自然因素决定的,在相当程度上受到人类活动的影响。譬如:乱砍滥伐森林导致水土流失;无全局计划的截流使河流下游土地沙漠化;工程开挖使边坡失稳,引起坍塌;过量开采地下水造成地面沉降等。据统计,现己发生的各类地质灾害约有50%与人类活动有关。随着近年来我国高等级公路的大规模修建,随之而来的是人类对自然地表物质的剥蚀、搬运、堆积以及对地形和地貌进行的局部改造,使地球表面原有的自然平衡遭到不同程度的破坏,加剧了各类地质灾害频繁发生。公路建设具有线路长、规模大、类型复杂等特点,特别是山区公路的建设,对环境的影响比较明显。山区的地质作用一般较为强烈,地质条件复杂,在这样的情况下,公路建设过程中的边坡开挖有可能会改变天然山体的稳定条件,岩层的软弱结构面被切断而形成各种不利组合,以及开挖面在大气与水的作用下,岩体强度的降低等,都会形成对开挖边坡稳定十分不利的因素。

三、公路边坡坍塌灾害的主要防治措施

1.预防坍塌灾害的首要措施是削坡,即减小边坡坡率,增加边坡稳定性。

2.对于存在软弱结构面而易引起坍塌的高边坡,可根据情况采用支挡墙或支护墙等措施,以支撑边坡并防止软弱结构面的张开或扩大。对边坡坡脚因受河水冲刷而易形成坍塌者,河岸要做防护工程。

3.在可能发生坍塌的地段,必须做好地面排水设施,其中坡顶截水沟能起到防止边坡上部坍塌的作用。

4.岩质坍塌宜采取下列措施:(1)刷坡:清除坡面危岩、严重风化破碎表层及不稳定部分,清除影响路基及边沟的坡脚坍塌堆积物、风化剥落碎屑物等;(2)设置截水沟:水是诱发各类地质灾害的主要因素之一,坍塌也不例外,拦截地表水入渗坍塌体裂缝是防治坍塌的有效措施之一;(3)支护加固:对局部坡面风化破碎层较厚的地段设置护坡、挡墙。

5.土质边坡宜采取下列措施:(1)分级开挖:根据边坡的物质组成、松散程度及天然坡度等工程地质特征设置适宜的边坡坡比将边坡设计成台阶状,并分级放坡开挖,以增大边坡的稳定性;(2)护面:加强坡面植被及水土保持措施,对于植被破坏严重或放坡开挖不得不破坏植被的地段应尽力恢复坡面植被;(3)排水:在容易产生坍塌地段设排水工程,以拦截疏导地表水。

6.SNS主动柔性网。公路边坡坍塌灾害的防治是一个系统工程,一个科学合理的防治体系是十分必要的。因此,在坍塌灾害防治时往往需要将上述防治措施中的几种措施进行组合、配套,以便达到很好的防治效果。

四、某公路边坡坍塌灾害的防治实例

(一)工程概况

灾害点位于某公路K1721+750～K1721+910 处,处于弯道超高段与竖曲线顶部,由岩土碎屑堆积而成,结构松散,长约160m。

1.地形地貌。该路段(K1721+700～K1828+700)为沿江线,山高坡陡,山谷相对高差一般为700m左右。公路地貌为山岭重丘,自然边坡较陡,坡度一般在20°～40°,由于植被发育自然边坡多数处于相对稳定状态。公路多数路段沿汉江河谷山坡展布,路基平均高出汉江河床20～30m,为半填半挖路基,路基上边坡,由于人工开挖,边坡较陡,一般边坡坡度为40°～70°个别路段为直立或倒悬,边坡高度一般为5～30m,该路段为湘渝线施工便道,由民工改建修筑,支挡防护不到位,许多边坡处于不稳定状态。路基下边坡坡度一般为30°～55°,高20～30m,由于汉江水位涨落和江水冲蚀,边坡总体稳定性较差,特别是沿江古滑体局部下边坡稳定性更差。

2.地质构造。该路段大地构造属华南板块,位于褶皱带上。具体为徽县-旬阳华力西-印支海盆,主要断裂构造有3条,均为北西向,其中公馆-白河高角度逆断层,破碎带宽数十米至百余米,对公路灾害形成有一定影响。地层节理发育,一般为3组,坚硬岩石多切割为块状结构,软弱岩石多切割为碎裂结构,在风化及人为活动的影响下对边坡的稳定性影响较大。

3.地层岩性。地层主要为第四系、泥盆系、志留系和寒武、奥陶系。除第四系地层外,其余为一套浅变质岩地层。地表以冲洪积砂砾石和含砾低液限粉土、、坡残积土、红色粘性土等,且具有中―弱膨胀性,工程性质较差,易造成路基沉陷变形、滑坡、滑塌等公路灾害。

4.气候条件。该地处亚热带,半温暖―温热湿润气候区,四季分明,雨量充沛。年平均气温15.7℃左右,年最高气温31℃左右,年最低气温高于-10℃,年降水量800～1000mm之间,年降水季节差异大,夏季降水量多,占全年的38%～45%,特别是暴雨季节易形成公路水毁,并造成各类公路灾害,如滑坡、崩塌、泥石流等;冬季最少,仅占全年的2.6%～4.4%。

5.水文及水文地质条件。该区地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩孔隙裂隙水。松散岩类孔隙水分布广泛,地下水位与水量随季节变化较大,特别是坡残积土层中地下水对边坡的稳定影响很大,常常是造成路基上下边坡滑坡和滑塌的重要因素。

(二)坍塌成因分析

通过对该区域自然环境的研究分析,造成该段上边坡坍塌的主要原因有:

1.人工开挖边坡破坏岩土体结构,形成较高较陡的临空面,易使岩体沿地层层面滑动。

2.调查时发现坡体节理裂隙发育,岩体破碎,坡面与岩层层面同向,坡面植被稀少。

3.雨季特别是暴雨冲刷,雨水下渗,使土体中含水量增加,土体重量增大,土体抗剪强度降低,这是形成该处滑塌的重要原因。

(三)边坡坍塌治理设计方案

该段上边坡岩石坍塌主要为坡面覆盖层在水作用下失稳所致,经常造成公路交通中断。因此,采取以下治理措施:

1.由于坡脚不稳定,需进行支挡防护;人工开挖形成较大的临空面,采用清方削坡、修护面墙。施工时应先清方,再挖基砌筑抗滑挡墙。仰斜排水管为聚氯乙烯管,采用专用打孔设备铺设,在管的周围钻φ12mm的渗水孔,间距为50mm,整个管壁钻四排孔呈梅花状布置,排水管竖向间距为2m,横向间距为3m;PVC双壁波纹打孔管除埋于挡墙内的部分,其余均应打孔并用高强尼龙网包裹2层,搭接长度不小于10cm,并用14号锌铁丝绑扎结实,间距为52 mm,管头也包裹活用管帽封顶。

2.该处坡体节理裂隙发育,岩体破碎,采用SNS主动柔性网进行治理。治理区夏季易发生暴雨,施工最好安排在旱季进行,以保障施工进度和质量。无论清除突出危石,还是柔性网防护,均应先清除危石,清除治理坡面隐患,再进行下道工序;此外,施工前应与当地政府、居民和有关部门进行协商,确定沿线其它公用设施、居民、车辆、行人的安全。

(四)边坡坍塌治理效果评价

该治理工程竣工后,通过长期观测,边坡稳定,灾害整治效果明显。

五、结语

1.坍塌是土层、堆积层或风化破碎岩层斜坡,由于土壤中水和裂隙水的作用、河流冲刷或人工开挖坡陡于岩体自身强度所能保持的坡度而产生逐层塌落的变形现象。

2.公路边坡坍塌灾害的主要影响因素包括岩土类型、坡形、坡度、坡高、节理裂隙发育程度、岩石风化强度等内在条件和地震、降雨、地表冲刷、融雪、浸泡、地下水活动、冲刷或开挖坡脚,冻融、昼夜温度变化等诱发因素。且容易发生变形破坏的边坡多为高边坡、顺倾层状边坡及节理裂隙发育强烈的边坡,因此,这些边坡将是研究与防治的重点。

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