論鶴大高速七臺河至雞西輔道重丘路段路堤的綜合設計

徐艷海,韓 健,劉 軒

(1.黑龍江省路友工程招標代理有限公司;2.黑龍江公路勘察設計院;3.東北林業大學)

0 前 言

黑龍江省是一個暴雨成災的地區,每年的公路、鐵路水毀事件令各級管理、養護部門疲于應付,嚴重地影響了當地人民正常的生產和生活,給當地的國民經濟建設造成了巨大的損失。在山區公路建設過程中,如何確保山區公路路基的穩定性,防止路基失穩,加強排水,并充分利用荒山荒地棄土,節約寶貴的農業資源是每一位道路設計人員要面對的首要問題。

鶴大高速七臺河至雞西輔道為鶴大國家高速公路輔道的一部分,途經七臺河市勃利縣、雞西市雞東縣、雞西市滴道區、雞西市城子河區。全長約 75.5 km,設計計算行車速度為 40 km/h,路基寬 8.5m,路面行車道寬 7m。

鶴大高速七臺河至雞西輔道所經路線所處區域公路自然區劃為Ⅱ1區,即東北東部山地潤濕凍區,路線位于太平嶺山脈北麓,沿線地形以重丘低山為主,山地面積占 36%,丘陵占 23%,低丘崗地占 41%。地形復雜,山嶺陡峭。本項目所處區域屬大陸性北溫帶季風氣候,年平均氣溫為3.9℃,極端最高氣溫為 37.4℃,極端最低氣溫為 -41℃;全年日照時數為 2 621h,年平均降雨量為 509.6mm,降雨期集中在 6～8月份,占年總降水量的 69%,年蒸發量平均1 269mm;最大積雪厚度為 40 cm,最大凍深為 1.95m,地面穩定凍結日期為 11月中旬,穩定解凍日期為翌年 4月中旬;冬季主導風向為西南風,最大風速為 22m/s。較高的設計技術標準的采用,使得道路路線往往沒有太多的選擇余地。當道路經過陡峭的山坡坡體,大填大挖和大量的取、棄土都是不可避免的。

從而使得工程技術人員在進行路基穩定性、排水、防護和環保設計時必須進行綜合分析考慮,跳出傳統的設計思路,敢于充分利用不良地形條件,化不利為有利。同時又確保或進一步提高路基的穩定性,減少道路運營期間的隱患,得到一個完美的、質優價廉的設計方案。

1 實 例

1.1 路段概況

鶴大高速七臺河至雞西輔道雞西市內 K 41+150～K 41+550段的 400m范圍內,路線縱斷面經過了填、挖九次變換,可見該段地形變化之頻繁。在完成道路平縱橫綜合優化設計后,區段內土石方不能填挖平衡,為綜合棄土區。經調查,道路坡腳左側為林地和旱田,單獨從棄土的角度考慮,向路基左側棄土確實簡便易行。但路基左側征用為棄土場將嚴重破壞生態平衡和影響當地人民的正常生產生活。而且農田(尤其是高產良田)的大幅度減少,已經成為全省乃至全國農業生產的首要問題。征用農田棄土對于當前全國農田面積大幅減少更是雪上加霜。本著一切從實際出發的原則,應該盡量利用荒山荒地作為零散棄土場,降低集中棄土的程度。

1.2 設計方案

(1)設置涵洞方案

按照通常的設計思路,只需在每段溝谷處設置一道涵洞加強排水即可。在此處就意味著需要連續設置 4道長約20m的1×3m的蓋板涵或圓管涵來排除匯水面積僅為0.16 km2的積水。這將會增加 20余萬元的工程造價,目的僅僅是為了路基的穩定,沒有任何便民或其他方面的必要性。

(2)不設置涵洞方案

考慮工程的經濟性,不設置涵洞對于工程造價將是一個很大的節省。但單獨設置路基邊排水溝是不可能完全及時排除路線右側溝谷中的積水的。路基右側的積水若不能迅速排除,將滲透到路基基底,并將對路基的穩定性產生非常不利的影響。

(3)采用的綜合處理方案

依照道路排水系統設計考慮,可將該地形路基橫斷面設計成路右側完全填起,并設計成表面保持 5%左右的坡度傾向于道路一側,使得道路右側的匯水能及時排向路基邊緣的排水溝。同時填方路段的排水溝可以和挖方路段邊溝順暢連接。從而確保路線右側排水的順暢,使得路基的穩定性不再受到不利季節積水的影響。同時,可以大大減少設置涵洞的數量,節約工程造價。

依照道路路面穩定性對排水的要求,將填方段的排水溝平均向外移動 3～5m,盡可能減少排水溝可能的滲水或濺水對公路路面干濕狀況的影響。設計時將整個填方路段排水溝的四周包覆土工布。

為盡可能減少棄土堆表層滲水對路基基底的影響,采用以下幾項防護處理措施:①設計時在整個棄土堆的上層鋪設一層土工布,然后上覆 20 cm粘土,種植綠化草皮和樹木,減少水土流失;②在棄土堆與山體相接處的邊緣,開挖山坡坡體,將土工布埋置在山坡坡體內以減少接合部的滲水現象。同時在開挖坡體上方 5m處設置截水溝。③整個棄土堆的填筑和壓實按照路基土石方的填筑和壓實要求進行處理。

1.3 棄土堆的穩定

按照路基的穩定性要求,在路基右側設置棄土堆后將會對該段整個路基的穩定性產生極大的影響,而且成為該設計思路能否順利貫徹實施的制約性因素。

1.4 穩定性驗算

在地面橫坡陡于 1∶2.5時,路堤可能沿地面下滑,造成路堤變形過量而破壞,這是一類穩定問題。因此對陡坡路堤應進行穩定性驗算。以鶴大高速七臺河至雞西輔道 K51+500斷面為例,進行綜合處理后的路基穩定性驗算。

依據鉆探資料,填料容量 γ=1.87 t/m3,φ=27°30′28″(f=tanφ=0.381)。取路基下滑的穩定系數為 K=1.25,且輔道的設計車輛荷載為公路Ⅱ級,車輛荷載的縱向分布長度為 13m,橫向分布寬度為 5.5m,換算土柱高度為 h0=nG/γBl=2×55/(1.87×5.5×13)=0.82m。

具體驗算過程詳見表 1。

表 1 陡坡路堤穩定性驗算

剩余下滑力 E=-175.4 t,路堤穩定,不須加以處理。

在鶴大高速七臺河至雞西輔道K 51+500樁號處路基橫斷面與棄土場聯合設計后,能順利通過路基穩定性驗算,表明該設計完全可以順利、安全地實施。在該區域內實施該方案后可棄土約 3萬m3,節約棄土面積約 5畝(1畝=666.6m2)。

2 推廣運用的體會

2.1 增強穩定

在采用上述思路進行設計時,如果陡坡路堤驗算后不能滿足路基穩定性的要求,考慮到下滑的主要原因,除地面橫坡過陡或基底接觸面情況不良、摩擦阻力過小之外,與地表水和地下水密切相關。因此,可以有針對性地采取增強其穩定系數的措施。

(1)改善基底狀況

增加基底滑動面抵抗路堤下滑力的摩擦阻力,如清除表層松軟的覆蓋土或基底夯實,使路堤置于堅實的土層上;開挖臺階改善基底受力情況;放緩邊坡,以減少路堤下滑力等,并在路堤上方一側開挖截、排水溝以阻止地表水浸濕基底從而降低接觸面的阻力;若受地下水的影響,則應設滲溝,以疏干基底土層,提高抵抗下滑的能力。

(2)改變填料及斷面形式

如采用粗顆粒填料填筑或放緩邊坡坡度增大抗滑面積及摩擦阻力。

(3)設置支擋結構物

在邊坡直腳處設置支擋結構物,如石砌護腳、石砌擋墻等。

采用上述措施綜合處理直至通過驗算。

2.2 高填方的穩定

對于山嶺重丘陡坡路段,在推廣運用時應特別注意填方總高度土、石質超過 20m或砂、礫質超過 12m的高路堤穩定性問題。除應進行高路堤穩定性驗算外,更加需要注意路基基底狀況,了解地基淺層有無軟弱夾層和地質不良地段;地下水及地表水對穩定性有無影響等。防止由于高路堤失穩而引起連鎖破壞。

2.3 施工效果

目前,鶴大高速七臺河至雞西輔道正處于施工階段,依照該設計方案實施后,業主單位取得了良好的經濟效益,在棄土方面節約了大量的人力、物力和財力。同時取得了良好的社會效益,節約了寶貴的農業資源,并且有利于道路的排水通暢和沿線的環境保護。

3 結 語

公路的建設與環境保護在設計過程中必須得到高度的協調和統一。盡最大可能地利用荒山荒地,減少農田的占有量是每一位道路工程師的應盡職責。

在保證工程質量的前提下,盡一切可能降低工程造價。敢于創新,在設計中使用新結構、新工藝、新材料和新方法,從而提高道路工程設計的科技含量。綜合前人已經取得的各種經驗教訓,努力探索,不斷完善和提高運用科技知識解決問題、難題的能力。

[1] 交通部標準.公路工程技術標準(JTJ 001-97)[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 交通部標準.公路路基設計規范(JTJ 013-95)[M].北京:人民交通出版社,1995.

[3] 高速公路叢書編委會.高速公路路基設計與施工[M].北京:人民交通出版社,1998.

[4] 陸鼎中,陳家駒.路基路面工程[M].上海:同濟大學出版社,1998.

[5] 朱新時,蔣周平.公路排水設施[M].北京:人民交通出版社,2000.