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高速公路邊坡滑坡原因分析及防治對策——以京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)為例

2012-01-02 08:32:20徐洪雨王英宇宋桂龍
中國水土保持科學(xué) 2012年5期
關(guān)鍵詞:錨桿

徐洪雨,王英宇,宋桂龍?

(1.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所,100083,北京;2.北京市京石園林綠化有限公司,102600,北京)

近年來,高速公路建設(shè)中廣泛應(yīng)用了生態(tài)防護技術(shù)來處理工程施工中形成的各種挖、填方邊坡,這對于防止水土流失,迅速恢復(fù)生態(tài)環(huán)境,保護邊坡穩(wěn)定起到了積極的作用[1];然而,由于高速公路建設(shè)涉及地域廣泛,地質(zhì)形態(tài)各異,某些邊坡采用了生態(tài)防護處理后,仍然出現(xiàn)了不同程度的滑移和塌陷[2],使高速公路綠化景觀和行車安全受到影響。滑坡是公路邊坡的主要病害之一,在高強度降雨的情況下,容易誘發(fā)公路邊坡發(fā)生滑坡。高速公路邊坡的滑坡,不僅會給行車安全帶來嚴重的影響,而且還會造成嚴重的財產(chǎn)損失。對于降雨型邊坡滑坡,雨水是主要誘發(fā)因素,但對于不同的邊坡,引起邊坡滑坡的自身立地條件等內(nèi)在因素會有所差異。筆者以京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)滑坡邊坡為研究對象,通過調(diào)查、分析滑坡邊坡存在的問題,總結(jié)邊坡滑坡原因,提出相應(yīng)的防治對策,以期為高速公路滑坡邊坡的植被恢復(fù)設(shè)計和工程實踐提供參考。

1 京承三期高速公路邊坡滑坡概況

京承高速公路是《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中大廣(大慶—廣州)的重要組成部分,全長209.1 km,北京段長132.4 km。京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)位于北京市密云縣東北部山區(qū),起于密云縣穆家峪鎮(zhèn)沙峪溝,與京承二期相接,止于京冀交界處司馬臺,與京承高速河北承德段相接,全長62.7 km。京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)邊坡主要有巖石邊坡和土石邊坡2 種類型,其中以巖石邊坡為主。巖石邊坡多由弱風(fēng)化凝灰?guī)r和花崗巖構(gòu)成,土石邊坡多由強風(fēng)化的片麻巖、頁巖等構(gòu)成。巖石邊坡的植被恢復(fù)采用客土噴播和厚層基材2 種技術(shù),土石邊坡多采用客土噴播技術(shù),截止邊坡發(fā)生滑坡,已經(jīng)有2 年的植被恢復(fù)年限。

京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)是山區(qū)高速公路,由于邊坡坡體的穩(wěn)定性和植被恢復(fù)技術(shù)特點,使得邊坡在強降雨情況下極易發(fā)生滑坡。2011 年7 月末發(fā)生大規(guī)模降雨,此次降雨的特點是:1)由于對流天氣,出現(xiàn)雷暴雨的情況,降雨強度大,月降雨總量達到335 mm,最大日降雨量達到101.6 mm,日降雨量高于往年同期降雨量約25%;2)持續(xù)時間長,高強度的降雨間斷地持續(xù)了4 ~5 d。經(jīng)過長時間的強降雨后,京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)邊坡發(fā)生多處滑坡,下滑的巖土體對高速公路的行車安全帶來了嚴重的影響。

2 調(diào)查內(nèi)容及方法

京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)邊坡發(fā)生滑坡后,在現(xiàn)場清理之前,迅速對邊坡滑坡的現(xiàn)場情況拍照記錄,并筆錄了具體的滑坡地點、滑坡類型及其特點。在現(xiàn)場清理的過程中,通過詢問相關(guān)工作人員滑坡的具體情況,初步分析滑坡的原因。現(xiàn)場清理過后,對23 處滑坡再次進行調(diào)查,更深層地分析邊坡滑坡的原因。調(diào)查的主要內(nèi)容包括:1)滑坡的形式,包括基質(zhì)層破壞情況、坡體破壞情況、滑坡的起點以及地上植被破壞情況,總結(jié)各處滑坡的具體類型和特點,并使用米尺測量滑坡的面積;2)坡體的坡質(zhì),包括巖石邊坡坡體的風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和土石邊坡坡體土石體的機械組成特征;3)支擋工程和加固工程,包括滑坡邊坡是否建設(shè)擋土墻等支擋工程,加固工程錨桿的密度、長度,打入坡體的長度等;4)排水工程,包括坡頂截水溝、坡面臺階截水溝、坡面縱向排水溝、坡腳排水溝、地下排水的建設(shè)情況及主要存在的問題;5)地上植被狀況及地下根系分布特征,地上植被狀況包括喬灌木的高度、密度,邊坡植被層總覆蓋度,地下根系調(diào)查主要為根系入土的深度,與坡體的結(jié)合情況。

3 調(diào)查結(jié)果與分析

對京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)發(fā)生滑坡的邊坡進行現(xiàn)場調(diào)查。經(jīng)統(tǒng)計,共計有11個邊坡23 處發(fā)生滑坡,其中巖石邊坡6 個共15 處,土石邊坡5 個共8 處,具體滑坡邊坡的類型、規(guī)模及面積情況見表1。調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明,巖石邊坡和土石邊坡滑坡都有坡體失穩(wěn)、合體下滑和間接滑坡3 種形式。巖石邊坡坡體失穩(wěn)的面積遠比土石邊坡坡體失穩(wěn)的面積大,其中有1 處高陡邊坡,坡度超過80°,失穩(wěn)面積就達到了1 095 m2。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查,巖石邊坡坡體失穩(wěn)包括深層失穩(wěn)和表層失穩(wěn)2 種情況,深層失穩(wěn)發(fā)生在坡體節(jié)理裂隙或發(fā)育較好的夾層處,而表層失穩(wěn)發(fā)生在坡體表層的風(fēng)化層。由植物、基質(zhì)和鍍鋅網(wǎng)組成的混合體稱為合體,與原坡體間存在交界面,合體在此界面處發(fā)生滑落,稱之為合體下滑。土石邊坡坡體失穩(wěn)分為深層失穩(wěn)和淺層失穩(wěn),深層失穩(wěn)發(fā)生在坡體深層,表現(xiàn)為圓弧型滑坡,淺層失穩(wěn)為坡體表層土石體發(fā)生流滑,似泥石流。而土石邊坡的合體下滑與間接滑坡的情況與巖石邊坡的2 種形式較為相似。陳強等[2]在對武漢繞城高速公路邊坡滑坡形式的介紹中提到的表層滑溜和淺層滑塌分別與本文中的合體下滑和坡體失穩(wěn)情況基本一致。

4 滑坡原因分析

滑坡是一種嚴重的巖土體失穩(wěn)現(xiàn)象,它的發(fā)生離不開各種外部營力作用。引起滑坡的外部營力有很多種,大量的降雨或暴雨是觸發(fā)滑坡的最主要的因素之一。另一方面離不開不良的地質(zhì)條件和巖土體結(jié)構(gòu)條件等內(nèi)因的作用。公路邊坡植被為人工植被,工程護坡措施與植被構(gòu)建均為人為設(shè)計和施工完成,因此,邊坡滑坡的發(fā)生,還有工程方面的原因。

4.1 巖石邊坡

4.1.1 排水工程原因 邊坡排水工程一般包括地表排水和地下排水。地表排水主要有坡頂截水溝、坡面臺階截水溝、坡面縱向排水溝和坡腳排水溝等形式。地表排水是邊坡最常用的排水形式。淺層地下排水主要有盲溝和截水滲溝2 種形式,其深度一般為數(shù)米;深層排水主要有仰斜鉆孔、垂直鉆孔、水平鉆孔和集水井等形式,其深度可達數(shù)十米[3]。經(jīng)過對滑坡邊坡的調(diào)查,巖石邊坡排水工程主要存在3 方面問題,分別為排水設(shè)施不完善、排水形式不合理和排水設(shè)施穩(wěn)定性不夠。

1)排水設(shè)施不完善。坡頂截水溝具有攔截外來集水和排水的雙重作用,但在工程建設(shè)過程中,部分邊坡由于地勢高的原因,不易被坡外集水入侵,這類邊坡坡頂截水溝的建設(shè)因此容易被忽視。所調(diào)查的6 個巖石邊坡中,其中只有2 個邊坡建設(shè)有坡頂截水溝。若邊坡無坡頂截水溝的建設(shè),遇到強降雨天氣,坡頂?shù)乇矸e水會對坡面形成沖刷,造成邊坡植被的破壞,同時雨水還會沿著巖體原生節(jié)理裂隙或發(fā)育較好的夾層滲入坡體。隨著雨水不斷滲入,不僅巖體質(zhì)量增大,而且?guī)r土被軟化,這樣就降低了巖體的力學(xué)強度指標。巖體的力學(xué)強度的降低具體體現(xiàn)在2 方面,即顆粒間黏聚力摩擦阻力減小,坡體的抗滑阻力降低;在地下水位以上的非飽和區(qū)會形成上層滯水,瞬態(tài)水荷載增加,坡體抗剪強度降低。在質(zhì)量增大和力學(xué)強度降低的共同作用下,坡體容易從裂隙或夾層處發(fā)生深層次滑落,甚至整個邊坡坡位的滑坡。除了坡頂截水溝對邊坡穩(wěn)定起到很重要的作用外,坡面縱向排水溝對于維持邊坡的穩(wěn)定同樣非常重要,它能減輕坡面臺階截水溝的排水壓力,但經(jīng)過調(diào)查,6 個巖石邊坡均無坡面縱向排水溝的建設(shè)。

2)排水設(shè)計形式不合理。在2 個建設(shè)了坡頂截水溝的巖石邊坡中,其中樁號K121+000—K121+200 進京方向邊坡的坡頂截水溝為兩邊高、中間低的形式,中間形成匯水區(qū),設(shè)計形式合理性有待商榷。匯水區(qū)的形成,在強降雨的情況下,集水涌向坡面,上坡位邊坡最先受到影響,如果上坡位邊坡發(fā)生失穩(wěn),則進一步引起下坡位邊坡滑坡或間接滑坡的可能性隨之增大。

另外,6 個巖石邊坡都建設(shè)有坡面臺階截水溝,其傾斜角度在10°范圍內(nèi)。傾斜角度過小不利于排水,并且邊坡沒有坡面縱向排水溝的建設(shè),這樣會引起坡面臺階截水溝積水時間延長,雨水大量滲入下坡位,從而增加坡體或合體下滑的概率。

3)排水設(shè)施穩(wěn)定性不夠。坡面臺階截水溝為生態(tài)袋砌壘而成,堅固性較漿砌片石的坡頂截水溝差,積水多時容易被沖毀。假如邊坡上坡位發(fā)生滑坡,坡面臺階截水溝根本無法阻擋下滑的泥水混合物,這樣就增加了下坡位滑坡和間接滑坡的可能性。

4.1.2 加固工程原因 對于巖石邊坡,錨桿是加固邊坡穩(wěn)定性的最常用舉措,其主要作用,一是對淺層不穩(wěn)定坡體進行錨固,將淺層坡體不穩(wěn)定帶來的荷載傳至深層,這個過程主要是通過預(yù)應(yīng)力錨桿來實現(xiàn)的,二是對合體的加固作用,將合體固定在原坡體上,這個過程主要是通過預(yù)應(yīng)力錨桿、土釘以及植物根系的錨固共同完成的。調(diào)查研究中,將預(yù)應(yīng)力錨桿和土釘稱為剛性錨桿,將植物根系稱為生物錨桿[4]。經(jīng)對滑坡邊坡的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)巖石邊坡的加固工程存在如下問題。

1)剛性錨桿錨固作用不夠。在植被恢復(fù)初期(1 ~3 年),植物根系尚不能充分發(fā)揮其錨固作用,此階段對邊坡起加固作用的主要是剛性錨桿。所調(diào)查的巖石邊坡,錨桿長度為20 cm,密度為3.0 m×1.8 m,此規(guī)格的錨桿在坡體失穩(wěn)和合體下滑2 種滑坡形式中,基本起不到錨固作用。降雨情況下,巖體風(fēng)化層被軟化,表層松散土石層遭破壞,合體與坡體之間的摩擦力減小,抗剪強度降低。合體自重增加,摩擦力與剪切力之間的平衡被打破,剛性錨桿被拔出,發(fā)生合體下滑。

2)生物錨桿錨固作用有限。有研究[5-6]表明,植物的根系對邊坡能起到錨固作用。通過對滑坡邊坡地下植物根系的調(diào)查,2 年植被恢復(fù)期的植物根系主要分布在地下20 cm 范圍內(nèi),地下生物量較少,根系長度和根系生物量隨著土層深度的加深明顯降低,此特點與以往對邊坡植物根系的調(diào)查研究[7]相同。植物根系的主根與邊坡夾角隨土層深度加深也有減小的趨勢,在高陡巖石邊坡,根系遇到巖面時會沿著坡面向下生長。根系分布淺、生物量小和生長角度等這些特點都會影響根系的固土效應(yīng),除此之外,巖石邊坡植物的根系無法扎入堅硬的巖體,在這樣的情況下,植物根系對邊坡的錨固作用有限。

4.2 土石邊坡

4.2.1 排水工程原因 土石邊坡坡體的結(jié)構(gòu)不緊湊,與巖石邊坡相比穩(wěn)定性較差,受降雨的影響更為敏感,排水工程對土石邊坡更加重要;但是,土石邊坡一般具有坡高低坡度小的特點,工程建設(shè)中排水工程的建設(shè)容易被忽視。

土石邊坡排水設(shè)施的不完善現(xiàn)象比巖石邊坡更嚴重,在調(diào)查的5 個邊坡中,都沒有坡頂截水溝和坡面縱向排水溝的建設(shè)。排水設(shè)施不完善,坡外集水或坡頂匯水不能及時疏散,增加了集水沖毀邊坡或坡體失穩(wěn)的可能性。對于土石邊坡,雨水可以從坡頂和坡面同時滲入坡體,入滲面積比巖石邊坡大很多。另外,土石邊坡排水設(shè)計的不合理性和排水設(shè)施的穩(wěn)定性與巖石邊坡所存在的問題相同。綜合分析可知,排水設(shè)施的不完善性和坡體穩(wěn)定性差是土石邊坡坡體失穩(wěn)的主要原因。

4.2.2 加固工程原因 參照巖石邊坡加固工程原因分析,土石邊坡加固工程主要存在以下問題。

1)剛性短錨桿錨固作用微弱。土石邊坡坡體表層存在較厚的土石體層,物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,剛性錨桿無堅固附著體,常用的短錨桿錨固作用微弱。

2)生物錨桿錨固作用有限。根據(jù)根系對邊坡淺層土體加固的加筋土原理,根系可以為土體提供附加黏聚力Δc,從而增加原土體的抗剪強度(見圖1)。相比巖石邊坡,經(jīng)過2 年的生長,植物根系入土深度能夠達到地下50 ~60 cm,在土石邊坡,生物錨桿對坡體的錨固作用要強于剛性錨桿;但是,植被恢復(fù)年限短,地下生物量小,根系對邊坡的加固作用仍然有限。

圖1 根系對土體的力學(xué)改善機制Fig.1 Mechanical improvement of root on the soil

3)支擋防護工程不完善。在持續(xù)強降雨的情況下,土石邊坡坡體結(jié)構(gòu)松散的特點使得其較容易失穩(wěn),支擋防護工程對土石邊坡非常重要。經(jīng)調(diào)查,5 個邊坡中只有1 個邊坡存在重力擋土墻。

經(jīng)過以上分析,剛性錨桿的錨固作用微弱和生物錨桿的錨固作用有限是土石邊坡合體下滑的主要原因,排水設(shè)施的不完善性和坡體本身不穩(wěn)定特點是坡體失穩(wěn)的主要原因。另外,支擋防護措施的不完善性,也是導(dǎo)致土石邊坡坡體失穩(wěn)的原因。

4.2.3 坡體穩(wěn)定性問題 土石邊坡的坡體是沉積型的碎石土,是由堅硬巖石碎塊和砂土碎屑細顆粒物質(zhì)混合組成[8]。所調(diào)查的5 個土石邊坡,坡體的不穩(wěn)定表現(xiàn)為深層不穩(wěn)定性和淺層不穩(wěn)定性。

土石邊坡坡體結(jié)構(gòu)不緊湊,透水性好,雨水能快速從坡頂或坡面滲入坡體。雨水滲入坡體后,飽和度提高,坡體內(nèi)形成暫態(tài)飽和區(qū),非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低,抗剪強度下降。隨著坡體自重的增加,較容易發(fā)生深層滑動[9],其滑落的過程為典型的圓弧型滑坡,分為三段式。

另外,雨水滲入后,土顆粒泥化,土顆粒之間以及土粒與石塊之間的摩擦降低,在重力作用下,坡體淺層比較容易發(fā)生土石體流滑現(xiàn)象,似泥石流。由于巖石邊坡表層存在土石體,故土石邊坡的淺層不穩(wěn)定性與巖石邊坡的表層不穩(wěn)定性相似。

5 滑坡防治對策

吳宗璽[10]早在2004 年就提出了邊坡水害的防治對策,即采用“疏、堵、綠、補”的防治對策。根據(jù)京承三期高速公路(北京沙峪溝—市界段)滑坡邊坡原因的分析,秉承預(yù)防為主的原則,提出以下滑坡防治建議。

1)排水工程建設(shè)。排水工程對邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要,在設(shè)計階段應(yīng)盡量確保排水工程設(shè)計的完善性及合理性,在實施階段確保設(shè)計的執(zhí)行和工程質(zhì)量。除地表排水外,還應(yīng)加強其他排水設(shè)施的建設(shè),如通過地下橫、縱向排水盲溝,廊道和水平排水孔等措施來攔截滑坡后緣地下滲水和排放深層地下水。

坡頂截水溝可設(shè)計為向單側(cè)傾斜或者中間高、兩邊低的雙向傾斜形式。如果采用兩邊高、中間低的形式,中間形成匯水區(qū),則必須設(shè)置坡面縱向排水溝將匯水轉(zhuǎn)移。坡面臺階截水溝一般較長,建設(shè)傾斜角度較困難,可以通過縱向排水溝轉(zhuǎn)移積水來緩解其排水壓力。同時在排水工程建設(shè)時,不能忽視排水溝尾部集水的轉(zhuǎn)移疏散。

2)加固工程建設(shè)。植被恢復(fù)初期,植物根系固土作用有限,可通過增加長度和密度提高剛性錨桿加固作用。土石邊坡坡體無堅硬附著體,剛性錨桿的使用規(guī)格應(yīng)大于巖石邊坡的。在邊坡治理過程中,剛性錨桿的使用可參考一些工程示例、行業(yè)標準或國家標準,設(shè)計采用的荷載效應(yīng)最不利組合應(yīng)滿足相關(guān)的國家規(guī)定。韋世卓[3]在海南東線高速公路巖石邊坡滑坡治理過程中對預(yù)應(yīng)力錨桿的直徑、長度、行距、傾斜角等作了介紹。除此之外,還應(yīng)加強其他加固工程的建設(shè),如對不穩(wěn)定巖體采用預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁加固措施,對不穩(wěn)定土石體采用土工格室或重力式擋土墻等加固措施。

3)不穩(wěn)定坡體的清理。邊坡建植前期,宜加強對邊坡不穩(wěn)定坡體的清理,尤其是上坡位的不穩(wěn)定坡體,因為在雨水作用下,上坡位較容易發(fā)生滑坡,進而造成邊坡下坡位發(fā)生滑坡。坡體的清理包括危巖、浮巖,巖體風(fēng)化層,坡體表層土石體或泥質(zhì)填充物、石塊、碎泥塊等[11]。

4)提高基質(zhì)的抗蝕性。抗蝕性是基質(zhì)本身的物理特性,與制作過程中各種配料的比例有直接關(guān)系。科學(xué)合理配制基質(zhì),控制好基材與植壤土的比例,增強基質(zhì)的抗蝕性,降低雨水給基質(zhì)層帶來的危害。

5)提高植被層的蓋度。植物地上部分可以阻礙雨滴與基質(zhì)層的直接接觸,減小雨滴下落的勢能及集流的動能,從而有效地降低雨水的濺蝕作用、侵蝕作用和滲流作用[12]。另外,植物枯落物還能提高基質(zhì)的有機質(zhì)含量,增強基質(zhì)抗蝕性[13-14]。邊坡綠色防護初期,植被根系網(wǎng)絡(luò)尚未成形,邊坡防護層受降雨等影響主要以沖蝕破壞為主。在邊坡綠色防護層具有明顯防護作用之前還應(yīng)結(jié)合其他工程措施,以防止邊坡綠色防護層在植被生長初期遭到破壞,如在渝懷鐵路工程中,植被種植初期,通過在坡面加蓋土工布,有效地防治了坡面防護層的降雨沖刷[15]。

6)加強雨季防汛巡查。夏季雨季到來之前,提前做好防汛工作,做好邊坡排水設(shè)施的疏堵工作,盡量將危險解決在雨季之前。雨季到來時,加強巡查,查看邊坡排水設(shè)施的完整性堅固性,盡量避免滑坡的發(fā)生。

6 結(jié)論與討論

1)降雨是滑坡的外因,不良的地質(zhì)條件和巖土體結(jié)構(gòu)是內(nèi)因,它們都是不可控因素,而工程方面的原因則是可控因素,通過改善可盡量避免滑坡的發(fā)生。

2)排水工程是導(dǎo)致巖石邊坡坡體深層失穩(wěn)的主要原因,具體表現(xiàn)在排水設(shè)施的不完善性和設(shè)計形式的不合理性,坡體淺層失穩(wěn)的主要原因則為表層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。另外,加固工程問題是合體下滑的主要原因,可通過增加長度和密度改善剛性錨桿錨固效應(yīng)的不足。一般情況下,巖石邊坡坡體較穩(wěn)定,不需要特殊的加固方式。

3)排水工程問題是導(dǎo)致土石邊坡坡體深層失穩(wěn)和淺層失穩(wěn)的主要原因,主要表現(xiàn)為排水設(shè)施的不完善性。加固工程問題則是合體下滑的主要原因,由于錨桿無堅硬附著體,所以加固工程問題不單是錨桿的長度和密度問題。土石邊坡坡體穩(wěn)定較巖石邊坡差,一般需要一些特殊的加固方式對坡體進行加固。

邊坡滑坡形式多樣,原因復(fù)雜,是各種不利條件共同作用的結(jié)果。對于不同類型的邊坡、不同的滑坡形式,引起滑坡的主要原因都各有不同。在對邊坡進行原因分析以及進行滑坡防治的過程中,要從多角度出發(fā)充分考慮,對滑坡的原因進行綜合分析,進行綜合治理。

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山東冶金(2022年1期)2022-04-19 13:40:52
浮煤對錨桿預(yù)緊力矩的影響
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錨桿鋼筋質(zhì)量提升生產(chǎn)實踐
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建筑施工中的錨桿靜壓樁技術(shù)
復(fù)合盾構(gòu)在縱向錨桿區(qū)的掘進分析及實踐
半煤巖巷金屬支架錨桿聯(lián)合支護在白源礦應(yīng)用
錨桿格構(gòu)梁模型試驗研究
錨桿支護參數(shù)對強風(fēng)化砂巖邊坡群錨效應(yīng)的影響
山西建筑(2014年23期)2014-11-09 12:15:58
高邊坡錨桿支護的運用
河南科技(2014年24期)2014-02-27 14:19:30
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