淺析朔黃鐵路路堤高邊坡病害特征及防治技術

魏興國

朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司 山西 原平 034100

1 研究背景

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相連，東至河北省滄州市黃驊港口貨場，為一條雙線電氣化重載鐵路，全線長約598公里，是國家能源集團一體化工程中的重要組成部分。2000年5月正式開通運營，2009年朔黃鐵路萬噸、兩萬噸擴能改造逐步完成，并于當年首列萬噸列車正式開行，2014年9月30噸軸重2.5萬噸重的列車在朔黃鐵路開行。現年運輸能力已達3.5億噸，遠期4.5億噸，對保證華東、東南沿海地區能源供應具有極其重要的戰略意義。

朔黃鐵路在取得如此成績的同時，大運量、大軸重、高密度的運輸模式，加上鐵路修筑時間長，且當時修建技術較落后，導致了各種邊坡病害的快速發生、發展。特別是朔黃鐵路西段原平分公司管內地處山區，高填深挖，近幾年路堤高邊坡病害頻發，嚴重影響了朔黃鐵路的安全運營。路堤高邊坡坡腳是應力集中區，特別是在運營動荷載作用下對于受力敏感性較高，遇強降雨天氣當雨水匯集于路堤坡腳時會顯著降低填土的物理力學參數從而造成坡體溜塌、坡腳支擋措施開裂甚至變形失效等病害，對線路的安全運營造成了嚴重影響。

本文通過調查朔黃鐵路K201+140～+200路堤高邊坡溜塌的成因及對其病害形成機理及影響因素的研究，有針對性地提出對于此類高邊坡溜塌病害治理的工程措施，對于沿線此類邊坡的加固防護有一定的借鑒意義。

2 工程概況

病害點為朔黃線K201+140～+200段路堤高邊坡，本區屬山前坡腳河谷地帶，地形起伏較大。

根據地質資料揭示，地表上覆第四系全新統（Q4ml）人工填土，下伏基巖為太古界（Ar）混合巖。人工填土：棕黃色，厚度13～20m，層厚不均，主要以粉土為主含少量碎石，稍密，稍濕。太古界（Ar）混合巖：在本區廣泛出露，灰黃色，以石英，長石為主，變晶結構，強風化[1]。

工程位置屬Ⅰ級構造單元為中朝準地臺。工程影響范圍內未發現斷裂等地質構造。

該區域屬暖溫帶半濕潤季風大陸性氣候。四季分明，春暖夏熱秋爽冬寒。年平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-17.9℃；多年平均降水量609mm；多年平均蒸發量1815.4mm；最大季節性凍結深度90cm。

3 病害特征及形成機理

朔黃鐵路K201+140～+200段局部漿砌片石護坡已發生鼓脹開裂，勾縫脫落現象。2016年7月，經連續強降雨后，該路堤高邊坡發生溜塌，急需對其進行治理。

該溜塌病害主要有以下三種特征：①坡腳腳墻開裂、土體擠出、漿砌片石護坡鼓脹開裂，局部形成貫通裂縫；②護坡砂漿勾縫脫落，片石鼓脹外擠；③邊坡平臺上出現縱向裂縫，并伴有不均勻下沉。病害照片見圖1。

圖1 病害照片

對病害邊坡形成機理進行分析可以得出，形成朔黃K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的主要原因有以下幾個方面：

3.1 動荷載對高邊坡的影響

高陡邊坡對于振動效應的敏感性較高，同時高陡邊坡會放大動荷載的影響，該段路堤邊坡平均高度14m，地層為人工填土。朔黃鐵路上常年重載、高頻運行列車對高陡路堤邊坡有一定的影響，根據文獻[2-3]等研究結果表明，在列車低頻振動荷載重復作用影響下，填方路基更容易產生病害。

3.2 施工質量影響

根據現場調查發現，既有護坡存在坡面漿砌片石厚度較薄、砂漿松散易滲水、平臺截水溝排水不暢等病害，這些施工質量問題導致坡面及平臺積水難以及時排出，從而下滲于坡體內，增強了坡體內孔隙水壓力同時，坡腳腳墻不足以滿足在暴雨天氣下坡體穩定性的要求，從而導致了本次病害的發生。

3.3 水的原因

水是導致此次病害發生的主要原因，2016年7月份在該區發生持續降雨天氣，由于雨水下滲造成了路堤填土局部達到濕潤～飽和，使得巖土體重度變大，邊坡巖土體在雨水浸泡和滲流作用下，發生軟化，巖土體物理力學性能變差，同時降雨改變了土的含水情況降低了土的基質吸力[4-5]，從而降低土的抗剪強度，最終導致邊坡失穩。

4 坡體穩定性分析及加固方案設計

通過對朔黃線K201+140～+200段路堤邊坡溜塌病害的調查結果來看，目前病害主要為坡腳發生溜塌破壞，暫時不會導致大型災害的發生。但是如果對坡腳溜塌區不能及時進行治理，在雨水下滲，重載列車的動荷載的耦合影響下，極有可能造成整個路堤坡體的滑塌，危及列車行運，造成嚴重的后果。本文結合現場實際調查與數值模擬手段相結合對K201+140～+200段路堤邊坡穩定性進行了綜合分析。

4.1 坡體穩定性分析

根據病害特征、形成機理及巖土力學參數，采用傳遞系數法對坡體在不同工況下的穩定性進行了分析計算。參數及穩定性計算結果如表1、2所示。

表1 坡體人工填土物理力學參數

表2 各工況穩定系數計算表

根據上計算結果及滑坡穩定性狀態劃分原則，認為該段邊坡在天然狀況下處于基本穩定狀態，在暴雨狀況下處于不穩定狀態，因此該段路堤邊坡需要加固整治，防治因邊坡體失穩而造成生命和財產安全的損失。

4.2 邊坡數值模擬

本文采用ABAQUS有限元數值模擬軟件對該段路堤邊坡進行了模擬分析，圖2為路堤邊坡在天然狀態的自重應力分布，從圖中可以看出坡體在天然狀態下自重應力按照地層深度呈線性分布，符合自重應力一般分布規律。

圖2 坡體自重應力分布云圖

圖3、圖4為通過強度折減法模擬邊坡在降雨受雨水下滲土體物理力學參數降低后邊坡在水平方向位移增量、坡體塑性區云圖，從圖3可以看出經過雨水入滲后路堤邊坡在坡腳處產生明顯位移，坡體存在會從坡腳剪出從而導致整個路堤失穩的危險。圖4的坡體塑性區云圖也表明該段路堤邊坡在坡腳處會發生破壞，這與現場調查情況基本吻合。

圖3 路堤邊坡X方向位移增量云圖

圖4 路堤邊坡塑性區云圖

通過對該段路堤邊坡的穩定性分析、數值模擬和現場實際調查，結合定性、定量分析手段綜合得出該段路堤邊坡發生的病害如果不能及時治理，任由其發展將有可能導致整個坡體失穩，對朔黃鐵路線的運營造成嚴重的影響。

4.3 加固方案

根據對K201+140～+200段路堤邊坡病害的機理分析，該段路堤產生病害主要是由于雨水入滲導致巖土體物理力學參數降低，同時，坡腳腳墻支擋措施不足以維持整個坡體的穩定性，因此對于該段路堤病害的治理主要從“治水、壓腳”這兩點出發。主要治理措施如下：

（1）截水措施

為防止地表匯水和雨水入滲坡體，將路堤及平臺上破損嚴重、排水不暢的截、排水溝拆除重建，對護墻中失效的泄水孔進行重新施作，同時在坡體中下部增加一排深層排水孔排出坡體內積水[6]。

（2）“壓腳措施”

本次主要病害為邊坡坡腳發生滑塌，原設計的腳墻支擋穩定性不足，為防止路堤邊坡局部或整體失穩，在坡腳處設置樁板墻支擋結構，對坡體進行加固。坡體加固方案設計代表性斷面如圖5所示。

圖5 加固方案代表性斷面

5 結束語

通過此次對該段路堤高邊坡的調查研究及綜合整治筆者有以下幾點體會：

（1）路堤高邊坡長期在列車運行的動荷載影響下，填土路基可能已經發生緩慢的蠕變變形，加之強降雨天氣下，雨水下滲導致邊坡體的物理力學參數和基質吸力變小，同時雨水入滲也會形成一定的靜水壓力，在這幾種力的相互耦合作用下極有可能造成邊坡失穩，因此防排水對于路堤邊坡顯得尤為重要。

（2）路堤高邊坡在雨雪滲融、長期動荷載相互耦合作用下容易發生病害。因此路堤高邊坡支擋防護設計時，需要加強支擋結構，達到一次設計整體穩固的目標。