基于甘肅省隴南市水毀路基防護與支擋破壞分析及優化修復的研究

趙 軍,劉穎才，尚高鵬

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

近年來，甘肅省隴南市夏季短期內多次出現特大暴雨天氣，暴雨頻度高、強度大、范圍廣、持續時間長、累計降雨量大，突破隴南氣象歷史極值記錄，造成嚴重的經濟損失。

根據國家氣象站歷史資料統計，隴南市1961年—2019 年8 月各流域最大降雨量記錄，白龍江流域為100.5 mm（2012 年），白水江流域為91.7 mm（1961 年），嘉陵江流域為171.6 mm（1970 年）。在2020 年8 月，白龍江、白水江、嘉陵江流域降雨量分別是其歷年最大降雨量的2.3 倍、3.0 倍、1.7 倍，各站點累計降雨量均為1961 年以來同期第一位，根據氣象觀測站數據，8 月20 日累計降雨量超過250 mm 的有102 站，超過150 mm 的有294 站，超過100 mm的共有339 站，占比85%以上，4 次暴雨過程中共出現121 次短時強降水，文縣碧口更是達到569.1 mm，有歷史記錄以來歷年平均降雨量的1.7～4.4 倍，白龍江支流白水江文縣尚德站實測洪峰流量2 780 m3/s，超200 年一遇（2 050 m3/s）。

暴雨造成隴南地區多處路基水毀，其中防護設施水毀嚴重，主要為：臨河路段坡腳受水流沖刷，導致原有漿砌防護路肩墻、路堤墻、駁岸墻、內護墻等沖毀、垮塌，基礎懸空；山區路段山體飽和，裂隙水等浸入路基，破壞原有擋土墻基礎，使擋土墻沉降、外傾、垮塌等。

2 項目區工程地質及破壞原因分析

2.1 工程地質

項目區位于秦嶺山脈西延部分的隴南山地。區內山巒起伏，連綿不斷，在新構造運動強烈隆起與流水侵蝕作用下急劇下切，山高谷深、嶺谷相間、溝壑縱橫、鋒銳坡陡，僅局部有不對稱的零星狹長臺階地。受構造控制，區內地貌按成因分為構造剝蝕地貌和河流侵蝕堆積地貌。構造剝蝕地貌主要為西秦嶺南部高中山區峽谷區，而流水地貌主要為岷江、白龍江、白水江及其支流侵蝕堆積的高中山河谷區。

地層巖性除河谷區為第四系沖積層覆蓋外，地表大部分為新生代沉積地層覆蓋，僅在局部河谷地段有三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系和志留系老地層出露。第四系（Q）：中更新統，主要分布于高階地，主要巖性為灰色、青灰色卵石，鈣質膠結，密實，強度高。上更新統，主要分布于殘坡積和河流階地沉積，多沿山、峁梁坡和大河兩岸零星分布，巖性主要為淺黃色粉砂土、黃土狀粉質黏土，偶夾少數礫石和碎巖塊，含鈣質較高，淋濾富集后生成形狀不規則及不穩定的鈣質結核層，靠底部一般有厚度不等的砂礫層。上更新統分布于山坡，主要為土黃色、淡黃色疏松狀黃土，局部偶含鈣質結核。全新統（Q4）：全新統坡積層以碎石土為主，下部多塊石。I 級階地由礫石層、砂層及粉土組成，厚3～10 m。II 級階地堆積物為砂卵礫石層夾砂、條帶狀黏性土等，具水平層理，底部為砂、礫夾黃土。全新統沖洪積層分布在河漫灘及階地上，巖性為砂礫、卵石層、碎石層，松散，亞圓-次棱角狀，分選性較好。志留系為一套厚度較大的淺變質碎屑巖和碳酸鹽巖建造，屬海相還原沉積，主要巖性包括板巖、炭千枚巖、炭質千枚巖、炭質板巖、灰巖，呈夾層狀；泥盆系為一套厚度較薄的碳酸鹽巖建造，主要巖性包括板巖、千枚巖、灰巖及少量砂巖，局部為炭質，呈互層狀；石炭系以中上統碳酸巖建造為主、下統為碎屑巖建造，主要巖性中上統為灰巖，下統為炭質千枚巖；二疊系主要為一套厚度較大碳酸鹽巖建造，屬淺海相沉積，下部為含炭板巖夾灰巖，上部為灰巖、泥灰巖；三疊系為典型的復理石和陸源沉積建造，下部為板巖、灰巖夾砂巖和灰巖，具明顯的復理石沉積，中部為砂巖、板巖夾灰巖，為陸源碎屑巖沉積。巖土體承載力基本允許值的摩阻力標準值（fao）見表1。

表1 巖土體承載力基本允許值的摩阻力標準值

2.2 破壞原因分析

臨河路段擋土墻基礎滑移，墻身變形、傾覆，位置主要為半挖半填路段或原坡面沖溝路段。主要因為原有擋土墻為漿砌片（塊）石，基礎埋深一般在1～2.0 m，嵌入新鮮巖面一般在0.5 m，滿足原有設計規范要求。但根據2020 年水文計算看，沖刷深度最大在2.948 m。根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015），受水流沖刷的直接防護工程，基底應埋置在沖刷線以下不小于1 m 或嵌入基巖內，則埋置深度應不小于3.948 m。一般沖刷深度按照《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）常用的有兩種計算公式，分別是根據輸沙平衡原理建立的橋下河槽一般沖刷深度公式，局部沖刷采用《公路橋位勘測設計規范》（JTJ 062—1991）修正公式進行計算。計算得到K 575+480～K 575+780 沖刷最小，其河床寬為15 m，一般水深為1.0 m，最大水深為1.5 m，總沖刷深度為2.624 m，最小埋置深度為3.624 m；K 605+300～K 605+400 沖刷最大，其河床寬為55 m，一般水深為1.6 m，最大水深為2.5 m，總沖刷深度為2.948 m，最小埋置深度為3.948 m。計算結果見表2。

表2 某公路恢復重建工程水文計算一覽表 m

山區路段原有山體因降雨導致含水率極劇增加，滲入路基后巖土體的內聚力和內摩擦角下降，以及地下水滲流引起滲透壓力，坡體對支擋防護的主動土壓力增大，超出承載能力。上邊坡坡面松散堆積物溜塌，引起內擋墻、護面墻損毀，下邊坡擋土墻基礎懸空、下沉、開裂、垮塌等[1]。正常情況下巖土體物理力學性能指標見表3。

表3 巖土體物理力學性能指標一覽表

3 支擋防護的恢復與優化

一般路肩墻用于主動土壓力較小的路堤支擋防護，修補路基缺口、減少占地、防止河道壓縮。路堤墻用于邊坡高度較高、坡腳延伸較遠的路堤支擋防護，減少占地、節約土方、收縮坡腳，增強路基穩定性。護裙墻用于既有防護設施基礎掏空、外露，但主體結構完好，通過增設防沖護裙，提高抗沖刷能力的沿河路段防護。駁岸墻用來保護岸坡或構造物不受洪水沖刷的影響。

內護墻用于土質或風化嚴重的巖質邊坡，易發生碎落、崩塌等不穩定斜坡的挖方路段邊坡防護。護面墻用于土質或易風化剝落的軟質巖、較破碎的硬質巖及夾有松散層的挖方路段坡面防護。擋渣墻適用于路基上邊坡土體松散，易發生崩塌、碎落的挖方路段，且具備設置擋渣墻及蓄渣池條件的地段。

石籠式擋土墻適用于路基主體與河道有一定距離，但岸坡平緩、土質松散、沖刷嚴重的河岸，保護構造物不受水流直接沖蝕而產生破壞或沿河路堤坡腳防護。適用于寬淺性河段、堤岸易受庫區泄洪沖刷，岸坡欠穩定、且不宜設置圬工支擋防護設施的浸水路段防護。還有路堤邊坡高度較高、河床比降大、沖刷較大、暴洪時坡腳易受漂石沖擊的路基防護，以及邊坡土體含水量較高、坡面較緩、且易發生溜滑的挖方路基坡腳防護。

需要注意的是，擋土墻基礎埋置深度應不小于1 m，冰凍地區基礎應埋置于凍結線以下不小于0.25 m，受沖刷影響時基礎應埋置于沖刷線以下不小于1 m。對于軟弱地基等不良地質路段，應采取換填等處理措施使其滿足地基承載力要求。臨河路段應根據基礎埋深，依據計算進行擋土墻設計及優化。河道順直、河床寬度較窄、水流較急、沖刷嚴重的臨河路段，采取恢復原有路肩墻等防護設施，路肩墻外側設置石籠。對于河道順直、河床寬度較寬的臨河路段，采取恢復原有路肩墻等防護設施，路肩墻外側未考慮設置石籠。受洪水沖刷、掏蝕影響，既有擋土墻等防護設施出現空洞、損壞路段，對既有擋土墻采用現澆混凝土修復后，空洞部分填充混凝土。對于路基坡腳及防護設施易受水流沖刷，既有擋土墻等防護設施基礎外露路段，坡腳增設鉛絲石籠防護；路基位于河彎、頂沖路段，根據地形條件增設挑壩，以減小水流沖刷[2]。

水毀支擋防護圬工量最大的為臨河重力式擋土墻。根據地形、地質選擇合理的重力式擋土墻形式，并通過針對不同工點進行計算，在保證安全合理的前提下，有效降低圬工，從而最大限度降低工程投資。隴南市部分臨河路段沖刷線較深，埋置深度最大需要4 m，但地質情況較好，因此在驗算重力式擋土墻地基承載力、抗滑移及抗傾覆時，可在參考常規標準圖及圖集的情況下，進一步驗算截面尺寸，降低整體圬工量。經過比較計算，臨河路段在地基承載力[σ]=500 kPa、填土內摩擦角40°時，墻高4 m時路肩墻頂寬僅為60 cm，墻高10 m 時路肩墻頂寬僅為130 cm，在地基承載力[σ]=800 kPa、填土內摩擦角45°時，墻高10 m 時路肩墻頂寬僅為60 cm。

地基承載力低時，可在墻底設鋼筋混凝土板，可減薄墻身，減少開挖量，適用于低墻、地質情況較好、有石料地區。在抗滑移穩定方面，可通過傾斜墻底或加防滑凸榫來增加抗滑穩定性，特別是凸榫利用前土體的被動土壓力，也可以增強抗傾覆性及提高地基的穩定性，還可減小斷面尺寸。在不良地基條件下，優先考慮設置凸榫。在抗傾覆方面，要驗算地基應力，防止地基出現過大下沉，同時，驗算偏心距來防止因基底過度不均勻沉降而引起墻身傾斜。在橫向陡坡段，通過設置臺階式擋土墻，可有效降低擋土墻的設置高度和截面尺寸[3]。

4 結論

路基水毀對于支擋與防護的圬工需求量大，基于當地的氣候、降雨、水文、地質等因素，在滿足一般性防護設計的條件下，選用合理的支擋與防護形式，并基于其進行計算，通過傾斜基底或設置凸榫等方式，在保證安全的前提下，可很大程度優化支擋與防護的圬工量，節約工程投入，保證工程的經濟合理。