黃土地區高速公路永臨結合復合水泥毯特點與應用

張 偉,吳曉明,薛軍秀

(陜西交通控股集團有限公司,陜西 西安 710065)

1 引 言

黃土溝壑區作為黃土高原特殊的地貌形態,丘陵起伏,溝壑縱橫,土質疏松。近年來,雖然生態環保舉措效果明顯,但由于氣候干旱,雨水集中且多以暴雨、陣雨形式出現,植被分布不均,水土流失嚴重,生態環境仍然脆弱。黃土溝壑區高速公路路基防護排水設施的選擇至今仍然是一個值得探討的問題。目前,對高速公路路基防排水雖已有大量的研究和工程建設經驗,羅大天[1]等對高速公路排水設施進行調查和病害分析,并提出了采用預制裝配式溝渠與排水路面技術等措施;龔明焱[2]對山區高速公路路基排水設施進行了研究,提出了塑料管急流槽、生態型植草溝的排水方式,但主要集中在傳統的混凝土和漿砌工藝或者對適用條件有所限制,對排水工程永臨結合的研究及實施較少;溫張保[3]介紹了水泥毯在基坑深度5.3 m的沙土類地質一級邊坡支護中的實際應用,說明水泥毯用于邊坡防護安全可靠且高效環保;何勰琨[4]通過試驗研究,探索了水泥毯在灘田護坡中的應用,認為在灘田溝渠沖刷較大、坡面不完整,工期緊、無施工便道等情況下可選用水泥毯。水泥毯作為新型復合材料在新建高速公路工程上的使用較少,許媛媛[5]介紹了某高速公路第四標段邊溝及截水溝施工中采用柔性毯的實際應用,展現了其在高速公路排水工程中的可行性。水泥毯的在黃土地區高速公路的應用值得關注。為此,針對黃土溝壑地區路基排水設施進行了研究,以子長至姚店高速公路排水工程中截水溝為依托,分析復合水泥毯的特點,探討水泥毯的應用,為以后高速公路的排水工程設計與施工提供參考。

2 高速公路排水狀況

2.1 路基排水原則

公路路界內的排水設施要統籌規劃,合理布局,應與路界外的排水系統和設施合理銜接。公路排水系統必須保證有效性和耐久性,同時,排水設施的結構也應安全耐久。排水設施的設計與施工要經濟合理,便于施工、檢查和養護維修。路界地表排水設施的地基應密實穩定,結構形式應與地基條件與地勢地貌相匹配。需采取措施避免地基變形等引起排水設施的破壞。減少堵塞、溢流、滲漏、淤積、沖刷等現象的發生。

2.2 地表排水設施

路基地面排水一般采用邊溝、截水溝、排水溝、跌水與急流槽等設施。將可能停滯在路基范圍內的地面水迅速排除,防止路基范圍內的地面水流入路基內。常用的材料包括漿砌片石、現澆混凝土、鋼筋混凝土等。常用的形式包括U型、矩形、梯形及淺碟形等。漿砌片石主要采用水泥砂漿、片石或者塊石進行砌筑,砂漿強度一般采用M7.5及M10。具有施工材料易獲取、施工簡單、造價低的優點。但易出現空洞等問題;現澆混凝土和鋼筋混凝土整體性好,耐久性好,但施工需要支模板且造價較高。漿砌片石、現澆混凝土、鋼筋混凝土排水設施在陡坡路段施工難度大,施工接縫處質量難以保證。

2.3 排水設施問題

受地形影響,山區的降水強度一般遠大于平原地區的降水強度。山區公路地表排水設施常見問題包括[6]:排水溝進口及渠道伸縮縫等設置部位、砂漿連接不當造成的排水溝開裂、滲漏、結構垮塌;急流槽底部未設置消能設施,雨水匯集后不能及時排走且沖擊力較大,導致水流溢出槽外造成沖刷破壞;雨水匯集后沒有進入溝渠導致在自然坡面的切口沖刷造成水溝損壞;清淤不及時、不徹底等導致排水溝堵塞,繼而造成損壞。基底壓實不足、防滲等措施不到位引起的不均勻沉降對排水設施剛性材料拉裂;縱坡及轉彎半徑設置不合理導致外側發生溢流;斷面尺寸大小不合理,排水能力不足;排水溝過長導致下游匯水量過大;施工時存在先砌筑側墻,未鋪砌及加固渠底導致雨水滲漏;未綜合設置排水系統導致的系統不完備,不具備獨立的排水能力等。

在黃土溝壑區,雨水集中,匯水溢出對路基和邊坡產生極大的沖刷或下滲,導致沉陷、滑坡等病害[7]。如截水溝雨水溢出,將直接沖刷坡面和坡腳,并可能從高處下濺,從而對路基直接侵蝕,造成水土流失,并危及邊坡和路基的穩定性。流速超過溝渠材料的抗沖刷允許流速時,溝壁和溝底將被沖刷,并逐漸損壞以致失效。黃土地區公路因黃土地基自身特點,普遍存在著較大下沉變形,在雨水及交通荷載等作用下,極易產生各種病害,造成較大的經濟損失。同時,黃土受沖刷后,流水短時間內對土體側向侵蝕嚴重,極易引發大面積次生災害。在黃土溝壑區溝渠失效后的危害程度遠大于一般地區。

3 復合水泥毯的特點

水泥毯是采用聚乙烯和聚丙烯長絲編織成的三維纖維復合結構,含有特殊配方的干混凝土混合料,是一種遇水后發生水合反應形成耐用混凝土層的混凝土帆布[8,9]。在生產中水泥毯已按科學配比配置好混凝土,施工時不需要任何混凝土攪拌設備,方便裝卸與運輸。施工中,水泥毯采用不銹鋼錨固定,毯間接縫處采用密封膠密封,固定在開挖好的基底上,使水流從上端順暢流入發生水合反應,待凝固后纖維起到增強混凝土抗拉伸性能的作用。

3.1 操作便捷

水泥毯可以成大卷散裝提供,每平方米的重量只有15 kg,可實現人工裝卸和運輸。施工需要的資源包括復合水泥毯、鋼釬、卷尺、鐵錘、水桶、剪刀、鐵鏟等,不需要大型的施工機械。水泥毯能夠依從所覆蓋的物體表面的復雜形狀,既能垂直懸掛,也能鋪設在溝槽之中,無需現場配置,不會發生過度水合反應。凝固前的水泥毯可以用普通手工工具隨意切割或裁剪,且后期養護簡單,僅需在施工后的水泥毯表層涂刷一層水泥漿即可。

3.2 生態環保

水泥毯生產時能夠節省約90%的水泥材料及砂石料等傳統材料,能夠減少對砂石料場的開采,大幅降低二氧化碳的排放量。水泥毯堿含量較低,表面耐沖刷能力強,材料強度高,拉伸性能好,對使用地的生態幾乎沒有影響,屬生態友好型材料。

3.3 降低成本

以高速公路排水工程為例,同等排水能力下,水泥毯與現澆混凝土排水設施相比,材料成本能節約40%左右,同時在人工成本、機械成本、養護成本、運輸成本上也都有著良好表現,在地形復雜的區域表現更為突出。同時采用水泥毯施工,工期能節約60%左右,能極大的縮短建設工期,有利于工程推進。

3.4 標準生產

水泥毯在工廠生產制造,能實現標準化生產,滿足個性化要求。材料性能差異小,便于形成標準化施工流程,能有效進行質量控制。

4 水泥毯的工程應用

4.1 工程概況

子長至姚店高速公路起于子長縣東約11 km的好坪溝口,設樞紐立交與清澗至子長高速相接,終點在黃家屯設樞紐立交與延安至延川高速公路相接,路線全長55.173 km,設計速度80 km/h,采用雙向四車道高速公路標準建設,投資概算60.91億元。項目全線路基排水工程設計中,全部塹頂截水溝及邊坡坡率為1∶0.5且高度大于40 m的挖方邊坡平臺均采用了復合水泥毯,工程量近1.2萬m2。

4.2 設計情況

塹頂截水溝溝側坡率1∶1,底寬0.4 m,頂寬1.2 m,溝深0.4 m;平臺截水溝溝側坡率1∶0.25,底寬0.4 m,頂寬0.6 m,溝深0.4 m。水泥毯由坡頂橫向延伸0.2 m。

4.3 施工工藝流程及操作要點

(1)施工準備。施工前,清理平整場地。測量專業人員根據施工圖放出截水溝的施工位置,要確保線型順適,且截水溝的縱坡滿足排水要求。

(2)溝槽開挖。根據設計圖紙尺寸要求掛線,開挖并清理溝槽,做好溝槽的排水坡度,平整溝槽兩側,溝槽兩側下各挖10 cm用作水泥毯邊緣壓邊處理。原則上溝內、坡面上不得有虛土或空洞。如存在上述問題,鋪設前對涉及位置進行夯實處理,直到處理后的位置穩定性良好。

(3)水泥毯鋪設。水泥毯放樣測量后滿足截水溝排水坡度要求進行鋪設,鋪設按照從下游至上游的順序進行,鋪設時兩塊水泥毯搭接10 cm。截水溝兩邊溝沿采用不銹鋼螺絲釘錨固,錨釘采用φ8×L400 mm U型不銹鋼螺絲釘,錨釘材質為螺紋鋼(做防銹處理),間距40 cm。

(4)水泥毯接縫處理。相鄰水泥毯疊壓處橫向挖寬10 cm,深度為水泥毯一倍的凹坑,將疊壓處水泥毯接頭放入并壓平;沿水流流出方向將上面的水泥毯壓在下面水泥毯上,疊加處不得少于10 cm;水泥毯接縫處采用密封膠密封,接頭、接縫撒水泥粉,使用不銹鋼螺絲釘錨固,水泥毯抗壓強度需滿足≥20 MPa。截水溝每間隔10 m設伸縮縫一道,縫寬2 cm,縫內用瀝青麻絮填塞。

(5)水泥毯水合反應。水泥毯鋪設經驗收合格后澆水固化,每平方需澆水9 kg(厚度以10 mm計算),水泥毯澆透處理。澆水時以噴灑的方式從邊沿往中間均勻灑水,流量為4 000 ml/min,直到水泥毯顏色變深。

(6)施工結束。澆水完成后,強度達到設計要求之前,嚴禁踩踏。陜北地區施工水泥毯時,應避免在低溫下進行,當溫度≤5 ℃時應采取有效保溫措施;當平均氣溫≥30 ℃時應加強養護,表面應覆蓋塑料膜或土工布等材料保證水泥毯表面濕潤,養護時間需保證3 d以上。

4.4 水泥毯在高速公路適用性

在路基塹頂截水溝、平臺截水溝施工中采用水泥毯(復合材料毯)施工,選用新型、輕型材料替代傳統的重型砌體,不但結構更加輕便、施工相對簡單,而且施工整體效果更加顯著。快速凝固成型,可作為臨時性排水設施,也可以和混凝土截水溝綜合使用作為永久性排水設施,在施工中可以廣泛應用。

(1)搶險救災。水毀具有突發性,黃土地區高速公路水毀事故發生時,由于道路損毀等原因,施工材料、設備、人員進場困難,水毀災害難以在第一時間得到有效控制,容易導致水毀危害進一步擴大。采用復合水泥毯材料,只需工人和簡單的工具即可初步完成整治,初步敷設后即能發揮效能,避免水毀損害性擴大。且能在24 h內硬化到80%的強度,進一步提升排水效能,對降低水毀起到積極作用。

(2)永臨結合。高速公路施工過程中,根據規范,臨時工程、邊坡防護排水工程實施前需設置臨時排水設施。常規做法中,永久性防護排水工程實施后,拆除初期施做的臨時工程,對環境產生不利影響且容易造成資源浪費。采用復合水泥毯可以在臨時功能發揮后,作為永久排水設施進一步發揮作用,既考慮了前后的協調銜接,也避免了不必要的資源浪費。

(3)沉降路基。根據現場數據,高速公路高填方施工后不可避免產生工后沉降,不均勻沉降易將混凝土等剛性材料拉裂,破壞結構,進而造成滲水及水毀。水泥毯表面為帆布,內部為紡織布等,作為柔性材料,其較好的拉伸性能對輕微變形有較強的適應性,路基沉降后,一般不會出現水泥毯排水溝拉斷等現象,繼而能夠確保排水功能正常。

(4)養護工程。高速公路建成通車后,交通開放,車輛行駛速度總體較快,路域內的養護工程施工干擾因素多,持續時間長,安全隱患較大。使用水泥毯能快速恢復及修復損毀工程,且施工后能夠立即發揮使用效能,確保正常運行,降低安全隱患。

4.5 水泥毯的不足

復合水泥毯在高速公路排水工程中有較好的前景,但目前仍存在一些不足。首先是材料的耐久性方面,與傳統的現澆混凝土材料相比,它在黃土地區縱坡較大段落中抗沖刷性能方面略顯不足。其次在工藝方面,施工人員未形成與之相適應的工藝理念和質量意識,未能完全考慮其作為永久排水工程設施,容易造成施工質量缺陷。

5 結 論

通過項目采用的水泥毯施工工藝來看,充分體現了水泥毯施工的便捷性及良好的適應性,適用于各種排水溝、路塹截水溝,可作為臨時性排水設施,也可以和混凝土截水溝綜合使用作為永久性排水設施,在施工中適應性強,且符合國家公路建設標準要求。另外,采用水泥毯鋪設工藝極大的提高了施工作業效率,降低了施工成本,減少水泥混凝土材料的使用,施工簡便靈活,縮短工期,效果良好。但要注意在使用中應加強接縫及邊部處理。水泥毯作為新技術、新材料正在引起人們的關注,子長至姚店高速公路的工程實際也證明了其應用可行性,未來可進一步探索在高速公路防護工程乃至其他工程領域的作用。