建寧縣某水廠邊坡支護與排水設計

許傳貝，陳志敏，陳 瀅，陶小飛，趙玉凱

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311100;2.華東勘測設計院(福建)有限公司,福建 福州 350000;3.浙江華東工程建設管理有限公司,浙江 杭州 311100; 4.華北水利水電大學,河南 鄭州 450000)

0 引言

邊坡(斜坡)是工程建設十分常見的基本工程形式,因此對邊坡的穩定性研究直接影響著相關工程建設的安全。隨著國民經濟的快速發展,我國的建設用地指標日趨緊張,所以諸多工程選址在山坡之上修建,以此來保護耕地和減少相應的支出[1-3]。在這種情況下,山體被開挖或沿坡進行填方,出現許多建筑邊坡,如果對這些建筑邊坡的處理不正確,那么就非常容易造成滑塌,甚至滑坡。這樣不僅影響相關工程的安全,又破壞周邊的生態環境。因此為了確保工程中的建筑邊坡的穩定,防止坡體失穩,就需要在工程進行過程中采取合理、適宜、安全的邊坡支護措施[4-7]。對于挖方、填方形成的邊坡,目前已經有了大量成熟的技術和處置方案[8-12],但對于每個具體工程而言,工程地質條件、水文地質條件、氣候條件均有不同,還需要針對具體的工程特點,提出適合的支護方案。本文以建寧縣某水廠為工程案例,研究該水廠建設形成的挖方邊坡和填方邊坡的穩定性,對邊坡支護方案進行設計,研究成果可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

擬建某水廠位于約700 m的山包上,屬低山丘陵地貌單元,高20 m～30 m,坡度約30°,植被茂盛。場址中部發育一條南北走向沖溝,寬30 m,長100 m,溝內地勢平緩,未見常年性流水。場址北側、西側緊鄰道路,為填方邊坡,北側邊坡的最大高差為12 m,西側邊坡的最大高差約為2 m～8 m,場址南側、東側緊鄰山體,屬于挖方邊坡,南側邊坡高度約為16 m～23 m。該邊坡為永久性邊坡,邊坡主體結構設計使用年限為50 a,按安全等級劃分,屬于一級邊坡,當坡頂為路面時荷載按20 kPa考慮,其余坡頂荷載按10 kPa考慮。

1.2 工程地質與水文地質條件

根據勘察成果,該建筑邊坡開挖影響范圍內的主要巖土層及巖土體物理力學指標見表1。

表1 地勘報告及工程經驗取值

擬建場地內地表未見常年性自然流水,場地地表水主要為降雨補給,蒸發或地表徑流排泄,地表水對本工程影響較小。地下水含水層性質、地下水埋藏條件,本場地地下水類型以第四系孔隙水及基巖裂隙水為主。第四系孔隙水主要賦存于素填土①1、粉質黏土③2層內,主要受大氣降水補給,地表水以及地下水層間補給,以滲流及蒸發方式排泄,地下水水位受季節影響明顯。據鉆孔資料,勘察期間測得穩定地下水位埋深為2.4 m～15.4 m(高程362.79 m～374.74 m),場地地下水位的年變化幅度為1 m～2 m。

1.3 工程建設面臨問題

場地為山坡地形,場址的南側和東側緊鄰山體,工程建設中需要對存在的山體進行削坡挖方處理,挖方形成的邊坡最大高度23 m,為一級邊坡,挖方形成高陡臨空面,可能造成邊坡滑塌,且挖方區表層多為黏土和風化層遇水易軟化崩解,在降雨等不利因素影響下極易形成滑坡等地質災害,為保證挖方形成邊坡的穩定,需對挖方形成的高邊坡進行支護結構設計。在場址的中部存在一條南北向的沖溝,北側和西側緊鄰鄉道,地勢較低,均需要進行回填。由于填土抗剪強度較差,為避免工程回填對道路的影響,需要設置支護結構,并對支護結構進行設計。邊坡的穩定性與水文地質和降雨氣候條件緊密相關,降雨不僅會對表層土體的沖刷、沖蝕,而且會加大巖土體的重量,增大下滑力,雨水下滲轉化地下水時,對巖土體內部結構產生潛蝕和潤濕軟化作用,同時也會引起地下水位升高,增大孔隙水壓力,減少有效應力,改變土體力學強度,降低抗滑力,進而降低了巖土體的穩定性,而且雨量越大,降雨時間越長,越容易產生滑坡和崩塌,為保證工程安全,需要結合不同支護結構類型制定排水方案。因此,工程建設中面臨的問題可以概括為三個方面:1)開挖形成的高邊坡的穩定性和支護方案確定;2)回填形成的邊坡的穩定性及支護方案的確定;3)邊坡支護的排水方案的確定。

2 邊坡支護方式的確定

針對本工程邊坡開挖深度、回填高度、周邊環境條件及水文地質情況,邊坡可采用的支護型式有鉆孔灌注樁+錨索、擋土墻、框架錨桿等多種結構形式。各種支護型式比選見表2。

表2 邊坡支護方案的比選

鉆孔灌注樁(抗滑樁)+錨索具有工藝成熟、支護剛度大、抗滑穩定性好對周圍影響小的優點,對比其他方案,造價相對較高、施工進度較慢;擋土墻造價對比樁錨相對較低、施工快,但主要缺點是對場地占用較大;框架錨桿優點是對原狀山體擾動較小,對邊坡穩定性有較大提高,缺點是施工工藝較為復雜;骨架放坡植草造價較低,但場地占用較大。

綜合考慮場地工程地質條件、水文地質條件、周邊建筑、環境控制條件等,確定邊坡支護結構方案。

2.1 挖方段高邊坡支護設計

場地南側和東側緊鄰山體,需要進行削坡挖方處理,挖方后邊坡高度大,存在整體穩定性問題。根據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范并結合當地經驗,要求邊坡穩定安全系數大于1.35,為了保證邊坡的穩定,需要結合地形條件,對高邊坡進行支護。初步擬定的設計方案為:場地南側的坡體多為黏土與全風化巖,邊坡高度較高,具有一定的放坡條件,可以采用最上級邊坡1∶1.5骨架放坡植草,下兩級邊坡1∶0.5放坡框架錨桿支護。場地東側也具有一定的放坡條件,相對東側高度稍低,可以采用1∶0.5放坡框架錨桿支護。框架梁截面尺寸為300 mm×350 mm,混凝土框架梁柱混凝土強度為C30,典型的剖面支護如圖1所示,框架錨桿現場施工如圖2所示。此處挖方形成的邊坡主要為土質邊坡,最可能發生的是在自重、坡頂荷載或強降雨等因素下沿土體內產生的剪切滑動,邊坡可能的滑動面為圓弧面,故這里采用圓弧滑動法對開挖支護后的邊坡進行穩定性計算,計算參數如表3所示,計算后的安全系數為1.49,大于1.35,滿足規范要求。

表3 框架錨桿支護計算參數

2.2 填方段邊坡支護設計

場地北側為填方區,道路北側填方高度約為0 m～9 m,場地條件較為緊湊,故該段邊坡采用衡重式擋墻支護,道路南側邊坡填方高度最高約為8 m,采用放坡型式空間不足,且該部分填土對道路北側擋墻具有一定的推力,若坡底無支護措施,則該部分土體的變形將直接影響道路北側的擋墻,造成道路擋墻的變形甚至傾倒,故綜合考慮場地條件、邊坡穩定性、道路北側擋墻安全性,該段采用1∶1.5人字骨架植草放坡+鉆孔灌注樁(抗滑樁)結合錨索支護,抗滑樁+錨索可承擔上部分土壓力,減小道路北側擋墻所受荷載。場地北側至西側邊坡為填方邊坡,邊坡高度較高,場地緊湊,且坡腳位于原始邊坡上,綜合考慮場地條件和邊坡安全,故該段采用直徑1 000@1 500 mm 抗滑樁結合錨索支護+樁頂人字骨架放坡植草支護型式,填方段典型支護剖面如圖3所示,現場施工如圖4所示。此處填方形成的邊坡主要為土質邊坡,最可能發生的是在自重、坡頂荷載或強降雨等因素下沿土體內產生的剪切滑動,邊坡可能的滑動面為圓弧面,故這里采用圓弧滑動法對開挖支護后的邊坡進行穩定性計算,計算參數如表4所示,采用剛體極限平衡法計算后的安全系數為1.455,大于1.35,滿足規范要求。

表4 抗滑樁部分設計參數

3 排水設計

由于南方多雨,降雨會降低邊坡的穩定性,所以需要結合支護方案進行排水設計。結合場地支護條件,排泄水方案擬采用地表集水明排+坡體軟式透水管或泄水管泄水。主要包括:采用集水明排,坡體坡頂、坡腳、平臺設置截排水溝,截排水溝坡度不小于3‰,截水溝和排水溝如圖5所示;坡面設置仰斜軟式透水管排水,上斜10%,位置可根據現場開挖揭露的水文情況進行調整,擋墻墻體內設置φ75 PVC泄水水管,上斜10%,墻背設500厚中粗砂濾層,泄水管伸出擋墻面50 mm,如圖6所示。場地內設有一條自東南側填方向北側的排水盲溝,邊坡坡腳排水溝應與場地內排水系統統一設置。

4 結論

以建寧某水廠邊坡支護為例,對填方、挖方邊坡的支護設計方法和排水措施進行了分析,主要結論如下:

1)該新建水廠工程區存在挖方邊坡和填方邊坡,根據邊坡的工程地質、水文地質條件,優選了合適的支護方案,挖方邊坡采用放坡+框架錨固進行支護,填方邊坡采用擋土墻、抗滑樁+錨索分段支護,通過計算支護后的穩定性,均滿足規范要求。

2)結合支護的形式和降雨氣候條件,采用在坡體坡頂、坡腳、平臺設置截、排水溝,在坡面采用仰斜軟式透水管,在擋墻內設置泄水管的排水方案,使得水體及時排水減小對邊坡穩定的影響。

3)高邊坡內部巖土體力學特性非常復雜,單一的設計理論并不完善,且設計計算過程中往往需一些假設和簡化,為了使設計方案更好的切合實際,建議采用動態設計方法,根據施工現場的地質狀況、施工情況和變形、應力等監測信息,必要時對設計進行校核、修改和完善。