杭州某高速公路路堑边坡防护及排水设计.doc

ＸＸ高速公路ＸＸ山段路堑边坡防护及排水设计

1 工程概况
ＸＸ高速公路（ＸＸ段）为国道主干线上海至瑞丽公路南京至杭州连接线的重要组成部分，同时也是ＸＸ省“四纵、四横、四联”高速公路网的“纵四”和重要的南部出省通道。兰佑山段为双向六车道高速公路，路基宽度34.5m，设计行车速度120Km/h。
2 地质概况
兰佑山段位于低缓剥蚀丘陵区，区内山脊海拔高程50～60m，该段高速公路采用路堑通过，全段开挖长度约为500m，最大开挖高度约30余米。兰佑山为宜兴市南山、白泥山向东延伸的余脉，东临太湖，山体走向近东西向，山脊海拔高度约为50～60m，由西向东逐渐降低，山体北坡较陡，南坡平缓，主要为泥盆纪砂岩构成的剥蚀丘陵区，该段地表植被较发育，以低矮灌木为主，近地表岩层风化强烈。兰佑山段遍布露天采石（陶土）场及废料堆，采掘工作面长达数百米，由于开采泥岩层，山后的坡面被削成直面，且部分岩层有一定面积的岩体剥落、崩塌，原始地形、地貌有较大改变。从原地表及开挖后地质勘查发现，该路堑段断裂构造较发育，主要有四处，分别为 F1、F2-1、F2-2、F5。其中F1断层横贯兰佑山北坡，该断层规模大，延展性好，走向近东西向（NE85度）。断层面倾向北，倾角70～80度。断层上盘为侏罗系火山凝灰岩、凝灰质砂岩；下盘为泥盆系五通组石英砂岩夹泥岩。上盘相对下降，兼有水平位移分量，其性质属于“平移－正断层”。F2-1、F2-2断层结构面较平直，结合程度较好（钙质胶结）。F5断层规模较小。
具体断裂构造分布见图1.兰佑山路堑工程地质平面图、图2.兰佑山右幅边坡工程地质立视图及图3.兰佑山左幅边坡工程地质立视图

图1.兰佑山路堑工程地质平面图
图2.兰佑山右幅边坡工程地质立视图
图3.兰佑山左幅边坡工程地质立视图

3 边坡整体稳定性分析
3.1 计算剖面的确定
针对兰佑山段路堑边坡的工程地质情况及野外地质调查，考虑到泥岩分布和断层产状，选定兰佑山段右K144+760 (I-I)、右K144+820 (II-II)及左K144+700(III-III)三个工程地质剖面作为基于极限平衡理论的边坡整体稳定性分析的计算剖面。
3.2 计算工况
由于ＸＸ高速公路ＸＸ山段边坡内泥岩的分布较广泛，考虑到泥岩遇水后物理力学性质急剧降低的特性，从而对整个边坡整体稳定性造成威胁，计算中需考虑地下水的作用。由于缺乏该区详细的水文地质资料，仅凭采石场处出现地下水渗出现象不足以确定边坡内的地下水位高程，故分析边坡内水的作用时不妨假定为整个边坡全部充有水作为饱水工况。兰佑山地震基本烈度为 VI度，小于地震设防标准，计算中不考虑地震对路堑边坡的整体稳定性的影响。
综上分析，兰佑山岩石边坡的稳定性分析分为两种工况：干燥工况和饱水工况。
3.3计算参数
本次稳定计算分析所采用的系数是基于野外调查基础上进行的。系数取值根据类似基岩及其风化、裂隙发育情况综合确定。考虑到泥岩遇水后物理力学性质会急剧下降，稳定计算应在一定程度上反映泥岩的这种特性，假定泥岩在边坡有水时的凝聚力C和内摩擦角Φ比无水状态下降70％，以此来考虑泥岩遇水后软化对边坡整体稳定性的影响。计算参数见表1。
表1 兰佑山段路堑边坡岩体物理力学参数表
指标
岩层
凝聚力
C(Mpa)
摩擦角
Φ（º）
容重
（KN/m）
厚层石英砂岩
1.1
61
26
粉砂质泥岩
0.07
17
23.5
卸荷巨厚层石英砂岩
0.5
52
25.5
西横山组砂岩
砾岩
0.28
30
24
3.4稳定计算及分析
边坡稳定分析方法很多，不同边坡可采用不同的力学模型与分析方法，不同的分析目的与精度要求也有不同的方法与之适应。本次稳定计算采用简化毕肖普bishop法以及三段式块体极限平衡法。所采用的软件为加拿大GEO-SLOPE international Ltd 公司的SLOPE/W软件进行。稳定分析计算结果见表2。
表2兰佑山段路堑边坡稳定性计算成果表
计算工况
计算方法
I-I
II-II
III-III
无水工况
简化
毕肖普法
1.646
1.581
2.897
块体
平衡法
1.554
1.501
2.923
饱水工况
简化
毕肖普法
1.102
1.074
1.965
块体
平衡法
1.062
1.016
1.993
根据表2计算结果，III-III剖面无论是干燥状况还是饱和干燥状却能够满座规范规定的大于1.2～1.3的边坡稳定安全系数要求。而I-I、II-II干燥状态才能满足1.2～1.3的边坡稳定系数要求，饱水状态则不能满足边坡稳定安全系数要求。从表2可以看出干燥、饱水状态的稳定安全系数相差很大。因此，路基边坡稳定处治的重点在于防、排水的处理，只要隔断降水及渗水，特别是路堑坡脚处的下渗水，即使采用简单的坡面防护也可以确保路堑边坡的稳定。

4 路堑边坡防护设计
路堑边坡防护工程方案的确定首先在于隔断降水及渗水对边坡的影响，确保路堑边坡的稳定。其次，由于ＸＸ高速公路穿越苏、浙、皖交界处的丘陵山区，沿线景色秀美，风景怡人，根据ＸＸ高速公路“生态、环保、旅游、景观路”的设计要求，路堑边坡防护在满足基本功能及确保路堑边坡稳定的前提下，考虑采用与周围环境景观相协调的生态防护方案。根据上述有关力学分析结果，设计考虑一级边坡采用悬臂式挡土墙加固方案，二级边坡泥岩段及坡面较为破碎处采用挂网锚杆加固方案，其余段落直接采用普通挂网+客土喷播防护。
4.1一级边坡加固防护方案
一级边坡加固防护采用悬臂式挡土墙，挡土墙墙身高4.0m，顶宽0.4m，墙面坡比1：0.05，墙背直立，挡土墙每隔15m设置一道沉降缝，缝内填塞沥青麻絮。挡土墙高程设置以挡墙基础底面距坡脚碎落台地面标高1.0m为原则控制。墙后回填分为A、B、C三个区。其中A区回填采用5％石灰土，B区回填采用透水性材料（碎石粒径要求为5～10cm，其含泥量不大于5％），C区回填采用耕植土，各区回填材料的压实度均要求≥85％。挡墙在B区回填底部铺设防渗土工布，B区回填顶部铺设透水土工布。具体参见图4。
图4.悬臂式挡土墙加固防护图
4.2二级边坡稳定加固方案
对于二级边坡泥岩段及坡面较为破碎处防护设计考虑采用挂网锚杆加固。挂网锚杆施工工序为：测放孔位→钻孔→清孔→锚杆制作安装→注浆→布设镀锌钢丝网片→布设φ6钢筋框架条并与锚杆焊接→绑扎钢丝网片于框架条→防锈处理→客土喷播。锚杆设计拉力为50KN，锚杆设计长度1.5m，按照 “梅花型”布置φ18砂浆锚杆，锚杆间距1.5m。镀锌钢丝网网眼孔为20cm*20cm。φ6钢筋框架条间距1.5m，按照“十字型”布置并与锚杆焊接，采用铁丝将钢丝网片绑扎于φ6钢筋框架条上。最后在挂网锚杆基础上对路堑进行整体客土喷播。参见图5。
具体加固的段落为K144+583.0～K144+624.0右侧二级台坡、K144+662.0～K144+859.0右侧二级台坡、K144+680.0～K144+765.0左侧二级台坡以及部分边坡坡面较为破碎段落。

图5.挂网锚杆加固防护图
5 路堑边坡排水设计
由于降水产生的地表径流可能沿地表横坡流入至高速公路方向，可能会对高速公路的边坡产生危害。对于坡面降水，设计考虑在路堑坡顶及各级台坡设置截水沟并排入路基两侧的排水系统中排除；对于坡面渗水，设计考虑设置仰斜式打孔波纹管排除；对于坡脚渗水，考虑设置碎石透水层及PVC泄水管排除。
5.1路堑坡面降水处理
对于降水沿地表径流可能汇至高速公路的路段设置截水沟，截水沟平面基本沿等高线方向布设，一般截水沟内侧距路堑边坡坡顶边缘大于5.0m，出水口应尽量远离路基，减小对道路景观的影响。根据地形和工程所在地区的降水量确定截水沟的流量，由于本区域可能汇入高速公路的地表水一般较小，经水文计算，路堑坡顶截水沟尺寸初步拟定为40×40cm和60×60cm两种矩形断面。底部采用C20现浇水泥混凝土，侧墙采用砖砌，并采用10号水泥砂浆砌筑并抹面，参见图6。在截水沟内侧设置顶宽不小于1.0m向外倾斜2%横坡的横向平台汇集地表水。同时为增加路堑坡顶的防排水措施，考虑在路堑坡顶采用粘土覆盖并整平密实，避免降水在坡顶的滞留与下渗。台坡截水沟，基础底面采用砂浆调平，截水沟底面及内侧采用C20砼，壁厚10cm，外侧砖砌并用砂浆抹平，参见图7。
对于挡土墙顶处坡面降水，在挡土墙顶内侧设置截水沟排除，参见图1。
图6.坡顶截水沟
图7.台坡截水沟
5.2路堑渗水处理
为防止雨水进入和有效排除路堑边坡内渗水，分别在距路堑坡顶以下10m、有泥岩夹层处距泥岩顶面以上50cm处设置排水管。
距路堑坡顶以下10m处：钻孔直径不小于100mm，排水管采用高密度聚乙烯（HDPE）双壁打孔波纹管，外径90mm，内径72mm，波纹管外包二层透水土工布，出口末端15cm采用直径为7cm的速排龙填塞。管长5～6m，斜度5～10度，水平设置间距5m。

有泥岩夹层处距泥岩顶面以上50cm处：管长10m，水平向下斜度5～10度，水平设置间距5m。其余要求同上。对于渗入挡土墙内下渗水，在挡墙底部设置泄水孔，泄水孔采用PVC管，要求泄水孔纵坡≥5％，孔径6～8cm，沿挡墙纵向间距3.0m，泄水孔进水口垂直向位于墙趾顶部，出水口接于暗埋式边沟。
6 排水防护施工注意事项
（1）在对路堑段边坡坡面进行加固防护前应进行坡面整平，对于凸出坡面岩体应采用人工凿平处理；对于凹体应采用浆砌块石补平。
（2）坡面防护及客土喷播绿化施工过程中不得封堵排水孔的出水口，保证排水畅通。
（3）在施工及运营过程中应加强对边坡位移的观测，根据观测结果来确定是否对兰佑山路堑边坡进行进一步的加固处理。
7 结语
该工程经过1年多的施工和近半年的运营，效果良好，参见图8、图9防护前后效果对比。

图8.路堑防护前

图9.路堑防护后
通过对ＸＸ高速公路兰佑山段现场勘察、钻探等手段，基本摸清了该段落工程地质情况。在此基础上对路堑边坡进行了稳定性分析，根据理论分析计算结果，对路堑边坡采取了有针对性的防护及排水设计。为处理此类特殊地质条件的路堑边坡探讨一种新的防护加固模式和治理思路。