王佳偉

(中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 064000)

在銀昆高速寧夏段內(nèi),挖填邊坡導(dǎo)致了淺層邊坡破壞和地表侵蝕,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),許多基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞。寧夏地區(qū)風(fēng)化花崗巖豐富,常被用作填土材料。風(fēng)化花崗巖的主要成分為粉砂,由于抗剪強度較低,極易發(fā)生沖蝕破壞[1-2]。邊坡失穩(wěn)和公路侵蝕破壞給人們生產(chǎn)生活帶來了一定程度的危害和影響,為解決由風(fēng)化花崗巖沖蝕破壞造成的邊坡失穩(wěn)和路堤侵蝕,目前采用的最具成本效益的侵蝕控制和邊坡防護方法是土壤生物工程和生態(tài)邊坡工程[3-4]。本文通過田間觀察和試驗評價,研究了五種不同的侵蝕控制方法對公路路堤邊坡的侵蝕敏感性和穩(wěn)定性的影響。每種方法均結(jié)合香根草技術(shù)、土毯、土壤圓木、黏土草、土工格室植被護坡和侵蝕控制墊室等多種侵蝕控制和穩(wěn)定方法。

1.現(xiàn)場試驗

1.1 測試地點和現(xiàn)場儀器

試驗場位于寧夏地區(qū)的銀昆高速太彭段公路項目。其中LJ08-3路段的邊坡由風(fēng)化花崗巖組成,主要成分為非塑性砂質(zhì)粉砂(SM)和黏性砂(SC),塑性指數(shù)為10%,液限為30%。通過現(xiàn)場觀察可以發(fā)現(xiàn),部分邊坡段存在少量卵石。該地點在2020年12月曾遭受大雨。大量地表徑流和地下水壓力的增加導(dǎo)致邊坡嚴(yán)重侵蝕和淺層邊坡破壞,如圖1所示。為對邊坡進行修復(fù),本文提出了五種不同的侵蝕控制和護坡方法,并在遭受破壞的邊坡上進行了施工。根據(jù)我國公路路基施工技術(shù)規(guī)范[6],對基底花崗巖進行重新壓實,然后在夯實的邊坡上安裝侵蝕控制測試設(shè)備,各侵蝕控制部分的組成如表1所示。

表1 侵蝕控制方法

圖1 施工現(xiàn)場布局

該邊坡剖面的平均高度在23～35 m之間,坡角在25～34°之間。施工段的設(shè)計主要是為了控制地表侵蝕和增加邊坡穩(wěn)定性,每段均包含水平排水溝、側(cè)溝、截流溝和排水溝。

1.2 巖土工程調(diào)查

依據(jù)公路路基施工技術(shù)規(guī)范中提到的滲透測試試驗,沿邊坡0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m深度處分別安裝張力計,對五個測試段進行巖土工程調(diào)查,以測量孔隙水壓力和吸力[5-6]。滲透試驗結(jié)果表明,風(fēng)化花崗巖的厚度小于3 m。天文臺安裝了翻斗雨量計,用于收集在測試時間內(nèi)該地降雨量數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場觀測、邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布和降雨監(jiān)測,對5個斷面的性能進行了評價。該路段施工完成后,分別在2020年雨季中期(6月24日)和末期(9月14日)進行了兩次野外觀測。

2.氣候條件及降雨量數(shù)據(jù)

試驗區(qū)海拔為2175 m,年平均氣溫20℃左右。屬云林氣候,空氣濕度高,蒸散量相對較低,2020年采集到的總降雨量為3462 mm。月降雨量和日降雨量匯總在表2?？梢钥闯?9月是2020年降水量最大的月份,日最大降雨量為110 mm。由該地年均和月均降雨量可知,試驗區(qū)降水格局具有降水持續(xù)時間長、強度中等的特點。這種降水強度相對較大的前期強降雨會導(dǎo)致大量雨水滲入邊坡土層中,造成邊坡處相對較高的孔隙水壓力和土壤水分。

表2 2020年月降雨量

2.1 雨季中期的侵蝕類型

2020年6月24日正值雨季中期,當(dāng)年的累計雨量已達1350 mm,當(dāng)日對A～E五個修復(fù)路段的觀測結(jié)果如下。

A段:采用防蝕毯、防蝕原木和黏土草皮。該段幾乎沒有出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象。香根草在邊坡上部生長良好,由于邊坡下部的香根草接受的有效日照時間有限,日照強度較低,無法達到植物生長所需的正常日照時間,香根草在邊坡下部生長狀況相對邊坡上部較差。

B段:采用侵蝕控制原木和黏土草甸。通過現(xiàn)場觀測在B段邊坡的不同部位發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的侵蝕,產(chǎn)生了包括溝蝕和片狀侵蝕在內(nèi)的侵蝕類型。邊坡的黏土層未受保護,被徑流沖刷,幾乎從坡面消失。

C段:采用侵蝕控制毯和侵蝕控制原木。該段僅在部分地區(qū)發(fā)現(xiàn)中度侵蝕,總體來看侵蝕程度小于B剖面,高于A剖面,由此可知B剖面的黏土夾層在一定程度上有助于減少侵蝕。

D段:采用土工格室。該段觀察到嚴(yán)重的侵蝕,土工格室下面的土壤由于徑流的沖刷大量流失。若未通過控制侵蝕原木來減小地表徑流速度,坡腳處的侵蝕將加劇。

E段:采用綜合侵蝕控制墊。該段可觀察到細(xì)溝和一些溝壑形式的輕度到中度侵蝕。在坡腳處,如果沒有控制坡面徑流速度的原木,坡腳處的侵蝕將加劇。但由于觀測過程中濃霧的存在,該剖面的侵蝕嚴(yán)重程度難以評估。

綜上所述,五個試驗段在雨季中期受侵蝕程度由高至低排列:A段、E段、C段、B段和D段。然而,這個觀測結(jié)果是邊坡經(jīng)受降雨后的侵蝕結(jié)果,只能反映該邊坡在有降雨季節(jié)的受侵蝕情況,目前還沒有較為完善的方法用于測試邊坡修復(fù)方法的成本和邊坡在較長時間內(nèi)的受侵蝕情況。

2.2 雨季末的侵蝕類型

2020年9月14日,雨季即將結(jié)束,試驗區(qū)累計降雨量超過3400 mm,通過實地觀測發(fā)現(xiàn)五個斷面均出現(xiàn)嚴(yán)重的侵蝕現(xiàn)象。在試驗區(qū)可觀察到各種類型的侵蝕,如侵蝕碗、侵蝕溝(深度為1.0～3.0 m,寬度為0.5～5.0 m)和片狀侵蝕。香根草的根生長得較短,多數(shù)情況下無法實現(xiàn)對邊坡的加固,這可能是由于該地區(qū)日照不足、氣候寒冷、侵蝕等因素的影響導(dǎo)致香根草生長受阻,無法發(fā)揮其正常功效。

3 孔隙水壓力測量

本次試驗使用安裝在0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m不同深度的KU-張力儀對邊坡進行孔隙水壓力和吸力測量。圖2為A段在枯水期(2020年2月27日)和雨季(2020年9月15日)的孔隙水壓力的測量結(jié)果。可以看出,在枯水期,孔隙水壓力主要為負(fù)值,而雨季末期大部分的降雨和地下水滲流使邊坡產(chǎn)生內(nèi)滲透,孔隙水壓力增加,數(shù)值變?yōu)檎?表明孔隙水壓力存在于地下水位2.0～3.0 m的位置處。而邊坡下部3 m深度處的孔隙水壓力為負(fù)值,如圖2(c)所示,表明在基層的花崗巖和壓實邊坡之間存在排水路徑。

(a)上部

圖3為五個路段的孔隙水壓力分布?？梢钥闯?大部分?jǐn)嗝嫖达柡?A段剖面的孔隙水壓力高于其他剖面。這與地形和水文地質(zhì)因素有關(guān),而與土壤覆蓋系統(tǒng)無關(guān),結(jié)果表明A段更接近天然的溝壑。

(a)上部

由于數(shù)據(jù)記錄儀在采集邊坡失穩(wěn)數(shù)據(jù)時受到損壞,邊坡失穩(wěn)時的孔隙水壓力數(shù)據(jù)丟失。雨季結(jié)束時(2020年9月15日)的孔隙水壓力被認(rèn)為是當(dāng)年的最大孔隙水壓力。因此,設(shè)計中使用的孔隙水壓力值至少應(yīng)大于實測值,今后設(shè)計時應(yīng)采用孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH),取值為0.4～0.5。孔隙水壓力及其與降雨量相關(guān)的信息越充足,設(shè)計孔隙水壓力時的取值越合理。

4 邊坡穩(wěn)定分析

基于有效應(yīng)力原理,在邊坡穩(wěn)定性分析中采用通用極限平衡法對A段剖面的邊坡失穩(wěn)進行了分析。假定邊坡孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH),取值為0.55。假設(shè)在邊坡受侵蝕過程中的ru值大于雨季結(jié)束時的觀測值,觀測到的滑移面如圖4所示,分析中使用的抗剪強度參數(shù)如表3所示。這些數(shù)值與國內(nèi)外報道的花崗巖殘存土的相關(guān)數(shù)據(jù)吻合較為良好。通過對圖4的滑動面進行分析,得出的安全系數(shù)(FS)為0.95,與現(xiàn)場觀測結(jié)果吻合較好。

表3 邊坡穩(wěn)定性分析的參數(shù)

圖4 由A段剖面穩(wěn)定性分析得到的滑移面

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明,當(dāng)年降水量小于1400 mm時,坡面侵蝕控制毯、坡面侵蝕控制原木、植被適宜的黏土草甸對坡面侵蝕控制效果最佳。而對于年降水量大于3400 mm的長時間降雨,文中所研究的路段均遭受了嚴(yán)重的侵蝕。雨季末監(jiān)測的孔隙水壓力系數(shù)ru=u/(γH)值在0.4～0.5之間?；谶吰路€(wěn)定性分析,假設(shè)破壞時ru=0.55,抗剪強度參數(shù)c′=10 kPa,φ′=40°,得到的安全系數(shù)為0.95。