小南海水庫庫區(qū)防汛公路路基邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)

□李擁軍 □任劍飛 □張亞兵（安陽市彰武南海水庫工程管理局）

1.引言

路基邊坡滑塌是水庫庫區(qū)防汛公路常見破壞現(xiàn)象之一。如河灘路堤、高路堤或軟弱地基上的路基，就可能因水流沖刷、邊坡過陡或地基承載力過低而出現(xiàn)填方土體（或連同原地面土體）沿某一剪切面產(chǎn)生坍塌。為此，必須對可能出現(xiàn)的失穩(wěn)或已出現(xiàn)失穩(wěn)的路基進(jìn)行分析、防護(hù)，保證路基既達(dá)到穩(wěn)定性要求，又滿足經(jīng)濟(jì)性需求。

2.影響庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性因素

小南海水庫位于河南省安陽市西南35km的海河流域衛(wèi)河支流洹河上，地屬溫帶大陸性氣候，夏、秋季節(jié)降水量大，占全年降水量的70%～80%，庫區(qū)防汛公路路基邊坡滑塌破壞時有發(fā)生，影響公路暢通，危及水庫防汛安全。依據(jù)土力學(xué)原理，路基邊坡滑塌是由于邊坡土體中的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的剪切破壞，因此，凡是使土體剪應(yīng)力增加或抗剪強(qiáng)度降低的因素，都可能引起邊坡滑塌。小南海水庫庫區(qū)防汛公路路基邊坡穩(wěn)定性影響因素可歸納為以下幾點：

2.1 邊坡土質(zhì)、巖石風(fēng)化破碎程度

水庫庫區(qū)地處太行山脈，庫區(qū)防汛公路傍山修筑，部分路段為填土路基，填筑土體為就近選用砂性土，土質(zhì)抗剪強(qiáng)度低，部分路段為山體開挖，山坡巖石風(fēng)化破碎、剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)定性降低。

2.2 水的活動

邊坡的破壞與水的活動有關(guān)，庫區(qū)洹河為季節(jié)性河流，夏、秋季節(jié)庫區(qū)上游來水量、降水量大，水位落差大，路基易受河水浸泡、沖刷，邊坡土體含水量的增加，既降低了土體的抗剪強(qiáng)度，又增加了土內(nèi)的剪應(yīng)力，再加上浮力和動水壓力作用，使邊坡處于最不利狀態(tài)，較易失穩(wěn)。

2.3 邊坡的幾何形狀

庫區(qū)部分山澗段防汛路為填土高路基，路基具有高、陡的邊坡，因其重心高，加上坡腳河流流水沖刷，穩(wěn)定條件極差，易發(fā)生滑塌破壞。

3.庫區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性分析

路基邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，歸納起來可分為力學(xué)分析法和工程地質(zhì)比擬法兩大類。力學(xué)分析法又稱極限平衡法，假設(shè)邊坡沿某一形狀滑動面破壞，按力學(xué)平衡原理進(jìn)行計算，根據(jù)滑動面形狀的不同，又分為直線法、圓弧法、折線法3種，其中圓弧法較接近工程實際，被廣泛采用。

小南海水庫庫區(qū)西善應(yīng)村段防汛公路為山溝填土高路堤，路基高11m，上邊坡坡度約為1∶1.5，高4m，下邊坡坡度約為1：1.9，高7m，頂寬9m。路基填土為亞粘土，土的各項參數(shù)為粘聚力c=10kPa、內(nèi)摩擦角 24°(t anφ=0.45)、容重 r=17kN/m3,路面荷載采用掛車 -80（800kN）。

表1 圓弧法邊坡穩(wěn)定性分析表

3.1 分析驗算過程

3.1.1 根據(jù)工程情況，用Aut oCAD繪制路基橫斷面圖，并做出一條通過路基右邊緣的滑動曲線。將掛車-80（800kN）換算成當(dāng)量土柱高h(yuǎn)0。設(shè)其中一輛掛車停歇在路肩上，另一輛以最小間距d=0.4m與它并排。按下列公式換算土柱高為

式中：N—橫向分布的車輛數(shù)，單車道N=1，雙車道N=2；Q—每一輛車的重量，kN；L—汽車前后軸（或履帶）的總距，L=6.4m；B—橫向分布車輛輪胎最外緣之間總距，其公式為

其中：N為車輛數(shù)，等于2；d為車身之間的凈距，等于0.4m；b可近似地取車身寬度，等于3.5m，則B＝7.4m，故h0＝2.0m。

3.1.2 按4.5H法確定滑動圓心輔助線（不考慮荷載換算土層高度）。在橫斷面圖上，自左坡腳A向下引豎線，在豎線上截取高度H=h（路堤高度）得點C，自C點向右引水平線，在水平線上截取4.5H，得點M。連接左坡腳A、左坡頂B，計算連線AB與水平線的夾角θ。arct anθ=h/1=0.52，得θ=27.3°，查《公路設(shè)計手冊》粘土邊坡通過坡腳的極限破裂圓弧中心位置的有關(guān)角值表，得β1=25°，β2=35°。在橫斷面圖上A、B點做出角β1、β2，相交于點N，連接直線M N,則滑動圓弧曲線圓心在直線M N上。

3.1.3 滑動圓弧圓心確定。用直線連接可能滑動圓弧面的兩端點AB，做直線AB的中垂線交滑動圓心輔助線M N于點O，點O即是該滑動曲線的圓心。

3.1.4 畫出土體圓弧滑動面，將圓弧范圍內(nèi)土體分為8段,算出滑動曲線每一分段中點與圓心豎線之間的偏角αi

式中：Xi—所分每段圓弧中點距圓心豎線的水平距離，圓心豎線左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正；R—滑動曲線半徑。

每一分段的滑動圓弧曲線可以近似取直線，將各分段圖形簡化為梯形或三角形，計算其面積Ωi，其中包括荷載換算成土柱部分的面積在內(nèi)。

3.1.5 以路堤縱向長度1m計算出各分段的重力Gi，將每一段的重力Gi化為二個分力。

一在滑動曲線法線方向分力Ni=Gi cosαi；

二在滑動曲線切線方向分力Ti=Gi si nαi；并分別求出此兩者之和，∑Ni和∑Ti,

3.1.6 算出滑動曲線圓弧長L,列圓弧邊坡穩(wěn)定性分析表,計算穩(wěn)定系數(shù)K1。

穩(wěn)定系數(shù)

3.1.7 在橫斷面圖中繪制出通過路基中線和距左邊緣1/4處的另外兩條滑動曲線，用上述相同步驟計算出穩(wěn)定系數(shù)K2=1.38，K3=1.42。

3.2 分析驗算結(jié)果

選取具有代表性的3滑動面進(jìn)行驗算，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均滿足工程規(guī)范規(guī)定（1.25～1.50）范圍要求，故可判定，本路段內(nèi)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.庫區(qū)防汛公路路基邊坡防護(hù)方法

小南海水庫庫區(qū)防汛公路路基邊坡防護(hù)方法主要采用工程防護(hù)和植物防護(hù)兩大類。

4.1 工程防護(hù)

在不易于草木生長的巖石段路基，根據(jù)實際地形地貌，采用錨桿鐵絲網(wǎng)噴漿或噴射混凝土護(hù)面、干砌石或漿砌石護(hù)面，將坡面封閉隔絕或隔離，保護(hù)巖石路基邊坡表面免受降水、日照、風(fēng)力、大氣等自然因素的影響，防止和延緩巖土表面的風(fēng)化、剝落等演變過程，達(dá)到保護(hù)路基邊坡的穩(wěn)定性。

4.2 植物防護(hù)

在填土路基地段邊坡，采用種草、植草皮、植樹等防護(hù)措施，種草選取多年生、耐寒、耐旱、根系發(fā)達(dá)草種，植樹選取容易成活樹種，利用植被對邊坡的覆蓋作用、植物根系對邊坡的加固作用，保護(hù)路基邊坡免受大氣降水與地表徑流的沖刷。

5.結(jié)語

防汛公路暢通是水庫防汛體系的重要環(huán)節(jié)，是水庫安全度汛的重要保障。在水庫汛前檢查工作中，水庫工程技術(shù)管理人員應(yīng)當(dāng)注重對影響防汛公路暢通隱患的排查，對隱患進(jìn)行快速、正確的分析判斷，進(jìn)而采取有效的防護(hù)措施。