山區(qū)公路沿河路基設(shè)計及其穩(wěn)定性研究

竺支珍

中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司，北京 100000

公路項目的建設(shè)規(guī)模日益擴大，質(zhì)量控制也更加嚴格，而路基設(shè)計和邊坡穩(wěn)定性是影響公路建設(shè)水平最關(guān)鍵的因素。特別是對于沿河路基，由于受到水流長期侵蝕與水位變化的干擾，受力變形機制較復雜，建設(shè)難度大，應(yīng)當重視對沿河路基的設(shè)計和安全系數(shù)的計算[1]。但是，很多設(shè)計人員在開展沿河路基設(shè)計時，還是以工程類比法為主，選擇的加固方案較保守，故研究山區(qū)公路沿河路基設(shè)計及其穩(wěn)定性十分必要。

1 山區(qū)公路沿河路基分類

大部分山區(qū)沿河路基所處的地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，長期受到大氣降水、堤壩潰水等的沖刷侵蝕。在對沿河路基進行設(shè)計和穩(wěn)定性計算之前，必須明確沿河路基所屬的類別，以選擇合適的設(shè)計理念和安全系數(shù)分析理論。目前，常用的山區(qū)公路沿河路基分類方法多樣，但主要有按路基結(jié)構(gòu)分類和按路基巖土體性質(zhì)分類兩種[2]。

（1）按路基結(jié)構(gòu)分類。①半填半挖沿河路基。山區(qū)公路往往地勢起伏較大，如果被河流切割，容易出現(xiàn)高陡邊坡，此時為了減小邊坡地挖方深度或填土高度，不會將路線縱斷高程抬升過高，會半填半挖。沿河路基受到河沖刷后，坡腳被掏空，從而產(chǎn)生邊坡病害等。②填方型沿河路基。山區(qū)公路穿越開闊、地形較平坦路段時，路基形式通常以填方為主，此時路基邊坡穩(wěn)定性受到河水和路基相對位置、水流大小等因素的影響較大。③挖方型沿河路基。沿河挖方路基是沿著坡體展開全斷面開挖得到，這種路基由于削坡嚴重常常會出現(xiàn)塌岸、落石等病害，如圖1所示。

圖1 挖方型沿河路基斷面實例

（2）按路基巖土體性質(zhì)分類。山區(qū)公路路線較長，沿線可能穿過各個類型的巖土區(qū)域。根據(jù)巖土路基所處位置巖土體性質(zhì)的不同，可將沿河路基分為巖質(zhì)、土質(zhì)、土石混填路基。①巖質(zhì)路基。山區(qū)公路巖質(zhì)路基相對更多。由于巖體自身具有一定的抗沖刷能力，巖石路基在河流作用下的穩(wěn)定性要強于土質(zhì)路基和土石混填路基。但是，如果巖石路基中存在軟弱夾層較厚的泥巖等，受到水流沖刷可能逐漸剝落，從而引起路基失穩(wěn)。②土質(zhì)路基。土質(zhì)沿河路基以填方邊坡為主，根據(jù)填料不同劃分成無黏性土（碎石土、砂礫土等）與黏性土，其中無黏性土結(jié)構(gòu)松散，黏聚力低，路基內(nèi)部滲水容易排出（不易形成孔隙水壓力），故無黏性土路基穩(wěn)定性較好；黏性土路基滲透系數(shù)小，在河流水位降低期間邊坡內(nèi)孔隙水壓力不易消散，導致邊坡下滑力提高和土體抗剪強度指標減小，使路基安全系數(shù)減小。③土石混合路基。土石混合路基是由堅硬巖石和砂土碎屑堆積而成，在山區(qū)沿河路基建設(shè)期間十分常見。這類邊坡均勻性較差，受到?jīng)_刷后容易沿著軟弱土和基巖接觸面組成。

2 山區(qū)公路沿河路基設(shè)計要點

2.1 沿河路基高程確定

沿河路基頂高程=設(shè)計洪水位+超高=設(shè)計洪水位+壅水高+波浪侵襲高度+安全加高[3]。如果該山區(qū)公路具有通行和堤防的雙重功能，則還必須符合防洪標準中的規(guī)定，此時安全加高在設(shè)計時應(yīng)考慮防洪重現(xiàn)期和堤防級別，如表1所示。

表1 沿河路基安全加高值選擇

2.2 沿河路基綜合防排水設(shè)計

山區(qū)公路沿河路基破壞均與河流水位變化和流動直接有關(guān)。沿河路基綜合防排水的設(shè)計應(yīng)當堅持防滲和排水兩大原則[4]。

（1）沿河路基防滲。沿河路基迎水側(cè)防滲應(yīng)選擇滲透系數(shù)小的材料，具體要求如下：①土質(zhì)防滲結(jié)構(gòu)。橫斷面應(yīng)選擇上小下大梯形斷面。②混凝土防滲結(jié)構(gòu)。應(yīng)當在防滲結(jié)構(gòu)與填料之間設(shè)計1或2層過渡層。③土工織物防滲結(jié)構(gòu)。防滲結(jié)構(gòu)表面應(yīng)加強保護，防止其因機械破壞而失去其防滲性能。

（2）沿河路基排水。山區(qū)公路沿河路基排水構(gòu)造物豐富，在設(shè)計具體的排水結(jié)構(gòu)時，要確保其具有良好的透水性，并盡量選擇項目所在地的性能好、價格實惠的砂石料、碎石等。

3 山區(qū)公路沿河路基失穩(wěn)破壞及穩(wěn)定性分析

3.1 沿河路基失穩(wěn)破壞模式

（1）沿河路基滑移破壞。山區(qū)公路沿河路基滑移是較為普遍的破壞模型，如圖2所示。沿河路基在水流的長期浸泡下，其填料的抗剪強度參數(shù)減小，在動水力作用下可能形成坡面圓、坡腳圓、坡底圓等。在這種類型沿河路基邊坡設(shè)計期間，必須驗算路基邊坡安全系數(shù)。

圖2 沿河路基滑移破壞

（2）沿河路基崩塌破壞。根據(jù)發(fā)生機理的不同，山區(qū)公路沿河路基崩塌破壞可分為三種模式[5]：第一，路基坡腳下方被水流掏空，而在自身重力影響下崩塌；第二，路基外邊坡和河岸重合，路基填料中的細小顆粒逐漸被水流沖走，導致路基整體塌陷；第三，河岸長期受到水流的侵蝕軟化崩塌后，水庫線也會隨之后移，直接影響沿河公路施工和通車運營期間的安全性。

3.2 沿河路基穩(wěn)定性分析方法

山區(qū)公路沿河路基穩(wěn)定性計算理論包括定性、定量分析，前者包括圖解法、自然歷史分析法、SMR法等，后者包括簡化Bishop法等。

（1）定性分析方法。圖解法分析路基邊坡穩(wěn)定性是基于赤平投影圖、摩擦圓等，并結(jié)合相關(guān)沿河路基邊坡的設(shè)計及施工經(jīng)驗，得到邊坡主要結(jié)構(gòu)面與次要結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、傾角等參數(shù)，從而推測出邊坡滑體大小、可能滑動方位等。自然歷史分析方法要求工程人員先對路基邊坡所在區(qū)域的地質(zhì)情況進行詳細勘探，初步判斷可能影響邊坡安全性的因素，并對沿河路基邊坡的發(fā)展趨勢展開初步的探討。SMR法主要用于巖質(zhì)路基安全系數(shù)計算，該方法是基于沿河路基邊坡滑體質(zhì)量參數(shù)，而不考慮地應(yīng)力、坡高等對邊坡安全系數(shù)的干擾，精確度有待進一步提升。

（2）定量分析方法。簡化Bishop法是《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）中所推薦的邊坡穩(wěn)定性分析方法，屬于剛體極限平衡法的范疇。簡化Bishop法將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，計算時以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，得到抗滑力矩與下滑力矩的比值，即為邊坡安全系數(shù)。

3.3 沿河路基穩(wěn)定性計算

（1）工程實例。以某山區(qū)二級公路沿河路基工程為例，采用理正巖土導入CAD模型進行計算。該沿河路基屬于挖方路基，邊坡最大高度為16m，分兩級進行開挖，控制坡高選擇8m，并設(shè)置不小于2m的平臺。計算該沿河路基穩(wěn)定性時考慮了兩種工況。正常工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態(tài)；非正常工況Ⅱ：邊坡處于連續(xù)降雨狀態(tài)，降雨強度取20mm/h，降雨歷時60min。

（2）安全系數(shù)計算結(jié)果。天然狀態(tài)下沿河路基安全系數(shù)為1.24，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，隨著降雨的持續(xù)，河流水位不斷抬升，邊坡內(nèi)部滲入的雨水量也持續(xù)增多，此時路基安全系數(shù)迅速從1.24降低至1.03，降低幅度達到16.9%；邊坡安全系數(shù)小于1.1，路基失穩(wěn)概率較大。

4 結(jié)論

文章詳細分析了山區(qū)公路沿河路基的類型、設(shè)計要點、失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性分析方法，得出以下結(jié)論：首先，在進行沿河路基設(shè)計和穩(wěn)定性計算之前，必須明確沿河路基所屬的類別，常用的沿河路基可按路基結(jié)構(gòu)和路基巖土體性質(zhì)分類；其次，沿河路基邊緣頂高程與設(shè)計洪水位、壅水高、波浪侵襲高度、安全加高等密切相關(guān)，同時防排水的設(shè)計應(yīng)當堅持防滲和排水兩大原則；最后，沿河路基失穩(wěn)破壞模式主要有滑移破壞和崩塌兩種，穩(wěn)定性分析方法主要有定性和定量分析兩大類。