高寒地區路塹邊坡柔性防護技術應用研究

常明軍 CHANG Ming-jun；魏明 WEI Ming；井含偉 JING Han-wei；科文萍 KE Wen-ping；明鋒 MING Feng

（①海北藏族自治州交通運輸綜合服務中心，海北 812200；②海北藏族自治州交通運輸綜合行政執法監督局，海北 812200；③中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

我國多年凍土面積約占國土面積的22.5%，主要分布在西北部和東北部。隨著振興東北和西部大開發戰略的深入實施以及對高海拔、嚴寒地層等地質條件下的資源不斷開發，高寒地區的交通網絡建設和基礎設施建設得到很大發展。然而，高寒地區道路邊坡的穩定性問題也日漸凸顯[1]。統計結果表明在2008～2010年三年時間里，寒區邊坡失穩事件多達5萬起，而且有逐年增加趨勢。邊坡失穩導致道路癱瘓，造成交通堵車，且維護難度大，嚴重影響道路安全。根據《國家公路網規劃（2013年～2030年）》，已在高寒地區規劃了多條高速公路及高等級公路。因此，如何確保高寒地區邊坡的穩定，己經成為寒區工程建設中亟待解決的關鍵[2]。

現有工程經驗對凍土采取的是“寧填勿挖”的原則，然而，在實踐中仍然存在凍土挖方的問題。傳統經驗的禁錮導致國內多年凍土區挖方路基技術尚未形成系統、完整的理論。參考普通地區的邊坡防護結構，盡管有多種防護措施已經被用在寒區邊坡支擋結構中，但實踐效果卻并不理想（圖1）。這是因為高寒地區邊坡有其獨特性。受周期性氣候變化的影響，寒冷地區的路塹邊坡的土體將經歷凍脹和融沉兩個階段[3]。在地下水補給相對充足的情況下，土體在冬季發生凍脹，擋墻或護坡結構（混凝土板或漿砌片石等）將被頂起。當外界溫度較高，土體在春季或夏季發生融沉。當擋墻或護坡結構在融沉時不能完全恢復原位，就會導致局部的破壞。此外，傳統剛性擋土墻后的水平凍脹力很大，可到300kPa[4]。這對護坡結構的完整性存在較大的威脅。可以看出，高寒地區邊坡因其特殊的環境特點，常規護坡方式存在一定的局限性。

圖1 邊坡支擋結構破壞

近年來，格賓石籠因其具有結構型式多樣、適應性強、綠色環保、經濟實用等特點，被廣泛應用于河道治理以及邊坡支擋等工程中。格賓石籠擋土墻能夠有效提高擋土墻結構的整體性與完整性。由于格賓石籠的網箱用的是強度高、耐腐蝕的低碳重鍍鋅鋼絲，并且是機械編織而成，其力學性能和耐久性均有明顯提高[5]。因此，即使格賓石籠發生局部破壞，其仍具有一定的承載力，可以抵抗不同形式的彎曲應力、拉應力以及剪應力。此外，相對于傳統混凝土擋墻和漿砌石擋墻，格賓石籠擋墻具有與周圍自然環境融合度高的能力，符合目前節能減排的要求[6]。因此，拓展格賓石籠擋墻在高寒地區公路邊坡防護等領域的應用具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

海北州位于青海湖北岸和祁連山脈之間，凍土區屬于祁連山中段大通河谷地山地凍土區和祁連山黑河上游高寒帶高山凍土區，在海拔3700～4000m間分布有島狀多年凍土，在海拔4000m以上高山分布有非連續片狀多年凍土，經多年地質鉆探研究，祁連山區凍土隨氣候變化在逐年退化，近40年來，凍土分布面積在逐漸減少。該地區年平均地溫-0.8℃～0℃，凍土上限深度2～5m之間，凍土下限深度27～64m之間，年平均地溫-0.84℃～-0.2℃之間，屬于凍土高溫不穩定帶。區域內土層大多為砂礫石土，表層覆蓋草皮。

1.2 主要病害特征

在海北州已建成的G227達坂山至景陽嶺段、G213熱水至大冬樹山段、G338盤坡至木里段、S301野牛溝至二指哈拉山段，以及剛油公路、茶默公路、天默公路、小東索旅游公路、剛察至熱水公路、鐵麻公路等縣道和部分鄉道、村道公路出現了路基路面沉陷、邊坡消融垮塌等病害，嚴重影響公路的通行安全（圖2）。尤其農村公路在建設當中前期工作較粗，缺少地質勘察，設計深度不足，對凍土區公路一般不做相應的工程設防，對后期運營帶來更大的影響，甚至出現大面積地質災害，如剛油公路江倉至油葫蘆段2010年建成后出現了3處富冰凍土區山體消融，形成熱融滑坡體和融溝而使交通中斷。為此如何對高寒凍土區農村公路路基進行有效加固，提高路基穩定性、保障公路安全通行，是海北交通高質量發展面臨的難題之一。

圖2 典型邊坡失穩

2 路塹邊坡病害形成機制

與非凍土區邊坡穩定性的影響因素不同的是，寒區邊坡還經歷著環境溫度變化的影響，這是因為凍土的物理力學性質與溫度變化密切相關。根據邊坡失穩的表現形式，可根據滑塌部位可分為淺層失穩、中部失穩和整體失穩三類[7]。現場地質調查發現，邊坡失穩區域存在高含冰量凍土，地表植被稀疏。寒凍風化作用強烈，路塹邊坡失穩具有明顯的季節性。已有資料表明，在11月至次年4月、5月間寒冷季節邊坡變形趨緩或不發生變形，而5月至11月間較溫暖季節邊坡變形病害比較集中，尤其在雨季易發生大面積滑坡等重大地質災害。這是因為，當環境氣溫回升，邊坡表層土體開始融化，由于下部的土體還沒有融化，導致水分在邊坡淺層土體內聚集，可能使得土體處于水分飽和或過飽和狀態。此時孔隙水壓力增大，將造成邊坡失穩[8]。

現場調查發現，現有寒區公路路塹邊坡多采用放坡結合混凝土擋墻。然而，這樣的組合方式在凍土區并不適用。這是因為一方面，混凝土擋墻屬于剛性支護，難以適應凍土地基不均勻融化；另一方面，混凝土擋墻阻礙了擋墻背后水分的遷移，導致冬季在擋土墻背后形成較大凍脹力，破環混凝土結構[4]。這將對擋土墻結構和邊坡穩定性造成巨大影響。

由于農村公路投資少，建設項目前期工作深度不足，都未進行地質勘探，在項目實施過程中，因地質原因應發的路基邊坡病害較普遍。此外，在工程尺寸及路基高度、路面寬度等和路線走向陰陽面差異、表面狀態吸收太陽輻射的能力及工程防護措施等工程條件方面的考慮存在不足。

3 防治方案

針對高寒地區路塹邊坡失穩特征，以及支擋結構破壞原因，經過多次實地勘察，結合多年的建設管理實踐，總結了“排水減重、早期預防、柔性防護、生態恢復”的治理方案，應用攔截和疏通地表水及地下水、石籠護坡+植被修復的工程措施進行綜合治理。根據現行相關規范要求，對格賓石籠擋土墻進行了抗滑移、抗傾覆、整體穩定性、地基承載力等驗算。確定了圖3的格賓石籠擋墻設計方案。

圖3 格賓石籠擋土墻設計

為了更好的理解設計意圖，現針對此設計方案進行說明：

①格賓石籠由采用鍍鋅鐵絲包裹PVC的鐵絲綁扎而成，然后在綁扎成型的網箱中填充就地取材的塊石。格賓石籠埋置深度為0.5m，錯縫布置，并在適當位置設置“U”形加強筋，以提高賓格石籠的整體性。

②設置外保溫層的目的是防止擋土墻結構發生凍脹產生凍脹力而破壞整體結構。格賓石籠外保溫層由復合防水板和保溫板組成，復合防水板由土工布和防水板組成。復合防水板密貼賓格石籠外側滿鋪，完全阻斷格賓石籠積水浸滲保溫板，確保保溫板不受破壞。保溫板所用材料不僅包括保溫所用聚酚醛等保溫材料，還包括防水抹面砂漿和裝飾層，所用材料應具有優異的保溫性能。保溫填充層位格于賓石籠與邊坡坡面之間，自下而上填充中粗砂建少邊坡土體凍脹帶來的凍脹力，兼具保溫和排水作用。

③邊坡排水系統包括深入邊坡的仰斜式泄水孔、用于匯集邊坡排水的坡面匯水管和位于邊坡坡底的沿坡面縱向布置的雙壁波紋管，其中仰斜式泄水孔直徑宜為50mm，內置直徑42mm鋼花管，泄水孔沿坡面梅花形布置，間距宜為250×200cm。坡面匯水管沿坡面，宜采用直徑110mmPVC管，縱向間距2.5m/道，坡面匯水管沿坡面順坡布置，采用三通分別與仰斜式排水管和雙壁波紋管連接。

④深埋排水溝由橫向匯水管、混凝土基座、上半圓透水波紋管、碎石填充和土工布組成。深埋排水溝溝底標高應低于賓格石籠底面1m以上。橫向匯水管邊坡一側與雙壁波紋管通過三通連接，另一側深入上半圓透水波紋管內，目的是將邊坡水排入深埋排水溝。通過碎石填充可以將賓格石籠內積水匯入深埋排水溝。深埋排水溝最終將匯水排出路基外，保持邊坡和賓格石籠干燥。而深埋排水溝由于埋深較大，可以防止匯水結冰堵塞排水溝，確保水流通暢，防止凍融。

4 石籠擋墻相關技術要求

①開挖邊坡：根據邊坡設計要求進行開挖，應注意保護邊坡草皮，待施工完成后，將草皮覆蓋于坡面。挖機挖除廢土后用人工清理坑底的殘土、渣土，并對坑底、坑壁進行清平，然后在基底采用砂礫石找平。

②邊坡排水系統施工：坡面鉆孔成型仰斜式泄水孔，泄水孔內放置鋼花管；鋪排坡面匯水管并與鋼花管連接；在坡底沿坡面縱向布置的雙壁波紋管，并與鋼花管連接。

③深埋排水溝施工：開挖深埋排水溝，澆筑混凝土基座，安裝上半圓透水波紋管，敷設土工布，安設橫向匯水管。

④碼砌賓格石籠：采用鍍鋅鐵絲包裹PVC的鐵絲綁扎格賓網，然后向內填充強度等級MU30以上的塊石，塊石粒徑以100～300mm為宜。碼砌時注意校正扭曲變形，并用卷尺校正折起尺寸。在必要位置設置加強筋。

⑤填充中粗砂：對墻底及墻后采用中粗砂或碎石換填，減輕凍脹影響。回填墻后填土前，應在格賓網箱背面鋪設無紡土工布，并在網箱上、下部各折入20cm，確保能夠達到反濾作用，防止水土流失。

⑥格賓石籠外保溫層施工：鋪設復合防水板和保溫板。

⑦表面綠化：當格賓石籠擋墻施工至設計標高后，選擇適合當地環境的草種類型，并盡早在網箱臨空一側及頂部邊坡位置實施邊坡綠化工作。

5 石籠擋土墻實踐效果

2015年至2016年，在茶默公路及天默公路開展了凍土路段路基穩定性的研究，對路塹邊坡采用格賓石籠擋土墻進行防護，并在運營期間進行了邊坡穩定性觀測。通過4年穩定性觀測，除局部發生變形外，使用良好，凍土坡面基本趨于穩定。

從圖4可以看出，格賓石籠擋土墻在凍土區具有良好的實施效果。這是因為：

圖4 格賓石籠擋土墻效果

①石籠防護體填充料有較大的空隙，具有通風透氣性，利用晝夜溫差產生的空氣對流，進行冷熱交換，平衡路塹邊坡凍土溫度，有效減少外界對開挖裸露面凍土層溫度影響，保持凍土穩定；

②石籠具有良好的滲透性，能及時疏排地表和層間融化滲水，減少邊坡土體內積水對凍土層擾動侵蝕；

③石籠有很強的抵御自然破壞及耐腐蝕和抗惡劣氣候影響的能力，在發生消融凍脹時可以承受大范圍的變形，不會因外力產生傾覆、斷裂等破壞而喪失防護能力；

④格賓石籠的柔性好，不需要設置結構縫，因而可以更大的發揮整體防護性能。綜上，可得出結論，格賓石籠擋土墻是一種適用于高寒地區環境的有效支擋措施。

6 結論與建議

①格賓石籠擋土墻具有經濟環保、成本較低，適用于高寒地區的路塹邊坡支擋。

②路塹邊坡開挖后及時安排格賓石籠防護跟進施工，在凍土消融前或較小時就完成防護，并及時恢復格賓石籠頂部開挖裸露面的植被。

③在推廣應用中，為提高使用壽命周期，格賓網片應選用高強、高抗拉、高抗腐蝕的鋼絲材料，填充塊石應具有較強的抗風化能力。