甘肅和政地區松散層路塹邊坡病害防治方案優選

談兵、李茂山

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來，隨著和政縣公路建設的發展，在公路建設過程中形成了大量松散層或松散層-泥巖、砂巖路塹邊坡。其中以殘坡積粉質黏土、含礫粉質黏土土邊坡發育最為廣泛。此類邊坡在低等級公路建設時，受投資資金限制，大多沒有完善的邊坡支護措施，在強降雨條件下，易發生邊坡失穩破壞。2018年和政縣夏季降水量為545.3mm，與歷年相比增加79%，其中7月降水量較歷年增加81%，8月降水量較歷年增加142%，區域性暴雨出現次數及強度屬歷史罕見，造成和政縣多處松散層邊坡發生失穩破壞，對當地交通運輸安全造成威脅。故對此類邊坡防治方案進行研究對當地公路邊坡病害處治具有一定的指導意義。

1 和政地區松散層路塹邊坡特性及破壞模式分析

1.1 邊坡特性

和政地區松散層路塹邊坡受其所處地理位置及巖土體性質影響，與傳統松散層邊坡相比具有以下特性：

1.1.1 保水性強

受和政地區湖湘沉積地層控制，松散層堆積物黏土占比大，黏粒含量高，孔隙小，坡體透水性差，保水性強。

1.1.2 凍融作用強烈

和政縣海拔高度為1900～4368m，海拔高低懸殊，夏季短而涼爽，冬季漫長而干燥，氣溫寒冷多變。結凍期為10月至來年4月，長達5 個月。區內降水量大，坡體細粒含量較大，易發生凍結，春季凍融作用明顯。

1.2 破壞模式分析

邊坡失穩的原因除外界作用力打破其原始的應力平衡狀態外，主要為坡體巖土體自身抗剪強度受外界因素影響而降低。降雨作為誘發邊坡失穩的主要因素之一，其對黏性非飽和邊坡的影響尤為顯著。隨著降雨入滲，坡體土中基質吸力迅速下降，導致土體抗剪強度降低，引起坡體失穩。和政地區黏土占比較大的松散層路塹邊坡，具有滲透性差、保水性強的特點。在強降雨條件下，雨水很難入滲至深層，淺層土體先達到飽和狀態，易發生淺層蠕滑和溜塌。表現形態多為坡面泥流和淺表層溜塌，見圖1。在連續降雨條件下，表層土體逐步達到飽和，坡體頂部易發生蠕變，在坡面形成裂隙，為雨水提供了入滲路徑，坡體飽和區會逐步發展加深，易發生坡體沿裂隙面或隔水層發生滑塌，見圖2。

圖1 坡面淺層溜塌

圖2 松散層滑塌

2 防治方案設計與比較

2.1 防治方案設計

根據和政地區松散層路塹邊坡的特性和常見破壞模式，結合工程實踐過程中典型松散層路塹邊坡病害，對其進行邊坡防治方案設計。在考慮坡腳支擋的同時，應加強坡體截水、排水設計，有效降低坡體含水量。常用的設計方案為：混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案和石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案。

2.1.1 混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案

（1）坡頂設置截水溝。

（2）采用緩邊坡放坡，邊坡坡率1∶1.5。

（3）路側設置邊溝，邊溝底套設盲溝，降低路基范圍地下水。

（4）坡腳設置外露高度為3m 的混凝土擋土墻。

2.1.2 石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案

（1）坡頂設置截水溝。

（2）采用緩邊坡放坡，邊坡坡率1∶1.5。

（3）路側設置邊溝，邊溝底套設盲溝，降低路基范圍地下水。

（4）坡腳設置高度為3m 的石籠擋土墻。

見圖3、圖4。

圖3 混凝土擋土墻配合坡體截水、排水方案

圖4 石籠擋土墻配合坡體截水、排水方案

2.2 方案分析

兩種方案均是在坡腳設置支擋措施，防止坡體應力平衡狀態打破后從坡腳發生剪切破壞。但兩種方案在安全性、可行性、經濟性、耐久性方面存在差異。

邊坡處治后的安全性是設計方案首要考慮的問題，也是判斷方案是否合理的決定性因素。上述兩種方案在加強坡體排水的同時，對坡腳進行了支擋，處治后能夠保證邊坡處于整體穩定狀態。在此前提下，混凝土擋土墻作為剛性支護措施不易發生變形，耐久性較強，但存在其地基承載力要求較高、需對地基進行處理、工程造價較高、坡體表層失穩物質易越過墻頂、坡體內部水不易排出等缺點。石籠擋土墻作為柔性支擋措施，具有對地基承載力要求低、透水性強、墻頂可作為有效堆積區等優點，但亦存在耐用性較差的缺 點。

3 防治方案優選

此次研究擬采用模糊數學理論進行綜合評價。首先考慮影響方案的幾項重要因素確定評價要素集。然后從評價要素出發對兩個方案進行評價，建立評價集。利用層次分析法確定評價要素權重集。最后根據模糊數學最大隸屬度進行定量評價，選擇出最優方案。

評價要素集：本文選擇兩種方案的安全性、可行性、經濟性、耐久性四個因素作為參與評價的指標，組成評價要素集R。

R={r1，r2，r3，r4}

評價集：對評價要素集中四個指標可建立三個等級進行評價，如“安全性好、安全性一般、安全性差”“可行、基本可行、不可行”“造價高、造價一般、造價低”“耐久性好、耐久性一般，耐久性差”。最終建立評級集S。

S={s1，s2，s3}

擋土墻方案和石籠方案評分標準見表1，量化打分得到評分結果見表2。

表1 各評價要素評分標準

評價指標取值10～6.6安全性好經濟性低耐久性好6.6～3.3一般一般一般3.3～0差可行性可行基本可行不可行高差

表2 兩種方案評分結果

評價指標安全性可行性經濟性耐久性方案一7.5方案二7 5 7 8 7 8 6

四個評價要素對方案的影響程度不同，其重要程度可通過權重的大小表示。用層次分析法確定各評價要素的權重，建立權重集M。在評價要素相互重要性評價時，用數值表示行要素相對于列要素的重要性，見表3。

表3 行指標相對列指標重要程度數值表

判斷矩陣數值1 3 5 7 9行指標對列指標相對重要程度同等重要稍微重要明顯重要非常重要極為重要

對本文選取的四個評價要素相互之間的重要程度進行評價，得到重要性判斷矩陣，見表4。

表4 評價要素重要性判斷矩陣

安全性1.000 1.000 0.200 0.333評價要素安全性可行性經濟性耐久性可行性1.000 1.000 0.200 0.333經濟性5.000 5.000 1.000 1.250耐久性3.000 3.000 0.800 1.000

求解可得判斷矩陣最大特征值

λ

=4.0098，利用平均隨機一致性指標R.I 進行特征值一致性和隨機性檢驗，n=4 時，R.I 取值為0.90，見表5。

表5 平均隨機一致性指標R.I 取值

n 3 4 5 6 7 8 9 R.I 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45

進行特征值的一致性和隨機性檢驗：

式（1）中：CI 為一致性指標；λ為判斷矩陣最大特征值；n 為評價要素個數。

式（2）中：CR 為一致性比率；R.I 為平均隨機一致性指標。

由計算結果可知判斷矩陣滿足一致性檢驗要求，最大特征值對應的特征向量可作為權重集，用最大特征值法歸一化處理得到權重集M。

M =（0.396,0.396,0.085,0.123）

根據兩種方案評價要素評分結果表，計算判斷矩陣。

式（3）中：

Q

為判斷矩陣；

S

為兩種方案的評分數值。得到兩種方案評判矩陣

Q

。

利用模糊綜合評價模型對混凝土擋土墻配合坡體截水、排水和石籠擋土墻配合坡體截水、排水兩種方案進行模糊綜合評價。

求得最終評價結果向量R = M·Q

按照模糊評判法最大隸屬度原則，可以看出設置石籠擋土墻配合坡體截水、排水的防治方案更為經濟合理。

4 結語

甘肅和政地區松散層路塹邊坡受其所處地理位置及巖土體性質影響，具有保水性強、凍融作用明顯等特點。區域內目前對此類路塹邊坡的防治方案主要為坡腳設置支擋措施。同時，加強坡體截水、排水設施。其中坡腳常設置的支擋措施為混凝土擋土墻和石籠擋土墻。其中混凝土擋土墻不易發生變形，耐久性較強，但存在其對地基承載力要求較高，需對地基進行處理、工程造價較高、坡體表層失穩物質易越過墻頂、坡體內部水不易排出等缺點。石籠擋土墻具有對地基承載力要求低，透水性強，墻頂可作為有效堆積區等優點，但亦存在耐用性較差的缺點。

本文在定性分析的基礎上，運用模糊數學對此兩種方案進行定量評價，根據最大隸屬度原則，得出對甘肅和政地區保水性強、凍融作用明顯的松散層路塹邊坡坡腳設置石籠擋土墻配合坡體截水、排水的防治方案更為經濟合理的結論。該研究為和政地區今后公路工程建設時，松散層路塹邊坡處治方案的選擇提供了一定的實踐經驗和依據。