建寧縣某水廠邊坡支護(hù)與排水設(shè)計(jì)

許傳貝，陳志敏，陳 瀅，陶小飛，趙玉凱

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311100;2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院(福建)有限公司,福建 福州 350000;3.浙江華東工程建設(shè)管理有限公司,浙江 杭州 311100; 4.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450000)

0 引言

邊坡(斜坡)是工程建設(shè)十分常見(jiàn)的基本工程形式,因此對(duì)邊坡的穩(wěn)定性研究直接影響著相關(guān)工程建設(shè)的安全。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)的建設(shè)用地指標(biāo)日趨緊張,所以諸多工程選址在山坡之上修建,以此來(lái)保護(hù)耕地和減少相應(yīng)的支出[1-3]。在這種情況下,山體被開挖或沿坡進(jìn)行填方,出現(xiàn)許多建筑邊坡,如果對(duì)這些建筑邊坡的處理不正確,那么就非常容易造成滑塌,甚至滑坡。這樣不僅影響相關(guān)工程的安全,又破壞周邊的生態(tài)環(huán)境。因此為了確保工程中的建筑邊坡的穩(wěn)定,防止坡體失穩(wěn),就需要在工程進(jìn)行過(guò)程中采取合理、適宜、安全的邊坡支護(hù)措施[4-7]。對(duì)于挖方、填方形成的邊坡,目前已經(jīng)有了大量成熟的技術(shù)和處置方案[8-12],但對(duì)于每個(gè)具體工程而言,工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、氣候條件均有不同,還需要針對(duì)具體的工程特點(diǎn),提出適合的支護(hù)方案。本文以建寧縣某水廠為工程案例,研究該水廠建設(shè)形成的挖方邊坡和填方邊坡的穩(wěn)定性,對(duì)邊坡支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),研究成果可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

擬建某水廠位于約700 m的山包上,屬低山丘陵地貌單元,高20 m～30 m,坡度約30°,植被茂盛。場(chǎng)址中部發(fā)育一條南北走向沖溝,寬30 m,長(zhǎng)100 m,溝內(nèi)地勢(shì)平緩,未見(jiàn)常年性流水。場(chǎng)址北側(cè)、西側(cè)緊鄰道路,為填方邊坡,北側(cè)邊坡的最大高差為12 m,西側(cè)邊坡的最大高差約為2 m～8 m,場(chǎng)址南側(cè)、東側(cè)緊鄰山體,屬于挖方邊坡,南側(cè)邊坡高度約為16 m～23 m。該邊坡為永久性邊坡,邊坡主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,按安全等級(jí)劃分,屬于一級(jí)邊坡,當(dāng)坡頂為路面時(shí)荷載按20 kPa考慮,其余坡頂荷載按10 kPa考慮。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察成果,該建筑邊坡開挖影響范圍內(nèi)的主要巖土層及巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地勘報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)取值

擬建場(chǎng)地內(nèi)地表未見(jiàn)常年性自然流水,場(chǎng)地地表水主要為降雨補(bǔ)給,蒸發(fā)或地表徑流排泄,地表水對(duì)本工程影響較小。地下水含水層性質(zhì)、地下水埋藏條件,本場(chǎng)地地下水類型以第四系孔隙水及基巖裂隙水為主。第四系孔隙水主要賦存于素填土①1、粉質(zhì)黏土③2層內(nèi),主要受大氣降水補(bǔ)給,地表水以及地下水層間補(bǔ)給,以滲流及蒸發(fā)方式排泄,地下水水位受季節(jié)影響明顯。據(jù)鉆孔資料,勘察期間測(cè)得穩(wěn)定地下水位埋深為2.4 m～15.4 m(高程362.79 m～374.74 m),場(chǎng)地地下水位的年變化幅度為1 m～2 m。

1.3 工程建設(shè)面臨問(wèn)題

場(chǎng)地為山坡地形,場(chǎng)址的南側(cè)和東側(cè)緊鄰山體,工程建設(shè)中需要對(duì)存在的山體進(jìn)行削坡挖方處理,挖方形成的邊坡最大高度23 m,為一級(jí)邊坡,挖方形成高陡臨空面,可能造成邊坡滑塌,且挖方區(qū)表層多為黏土和風(fēng)化層遇水易軟化崩解,在降雨等不利因素影響下極易形成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,為保證挖方形成邊坡的穩(wěn)定,需對(duì)挖方形成的高邊坡進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在場(chǎng)址的中部存在一條南北向的沖溝,北側(cè)和西側(cè)緊鄰鄉(xiāng)道,地勢(shì)較低,均需要進(jìn)行回填。由于填土抗剪強(qiáng)度較差,為避免工程回填對(duì)道路的影響,需要設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu),并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。邊坡的穩(wěn)定性與水文地質(zhì)和降雨氣候條件緊密相關(guān),降雨不僅會(huì)對(duì)表層土體的沖刷、沖蝕,而且會(huì)加大巖土體的重量,增大下滑力,雨水下滲轉(zhuǎn)化地下水時(shí),對(duì)巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生潛蝕和潤(rùn)濕軟化作用,同時(shí)也會(huì)引起地下水位升高,增大孔隙水壓力,減少有效應(yīng)力,改變土體力學(xué)強(qiáng)度,降低抗滑力,進(jìn)而降低了巖土體的穩(wěn)定性,而且雨量越大,降雨時(shí)間越長(zhǎng),越容易產(chǎn)生滑坡和崩塌,為保證工程安全,需要結(jié)合不同支護(hù)結(jié)構(gòu)類型制定排水方案。因此,工程建設(shè)中面臨的問(wèn)題可以概括為三個(gè)方面:1)開挖形成的高邊坡的穩(wěn)定性和支護(hù)方案確定;2)回填形成的邊坡的穩(wěn)定性及支護(hù)方案的確定;3)邊坡支護(hù)的排水方案的確定。

2 邊坡支護(hù)方式的確定

針對(duì)本工程邊坡開挖深度、回填高度、周邊環(huán)境條件及水文地質(zhì)情況,邊坡可采用的支護(hù)型式有鉆孔灌注樁+錨索、擋土墻、框架錨桿等多種結(jié)構(gòu)形式。各種支護(hù)型式比選見(jiàn)表2。

表2 邊坡支護(hù)方案的比選

鉆孔灌注樁(抗滑樁)+錨索具有工藝成熟、支護(hù)剛度大、抗滑穩(wěn)定性好對(duì)周圍影響小的優(yōu)點(diǎn),對(duì)比其他方案,造價(jià)相對(duì)較高、施工進(jìn)度較慢;擋土墻造價(jià)對(duì)比樁錨相對(duì)較低、施工快,但主要缺點(diǎn)是對(duì)場(chǎng)地占用較大;框架錨桿優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原狀山體擾動(dòng)較小,對(duì)邊坡穩(wěn)定性有較大提高,缺點(diǎn)是施工工藝較為復(fù)雜;骨架放坡植草造價(jià)較低,但場(chǎng)地占用較大。

綜合考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、周邊建筑、環(huán)境控制條件等,確定邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

2.1 挖方段高邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

場(chǎng)地南側(cè)和東側(cè)緊鄰山體,需要進(jìn)行削坡挖方處理,挖方后邊坡高度大,存在整體穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),要求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.35,為了保證邊坡的穩(wěn)定,需要結(jié)合地形條件,對(duì)高邊坡進(jìn)行支護(hù)。初步擬定的設(shè)計(jì)方案為:場(chǎng)地南側(cè)的坡體多為黏土與全風(fēng)化巖,邊坡高度較高,具有一定的放坡條件,可以采用最上級(jí)邊坡1∶1.5骨架放坡植草,下兩級(jí)邊坡1∶0.5放坡框架錨桿支護(hù)。場(chǎng)地東側(cè)也具有一定的放坡條件,相對(duì)東側(cè)高度稍低,可以采用1∶0.5放坡框架錨桿支護(hù)。框架梁截面尺寸為300 mm×350 mm,混凝土框架梁柱混凝土強(qiáng)度為C30,典型的剖面支護(hù)如圖1所示,框架錨桿現(xiàn)場(chǎng)施工如圖2所示。此處挖方形成的邊坡主要為土質(zhì)邊坡,最可能發(fā)生的是在自重、坡頂荷載或強(qiáng)降雨等因素下沿土體內(nèi)產(chǎn)生的剪切滑動(dòng),邊坡可能的滑動(dòng)面為圓弧面,故這里采用圓弧滑動(dòng)法對(duì)開挖支護(hù)后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算參數(shù)如表3所示,計(jì)算后的安全系數(shù)為1.49,大于1.35,滿足規(guī)范要求。

表3 框架錨桿支護(hù)計(jì)算參數(shù)

2.2 填方段邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

場(chǎng)地北側(cè)為填方區(qū),道路北側(cè)填方高度約為0 m～9 m,場(chǎng)地條件較為緊湊,故該段邊坡采用衡重式擋墻支護(hù),道路南側(cè)邊坡填方高度最高約為8 m,采用放坡型式空間不足,且該部分填土對(duì)道路北側(cè)擋墻具有一定的推力,若坡底無(wú)支護(hù)措施,則該部分土體的變形將直接影響道路北側(cè)的擋墻,造成道路擋墻的變形甚至傾倒,故綜合考慮場(chǎng)地條件、邊坡穩(wěn)定性、道路北側(cè)擋墻安全性,該段采用1∶1.5人字骨架植草放坡+鉆孔灌注樁(抗滑樁)結(jié)合錨索支護(hù),抗滑樁+錨索可承擔(dān)上部分土壓力,減小道路北側(cè)擋墻所受荷載。場(chǎng)地北側(cè)至西側(cè)邊坡為填方邊坡,邊坡高度較高,場(chǎng)地緊湊,且坡腳位于原始邊坡上,綜合考慮場(chǎng)地條件和邊坡安全,故該段采用直徑1 000@1 500 mm 抗滑樁結(jié)合錨索支護(hù)+樁頂人字骨架放坡植草支護(hù)型式,填方段典型支護(hù)剖面如圖3所示,現(xiàn)場(chǎng)施工如圖4所示。此處填方形成的邊坡主要為土質(zhì)邊坡,最可能發(fā)生的是在自重、坡頂荷載或強(qiáng)降雨等因素下沿土體內(nèi)產(chǎn)生的剪切滑動(dòng),邊坡可能的滑動(dòng)面為圓弧面,故這里采用圓弧滑動(dòng)法對(duì)開挖支護(hù)后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,計(jì)算參數(shù)如表4所示,采用剛體極限平衡法計(jì)算后的安全系數(shù)為1.455,大于1.35,滿足規(guī)范要求。

表4 抗滑樁部分設(shè)計(jì)參數(shù)

3 排水設(shè)計(jì)

由于南方多雨,降雨會(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性,所以需要結(jié)合支護(hù)方案進(jìn)行排水設(shè)計(jì)。結(jié)合場(chǎng)地支護(hù)條件,排泄水方案擬采用地表集水明排+坡體軟式透水管或泄水管泄水。主要包括:采用集水明排,坡體坡頂、坡腳、平臺(tái)設(shè)置截排水溝,截排水溝坡度不小于3‰,截水溝和排水溝如圖5所示;坡面設(shè)置仰斜軟式透水管排水,上斜10%,位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖揭露的水文情況進(jìn)行調(diào)整,擋墻墻體內(nèi)設(shè)置φ75 PVC泄水水管,上斜10%,墻背設(shè)500厚中粗砂濾層,泄水管伸出擋墻面50 mm,如圖6所示。場(chǎng)地內(nèi)設(shè)有一條自東南側(cè)填方向北側(cè)的排水盲溝,邊坡坡腳排水溝應(yīng)與場(chǎng)地內(nèi)排水系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)置。

4 結(jié)論

以建寧某水廠邊坡支護(hù)為例,對(duì)填方、挖方邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)方法和排水措施進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

1)該新建水廠工程區(qū)存在挖方邊坡和填方邊坡,根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,優(yōu)選了合適的支護(hù)方案,挖方邊坡采用放坡+框架錨固進(jìn)行支護(hù),填方邊坡采用擋土墻、抗滑樁+錨索分段支護(hù),通過(guò)計(jì)算支護(hù)后的穩(wěn)定性,均滿足規(guī)范要求。

2)結(jié)合支護(hù)的形式和降雨氣候條件,采用在坡體坡頂、坡腳、平臺(tái)設(shè)置截、排水溝,在坡面采用仰斜軟式透水管,在擋墻內(nèi)設(shè)置泄水管的排水方案,使得水體及時(shí)排水減小對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

3)高邊坡內(nèi)部巖土體力學(xué)特性非常復(fù)雜,單一的設(shè)計(jì)理論并不完善,且設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中往往需一些假設(shè)和簡(jiǎn)化,為了使設(shè)計(jì)方案更好的切合實(shí)際,建議采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法,根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)狀況、施工情況和變形、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)信息,必要時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核、修改和完善。