溜砂坡防治措施之棚硐和擋砂墻工程研究

卜祥航,傅榮華,李 川,何 娜,汪留洋

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

“溜砂坡”是指在強(qiáng)烈的物理風(fēng)化作用下,高陡斜坡形成大量的碎石和砂粒,由于自重產(chǎn)生散落,并在坡腳堆積形成錐狀斜坡。溜砂坡與滑坡、崩塌、落石有著明顯區(qū)別:滑坡有滑動(dòng)面,以滑移運(yùn)動(dòng)為特征;崩塌無(wú)滑動(dòng)面,但有破裂壁,以滾動(dòng)、跳躍式運(yùn)動(dòng)為主,大、小混雜堆積[1];溜砂坡有滑動(dòng)面,無(wú)破裂壁,堆積物較均勻,堆積坡度與此種砂粒(碎屑)的天然休止角一致。本研究就是針對(duì)溜砂坡防治措施展開(kāi)的,重點(diǎn)在棚硐擋砂工程和擋砂墻工程。

1 溜砂坡防治對(duì)策

根據(jù)溜砂坡的形成演化規(guī)律,溜砂坡的綜合防治可以從以下3個(gè)途徑進(jìn)行。

1.1 控制砂源區(qū)措施

控制砂源區(qū),是用水泥砂漿或水泥砂漿+生態(tài)復(fù)合噴護(hù)產(chǎn)砂的高陡巖質(zhì)邊坡使之停止或少產(chǎn)砂,是遏制溜砂坡發(fā)生的理想對(duì)策[2]。

1.2 砂坡腳保護(hù)措施

目前,公路上常用的工程措施有如下幾種:

(1)擋砂墻 是防治溜砂坡的最常用的工程措施,適用于砂源區(qū)已基本穩(wěn)定,無(wú)明顯的砂粒、碎屑溜動(dòng)的溜砂坡的地區(qū)。

(2)棚硐擋砂工程 不僅可以擋砂,而且可將多余的溜砂排向公路外側(cè)。它適用于砂源區(qū)不斷產(chǎn)砂并且向堆積區(qū)匯集或開(kāi)挖高度大于4 m的規(guī)模較大的溜砂坡。

(3)排砂渡槽 適用于已有明顯的溜砂凹槽,并且砂源區(qū)不斷向凹槽供砂的溜砂坡。此工程除需設(shè)計(jì)足夠高的擋砂墻外,還應(yīng)在溜砂槽處設(shè)計(jì)排導(dǎo)渡砂槽,將溜砂排到公路外側(cè)[3]。

1.3 穩(wěn)定砂坡體

1.3.1 砂坡深部固砂工程

砂坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大特征是散體,砂粒之間無(wú)膠結(jié)物,正因?yàn)槿绱?只要砂坡的坡度大于此類砂的天然休止角就會(huì)產(chǎn)生溜砂。如果改變這種組成與結(jié)構(gòu),溜砂這種現(xiàn)象就會(huì)得到控制[4]。主要工程措施是:

(1)粘土水泥網(wǎng)狀漿液固砂,即用一定比例的粘土和水泥拌合成漿液,用高壓將漿液灌入砂坡,使部分砂粒成膠結(jié)狀,阻止大部砂粒溜動(dòng)。

(2)花管微型樹(shù)根樁固砂,此法是模擬樹(shù)根固砂的原理設(shè)計(jì)的。

1.3.2 植被快速恢復(fù)固砂措施

在溜砂坡上應(yīng)用植被快速恢復(fù)措施,除滿足建設(shè)生態(tài)邊坡工程的要求外,更重要的是具有固砂作用?，F(xiàn)行的主要措施是格梁錨桿固砂植被護(hù)坡工程和鋼筋掛網(wǎng)植被噴護(hù)工程。

2 棚硐擋砂工程試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

模型中棚硐板長(zhǎng)2.4 m,板上抹2cm～3cm厚混凝土,棚硐板后緣為磚砌擋墻的高度1.4 m(圖1)。

圖1 棚硐模型

2.2 試驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)樣品取自汶川野外散粒體堆積物,采料區(qū)的地理位置處于海拔高度較高的山區(qū),是形成溜砂坡的典型區(qū)域。樣品Ⅰ約有35 t,不均勻系數(shù)Cu約為7,曲率系數(shù)Cc約為1.14。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 棚硐對(duì)坡體排砂效果影響分析

堆積率是指堆積在棚硐板上的顆粒質(zhì)量與加砂的總質(zhì)量之比。本實(shí)驗(yàn)中采用堆積率來(lái)分析棚硐頂面坡度與坡體排砂效果(圖2),堆積率越小說(shuō)明棚硐的排砂效果越好[5]。

圖2 棚硐頂面坡度與排砂效果關(guān)系

由圖2數(shù)據(jù)分析,當(dāng)棚硐頂面沒(méi)有抹混凝土?xí)r,棚硐最佳排砂角度約為33°,堆積率幾乎為0;當(dāng)棚硐頂面抹混凝土?xí)r,棚硐最佳排砂角度約為37°,堆積率幾乎為0。棚硐頂面抹混凝土后,頂面摩擦系數(shù)會(huì)增大,坡體失穩(wěn)時(shí)滑落至棚硐上的顆粒運(yùn)動(dòng)阻力增大,因此通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M得出棚硐頂面設(shè)置的角度比沒(méi)有抹混凝土?xí)r的頂面角度大4°左右才能達(dá)到最佳的排砂效果。

試驗(yàn)中堆積坡體的天然休止角約為36°,這與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。當(dāng)棚硐頂面設(shè)置的角度大于其天然休止角約1°時(shí)能達(dá)到最佳的排砂效果。

2.3.2 排砂后坡體傾角變化分析

試驗(yàn)中坡體排砂后上部、中部、下部的傾角會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化。

通過(guò)觀察,坡體堆積過(guò)程中同一部位傾角不斷起伏,這與野外觀察現(xiàn)象相符。通過(guò)分析可知,棚硐設(shè)置角度為30°時(shí),坡體次生坡面上、中、下部位傾角平均值為 35.6°、38.7°、39.4°;棚硐設(shè)置角度為 33°時(shí),坡體次生坡面上、中、下部位傾角平均值為37.8°、38.2°、40.8°;棚硐設(shè)置角度為 37°時(shí),坡體次生坡面上、中、下部位傾角平均值為 35.6°、37.9°、42.3°。坡體排砂后下部?jī)A角最大,中部次之,上部最小。溜砂坡在堆積過(guò)程中坡體上部由于受到砂源顆?？焖龠\(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈沖擊,導(dǎo)致坡度相對(duì)較小。中部受上部顆粒沖擊相對(duì)較小,容易堆積。由于排砂工程中的擋墻的阻擋作用,使得坡體下部?jī)A角大于中部?jī)A角。棚硐設(shè)置角度在最佳排砂角度37°時(shí),坡體排砂后不同部位的傾角偏離天然休止角在約0.4°～ 6.3°之間。

圖3是坡體塌陷后處于休止?fàn)顟B(tài)的次生坡面及棚硐頂板上的砂礫堆積形態(tài)。次生坡面為凹槽形,滑動(dòng)面是從坡頂開(kāi)始的,穿越坡體的整個(gè)斷面?；渲僚镯享敯迳系念w粒呈條帶狀,且上部較窄,中部次之,下部最寬約為1.3 m占棚硐板的1/2,堆積顆粒中粗粒約為總堆積量的98%。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,可根據(jù)以上分析的結(jié)果估計(jì)邊坡開(kāi)挖的影響高度和開(kāi)挖方量以及棚硐的設(shè)置最佳角度、寬度。

圖3 坡體塌陷

3 擋砂墻試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

擋砂墻高度1.3 m,長(zhǎng)2.4 m,斜面由粗糙的堅(jiān)硬木板組成,木板之間的鏈接空隙用混凝土進(jìn)行了膠結(jié)(圖4)。

圖4 擋砂墻模型

3.2 試驗(yàn)樣品及儀器

本次試驗(yàn)材料取自野外散粒體堆積物,樣品Ⅰ約有35 t,樣品Ⅱ約有30 t。樣品Ⅰ不均勻系數(shù)Cu約為7,曲率系數(shù)Cc約為1.14。樣品Ⅱ不均勻系數(shù)Cu約為4,曲率系數(shù)Cc約為1.34。應(yīng)力記錄儀采用BH16多路信號(hào)顯示記錄儀,應(yīng)力傳感器埋設(shè)時(shí)底部土壤平整密實(shí),用細(xì)沙或細(xì)粒土填平壓實(shí),周圍填土用小錘敲實(shí),寧緊勿松。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 降雨對(duì)墻背土壓力影響分析

擋墻高度130cm,5#通道探頭距墻底31cm,6#通道探頭距墻底50cm,4#通道探頭距墻底100cm。由圖5得出,降雨后墻后散粒體對(duì)墻背的土壓力值降低,并對(duì)墻背產(chǎn)生主動(dòng)土壓力,墻高越小,粘聚力的影響相對(duì)越大。散粒體粘聚力是由孔角水張力和顆粒分子吸引力以及膠結(jié)作用而形成的,降雨過(guò)后散粒體的粘聚力增加并起到由粘聚力引起的負(fù)側(cè)壓力作用,使得墻背土壓力減小較多.在墻高25cm～45cm之間降低速率較大,土壓力值降低約66%。負(fù)側(cè)壓力對(duì)墻背是拉力,但實(shí)際上墻與散粒體在很小的拉力作用下就會(huì)分離。工程上計(jì)算擋墻土壓力時(shí),對(duì)散粒體的粘聚力幾乎不考慮,通過(guò)這次分析,考慮散粒體的粘聚力,能夠降低擋墻的主動(dòng)土壓力,同時(shí)進(jìn)一步的減輕擋砂墻的結(jié)構(gòu)和降低其造價(jià),可是這必須十分慎重。

圖5 兩種工況下墻背土壓力比較

3.3.2 墻背土壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

(1)擋墻后散粒體為樣品Ⅱ時(shí),墻背不同高度處土壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖6～圖8。

試驗(yàn)樣品為樣品Ⅱ時(shí),4#通道探頭距離擋砂墻底端94cm,5#通道探頭距擋砂墻底端40cm,6#通道探頭距離擋砂墻底端70cm。

圖6 4#通道數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 5#通道數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 6#通道數(shù)據(jù)對(duì)比

(2)擋墻后散粒體為樣品Ⅰ時(shí),墻背不同高度處土壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖9～圖10。

試驗(yàn)樣品為樣品Ⅰ時(shí),4#通道探頭距離擋砂墻底端94cm,5#通道探頭距離擋砂墻底端40cm。

圖9 4#通道數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 5#通道數(shù)據(jù)對(duì)比

從停止加砂時(shí)起以相同時(shí)間間隔測(cè)一次探頭數(shù)據(jù),14 h后仍以相同時(shí)間間隔測(cè)一次探頭數(shù)據(jù),得出墻背側(cè)壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。在試驗(yàn)加砂的過(guò)程中,顆粒以不同的沖擊力不斷堆積同時(shí)伴隨細(xì)顆粒不斷下滲和顆粒堆積量的不斷增加,探頭測(cè)得的壓力值呈上升趨勢(shì)。當(dāng)停止加砂后,在一定時(shí)間內(nèi)細(xì)顆粒仍不斷通過(guò)粗顆粒間隙向坡體下滲,造成顆粒分化,由表及里顆粒逐漸由粗到細(xì),顆粒不均勻度由大變小。由上面曲線圖分析得知,當(dāng)墻后坡體顆粒分化趨于穩(wěn)定,探頭測(cè)得的數(shù)據(jù)也趨于該點(diǎn)壓力上升過(guò)程中的某一值,此時(shí)散粒體到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

位于擋墻后面的散粒體,在重力作用下力圖發(fā)生運(yùn)動(dòng)和占據(jù)被自然坡面所包圍的體積時(shí),將遇到墻的阻礙從而對(duì)墻后產(chǎn)生壓力。密實(shí)的散粒體的偏角比松散散粒體的大。因?yàn)槠请S著深度而增加,所以墻背土壓力的方向沿墻高不是固定不變的。根據(jù)樣品Ⅰ和樣品Ⅱ的擋墻后土壓力對(duì)比,相同高度處材料Ⅰ對(duì)墻背產(chǎn)生的土壓力大于材料Ⅱ?qū)Ρ钞a(chǎn)生的土壓力,野外溜砂坡不均勻系數(shù)越大,墻背土壓力越大。并且相同材料不同高度處的壓力不同,在約1/3墻高處土壓力最大。

4 結(jié) 論

(1)溜砂坡具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和工程物理力學(xué)性能,采用一般的加固防護(hù)措施收效甚微。特別是在西部高山區(qū)封閉、控制砂源區(qū)產(chǎn)砂,因地形高陡,面積大,投資大,不可取。應(yīng)把溜砂坡的防治重點(diǎn)放在穩(wěn)定防護(hù)砂坡體,保護(hù)加固挖砂坡腳上。

(2)棚硐工程中,棚硐板的設(shè)置角度應(yīng)比野外溜砂坡的天然休止角大約1°,能達(dá)到最佳的排砂效果。

(3)降雨過(guò)后擋砂墻后主動(dòng)土壓力會(huì)降低,降雨下滲,散粒體粘聚力增加,在墻0.2～0.34倍墻高之間土壓力降低速率較大。

(4)溜砂坡的不均勻系數(shù)越大,墻背土壓力越大。

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