卜祥航,傅榮華,李 川,何 娜,汪留洋

(成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

“溜砂坡”是指在強烈的物理風化作用下,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:滑坡有滑動面,以滑移運動為特征;崩塌無滑動面,但有破裂壁,以滾動、跳躍式運動為主,大、小混雜堆積[1];溜砂坡有滑動面,無破裂壁,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。本研究就是針對溜砂坡防治措施展開的,重點在棚硐擋砂工程和擋砂墻工程。

1 溜砂坡防治對策

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個途徑進行。

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)復合噴護產(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)生的理想對策[2]。

1.2 砂坡腳保護措施

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,無明顯的砂粒、碎屑溜動的溜砂坡的地區(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)計足夠高的擋砂墻外,還應(yīng)在溜砂槽處設(shè)計排導渡砂槽,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,砂粒之間無膠結(jié)物,正因為如此,只要砂坡的坡度大于此類砂的天然休止角就會產(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。

(2)花管微型樹根樁固砂,此法是模擬樹根固砂的原理設(shè)計的。

1.3.2 植被快速恢復固砂措施

在溜砂坡上應(yīng)用植被快速恢復措施,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。現(xiàn)行的主要措施是格梁錨桿固砂植被護坡工程和鋼筋掛網(wǎng)植被噴護工程。

2 棚硐擋砂工程試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

模型中棚硐板長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 試驗樣品

本次試驗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 試驗結(jié)果及分析

2.3.1 棚硐對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。本實驗中采用堆積率來分析棚硐頂面坡度與坡體排砂效果(圖2),堆積率越小說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,當棚硐頂面沒有抹混凝土時,棚硐最佳排砂角度約為33°,堆積率幾乎為0;當棚硐頂面抹混凝土時,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)會增大,坡體失穩(wěn)時滑落至棚硐上的顆粒運動阻力增大,因此通過試驗?zāi)M得出棚硐頂面設(shè)置的角度比沒有抹混凝土時的頂面角度大4°左右才能達到最佳的排砂效果。

試驗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。當棚硐頂面設(shè)置的角度大于其天然休止角約1°時能達到最佳的排砂效果。

2.3.2 排砂后坡體傾角變化分析

試驗中坡體排砂后上部、中部、下部的傾角會出現(xiàn)不同程度的變化。

通過觀察,坡體堆積過程中同一部位傾角不斷起伏,這與野外觀察現(xiàn)象相符。通過分析可知,棚硐設(shè)置角度為30°時,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,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,坡體次生坡面上、中、下部位傾角平均值為 35.6°、37.9°、42.3°。坡體排砂后下部傾角最大,中部次之,上部最小。溜砂坡在堆積過程中坡體上部由于受到砂源顆?？焖龠\動的強烈沖擊,導致坡度相對較小。中部受上部顆粒沖擊相對較小,容易堆積。由于排砂工程中的擋墻的阻擋作用,使得坡體下部傾角大于中部傾角。棚硐設(shè)置角度在最佳排砂角度37°時,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狀態(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,滑動面是從坡頂開始的,穿越坡體的整個斷面?；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%。

在實際工程應(yīng)用中,可根據(jù)以上分析的結(jié)果估計邊坡開挖的影響高度和開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

3.1 試驗?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

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

圖4 擋砂墻模型

3.2 試驗樣品及儀器

本次試驗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多路信號顯示記錄儀,應(yīng)力傳感器埋設(shè)時底部土壤平整密實,用細沙或細粒土填平壓實,周圍填土用小錘敲實,寧緊勿松。

3.3 試驗結(jié)果及分析

3.3.1 降雨對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墻背的土壓力值降低,并對墻背產(chǎn)生主動土壓力,墻高越小,粘聚力的影響相對越大。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,降雨過后散粒體的粘聚力增加并起到由粘聚力引起的負側(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%。負側(cè)壓力對墻背是拉力,但實際上墻與散粒體在很小的拉力作用下就會分離。工程上計算擋墻土壓力時,對散粒體的粘聚力幾乎不考慮,通過這次分析,考慮散粒體的粘聚力,能夠降低擋墻的主動土壓力,同時進一步的減輕擋砂墻的結(jié)構(gòu)和降低其造價,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 墻背土壓力隨時間的變化關(guān)系

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

試驗樣品為樣品Ⅱ時,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)對比

圖7 5#通道數(shù)據(jù)對比

圖8 6#通道數(shù)據(jù)對比

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

試驗樣品為樣品Ⅰ時,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)對比

圖10 5#通道數(shù)據(jù)對比

從停止加砂時起以相同時間間隔測一次探頭數(shù)據(jù),14 h后仍以相同時間間隔測一次探頭數(shù)據(jù),得出墻背側(cè)壓力隨時間的變化關(guān)系曲線。在試驗加砂的過程中,顆粒以不同的沖擊力不斷堆積同時伴隨細顆粒不斷下滲和顆粒堆積量的不斷增加,探頭測得的壓力值呈上升趨勢。當停止加砂后,在一定時間內(nèi)細顆粒仍不斷通過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,顆粒不均勻度由大變小。由上面曲線圖分析得知,當墻后坡體顆粒分化趨于穩(wěn)定,探頭測得的數(shù)據(jù)也趨于該點壓力上升過程中的某一值,此時散粒體到達穩(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)生運動和占據(jù)被自然坡面所包圍的體積時,將遇到墻的阻礙從而對墻后產(chǎn)生壓力。密實的散粒體的偏角比松散散粒體的大。因為偏角隨著深度而增加,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的擋墻后土壓力對比,相同高度處材料Ⅰ對墻背產(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)溜砂坡具有獨特的結(jié)構(gòu)特征和工程物理力學性能,采用一般的加固防護措施收效甚微。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放在穩(wěn)定防護砂坡體,保護加固挖砂坡腳上。

(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°,能達到最佳的排砂效果。

(3)降雨過后擋砂墻后主動土壓力會降低,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。

[1]徐海洋,夏克勤,張曉光.天山公路典型溜砂坡防治措施研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2008,19(4):25-28.

[2]王成華,徐 俊,何思明,等.粒狀碎屑溜砂坡樹根樁固砂防護技術(shù)[J].中國水土保持科學,2007,5(1):93-96.

[3]常 旭,陳朝清,郭 遷.溜砂坡形成機理及防治措施研究[J].公路,2006,(1):89-91.

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[5]張元才,傅榮華,郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程參數(shù)試驗研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2007,18(4):7-10.