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浅议黄土高边坡设计方案选择(假日专题)

发布于:2022-11-21 10:15:21 来自:水利工程/水土保持 [复制转发]

最近在西北黄土地区进行咨询时,听的最多的是黄土边坡 “宽平台,陡坡率”的设置和黄土的锚索锚固力问题。

笔者理解所谓 “宽平台,陡坡率 ”的设置, 或许是“宽平台”用于消减上下级边坡之间的拉应力与压应力重叠问题,以及宽平台方便植树绿化;“陡坡率”是考虑到黄土地垂直裂隙发育而直立性较好,故可减小暴露坡面的冲刷问题。此外,由于对黄土坡体的锚索锚固力存在一定的顾虑,故尽量采用自稳方式决定黄土边坡的稳定性。

采用上述理念的黄土边坡设计时,在有些地段往往造成边坡开挖高度大,土方规模大,且暴露面大,反而造成边坡的稳定性受到外界不利因素的影响较多。如边坡开挖过大,造成自然植被破坏较大,这在干旱少雨的黄土地区是相当不利的。而宽平台种植乔木时可能由于由于西北风过大形成的摇曳作用不利于边坡稳定等。这种由于边坡设置不利造成的高大边坡在现实中较为常见。 这也不利于高边坡的一个设计理念,即边坡高度超过30m时,宜适当设置加固工程进行收坡,以尽量减小边坡开挖过高产生过多的不利因素影响边坡的稳定性。当然,如果自然边坡平缓,适当的宽平台设置可能不会过快的影响人工边坡的高度时,就可以采用。反之,在较陡的自然边坡段,如果宽平台造成人工边坡高度增加过快时,建议慎用。

图1 地形平缓段的   “宽平台,陡坡率”的黄土边坡合理设置
  图2 地形陡峻段的   “宽平台,陡坡率”的黄土边坡欠合理设置
对于   黄土   地区的 锚索工程,其实往往可结合边坡的稳定性分析,采用小吨位(不大于400KN/孔)锚索锚固力设置进行解决。确实需要采用大吨位   (大于   400KN/孔   )锚索   锚固力时,可采用 浓度较大的浆液, 二次注浆,扩大钻孔等工艺进行解决。笔者当年就曾多次在黄土地区设置拉力为800~ 1000KN/孔 的锚索工程(二次注浆或扩孔),并取得了良好的工程效果。也就是说,认为锚索的锚固力在黄土地区不能确保的担心,在工程实践中是可以有效解决的。
基于此,在黄土地区技术人员过于强调贯彻   “宽平台,陡坡率”,以及在黄土地区不能设置锚索工程的理念可能存在一定值得商榷的地方。下面以三个案例进行说明,供大家参考。
一、某黄土坡体由马兰黄土(   Q   3   eol )和离石黄土(   Q   2   eol )构成,下伏白垩系(K)强~中风化砂岩。技术人员拟在黄土坡体中采用1:0.5~1:0.75的陡坡率,并设置多级8~18m的宽平台进行处治,边坡高度为77.86m。考虑土方规模和多级边坡坡面防护,工程造价约为A元。

图1 技术人员拟采用的工程地质断面图  
该方案存在以下缺点:  
1、边坡开挖造成边坡坡脚的黄土与下伏砂岩之间几近揭穿,可能导致黄土沿下伏砂岩界面发生工程滑坡的可能。
2、开挖形成的高边坡存在典型的“剥山皮”现象,植被等的破坏除造成环境破坏较大外,将造成人工开挖面   暴露过大,   导致   工程边坡的坡面冲刷、剥落和坡体的稳定性受外界   影响   较大。
3、边坡开挖过高,造成后期工程边坡坡面防护和土方工程规模与养护压力较大。
基于此,笔者建议在坡脚设置长20m的抗滑桩进行固脚,提高坡体的整体稳定性,并继而在桩后 离石黄土( Q 2 eol 中设置1:0.5的坡率进行收坡。为有效提高边坡的稳定性和减少坡面冲刷,设置锚杆框架对边坡进行加固。经以上设计调整后,边坡的高度由原设计的 77.86m 降低为26.4m。综合分析其工程造价约为0.8A元。且工程的安全性和环保性大大提高,后期养护成本大幅降低。
图2 建议采用的工程地质断面图
二、   某坡体黄土由马兰黄土(   Q   3   eol   )和离石黄土(   Q   2   eol   )构成,下伏第三系 (N 泥岩 (产状近水平 和和白垩系 (K 强~中风化砂岩 (产状近水平   技术人员拟在 第三系 (N 泥岩 和黄土坡体中采用1:0.75的陡坡率,并设置一级8m的宽平台,一级、二级边坡分别设置长15~25m和30~40m的锚索工程,三级边坡设置长9~15m的锚杆工程进行处治,边坡高度为41.19m。   考虑土方规模、边坡加固工程和多级边坡坡面防护,工程造价约为B元。
图3 技术人员拟采用的工程地质断面图
该方案存在以下缺点:  
1、   边坡开挖厚度小,工程高边坡存在典型的“剥山皮”现象,植被等的破坏除造成环境破坏较大外,将造成人工开挖面   暴露过大,   导致   工程边坡的坡面冲刷、剥落和坡体的稳定性受外界   影响   较大。
2、边坡开挖过高,造成后期工程边坡坡面防护规模较大,以及相应的土石方规模偏大。
基于此,笔者建议在坡脚在 第三系 (N 泥岩 按1:0.5的坡率进行收坡,并采用12m锚杆依据开挖岩土体抗剪力进行补偿加固。经以上设计调整后,边坡的高度由原设计的41.19m降低为11.2m。综合分析其工程造价约为0.1B元。且工程环保性大大提高,后期养护成本大幅降低。
图4 建议采用的工程地质断面图
三、   某坡体黄土由马兰黄土(   Q   3   eol   )和离石黄土(   Q   2   eol   )构成,下伏白垩系(K)强~中风化泥岩(产状近水平)。   技术人员拟在 白垩系(K)强~中风化泥 和黄土坡体中采用1:1为主的坡率和各级2m宽平台进行处治,边坡高度为82m。   考虑土方规模、多级边坡坡面防护,其工程造价约为C元。

图5 技术人员拟采用的工程地质断面图
该方案存在以下缺点:  
1、   边坡设置存在典型的“剥山皮”现象,植被等的破坏除造成环境破坏较大外,将造成人工开挖面   暴露过大,   导致   工程边坡的坡面冲刷、剥落和坡体的稳定性受外界   影响   较大。
2、边坡开挖高度达82m,形成的高边坡稳定性安全风险加大,且造成后期工程边坡坡面防护规模较大,以及相应的土石方规模偏大。
基于此,笔者建议在坡脚在第三系(N)泥岩按1:0.5的坡率进行收坡,并对一级边坡采用12m锚杆进行“固脚”,对黄土与泥岩界面处设置长20m的锚索工程进行加固,并对高边坡起到“强腰”的作用。上部 马兰黄土( Q 3 eol )和离石黄土( Q 2 eol 采用1:0.75的坡率进行开挖直接绿化防护。经以上设计调整后,边坡的高度由原设计的82m降低为36.06m。综合分析其工程造价约为0.5C元。工程环保性大大提高,后期养护成本大幅降低。
图6 建议采用的工程地质断面图
从以上工程案例分析可以看出,黄土地区高边坡的设计,宜依据具体的坡体岩土体构成和黄土与下伏岩体的力学性质进行综合分析。宜尽量首先考虑采用陡坡率,并依据“固脚强腰,兼顾整体与局部”的高边坡加固理念进行必要的边坡防护,从而有效减小边坡高度,提高人为工程与自然的和谐,减少植被破坏和后期黄土边坡的养护成本。也就是说,黄土地区高边坡的设计,宜针对具体地质条件等因素进行针对性的设计,而不宜”一刀切“式的采用“ 宽平台,陡坡率 ”设置,也不宜过于担心锚索的锚固力而取消或限制锚索工程的应用,而在有效考虑小吨位锚索,或设置 二次注浆与扩孔提高大吨位锚索工程的锚固力(其实技术人员完全可以亲自在现场采用拉拔试验进行验证),从而有效提高锚固工程在黄土边坡中的应用

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