生态柔性路基支挡在乌玛高速的应用探讨

张子阳

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司第二公路市政设计分院, 甘肃兰州 730030)

0 引言

随着我国经济社会的全面发展,以及在乡村振兴发展战略中,高速公路建设正如火如荼地开展,目前正逐步完善高速公路网的各处“毛细血管”,但是也正是处于艰险山区的“毛细血管”,成为了当前交通建设领域难啃的“硬骨头”[1],这类工程既要面临边坡的防护处理,更要面对路基支挡结构的防护处理,如何处理好工程建设与生态建设的关系,这是当前高速公路建设急需破解的难题[2-4]。其中,生态柔性路基支挡以生态性、环保性和柔性支护理念为特色,因地制宜,充分利用线路周边的自然资源,作为生态柔性路基支挡的填充材料,做到物尽其用的目的,达到“少弃碴,多利用,全循环”的建设目的[5]。

1 工程概述

1.1 项目概况

拟建项目(乌玛高速)位于甘肃省甘南藏族自治州合作市、夏河县、碌曲县境内，地处青藏高原东端，甘、青、川三省交界处，东南与四川省阿坝藏族羌族自治州的若尔盖县、阿坝县为邻，西面与青海省果洛藏族自治州河南蒙古族自治县毗邻。项目起点位于合作市西南的大洒，与现有临合高速公路终点相接，经周曲、阿木去乎、碌曲(日洼多)、来格加尼合、多喀尕秀，终点位于尕秀西哈斯迪肉、甘青两省交界处。

本项目主线采用设计速度100 km/h的双向四车道高速公路技术标准,整体式路基宽度26 m、分离式路基宽度13 m,行车道宽度2×2×3.75 m;夏河机场连接线采用设计速度80 km/h的双向4车道一级公路技术标准,整体式路基宽度22.5 m,分离式路基宽度11.25 m。

1.2 地形地貌

甘南山地高原位于青藏高原东部边缘,西邻青海,南接四川省,东部逐渐向陇南山地过渡,北连甘肃陇中黄土高原,两者之间有清晰的地貌界线。这是一个海拔较高、地表呈现波状起伏、山地与高原相间分布的地区,常被称为山原。地势西高东低,地形复杂,西有积石山,南有岷山,北有太子山,中有西倾山,均呈近东西向展布。区内山峦重迭,河流沟谷纵横,草原遍布,可划分为高原山地和中高山河(峡)谷两个大的地貌单元。

高山森林区,森林茂密,沟壑纵横,是甘南主要的林区;丘陵低山区,山峦起伏,沟浅谷宽,是发展饲养业和种植业的主要地区。山脉主要有岷山、西倾山、积石山3条山脉,均属昆仑山脉余脉,呈西北—东南走向,主峰多在3 500～5 400 m之间。河流侵蚀作用微弱,山地多在4 000 m以下,一般坡度不大,沟浅谷宽,在山体与河谷交接处形成许多缓坡和滩地,各山地间多为开阔的盆地草滩,盆地中部海拔3 000 m左右,地表切割深度在300 m以下,地表起伏比较平缓,许多山麓有黄土覆盖,呈典型的山原地貌。

根据项目区内地貌形态及成因类型可分为构造堆积盆地(Ⅰ)、构造剥蚀山地(Ⅱ)、河流侵蚀堆积河(沟)谷(Ⅲ)三大地貌单元,其中构造堆积盆地(Ⅰ)又可细分为山麓斜坡堆积(Ⅰ-1)和山间堆积平原(Ⅰ-2),河流侵蚀堆积河(沟)谷(Ⅲ)又可细分为河流侵蚀堆积河谷(Ⅲ-1)和河流侵蚀堆积沟谷(Ⅲ-2),1.3 变速车道的构成

1.3 地质构造与地层岩性

项目区地处秦岭东西复杂构造带西端,北邻祁吕贺山字型前弧西翼,西毗康藏歹字型体系,东部已达武都弧型构造的边缘,构造格局大体形成于三迭纪末至白垩纪之间,为强烈挤压形成的构造形式,在强烈挤压的同时,伴有中酸性岩浆侵入。

工程区出露地层主要有三叠系(T)、新近系(N)和第四系(Q)不同成因堆沉积物(见下图),区内分布主要地层,贯穿路线全线,可分为下三迭统(T1)和中三迭统(T2),并进一步细分为:下三迭统下岩组(T1a)、下三迭统上岩组(T1b)、中三迭统下岩组(T2a)和中三迭统上岩组(T2b)。

2 生态柔性路基支挡的设计原则

路基支挡结构形式多样,作用机理各异,使用场合灵活,根据项目特点,适度应用生态挡墙结构,减少圬工数量,预留绿化平台,通过绿植的遮挡作用,削弱混凝土结构的生硬感,降低环境影响。现对加筋土挡土墙、加筋土砌块挡土墙、石笼挡土墙、混凝土挡土墙等防护形式做比较论证[6],具体如表1所示。

表1 路基支挡防护方案比较

为了贯彻生态防护、柔性防护设计理念,路基支挡结构设计应当积极采用新技术、新结构、新材料、新工艺,采用植被生态挡墙(加筋土挡土墙、砌块加筋土挡土墙),预留绿化平台,达到生态防护效果(图1、图2)。

图1 加筋土挡墙

图2 加筋土砌块挡墙

(1)吊装石笼挡墙推荐用于上边坡渗水坡脚防护。

(2)路基高度不大于8 m时(非临河路段),适度采用加筋土及加筋土砌块挡墙,收缩坡脚。

(3)临河段冲刷防护,推荐采用混凝土挡土墙,墙外码砌吊装石笼,减少圬工痕迹。

(4)路基高度大于8 m时,推荐采用混凝土挡土墙,应结合民族特色,有景观需求时,装饰要体现民俗民风,响应“五无甘南”、“七美碌曲”等政策导向,有条件时虑设置绿化平台或采用植物遮盖,遵循工程防护和植物防护相结合的原则。

3 生态柔性路基支挡的工程应用

3.1 生态柔性路基支挡的设计参数

(1)设计荷载:公路—Ⅰ级,设计地震加速度0.1g,设计采用地震烈度Ⅶ度。

(2)生态柔性路基支挡基底摩擦系数f=0.45(基底换填砂砾后)。

(3)墙背填料计算内摩擦角φ=35°,重度γ=18～19 kN/m3。

(4)墙身圬工γ=24 kN/m3。

(5)生态柔性路基支挡最不利荷载组合稳定系数见表2。

(6)生态柔性路基支挡结构采用极限状态法验算。

(7)沿线土壤最大冻结深度150 cm,挡土墙等构造物最小埋置深度不小于1.5 m。

(8)本项目局部支挡段落下卧层岩性为粉质黏土,原地基承载力为120 kPa左右,无法满足设计要求,设计中对支挡基底进行了换填处理(换填厚度0.5～1.5 m)或者采用复合地基进行处治。

3.2 生态柔性路基支挡的结构检算

生态柔性路基支挡的结构稳定性检算采用简化Bishop法[7-8],其结构检算模型依据实际情况进行,如图3所示。简化Bishop法检算示意图如图4所示,检算公式如式(1)所示。

图3 结构检算示意

(1)

经过简化Bishop法检算,生态柔性路基支挡结构所划分的642个微单元,计算所得的稳定性系数取值均满足要求。

3.3 生态柔性路基支挡的材料及施工要求

3.3.1 吊装石笼挡墙(上边坡)

(1)石笼内填塞直径为10～25 cm的卵石、片块石;

(2)石笼网采用φ6 mm锌铝合金丝焊接而成,合金钢丝抗拉强度采用高强度等级,抗拉强度大于400 MPa;

(3)石笼网片采用螺旋钢筋与角钢两种连接方式连接、固定,螺旋钢筋两端采用老虎钳夹紧,避免脱落或被盗;

(4)石笼网连接成型后,将吊装加强箍放入石笼网,采用螺旋筋与网箱连接成为整体后,将网箱放入装石模板箱内,再填装石料;

(5)石笼采取6点吊装方式安装,吊装点处,螺旋钢筋设置须环向封闭成环。

3.3.2 石笼挡墙(下边坡)

(1)供货前网箱生产厂家需提供:镀10%铝锌合金钢丝镀层重量、铝含量、均匀度检验报告;热镀10%铝锌合金钢丝须提供国家级实验室——盐水喷雾试验GB/T 10125-2021《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》1 000 h以上的试验报告。其中镀层的腐蚀量不得大于170 g/m。网箱/网垫采用热镀10%铝锌合金钢丝镀层重量需要达到表3要求。

表3 钢丝网防腐要求

(2)绿格网箱/网垫编织方法需满足YB/T 4190-2019《工程用机编钢丝网及组合体》中相关要求:GT827网箱网孔为8 cm×10 cm,网片网丝φ2.7 mm,网片边丝φ3.4 mm扎丝丝径φ2.2mm。绑扎间距为200～250 mm。

(3)热镀10%铝锌合金钢丝镀层的结合牢固性必须符合GB2976-88《金属线材缠绕试验方法》标准规定,钢丝在自身缠绕(即一倍缠绕)8圈以上后,对钢丝表面进行放大拍照 (放大到12倍),镀层不得出现裂痕。对热镀10%铝锌合金钢丝镀层厚度均匀测量四点数值(上下左右),其中最厚处与最薄处的比值不得大于2。

3.3.3 加筋土砌块挡墙

(1)加筋材料采用整体式高强土工格室,要求格室片单位宽度的断裂拉力不小于18 kN/10cm;格室片间连接处的断裂拉力不小于18 kN/10cm。

(2)连接处连接件的抗剪切力≥18 kN/10cm;格室网带连接方式采用U型钢钉插接编织,U型钉直径≥2.8mm,U型钢钉须做镀锌防腐处理。

(3)格室高度50 mm,网格尺寸40 cm×40 cm,单网面积50 m2,布网时应张拉到位,及时填埋,严禁暴晒。

(4)填料原则上就近采用碎石土或开山土,加筋体填料分层压实,压实度不低于96%。

4 结束语

通过对乌玛高速部分路段路基支挡结构的研究与应用,结果表明:采用生态柔性路基支挡结构既能充分利用事故过程中的弃土或弃渣,而且能确保路基承载能力满足设计要求,施工工艺成熟可靠,施工材料易得,能够有效降低施工成本,为未来的山区高速公路路基支挡防护技术提供了可行的方法与经验。