常明軍 CHANG Ming-jun；魏明 WEI Ming；井含偉 JING Han-wei；科文萍 KE Wen-ping；明鋒 MING Feng

（①海北藏族自治州交通運(yùn)輸綜合服務(wù)中心，海北 812200；②海北藏族自治州交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法監(jiān)督局，海北 812200；③中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

我國多年凍土面積約占國土面積的22.5%，主要分布在西北部和東北部。隨著振興東北和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施以及對(duì)高海拔、嚴(yán)寒地層等地質(zhì)條件下的資源不斷開發(fā)，高寒地區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到很大發(fā)展。然而，高寒地區(qū)道路邊坡的穩(wěn)定性問題也日漸凸顯[1]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在2008～2010年三年時(shí)間里，寒區(qū)邊坡失穩(wěn)事件多達(dá)5萬起，而且有逐年增加趨勢(shì)。邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致道路癱瘓，造成交通堵車，且維護(hù)難度大，嚴(yán)重影響道路安全。根據(jù)《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年～2030年）》，已在高寒地區(qū)規(guī)劃了多條高速公路及高等級(jí)公路。因此，如何確保高寒地區(qū)邊坡的穩(wěn)定，己經(jīng)成為寒區(qū)工程建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵[2]。

現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)凍土采取的是“寧填勿挖”的原則，然而，在實(shí)踐中仍然存在凍土挖方的問題。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的禁錮導(dǎo)致國內(nèi)多年凍土區(qū)挖方路基技術(shù)尚未形成系統(tǒng)、完整的理論。參考普通地區(qū)的邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)，盡管有多種防護(hù)措施已經(jīng)被用在寒區(qū)邊坡支擋結(jié)構(gòu)中，但實(shí)踐效果卻并不理想（圖1）。這是因?yàn)楦吆貐^(qū)邊坡有其獨(dú)特性。受周期性氣候變化的影響，寒冷地區(qū)的路塹邊坡的土體將經(jīng)歷凍脹和融沉兩個(gè)階段[3]。在地下水補(bǔ)給相對(duì)充足的情況下，土體在冬季發(fā)生凍脹，擋墻或護(hù)坡結(jié)構(gòu)（混凝土板或漿砌片石等）將被頂起。當(dāng)外界溫度較高，土體在春季或夏季發(fā)生融沉。當(dāng)擋墻或護(hù)坡結(jié)構(gòu)在融沉?xí)r不能完全恢復(fù)原位，就會(huì)導(dǎo)致局部的破壞。此外，傳統(tǒng)剛性擋土墻后的水平凍脹力很大，可到300kPa[4]。這對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的完整性存在較大的威脅?？梢钥闯觯吆貐^(qū)邊坡因其特殊的環(huán)境特點(diǎn)，常規(guī)護(hù)坡方式存在一定的局限性。

圖1 邊坡支擋結(jié)構(gòu)破壞

近年來，格賓石籠因其具有結(jié)構(gòu)型式多樣、適應(yīng)性強(qiáng)、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于河道治理以及邊坡支擋等工程中。格賓石籠擋土墻能夠有效提高擋土墻結(jié)構(gòu)的整體性與完整性。由于格賓石籠的網(wǎng)箱用的是強(qiáng)度高、耐腐蝕的低碳重鍍鋅鋼絲，并且是機(jī)械編織而成，其力學(xué)性能和耐久性均有明顯提高[5]。因此，即使格賓石籠發(fā)生局部破壞，其仍具有一定的承載力，可以抵抗不同形式的彎曲應(yīng)力、拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土擋墻和漿砌石擋墻，格賓石籠擋墻具有與周圍自然環(huán)境融合度高的能力，符合目前節(jié)能減排的要求[6]。因此，拓展格賓石籠擋墻在高寒地區(qū)公路邊坡防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

海北州位于青海湖北岸和祁連山脈之間，凍土區(qū)屬于祁連山中段大通河谷地山地凍土區(qū)和祁連山黑河上游高寒帶高山凍土區(qū)，在海拔3700～4000m間分布有島狀多年凍土，在海拔4000m以上高山分布有非連續(xù)片狀多年凍土，經(jīng)多年地質(zhì)鉆探研究，祁連山區(qū)凍土隨氣候變化在逐年退化，近40年來，凍土分布面積在逐漸減少。該地區(qū)年平均地溫-0.8℃～0℃，凍土上限深度2～5m之間，凍土下限深度27～64m之間，年平均地溫-0.84℃～-0.2℃之間，屬于凍土高溫不穩(wěn)定帶。區(qū)域內(nèi)土層大多為砂礫石土，表層覆蓋草皮。

1.2 主要病害特征

在海北州已建成的G227達(dá)坂山至景陽嶺段、G213熱水至大冬樹山段、G338盤坡至木里段、S301野牛溝至二指哈拉山段，以及剛油公路、茶默公路、天默公路、小東索旅游公路、剛察至熱水公路、鐵麻公路等縣道和部分鄉(xiāng)道、村道公路出現(xiàn)了路基路面沉陷、邊坡消融垮塌等病害，嚴(yán)重影響公路的通行安全（圖2）。尤其農(nóng)村公路在建設(shè)當(dāng)中前期工作較粗，缺少地質(zhì)勘察，設(shè)計(jì)深度不足，對(duì)凍土區(qū)公路一般不做相應(yīng)的工程設(shè)防，對(duì)后期運(yùn)營帶來更大的影響，甚至出現(xiàn)大面積地質(zhì)災(zāi)害，如剛油公路江倉至油葫蘆段2010年建成后出現(xiàn)了3處富冰凍土區(qū)山體消融，形成熱融滑坡體和融溝而使交通中斷。為此如何對(duì)高寒凍土區(qū)農(nóng)村公路路基進(jìn)行有效加固，提高路基穩(wěn)定性、保障公路安全通行，是海北交通高質(zhì)量發(fā)展面臨的難題之一。

圖2 典型邊坡失穩(wěn)

2 路塹邊坡病害形成機(jī)制

與非凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響因素不同的是，寒區(qū)邊坡還經(jīng)歷著環(huán)境溫度變化的影響，這是因?yàn)閮鐾恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)與溫度變化密切相關(guān)。根據(jù)邊坡失穩(wěn)的表現(xiàn)形式，可根據(jù)滑塌部位可分為淺層失穩(wěn)、中部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)三類[7]?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，邊坡失穩(wěn)區(qū)域存在高含冰量凍土，地表植被稀疏。寒凍風(fēng)化作用強(qiáng)烈，路塹邊坡失穩(wěn)具有明顯的季節(jié)性。已有資料表明，在11月至次年4月、5月間寒冷季節(jié)邊坡變形趨緩或不發(fā)生變形，而5月至11月間較溫暖季節(jié)邊坡變形病害比較集中，尤其在雨季易發(fā)生大面積滑坡等重大地質(zhì)災(zāi)害。這是因?yàn)?，?dāng)環(huán)境氣溫回升，邊坡表層土體開始融化，由于下部的土體還沒有融化，導(dǎo)致水分在邊坡淺層土體內(nèi)聚集，可能使得土體處于水分飽和或過飽和狀態(tài)。此時(shí)孔隙水壓力增大，將造成邊坡失穩(wěn)[8]。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有寒區(qū)公路路塹邊坡多采用放坡結(jié)合混凝土擋墻。然而，這樣的組合方式在凍土區(qū)并不適用。這是因?yàn)橐环矫?，混凝土擋墻屬于剛性支護(hù)，難以適應(yīng)凍土地基不均勻融化；另一方面，混凝土擋墻阻礙了擋墻背后水分的遷移，導(dǎo)致冬季在擋土墻背后形成較大凍脹力，破環(huán)混凝土結(jié)構(gòu)[4]。這將對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)和邊坡穩(wěn)定性造成巨大影響。

由于農(nóng)村公路投資少，建設(shè)項(xiàng)目前期工作深度不足，都未進(jìn)行地質(zhì)勘探，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，因地質(zhì)原因應(yīng)發(fā)的路基邊坡病害較普遍。此外，在工程尺寸及路基高度、路面寬度等和路線走向陰陽面差異、表面狀態(tài)吸收太陽輻射的能力及工程防護(hù)措施等工程條件方面的考慮存在不足。

3 防治方案

針對(duì)高寒地區(qū)路塹邊坡失穩(wěn)特征，以及支擋結(jié)構(gòu)破壞原因，經(jīng)過多次實(shí)地勘察，結(jié)合多年的建設(shè)管理實(shí)踐，總結(jié)了“排水減重、早期預(yù)防、柔性防護(hù)、生態(tài)恢復(fù)”的治理方案，應(yīng)用攔截和疏通地表水及地下水、石籠護(hù)坡+植被修復(fù)的工程措施進(jìn)行綜合治理。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)格賓石籠擋土墻進(jìn)行了抗滑移、抗傾覆、整體穩(wěn)定性、地基承載力等驗(yàn)算。確定了圖3的格賓石籠擋墻設(shè)計(jì)方案。

圖3 格賓石籠擋土墻設(shè)計(jì)

為了更好的理解設(shè)計(jì)意圖，現(xiàn)針對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說明：

①格賓石籠由采用鍍鋅鐵絲包裹PVC的鐵絲綁扎而成，然后在綁扎成型的網(wǎng)箱中填充就地取材的塊石。格賓石籠埋置深度為0.5m，錯(cuò)縫布置，并在適當(dāng)位置設(shè)置“U”形加強(qiáng)筋，以提高賓格石籠的整體性。

②設(shè)置外保溫層的目的是防止擋土墻結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹產(chǎn)生凍脹力而破壞整體結(jié)構(gòu)。格賓石籠外保溫層由復(fù)合防水板和保溫板組成，復(fù)合防水板由土工布和防水板組成。復(fù)合防水板密貼賓格石籠外側(cè)滿鋪，完全阻斷格賓石籠積水浸滲保溫板，確保保溫板不受破壞。保溫板所用材料不僅包括保溫所用聚酚醛等保溫材料，還包括防水抹面砂漿和裝飾層，所用材料應(yīng)具有優(yōu)異的保溫性能。保溫填充層位格于賓石籠與邊坡坡面之間，自下而上填充中粗砂建少邊坡土體凍脹帶來的凍脹力，兼具保溫和排水作用。

③邊坡排水系統(tǒng)包括深入邊坡的仰斜式泄水孔、用于匯集邊坡排水的坡面匯水管和位于邊坡坡底的沿坡面縱向布置的雙壁波紋管，其中仰斜式泄水孔直徑宜為50mm，內(nèi)置直徑42mm鋼花管，泄水孔沿坡面梅花形布置，間距宜為250×200cm。坡面匯水管沿坡面，宜采用直徑110mmPVC管，縱向間距2.5m/道，坡面匯水管沿坡面順坡布置，采用三通分別與仰斜式排水管和雙壁波紋管連接。

④深埋排水溝由橫向匯水管、混凝土基座、上半圓透水波紋管、碎石填充和土工布組成。深埋排水溝溝底標(biāo)高應(yīng)低于賓格石籠底面1m以上。橫向匯水管邊坡一側(cè)與雙壁波紋管通過三通連接，另一側(cè)深入上半圓透水波紋管內(nèi)，目的是將邊坡水排入深埋排水溝。通過碎石填充可以將賓格石籠內(nèi)積水匯入深埋排水溝。深埋排水溝最終將匯水排出路基外，保持邊坡和賓格石籠干燥。而深埋排水溝由于埋深較大，可以防止匯水結(jié)冰堵塞排水溝，確保水流通暢，防止凍融。

4 石籠擋墻相關(guān)技術(shù)要求

①開挖邊坡：根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開挖，應(yīng)注意保護(hù)邊坡草皮，待施工完成后，將草皮覆蓋于坡面。挖機(jī)挖除廢土后用人工清理坑底的殘土、渣土，并對(duì)坑底、坑壁進(jìn)行清平，然后在基底采用砂礫石找平。

②邊坡排水系統(tǒng)施工：坡面鉆孔成型仰斜式泄水孔，泄水孔內(nèi)放置鋼花管；鋪排坡面匯水管并與鋼花管連接；在坡底沿坡面縱向布置的雙壁波紋管，并與鋼花管連接。

③深埋排水溝施工：開挖深埋排水溝，澆筑混凝土基座，安裝上半圓透水波紋管，敷設(shè)土工布，安設(shè)橫向匯水管。

④碼砌賓格石籠：采用鍍鋅鐵絲包裹PVC的鐵絲綁扎格賓網(wǎng)，然后向內(nèi)填充強(qiáng)度等級(jí)MU30以上的塊石，塊石粒徑以100～300mm為宜。碼砌時(shí)注意校正扭曲變形，并用卷尺校正折起尺寸。在必要位置設(shè)置加強(qiáng)筋。

⑤填充中粗砂：對(duì)墻底及墻后采用中粗砂或碎石換填，減輕凍脹影響?；靥顗筇钔燎?，應(yīng)在格賓網(wǎng)箱背面鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?，并在網(wǎng)箱上、下部各折入20cm，確保能夠達(dá)到反濾作用，防止水土流失。

⑥格賓石籠外保溫層施工：鋪設(shè)復(fù)合防水板和保溫板。

⑦表面綠化：當(dāng)格賓石籠擋墻施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，選擇適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的草種類型，并盡早在網(wǎng)箱臨空一側(cè)及頂部邊坡位置實(shí)施邊坡綠化工作。

5 石籠擋土墻實(shí)踐效果

2015年至2016年，在茶默公路及天默公路開展了凍土路段路基穩(wěn)定性的研究，對(duì)路塹邊坡采用格賓石籠擋土墻進(jìn)行防護(hù)，并在運(yùn)營期間進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性觀測(cè)。通過4年穩(wěn)定性觀測(cè)，除局部發(fā)生變形外，使用良好，凍土坡面基本趨于穩(wěn)定。

從圖4可以看出，格賓石籠擋土墻在凍土區(qū)具有良好的實(shí)施效果。這是因?yàn)椋?/p>

圖4 格賓石籠擋土墻效果

①石籠防護(hù)體填充料有較大的空隙，具有通風(fēng)透氣性，利用晝夜溫差產(chǎn)生的空氣對(duì)流，進(jìn)行冷熱交換，平衡路塹邊坡凍土溫度，有效減少外界對(duì)開挖裸露面凍土層溫度影響，保持凍土穩(wěn)定；

②石籠具有良好的滲透性，能及時(shí)疏排地表和層間融化滲水，減少邊坡土體內(nèi)積水對(duì)凍土層擾動(dòng)侵蝕；

③石籠有很強(qiáng)的抵御自然破壞及耐腐蝕和抗惡劣氣候影響的能力，在發(fā)生消融凍脹時(shí)可以承受大范圍的變形，不會(huì)因外力產(chǎn)生傾覆、斷裂等破壞而喪失防護(hù)能力；

④格賓石籠的柔性好，不需要設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，因而可以更大的發(fā)揮整體防護(hù)性能。綜上，可得出結(jié)論，格賓石籠擋土墻是一種適用于高寒地區(qū)環(huán)境的有效支擋措施。

6 結(jié)論與建議

①格賓石籠擋土墻具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、成本較低，適用于高寒地區(qū)的路塹邊坡支擋。

②路塹邊坡開挖后及時(shí)安排格賓石籠防護(hù)跟進(jìn)施工，在凍土消融前或較小時(shí)就完成防護(hù)，并及時(shí)恢復(fù)格賓石籠頂部開挖裸露面的植被。

③在推廣應(yīng)用中，為提高使用壽命周期，格賓網(wǎng)片應(yīng)選用高強(qiáng)、高抗拉、高抗腐蝕的鋼絲材料，填充塊石應(yīng)具有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力。