劉躍成，趙振峰，伍東衛(wèi)，蔣中明，李 昆

(1.云南鳳云高速公路有限公司，677000，云南，臨滄；2.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，650504，昆明；3.昆明理工大學(xué)，650031，昆明；4.云南公路科學(xué)技術(shù)研究院，650500，昆明；5.長沙理工大學(xué)，410114，長沙)

0 引言

孟中印緬經(jīng)濟走廊、“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶等國家發(fā)展戰(zhàn)略的交匯疊加，使云南省從全國交通網(wǎng)絡(luò)的末梢變成面向南亞東南亞開放的前沿[1]。云南交通乘勢而起，直面交通設(shè)施落后、自然條件嚴苛的現(xiàn)狀，提出129個縣高速“能通則通”的發(fā)展要求。

“十三五”“十四五”期間，云南高速公路的修建，重點集中在滇西南高山深谷、雨季強降雨地區(qū)。緊密褶皺和斷裂構(gòu)造使得高速公路的修建不可避免地需要架橋鉆山、深挖高填，而強降雨則會引起邊坡塌方、路基損毀、路面坑槽、橋涵淤塞等多種公路病害。在這些公路病害中，高填方路堤(邊坡或中心填土高度H≥20.0 m)沉降病害主要由地基強度不足、使用了不合適的填料、路基排水未處理好等引起，完好的排水系統(tǒng)，坡頂截水溝、平臺排水溝以及深層排水孔施工的有序完成，能迅速排走邊坡中的積水，有效降低水對高填方路基穩(wěn)定的影響。高填方路基的穩(wěn)定性和災(zāi)害預(yù)防，一直是公路設(shè)計、施工和養(yǎng)護的重點難點，強降雨地區(qū)對排水系統(tǒng)的設(shè)計、施工成為亟需攻克的技術(shù)難關(guān)。目前國內(nèi)外對強降雨地區(qū)高填方路基排水的研究較少，且針對性、系統(tǒng)性不強。

1 工程概況

為使研究成果更具代表性和可推廣性，選取滇西南地區(qū)構(gòu)造剝蝕中山地貌某條長52.25 km的新建重交通高速中3個典型高填方路段為研究對象，該工程屬云南省“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”第5縱的重要組成部分，其建設(shè)有利于實施云南省“一核一圈兩廊三帶六群”區(qū)域發(fā)展新戰(zhàn)略，面向南亞東南亞，對加強民族團結(jié)、興邊富民、全面建設(shè)小康社會等具有十分重要的意義。

工程所經(jīng)路段地處云貴高原西部，屬橫斷山脈之一，峽谷、山地、河谷和山間盆地相互交錯，江河深切，山高谷深，地形陡峻，一般斜坡坡度大于35°，山區(qū)占95%左右，且上陡下緩地形分布較廣，滑坡及不穩(wěn)定斜坡發(fā)育。最高點海拔2 300 m，全線相對高差1 200 m，深挖38處，高填18處。

工程所處區(qū)域年平均降雨量1 500 mm以上，干濕分明，其中雨季占比超過70%，雨量集中。雨季時單點性、區(qū)域性強降水天氣頻發(fā)，遍地皆泉，溪溝水流量劇增，在斷裂構(gòu)造風(fēng)化裂隙異常發(fā)育。高填方段大部分位于山間谷地或沖溝內(nèi)，主要由砂質(zhì)黏土和全、強風(fēng)化花崗巖組成，部分溝底縱坡較大，暴雨季節(jié)，急劇匯集的雨水沖刷路基，極易造成公路災(zāi)害。

工程沿線水系極為發(fā)育，自然及農(nóng)田灌溉河流、溝渠眾多；雨季地表水徑流明顯增大，沖刷匯聚于山箐和溝渠后排出；地下水主要為基巖裂隙水，并伴有部分松散巖類孔隙水，動態(tài)變化受降雨控制明顯，水位埋深淺，排泄流量變化較大，對鋼筋混凝土具有微腐蝕-腐蝕性，在花崗巖的侵入接觸帶有溫泉發(fā)育。

綜合考慮經(jīng)濟因素，為減小橋隧建設(shè)規(guī)模、降低工程造價和消化棄方，經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，路基填料主要用就地就近取材的碎石土，如殘坡積土、中風(fēng)化基巖、開山石渣等土石混合填料，施工時根據(jù)設(shè)計予以分層填筑，采用特重型標(biāo)準(zhǔn)分層壓實。

圖1 高填方路基路面排水系統(tǒng)平面示意圖

2 綜合排水系統(tǒng)構(gòu)建

大多數(shù)邊坡失穩(wěn)都發(fā)生在雨季或地下水位變動頻繁期，鑒于水對高填方路基穩(wěn)定性的重要影響，本次工程設(shè)計階段做專項統(tǒng)籌考慮，創(chuàng)新構(gòu)建包含基底、坡體、坡面和路面等的綜合排水系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

1)設(shè)計前爭取當(dāng)?shù)仡I(lǐng)導(dǎo)與群眾配合，查明地質(zhì)及水文條件、沿線排水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)的分布及其功能，進而確定路基截、排水設(shè)施的具體位置、起訖樁號、長度、型式、斷面尺寸、加固措施和進出口位置，確保布設(shè)的排水系統(tǒng)更具實用性與針對性[2]。

2)填筑前對填方原地形進行勘測設(shè)計，確定清淤、換填、反壓、支擋等基底處理方式，以及溝谷水、地下水、巖隙裂縫水、出露泉眼等的分布與規(guī)模，在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)各級盲溝或砌筑擋墻，構(gòu)建基底排水樹形網(wǎng)絡(luò)。

3)填筑時為減小水對填筑體整體穩(wěn)定性的影響，每隔一定填筑高度設(shè)置排水層，將不同填料之間、一定填料厚度之間的淤積滲水排出。排水層可水平全鋪或鋪設(shè)成方格網(wǎng)狀，處理好濾層、土工格柵、碎石盲溝與補強壓實之間的關(guān)系，構(gòu)建坡體平行排水層，必要時設(shè)置填筑體與原山體交界處的環(huán)形排水帶。

4)填筑成型時及時完成坡頂截水溝、平臺排水溝以及深層排水孔的施工，對形成的邊坡及時采取支擋及坡面防護措施，注意相關(guān)排水設(shè)施之間的協(xié)調(diào)，特別是與路面橫向排水急流槽的協(xié)調(diào)施工，以及避免對下游農(nóng)田的水毀，構(gòu)建邊坡坡腳、坡面截、引、排水系統(tǒng)。

5)路面鋪裝前充分考慮降雨的影響，對中央分隔帶和超高路段做專項設(shè)計[3]，明確不同路段的路面坡度、路肩邊溝、管涵布設(shè)、集水、散水、滲水與防滲措施，構(gòu)建路面排水系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 施工要點

1)施工前做好排水設(shè)施之間及其它構(gòu)造物與排水設(shè)施之間的銜接，對急流槽、橫向排水管、集水井等位置進行現(xiàn)場核對。若局部排水設(shè)計與實際地形不吻合，施工時適當(dāng)調(diào)整，特別是路基、路面橫向排水出口的設(shè)置，必須確保排水出口水流的暢通[4]。

2)施工過程中充分考慮雨季的影響。由于工程區(qū)雨季有大量地表水匯集，填筑前結(jié)合永久性排水工程布置輔助排水溝，修建排水涵洞，以解決因施工引起的排水不暢問題，對施工形成的集水坑及時填實，降低路基基底潛水位。

3)施工各環(huán)節(jié)間做好每一結(jié)構(gòu)層交工驗收階段的工程質(zhì)量自檢工作，保證工程質(zhì)量；同時，必須為后期養(yǎng)護留足空間，做好邊坡踏步及排水溝踏步的設(shè)置；附近不設(shè)置棄土場，加強高填路基的變形監(jiān)測。

3 排水措施技術(shù)特點

為解決滇西南高原橫斷山脈強降雨地區(qū)特殊的地質(zhì)、水文條件下，高填方邊坡排水系統(tǒng)有效性問題，消除影響邊坡穩(wěn)定性的安全隱患，工程在設(shè)計、施工階段需針對性地采取相關(guān)措施。

3.1 高填方基底

高填路基的填筑改變了地基原來的地表水排泄路徑和地下水分布形態(tài)，為防止其影響路基的穩(wěn)定和沖蝕路基填料，需對基底采取相應(yīng)的截排水措施，將其攔截、引排出路基范圍。

3.1.1 基底清淤 對原地形上部厚度小于3.0 m的軟土、花崗巖殘積土、人工填土等特殊性巖土，自下游往上游予以清除，部分用于坡面防護、中央分隔帶和棄土場地的綠化；對水坑、池塘進行清淤，碎石回填后，分層夯實，下口接盲溝排出，防止時間長了形成水囊；基底松散土層厚度大于清表厚度時，若力學(xué)性質(zhì)滿足基礎(chǔ)要求，翻挖再回填分層壓實，若不能滿足，采用透水性較好的堅硬、耐風(fēng)化的石質(zhì)洞渣類填料或較低水敏性的砂卵礫石進行換填或打碎石樁，再進行夯實碾壓處理。

清淤過程中，對未能及時遷移的或前期勘查未標(biāo)明的地下管線等構(gòu)筑物做好保護。必要時在沖溝上游設(shè)置截水墻，修建好排水涵洞。

3.1.2 盲溝鋪設(shè) 高填路段生態(tài)環(huán)境較為脆弱，為深入貫徹生態(tài)保護理念，除必要的封水、堵水等止水工程措施外，設(shè)計與施工中以疏排為基本原則，鋪設(shè)基底盲溝，盡可能減小施工影響區(qū)內(nèi)的地下水位下降、溝水?dāng)嗔?，影響周邊居民的生產(chǎn)和生活用水。

在場地清表整平后、路基填筑前，根據(jù)勘測資料及現(xiàn)場核實情況，鋪設(shè)主、次、支片石盲溝。主盲溝的尺寸、規(guī)格、坡度以順暢排出原溝底主要徑流或雨季溪流為準(zhǔn)，盡量沿原水流走向，按矩形或梯形斷面鋪設(shè)，深1.5 m，寬度根據(jù)實際匯水情況確定，縱向坡度不小于5‰，特殊地段為增加斷面排水流量，可在底部鋪設(shè)上部帶有孔眼的PVC管，主盲溝一般不超過2條[5]；次盲溝主要歸并承接匯水支溝處的地下水，可在既有水溝走向的基礎(chǔ)上做適當(dāng)調(diào)引；支盲溝根據(jù)需要布設(shè)，間隔≤40 m，泉眼處增設(shè)。經(jīng)工程驗證，盲溝孔隙率≥35%時，排水效果較好，為保證孔隙率，使用3層鋪設(shè)模式：底層采用10 cm以上的大顆粒塊、卵石，中上層采用卵石或碎石，頂部采用可兼做反濾層的砂礫石或粗砂。所有盲溝外包透水土工布，并保證上游搭接下游重疊度超過30 cm。

3.1.3 盲溝保護 因基底盲溝對高填方穩(wěn)定的重要性和后期管養(yǎng)的復(fù)雜性，必須對其有效性做好充足的保護，重點在進出水口和回填預(yù)壓2個方面。為避免強降雨期大量泥沙進入盲溝，進水口全斷面包裹土工布，往外10 m范圍內(nèi)堆砌石料予以保護，以防淤堵；出水口設(shè)計標(biāo)高高出地面常水位3 m，不包裹土工布，原地面砌石鋪底或10 m范圍內(nèi)干砌盲溝保護，以防坍塌。盲溝砌筑完成以后，在橫向2 m豎向4 m范圍內(nèi)使用輕型壓實機械分層壓實，不得強夯，基體填筑前先鋪設(shè)濾層[6]。盲溝施工所使用的土工織物與管材等如表1所示。

表1 主要材料參數(shù)表

3.2 高填方坡體

高填方坡體填筑時，需重點關(guān)注2個方面的問題，以盡可能降低水對邊坡穩(wěn)定性的影響。一是多級邊坡接觸面、同級邊坡各夯實層接觸面或不同填料接觸面間，長期下滲滯水導(dǎo)致的淤積甚至是水囊；二是填筑體與原山體結(jié)合面、填挖結(jié)合面、個別設(shè)有下穿涵洞的結(jié)合面間，材質(zhì)的差異導(dǎo)致的沖蝕。

圖2 高填路基橫斷面圖

3.2.1 鋪設(shè)水平墊層 針對第1種情況，首先根據(jù)地形地質(zhì)條件、填料類型、地下水與降雨、洪水與河流等，設(shè)計填土高度、邊坡級數(shù)、坡體坡率和夯實方式，并在填方體中增設(shè)土工格柵，處理雨季滑塌和整體滑動問題；其次增加級配排水墊層，處理下滲水和淤積水的排出問題?？紤]到施工進度的要求，排水墊層按每級填筑高度8 m水平分層填筑，厚度按每層碾壓厚度50 cm鋪設(shè)，橫坡坡度與路面一致為2%，墊層邊緣使用土工布包裹，與坡面截水溝相連，砌護處設(shè)置PVC排水管，如圖2所示。

3.2.2 鋪設(shè)環(huán)形過渡帶 針對第2種情況，首先在填筑前把斜坡開挖成臺階狀，增大填土與坡面之間的摩擦，解決沿巖層面易產(chǎn)生順向滑移問題；其次當(dāng)1:5<原地表坡度≤1:2.5時，開挖臺階寬度不小于3 m，并設(shè)置向內(nèi)側(cè)的2%～4%的坡度，當(dāng)為原地表坡度>1:2.5的陡坡路堤時(穩(wěn)定系數(shù)Kc一般<1.3)，再鋪設(shè)一定量的單向土工格柵；最后在結(jié)合面填充2 m厚的碎石，構(gòu)建環(huán)形排水過渡帶，底部與盲溝相連。填挖交界或地形落差較大時，可考慮加大坡面入水口，在排水溝處加埋PVC管。高填路基內(nèi)設(shè)有涵洞時，處理方式相近，涵洞兩側(cè)采用小型夯實機具配合人工施工。

3.3 高填方坡面

坡面排水系統(tǒng)由邊溝、排水溝、平臺及山坡截水溝、骨架防護泄水槽、急流槽、滲溝、天然河溝等組成[7]，為貫徹環(huán)保施工理念，排水設(shè)施需充分考慮與與河流、坑塘、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)等的有機結(jié)合，根據(jù)匯水流量和地形特點，做好集中排水的引導(dǎo)和沖刷防護。

3.3.1 邊溝與排水溝 對于地形起伏大、排水流速快、出口間距小的地區(qū)，路基基本成型后，在填方坡體兩側(cè)均設(shè)置排水溝。為節(jié)約耕地，根據(jù)臨近其他公路的工程經(jīng)驗及設(shè)計教訓(xùn)，結(jié)合當(dāng)?shù)嘏殴嘞到y(tǒng)，在滿足排水能力的前提下，擬定排水溝斷面為矩形，80 cm(深)×50 cm(寬)，溝底面粗糙。排水溝溝底縱坡大于10%時，設(shè)置跌差2 m的跌水井或在溝底設(shè)置臺階，并增加防滑平臺，平臺間距2 m，平臺寬1 m。排水溝、護腳等漿砌圬工中的片石為硬質(zhì)石料，不易風(fēng)化，邊長超過30 cm，厚度超過15 cm，單軸飽和抗壓強度不小于30 MPa。

3.3.2 截水溝與泄水槽 邊坡平臺設(shè)置平臺截水溝，填挖結(jié)合處設(shè)置山坡截水溝，截水溝的匯水沿拱形骨架主骨架匯流集中排水。平臺采用C30砼護腳、寬2 m鑲邊加固，護坡道外傾橫坡3%。坡面采用拱形骨架植草防護或C30現(xiàn)澆砼實體滿鋪。為避免排水溝因差異沉降出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，于排水溝下部加鋪防滲土工布。

3.3.3 急流槽 急流槽的作用主要在于邊溝、截水溝、排水溝之間，以及超高路段橫向排水管與排水溝之間的銜接，其設(shè)置在強降雨地區(qū)十分必要。處理好進出水口、槽身、消力池、防滑坎和防滑平臺等之間的關(guān)系，可有效消除極端匯水條件對坡面、排水系統(tǒng)、施工便道、新舊結(jié)合面等的沖蝕影響。當(dāng)急槽身長L>7 m、水平距離>5 m時，設(shè)防滑平臺，防滑平臺采用C20現(xiàn)澆混凝土。急流槽縱坡與邊坡坡度一致，進、出水口須配合排水溝修建，銜接處要求順適、美觀。

3.4 高填方路面

路面排水主要由路面表面、內(nèi)部、中央分隔帶和超高路段排水等4個部分構(gòu)成排水系統(tǒng)[8]。路面排水按重現(xiàn)期5 a，路界內(nèi)坡面排水按重現(xiàn)期15 a進行設(shè)計。

3.4.1 路面表面 采用路面橫向坡度向兩側(cè)排流，土路肩采用C20澆筑砼護肩加固，行車道坡度2%，兩側(cè)4%。路肩處設(shè)置打孔攔水帶，將水引流至坡體排水系統(tǒng)。

3.4.2 路面內(nèi)部 在路面內(nèi)部，從上到下分別利用封層、墊層和土路肩邊部對滲水進程處理。采用瀝青同步碎石在面層底部鋪設(shè)形成封層，厚度1 cm，避免聚集水下滲；采用級配碎石墊層加塑料排水管，將面層少量聚積的水引出路基以外，避免下滲雨水破壞路面結(jié)構(gòu)。

3.4.3 中央分隔帶 中央分隔帶排水系統(tǒng)由超高段縱向排水溝、滲水盲溝、縱向濾水管、橫向排水管和集水井等組成?？v向排水溝采用C25鋼筋砼現(xiàn)澆，每20 m設(shè)置2 cm寬變形縫，瀝青麻絮填充，起止處用混凝土堵塞10 cm；蓋板為C30砼預(yù)制，預(yù)留Φ2 cm排水孔，以便排出滲入路面的路表水。滲水盲溝埋設(shè)于底基層下，外側(cè)包裹反濾土工織物，沿斷面鋪設(shè)防滲土工膜后回填，避免對路面結(jié)構(gòu)的返滲，防滲層搭接處包裹5 cm。縱向塑料透水管鋪設(shè)于盲溝底部，Φ80 mm，每隔20～50 m設(shè)置一道Φ110 mm的橫向HDPE塑料管(密閉不透水)，出口采用鐵絲網(wǎng)封口。橫管通過三通式濾水管與縱管相連，瀝青麻筋封裹接頭，匯水由盲溝及打孔波紋管匯集導(dǎo)入集水井，再由橫管引至邊溝或急流槽。

施工工序為：路床-開挖設(shè)橫向排水管-預(yù)埋管道-縱向滲溝-路面-防水層-回填土-護欄立柱。護攔立柱在隔水層鋪設(shè)前埋設(shè)，并避開集水井；橫向排水管埋置并鋪土后方可通行施工車輛；縱向集水溝出口，橫向排水管進口設(shè)置濾網(wǎng)；瀝青混凝土面層施工完后，才可重新撬開水溝蓋板并徹底清理縱向排水溝。

3.4.4 超高路段 超高路段內(nèi)側(cè)路面排水同正常路段，需重點處理的為外側(cè)路面。根據(jù)暴雨強度公式計算結(jié)果，設(shè)計施工時做好坡度、中央分隔帶旁縱向排水溝、集水井、橫向排水管等的大小和間隔等[9]，橫向排水管可單側(cè)或交錯設(shè)置。超高路段前部上坡段的匯水需提前排出，避免造成超高段排水負擔(dān)過重，甚至倒灌。根據(jù)排水需求，超高漸變率P的設(shè)計在1/330和1/200之間。

4 效果評價

在施工和運營階段，研究區(qū)3個高填方路基段除常規(guī)監(jiān)測手段外，同時采用了自主研發(fā)的高填方穩(wěn)定性遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過基于公垂線約束的立體視覺建模和云端計算、存儲、報表可視化等功能模塊，實現(xiàn)了對地表位移、降雨量和地下水位的全過程測、監(jiān)、管一體化[10]。較有典型代表性的某監(jiān)測點地表位移、某段高填方路基深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 路基監(jiān)測位移-時間圖

圖4 東西向深部位移-時間圖

選取歷時1.5 a的施工及管養(yǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，其中路基地表監(jiān)測點埋設(shè)于主要結(jié)合面，深>0.1 m，深部位移監(jiān)測點除結(jié)合面外，重點考慮地下水及地質(zhì)脆弱帶。監(jiān)測點數(shù)據(jù)均經(jīng)過移動網(wǎng)絡(luò)傳回后臺，經(jīng)程序自動分析后以微信公眾號的方式每日推送給相關(guān)負責(zé)人員。結(jié)果表明，經(jīng)此綜合排水系統(tǒng)的構(gòu)建，研究對象末期沉降量、沉降速率均小于限值且呈收斂趨勢，在現(xiàn)場巡檢中，填筑體及其周邊未出現(xiàn)明顯的沖蝕、失穩(wěn)現(xiàn)象，處理效果良好。通過采用簡化Bishop算法，研究對象的堤身填料穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.247>1.15，滿足《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02—2013)8.2.5條中相關(guān)要求，路堤和地基的整體穩(wěn)定性穩(wěn)定安全系數(shù)為1.416>1.15，滿足要求。

經(jīng)降雨工況下現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)果表明，雨水能較好地匯集于排水結(jié)構(gòu)物中，順利排出坡體之外，歷時1.5 a前后對比觀測，未發(fā)現(xiàn)坡體出現(xiàn)因地表徑流沖刷引發(fā)的路基邊坡局部垮塌現(xiàn)象，此綜合排水系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性較好。

5 小結(jié)

通過對周邊及國內(nèi)已有工程的大量比選，充分吸取以往的經(jīng)驗教訓(xùn)，結(jié)合項目區(qū)實際條件，構(gòu)建的較為完備的公路高填方路基綜合排水系統(tǒng)，可有效應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的強降雨天氣，確保路基的整體穩(wěn)定，對云南省后續(xù)大量的高速公路建設(shè)具有很好的指導(dǎo)意義。