张 伟,吴晓明,薛军秀

(陕西交通控股集团有限公司,陕西 西安 710065)

1 引 言

黄土沟壑区作为黄土高原特殊的地貌形态,丘陵起伏,沟壑纵横,土质疏松。近年来,虽然生态环保举措效果明显,但由于气候干旱,雨水集中且多以暴雨、阵雨形式出现,植被分布不均,水土流失严重,生态环境仍然脆弱。黄土沟壑区高速公路路基防护排水设施的选择至今仍然是一个值得探讨的问题。目前,对高速公路路基防排水虽已有大量的研究和工程建设经验,罗大天[1]等对高速公路排水设施进行调查和病害分析,并提出了采用预制装配式沟渠与排水路面技术等措施;龚明焱[2]对山区高速公路路基排水设施进行了研究,提出了塑料管急流槽、生态型植草沟的排水方式,但主要集中在传统的混凝土和浆砌工艺或者对适用条件有所限制,对排水工程永临结合的研究及实施较少;温张保[3]介绍了水泥毯在基坑深度5.3 m的沙土类地质一级边坡支护中的实际应用,说明水泥毯用于边坡防护安全可靠且高效环保;何勰琨[4]通过试验研究,探索了水泥毯在滩田护坡中的应用,认为在滩田沟渠冲刷较大、坡面不完整,工期紧、无施工便道等情况下可选用水泥毯。水泥毯作为新型复合材料在新建高速公路工程上的使用较少,许媛媛[5]介绍了某高速公路第四标段边沟及截水沟施工中采用柔性毯的实际应用,展现了其在高速公路排水工程中的可行性。水泥毯的在黄土地区高速公路的应用值得关注。为此,针对黄土沟壑地区路基排水设施进行了研究,以子长至姚店高速公路排水工程中截水沟为依托,分析复合水泥毯的特点,探讨水泥毯的应用,为以后高速公路的排水工程设计与施工提供参考。

2 高速公路排水状况

2.1 路基排水原则

公路路界内的排水设施要统筹规划,合理布局,应与路界外的排水系统和设施合理衔接。公路排水系统必须保证有效性和耐久性,同时,排水设施的结构也应安全耐久。排水设施的设计与施工要经济合理,便于施工、检查和养护维修。路界地表排水设施的地基应密实稳定,结构形式应与地基条件与地势地貌相匹配。需采取措施避免地基变形等引起排水设施的破坏。减少堵塞、溢流、渗漏、淤积、冲刷等现象的发生。

2.2 地表排水设施

路基地面排水一般采用边沟、截水沟、排水沟、跌水与急流槽等设施。将可能停滞在路基范围内的地面水迅速排除,防止路基范围内的地面水流入路基内。常用的材料包括浆砌片石、现浇混凝土、钢筋混凝土等。常用的形式包括U型、矩形、梯形及浅碟形等。浆砌片石主要采用水泥砂浆、片石或者块石进行砌筑,砂浆强度一般采用M7.5及M10。具有施工材料易获取、施工简单、造价低的优点。但易出现空洞等问题;现浇混凝土和钢筋混凝土整体性好,耐久性好,但施工需要支模板且造价较高。浆砌片石、现浇混凝土、钢筋混凝土排水设施在陡坡路段施工难度大,施工接缝处质量难以保证。

2.3 排水设施问题

受地形影响,山区的降水强度一般远大于平原地区的降水强度。山区公路地表排水设施常见问题包括[6]:排水沟进口及渠道伸缩缝等设置部位、砂浆连接不当造成的排水沟开裂、渗漏、结构垮塌;急流槽底部未设置消能设施,雨水汇集后不能及时排走且冲击力较大,导致水流溢出槽外造成冲刷破坏;雨水汇集后没有进入沟渠导致在自然坡面的切口冲刷造成水沟损坏;清淤不及时、不彻底等导致排水沟堵塞,继而造成损坏。基底压实不足、防渗等措施不到位引起的不均匀沉降对排水设施刚性材料拉裂;纵坡及转弯半径设置不合理导致外侧发生溢流;断面尺寸大小不合理,排水能力不足;排水沟过长导致下游汇水量过大;施工时存在先砌筑侧墙,未铺砌及加固渠底导致雨水渗漏;未综合设置排水系统导致的系统不完备,不具备独立的排水能力等。

在黄土沟壑区,雨水集中,汇水溢出对路基和边坡产生极大的冲刷或下渗,导致沉陷、滑坡等病害[7]。如截水沟雨水溢出,将直接冲刷坡面和坡脚,并可能从高处下溅,从而对路基直接侵蚀,造成水土流失,并危及边坡和路基的稳定性。流速超过沟渠材料的抗冲刷允许流速时,沟壁和沟底将被冲刷,并逐渐损坏以致失效。黄土地区公路因黄土地基自身特点,普遍存在着较大下沉变形,在雨水及交通荷载等作用下,极易产生各种病害,造成较大的经济损失。同时,黄土受冲刷后,流水短时间内对土体侧向侵蚀严重,极易引发大面积次生灾害。在黄土沟壑区沟渠失效后的危害程度远大于一般地区。

3 复合水泥毯的特点

水泥毯是采用聚乙烯和聚丙烯长丝编织成的三维纤维复合结构,含有特殊配方的干混凝土混合料,是一种遇水后发生水合反应形成耐用混凝土层的混凝土帆布[8,9]。在生产中水泥毯已按科学配比配置好混凝土,施工时不需要任何混凝土搅拌设备,方便装卸与运输。施工中,水泥毯采用不锈钢锚固定,毯间接缝处采用密封胶密封,固定在开挖好的基底上,使水流从上端顺畅流入发生水合反应,待凝固后纤维起到增强混凝土抗拉伸性能的作用。

3.1 操作便捷

水泥毯可以成大卷散装提供,每平方米的重量只有15 kg,可实现人工装卸和运输。施工需要的资源包括复合水泥毯、钢钎、卷尺、铁锤、水桶、剪刀、铁铲等,不需要大型的施工机械。水泥毯能够依从所覆盖的物体表面的复杂形状,既能垂直悬挂,也能铺设在沟槽之中,无需现场配置,不会发生过度水合反应。凝固前的水泥毯可以用普通手工工具随意切割或裁剪,且后期养护简单,仅需在施工后的水泥毯表层涂刷一层水泥浆即可。

3.2 生态环保

水泥毯生产时能够节省约90%的水泥材料及砂石料等传统材料,能够减少对砂石料场的开采,大幅降低二氧化碳的排放量。水泥毯碱含量较低,表面耐冲刷能力强,材料强度高,拉伸性能好,对使用地的生态几乎没有影响,属生态友好型材料。

3.3 降低成本

以高速公路排水工程为例,同等排水能力下,水泥毯与现浇混凝土排水设施相比,材料成本能节约40%左右,同时在人工成本、机械成本、养护成本、运输成本上也都有着良好表现,在地形复杂的区域表现更为突出。同时采用水泥毯施工,工期能节约60%左右,能极大的缩短建设工期,有利于工程推进。

3.4 标准生产

水泥毯在工厂生产制造,能实现标准化生产,满足个性化要求。材料性能差异小,便于形成标准化施工流程,能有效进行质量控制。

4 水泥毯的工程应用

4.1 工程概况

子长至姚店高速公路起于子长县东约11 km的好坪沟口,设枢纽立交与清涧至子长高速相接,终点在黄家屯设枢纽立交与延安至延川高速公路相接,路线全长55.173 km,设计速度80 km/h,采用双向四车道高速公路标准建设,投资概算60.91亿元。项目全线路基排水工程设计中,全部堑顶截水沟及边坡坡率为1∶0.5且高度大于40 m的挖方边坡平台均采用了复合水泥毯,工程量近1.2万m2。

4.2 设计情况

堑顶截水沟沟侧坡率1∶1,底宽0.4 m,顶宽1.2 m,沟深0.4 m;平台截水沟沟侧坡率1∶0.25,底宽0.4 m,顶宽0.6 m,沟深0.4 m。水泥毯由坡顶横向延伸0.2 m。

4.3 施工工艺流程及操作要点

(1)施工准备。施工前,清理平整场地。测量专业人员根据施工图放出截水沟的施工位置,要确保线型顺适,且截水沟的纵坡满足排水要求。

(2)沟槽开挖。根据设计图纸尺寸要求挂线,开挖并清理沟槽,做好沟槽的排水坡度,平整沟槽两侧,沟槽两侧下各挖10 cm用作水泥毯边缘压边处理。原则上沟内、坡面上不得有虚土或空洞。如存在上述问题,铺设前对涉及位置进行夯实处理,直到处理后的位置稳定性良好。

(3)水泥毯铺设。水泥毯放样测量后满足截水沟排水坡度要求进行铺设,铺设按照从下游至上游的顺序进行,铺设时两块水泥毯搭接10 cm。截水沟两边沟沿采用不锈钢螺丝钉锚固,锚钉采用φ8×L400 mm U型不锈钢螺丝钉,锚钉材质为螺纹钢(做防锈处理),间距40 cm。

(4)水泥毯接缝处理。相邻水泥毯叠压处横向挖宽10 cm,深度为水泥毯一倍的凹坑,将叠压处水泥毯接头放入并压平;沿水流流出方向将上面的水泥毯压在下面水泥毯上,叠加处不得少于10 cm;水泥毯接缝处采用密封胶密封,接头、接缝撒水泥粉,使用不锈钢螺丝钉锚固,水泥毯抗压强度需满足≥20 MPa。截水沟每间隔10 m设伸缩缝一道,缝宽2 cm,缝内用沥青麻絮填塞。

(5)水泥毯水合反应。水泥毯铺设经验收合格后浇水固化,每平方需浇水9 kg(厚度以10 mm计算),水泥毯浇透处理。浇水时以喷洒的方式从边沿往中间均匀洒水,流量为4 000 ml/min,直到水泥毯颜色变深。

(6)施工结束。浇水完成后,强度达到设计要求之前,严禁踩踏。陕北地区施工水泥毯时,应避免在低温下进行,当温度≤5 ℃时应采取有效保温措施;当平均气温≥30 ℃时应加强养护,表面应覆盖塑料膜或土工布等材料保证水泥毯表面湿润,养护时间需保证3 d以上。

4.4 水泥毯在高速公路适用性

在路基堑顶截水沟、平台截水沟施工中采用水泥毯(复合材料毯)施工,选用新型、轻型材料替代传统的重型砌体,不但结构更加轻便、施工相对简单,而且施工整体效果更加显著。快速凝固成型,可作为临时性排水设施,也可以和混凝土截水沟综合使用作为永久性排水设施,在施工中可以广泛应用。

(1)抢险救灾。水毁具有突发性,黄土地区高速公路水毁事故发生时,由于道路损毁等原因,施工材料、设备、人员进场困难,水毁灾害难以在第一时间得到有效控制,容易导致水毁危害进一步扩大。采用复合水泥毯材料,只需工人和简单的工具即可初步完成整治,初步敷设后即能发挥效能,避免水毁损害性扩大。且能在24 h内硬化到80%的强度,进一步提升排水效能,对降低水毁起到积极作用。

(2)永临结合。高速公路施工过程中,根据规范,临时工程、边坡防护排水工程实施前需设置临时排水设施。常规做法中,永久性防护排水工程实施后,拆除初期施做的临时工程,对环境产生不利影响且容易造成资源浪费。采用复合水泥毯可以在临时功能发挥后,作为永久排水设施进一步发挥作用,既考虑了前后的协调衔接,也避免了不必要的资源浪费。

(3)沉降路基。根据现场数据,高速公路高填方施工后不可避免产生工后沉降,不均匀沉降易将混凝土等刚性材料拉裂,破坏结构,进而造成渗水及水毁。水泥毯表面为帆布,内部为纺织布等,作为柔性材料,其较好的拉伸性能对轻微变形有较强的适应性,路基沉降后,一般不会出现水泥毯排水沟拉断等现象,继而能够确保排水功能正常。

(4)养护工程。高速公路建成通车后,交通开放,车辆行驶速度总体较快,路域内的养护工程施工干扰因素多,持续时间长,安全隐患较大。使用水泥毯能快速恢复及修复损毁工程,且施工后能够立即发挥使用效能,确保正常运行,降低安全隐患。

4.5 水泥毯的不足

复合水泥毯在高速公路排水工程中有较好的前景,但目前仍存在一些不足。首先是材料的耐久性方面,与传统的现浇混凝土材料相比,它在黄土地区纵坡较大段落中抗冲刷性能方面略显不足。其次在工艺方面,施工人员未形成与之相适应的工艺理念和质量意识,未能完全考虑其作为永久排水工程设施,容易造成施工质量缺陷。

5 结 论

通过项目采用的水泥毯施工工艺来看,充分体现了水泥毯施工的便捷性及良好的适应性,适用于各种排水沟、路堑截水沟,可作为临时性排水设施,也可以和混凝土截水沟综合使用作为永久性排水设施,在施工中适应性强,且符合国家公路建设标准要求。另外,采用水泥毯铺设工艺极大的提高了施工作业效率,降低了施工成本,减少水泥混凝土材料的使用,施工简便灵活,缩短工期,效果良好。但要注意在使用中应加强接缝及边部处理。水泥毯作为新技术、新材料正在引起人们的关注,子长至姚店高速公路的工程实际也证明了其应用可行性,未来可进一步探索在高速公路防护工程乃至其他工程领域的作用。