排水、防护、支挡工程

排水、防护、支挡工程 一 排水工程 地表水渗入路基土体会降低土的抗剪强度 地下水的存在和活动往往引起各种路基病害，是 路基变形发生和发展的基本原因 在低路堤条件下，由于毛细作用，水分可能升入 路堤内，使填料强度下降 水还是产生溶蚀和冻害的主要原因之一 水是影响路基工程质量的重要因素，就路基病害 的规模、范围及成因而言，水往往是决定性的因素 之一。 1 地面排水 沿线排水系统 要根据线路的平、纵断面及地质水文条件，确定 合理的排水方向和合理的排水设施位置 要确定桥涵、隧道、车站、农田水利排水建筑物 的配合和连接方式，避免各行其是、相互脱节的 现象 地面排水设备 地面排水设备有排水沟、侧沟、天沟、吊沟（急 流槽、跌水）及缓流井等 地面排水设备的纵坡不应小于 2 设计的地面排水设备的断面形状和尺寸应满足排 泄设计流量的要求，不产生冲刷和淤积 设计的长度宜短不宜长，以使水流不过于汇集， 做到及时疏散、就近分流，同时也不应兼作其他 流水的用途 排水沟 排水沟与其他沟渠相接时，力求水流舒顺，因地形 限制成直角相交时，可按下图形式处置 沟渠连接示意图 1-排水沟； 2-其他沟渠； 3-路中线； 4-桥涵 侧沟 侧沟是路堑地段用以排除路基面和路堑边坡坡面的地表 水的水沟，它设于路基面两侧或一侧（半路堑） 在路堑边坡面有冲蚀现象的地段，应设置宽度 12m 的侧沟平台，以免堵塞侧沟；石质路堑开挖侧沟有 困难时，可采用挡碴墙以减少开挖量 天沟 天沟设于路堑堑顶，用以排除山坡迎水方向流向路堑 的地面水。路堑顶部无弃土堆时，天沟内边缘至堑顶 距离不宜小于 5m。当沟内进行加固防渗时不应小于 2m。 吊沟、跌水与急流槽 缓流井 用于承接从吊沟汇入侧沟的地表水并削减其能 量，保护路基本体不受冲蚀 地下排水 在地下水危及路基稳定（包括整体稳定和局部稳定）或严 重降低路基强度的情况下，通常根据具体情况采取拦截、 旁引、排除含水层的地下水，以及采取隔离的措施进行处 理 进行地下排水设计前，应进行野外工程地质和水文地质调 查、勘探和测试 在排除地下水的同时，应采取措施防止地表水下渗而造成 对地下水的补给，也不允许将地表水排放入地下水排水设 施内 1 一般要求 明沟和槽沟 明沟和槽沟是兼排地表水和土体中的上层滞水 或埋藏很浅的潜水的排水设备 浆砌片石明沟 木结构槽沟 渗沟 用于降低地下水位、排除地下水的渗沟又称平式 渗沟，包括埋置深度 2-6m的浅埋渗沟 按照有无渗水管可分为有管渗沟和无管渗沟 同时起支撑边坡作用的渗沟称为边坡渗沟 a）渗水管 b）有管渗沟出口 有管渗沟示意图（单位： mm） 有管渗沟 有管渗沟的渗水管是管壁带有渗水孔的陶管或混 凝土管，如图（ a）所示，此图适用于流程较长，流 量较大的情况 无管渗沟 利用了碎石的孔隙作为排水通道。适用于地下水流量小、 流程短的情况。排水碎石亦可采用无砂混凝土代替。排水 碎石周围应设反滤层，对反滤层的要求与有管渗沟相同。 采用无纺土工织物作为碎石体的维护并起渗滤作用是目前 许多工程中普遍采用的方法 边坡渗沟 边坡渗沟用于疏干边坡和排除自边坡出露的上层 滞水或泉水，并对边坡起支撑作用。常用的边坡 支撑渗沟处理的土质路堑边坡坡度应不陡于，因 为受地下水活动影响，边坡土体的稳固性常可受 其危害 边坡渗沟主要有拱形和树枝形两类 边坡渗沟正视图 拱形边坡渗沟 树枝形边坡渗沟 边坡渗沟纵断面图 边坡渗沟纵断面图 支撑渗沟 用以支撑可能滑动的 不稳定土体或山坡， 并排除滑动带附近活 动的地下水，疏干潮 湿土体，根据不稳定 土体范围成群设置的 支撑渗沟也可和抗滑 挡土墙配合使用 支撑渗沟纵断面图 支撑渗沟 通常使其轴线与滑动方向基本平行，布置呈平行 的条带状，支撑渗沟的间距及断面宽度，可按照 每条渗沟所担负的下滑力计算确定。断面采用矩 形，宽度为 2 3m，间距为 8 15m或更大些 支撑渗沟的埋置深度根据疏干地下水的深度确定。 若用于整治可能的坍塌，渗沟底应置于土体（或 山体）滑动面以下稳定土层或岩层内至少 0.5m。 在须考虑冻结要求时，沟底应置于冻结深度以下 至少 0.4m 渗水隧洞 处理滑坡及其他路基病害中的地下水时，当地下 水埋藏较深，如 10 20m以上时，深埋渗沟的开挖 工程太大，施工困难，常以坑道形式排水，称为 渗水隧洞 渗水隧洞可与立式渗井配合使用。单独使用时， 只能排除隧洞能集引的含水土层中的水，而不能 贯穿整个或多个含水地层 曲墙式渗水隧洞 断面图 150号混凝土拱砖大样图 排水平孔 为排除路基土体或滑坡体中的地下水，可使用 仰斜度为 10 15 的排水平孔。依据水文地 质条件，平孔可平行排列或扇形排列布置 平行排列平孔 扇形排列平孔 排水平孔 根据需要可布置一层 或多层，但平孔的位 置必须埋于地下低水 位以下，尽量扩大疏 干范围。由于平孔施 工简单，收效显著， 为国外广泛采用。我 国在整治滑坡中，采 用平孔排除地下水也 取得良好效果。 多孔平层 水沟的冲刷防护和防淤、防渗 当水沟的天然土层不足以抵御流速的冲刷时， 需对水沟采取加固措施 水沟的渗漏对于某些地质不良地区路基的稳固 是一种有害因素，所以必须防止 防渗的方法：表层夯拍，三合土、四合土捶面， 浆砌片石护面及用混凝土水槽等，对于采用卵 石护面或干砌片石护面的水沟，也可在其底层 用粘土夯铺一层厚 0.2 0.3m的土层 为了防止浆砌片石及混凝土水槽预留的伸缩缝 渗水，应用沥青麻筋嵌塞缝隙 水沟加固类型 天然材料护面 拼装式混凝土板护面 边坡防护工程 路基改变了原地层的天然平衡状态，且不 断经受各种错综复杂的自然因素作用，可 能会产生各种形态的破坏，因而需进行防 护 防护均以路基的坡脚和坡面为对象，因而 边坡防护包括路基的坡面防护和坡脚的冲 刷防护 一 植物防护 植物防护是指人工培植边坡植被覆盖表土 以防止雨水冲刷，并调节土壤湿度以防止 表土干裂及剥落的措施，包括植草、铺草 皮和种树，主要适用于较缓的土质或严重 风化的岩质边 1 植草 植草是一种施工简单、造价经济的有效坡面防护 方法，适用于草类生长的土质路堤和路堑边坡， 一般要求边坡坡度缓于，容许地表水流速 0.4 0.6m/s，坡高在 6.0m以内。种草时将草籽加土拌 和，均匀播种在表土适当翻松的坡面上，必要时 坡面加铺 510cm的种植土层，以有利种草成活和 生长 植草防护边坡示意图 2 铺草皮 其作用与植草相同，效果更好，且可用于较高较 陡的土坡上，亦可铺在严重风化的岩层和成岩作 用差的软岩层边坡上 雨量较集中的地区，植草的成活率低，但当附近 草皮来源容易，铺草皮更适宜 铺草皮常用的有白茅草、假俭草、绊根草等 铺草皮的方法包括平铺草皮、平铺叠置草皮、 方格式草皮等 平铺草皮 平铺叠置草皮 方格式草皮 卵（片）石方格草 3 植树 坡面防护也可植树，一般是草、树间植， 采用根系发达、枝叶茂盛、能迅速生长的 矮灌木，如一年成活的紫穗槐；二年成活 的夹竹桃等 紫穗槐在西北半干旱、高寒地区整治路基 坡面溜坍曾获突出效果 二 坡面补强及加固 对于不宜采用植物防护的岩质边坡，如页 岩等易风化岩边坡可采用抹面、喷浆、勾 缝、灌浆等方法防护，同时防止坡面水洗 蚀和风化剥落 5 混凝土薄板 对于不易用植物防护的土质边坡，可直接 用厚 0.8 1.0cm之混凝土薄板防护，重量 轻，节约坞土，也可工厂化预制 6 土工布 对于土质贫瘠，保肥、保水性差的土质边坡 不 适于生长植物或虽可生长植物，常因冻害引起坡 面剥落的边坡，则常用土工布覆盖 路堑坡面覆盖的防护 路堤坡面覆盖防护 三 砌石护坡 对缓于 1:1的各种土质、土夹石及岩质边坡， 坡面受地表水流冲蚀产生冲沟、泥流、小 型表层溜坍，均可采用砌石护坡防护 1 单层干砌片石护坡 干砌护坡干砌基础 干砌护坡浆砌基础 干砌片石护坡（单位 :cm） 2漿砌片石护坡 肋式浆砌片石护坡展示图 柱肋 漿砌片石护坡（单位 :cm） 3漿砌片石骨架护坡 拱形漿砌片石骨架护坡（单位 :cm） 4.漿砌片石护墙 实体护墙 孔窗式护墙 5.钢筋混凝土框架护坡 钢筋混凝土框架护坡 应用土工格室进行边坡防护，提高坡面强度、防止水流冲蚀 路基冲刷防护 沿河的铁路路基，受河流变迁及冲刷的威胁 尤其到了每年的洪水涨水季节，水流对路基的冲 刷乃至冲毁，常给行车安全造成巨大的威胁和灾 害 故必须以有效的措施防止河岸与路堤边坡被冲刷， 确保路基安全稳定 防止冲刷的方法 直接防护 直接防护中，除上述植物防护（主要指植树） 与砌石防护外，对于较大流速和浸水部分来说， 还有抛石、石笼、柔性板与抗滑桩等 间接防护 主要指导治和改河 路基边坡和河岸冲刷直接防护类型与适用条件 防护类型 结构形式 适用条件 注意事项 容许流速 (m/s) 水文、地形条件 植物防护 铺草皮 1.2 1.8 水流方向与线路近乎平行 , 不受各种洪水主流的冲 刷的季节性浸水路堤边 坡防护 种植防水林挂柳 有浅滩地段的河岸冲刷防 护 干砌片 石护坡 单层干砌厚一般 0.25 0.5m 双层干砌厚上层 0.25 0.35m,下层 0.25m 2 4 水流方向较平顺的河岸滩 地边缘 ;不受主流冲刷 的路堤边坡 应设置垫层 浆砌片 石护坡 厚 0.3 0.6m 4 8 主流冲刷及波浪作用强烈 处的路堤边坡 有冻胀变形的边坡 上应设垫层 抛石 石块尺寸根据流速和波浪大 小计算 ,一般 0.3 0.5m 3 水流方向较平顺 ,无严重局部冲刷地段 抛石厚度不应小于 石块尺寸之两 倍 石笼 镀锌铁丝、竹编笼箱或土工 格栅笼箱 5 6 受洪水冲刷但无滚石的地 段和大石料缺少的地区 浸水挡 土墙 5 8 峡谷急流地段 ,水流冲刷严 重地段 1铺草皮砖 台阶式叠砌 竖立式叠砌 边坡铺草皮砖构造 2抛石护坡 不设垫层 设置垫层 新建路基坡脚抛石防护示意图 不设垫层 设置垫层 既有线路基坡脚抛石防护示意图 3片石护坡 干砌片石护坡示意图 浆砌片石护坡示意图 基础脚墙埋设在冲刷深度线以下 柔性混凝土块板防护基础 4混凝土板护坡 混凝土板护坡示意图 柔性混凝土块板防护布置及构造图（单位： mm） 柔性混凝土块防护具有柔性，可保护坡脚防止被 淘刷 5石笼护坡 石笼构造图 a) 平铺 b) 垒码 石笼垒码或平铺防护图（单位： m） 如果石笼用于防止岸坡被冲刷时，则可用垒 码或平铺于坡面的形式 二 间接防护 采用导流或阻流的方法，改变水流性质， 或者迫使主流流向偏离被防护的路段，亦 可减小流速，缓和水流对被防护路段的作 用，改变河槽中冲刷和淤积的部位，以及 必要时改变河道等，均属于间接防护 导流建筑物的类型及其作用 单个丁坝 顺坝 导流建筑物常用的有丁坝、顺坝两种 按照河水流向与丁坝交角的大小，丁坝分成垂直、 上挑、下挑三种布置形式 垂直布置形式 下挑布置形式 上挑布置形式 丁坝不同布置形式的冲淤情况示意图 根据坝身的长短，丁坝又可分为长丁坝、短丁坝 丁坝的坝头、对于水流作用为首当其冲，而且 易受水上漂浮物的撞击，必须坚固，常将背水 面放宽（总宽是坝身顶宽的 1.52.0倍），并做 圆滑曲线形，横坡放缓至 1： 3 (a) 平面 (b)断面 丁坝的坝头构造示意图 丁坝的坝身为不对称梯形断面，其顶宽一般 不小于 2.0m 石质丁坝断面示意图 几种混合结构的丁坝断面图（尺寸： m） 1-混凝土板； 2-石笼； 3-抛石； 4-梢料柴排（或束）； 5-石梢坝； 6-浆砌块石 坝腹式丁坝 1-单层嵌砌片石（ 40cm）； 2-石笼； 3-石块； 4-干砌片石面层； 5-碎（卵）石垫层； 6-渗水土 路基的支挡工程 重力式挡土墙的四种主要形式 仰斜墙背式 俯斜墙背式 衡重式 折线墙背式 在平衡土压力方面，衡重式的特点是利用 墙身和墙背回填土的重力和地基反力来保持土 体稳定 几种常见的轻型挡土墙 锚杆挡土墙 锚定板挡土墙 在平衡土压力方面，锚杆挡土墙的特点是在 填土内埋入锚固件，或在稳定土层中插入锚杆利 用锚固件的抗拔力，将挡土板拉紧 桩板挡土墙 在平衡土压力方面， 柱板式或桩板式挡土墙 的特点是把柱（桩）部 分埋入地基内，用柱、 板结构挡土，以地基抗 力保持柱板稳定 加筋土挡土墙 在平衡土压力方 面， 加筋土挡土墙的 特点则是利用拉筋与 土之间的摩擦力抵抗 土压力，并以拉筋端 部分墙面板连接挡土 薄壁挡土墙 在平衡土压力方面， 薄壁挡土墙的特点是由 钢筋混凝土结构构成，用墙背踵板上的地基抗力 抵抗土的压力 为使路堑边坡开挖减小或防止落石危害，可 修筑路堑墙及作拦石墙、护墙等 路堑墙 路肩墙 路堤墙 综合应用挡土墙 挡土墙的主要作用 稳定边坡 减少土方 防止冲刷 拦挡落石 整治滑坡等 除在路基工程中应用以外，在桥梁工程、水利 工程、工业民用建筑中也常使用 五 库仑土压力理论及其在铁路挡土墙中 的应用 1776年法国学者库仑根据墙后土楔体处于极限平 衡状态时的力系平衡条件，提出了与朗肯理论不 同的分析方法，可适用于不同形式的填土表面和 不同粗糙度的墙背条件 （一）库仑土压力理论 库仑理论假设墙后土 楔体处于极限平衡状 态时滑动面为平面 滑动土楔体为刚体 墙后填土为砂性土 在 AB和 BC滑动面上抗 剪强度均已充分发挥 墙后地面为任意平面时 库仑主动土压力计算图 当挡土墙墙背 AB受力向前移动，将出现破坏楔体 ABC，当其处于极限平衡时，由力三角形 abc据正 弦定理可得： )s i n ( )c o s ( )s i n ( )90s i n ( QQE a 式中 为墙背摩擦角 为墙后土体内摩擦角 为破裂面 BC与铅垂线之夹角 为墙背倾角 i为墙后土面与水平面之夹角，称土面倾斜角 设 ABC之面积为 S，作几何计算，则 AMBCS 21 在 ABC中 iA CBiB A CA B C 90;90; s e c HAB )c o s ( )c o s (s e c )90s i n ( )90s i n ( i iH i iABBC 因 )s i n (s e c)s i n ( HABAM )c o s ( )s in ()c o s (s e c 2 1 22 i iHS 于是， 破裂楔体 ABC的重量 SQ 式中 墙后土体重度 将 Q代入得主动土压力 )s i n ( )c o s ( )c o s ( )s i n ()c o s (s e c 2 1 22 i iHE a 由式可知，当参数 、 、 、 、 i为定值时， Ea是 的函数，可随破裂面不同而变化。故在式 中，将 Ea对 求导，并令 0ddE a 则可导得 22 2 )c o s ()c o s ( )s i n ()s i n (1)c o s (c o s )(c o s i ia 式中 a 库仑主动土压力系数 墙后地面为任意平面时 库仑主动土压力计算图 上述计算是据图示得出 的，墙背仰斜时的 为 正值，如果墙背俯斜， 应改为负值进行计算 墙背仰斜和俯斜时主动土压力分解 在挡土墙设计中为检算方便，常将 Ea分解为水平 力和竖直力，则墙背仰斜时 )c o s ( ax EE )s in ( ay EE 为了确定土压力作用点或求挡土墙某一截面所 受的土压力，常需做土压应力图，若沿墙高 H以 变量 h代替，则得深度 h处的主动土压应力 h为： a a h rhdh hdE )( 可见， h是 h的一次函数，土压应力的方向平 行于的方向，土压应力图的面积等于 Ea，即 aa rHE 2 2 1 土压应力图的形心位置距墙底距离 HZ x 31即为土压力作用点 土压应力图 （二）库伦土压力理论在铁路挡土墙中 的应用 在铁路或道路工程中，挡土墙墙后填土表面有时 不是平面，而是在路面上作用有列车或汽车荷载， 这时可根据库伦理论，建立各种不同情况下的库 伦主动土压力公式。 如图为一路肩墙，破裂面交于路基面的不同 位置 破裂面交于路基面 设墙后填土重度为，在路基面上有列车和轨道荷 载换算成的土柱（土柱厚度与挡土墙厚度均取延 长米） 当破裂角 1时 破裂楔体土重 tgHQ 221 当 1 2时 00 2 2 1 hltgHQ 当 26m时，取综合内摩擦角值为 30 - 35 。也可按经验规定粘聚力每增加 0.1MPa， 相当于增加内摩擦角 3 -7 目前在设计中常用的方法是用综合内摩擦角 0代 替抗剪强度中的内摩擦角 和粘聚力 c。常用的内 摩擦角换算方法有： 根据土的抗剪强度相等的原理，计算综合内摩 擦角 0 rH c t a nt a n 1 0 其换算公式为： 式中， r为填料的容重 (kN/m3)； 为试验测定的土 的内摩擦角； c为试验测定的土的粘聚力 (kPa)； H 为挡土墙的高度（ m）。 根据土压力相等的原理计算综合内摩擦角 0值。 为计算方便，可按破裂楔体顶面水平、墙背竖直、 墙背与土之间的摩擦角为 0的简单边界条件确定 用土压力相等原理求 0 换算为砂性土的土压力为： )245(t a n21 0022 rHE d 粘性土的土压力为： r ccHrHE a 2 0022 2) 245t a n (2)245(t a n2 1 令粘性土的土压力与换算后的砂性土土压力相 等，即可求出 0值 2 数解法 在考虑粘性土粘聚力的情况下，依据库伦理论的 基本原理，可得到粘性土土压力的计算公式，但 该公式比砂性土的土压力计算公式复杂，在计算 中可编制计算机程序来进行