-主动吸水设计守住公路“安全线”
来源:科技日报
作者:俞慧友
发布时间:2021-02-10
浏览次数:817
-主动吸水设计守住公路“安全线”
下雨导致公路两侧软岩稳定性差,滑坡频发
视觉中国供图

  经济效益近2亿元

  该技术为我国多个重点工程项目实现了提高坡面绿化率、边坡稳定性与工程经济性的目标。截至目前,研究成果先后在我国6省区、1条高速公路建设中推广应用,产生直接经济效益近2亿元,减少削坡占地1524亩。

  “在我国南方地区,如湖南、广西、广东等地,分布有大量软岩地质体,这让交通基础设施建设中产生大量软岩边坡,这类边坡被雨水反复入渗侵蚀,极易形成渐进式失稳。不仅易导致交通中断,甚至会造成严重的山体滑坡等灾害,大幅增加了公路建设和养护成本,是公路建设与运营中难以攻克的难题。”2月1日,长沙理工大学,公路养护技术国家工程实验室内,该校岩土工程学科带头人付宏渊教授,向科技日报记者讲述了公路的“难言之隐”。

  付宏渊团队“死磕”这一“难言之隐”长达10年之久。十年间,团队承担了“炭质泥岩路堤湿化变形机理及控制研究”“复杂环境中炭质泥岩—土分层填筑路堤强度劣化机理及控制研究”“温湿交互作用下粉砂质泥岩边坡损伤演化及灾变机理研究”等多个国家自然科学基金科研项目。

  日前,作为项目负责人,他还正带领团队攻关国家自然科学基金重点项目“湿—热—力耦合作用下泥岩人工边坡灾变机理、评价方法与防控措施研究”。“千里之堤,溃于蚁穴。只有彻底解决软岩边坡在降雨入渗下的失稳问题,才能切实保障道路交通安全。”

  据悉,在南方地区软岩边坡失稳灾变机理及防控技术上,团队的研究在理论和成果应用上都有了重要突破。该技术为我国多个重点工程项目实现了提高坡面绿化率、边坡稳定性与工程经济性的目标。截至目前,研究成果先后在我国6省区、12条高速公路建设中推广应用,产生直接经济效益近2亿元,减少削坡占地1524亩。

  十年攻关 应对边坡失稳问题中的“战斗机”

  边坡失稳是公路建设领域重大灾害之一。据不完全统计,近10年,我国因泥岩边坡引发的滑坡事件达数万起。“十二五”期间,我国在南方泥岩类地质体灾害治理上的投入高达175亿元,占南方地质灾害防治总投入的78%。“十三五”期间,仅广东省就发生各类公路地质灾害5000余处,造成经济损失超80亿元,威胁总人口近30万人。

  “这其中80%以上的工程灾害,与降雨造成的边坡失稳有关。”团队成员、长沙理工大学副教授曾铃说。

  软岩边坡失稳,又算得上边坡失稳中的“战斗机”,尤为难以“搞定”。曾铃给出了简单解释。

  理论上看,首先,雨水在软岩边坡内部的流动规律尚不明确。其次,现有岩体遇水后的强度变化理论,遇到软岩也犹如一拳打在棉花上。“包括现下较为常用的边坡稳定性分析方法,对软岩边坡也不适用。”曾铃说。

  同样显得无力的,还有常规的边坡防护方法。

  “我们在广西一些高速公路调研时发现,部分通过表面喷浆防护的软岩边坡,经降雨反复入渗冲蚀后,会出现板底掏空(边坡表面被水泥密封,但水泥层内部岩石却已随水崩解流走,形成了表面水泥板下的空洞)现象。部分采用框架梁防护的边坡也发生了变形。遇到滑坡严重路段,只能通过大幅放缓边坡,增加占地面积的方法来防护。”付宏渊说。

  尽管这一难题很棘手,但付宏渊团队还是取得了重要的理论突破。他介绍,团队已揭示了雨水在软岩边坡内部入渗、聚集及排出的全过程演化规律,提出了软岩抗剪强度参数取值新方法,为提出考虑软岩强度劣化和暂态水压力的边坡稳定性分析方法奠定了基础。“这对实际应用中防护体系的设计,有很好的参考价值。”

  一项发明 让边坡防护“可守可攻”

  在工程应用研究上,团队不断进行应用创新。其中让记者颇为感兴趣的,是一项边坡综合生态防治结构和防治方法的发明专利。

  “这是我们正在做的一个示范工程。”付宏渊指着一组对比图说。

  图片上是国家交通运输部科技示范路——常祁高速公路的一个示范工程段。路段应用了团队提出的软岩边坡综合生态防治结构进行边坡防护。

  记者看到一张图上的边坡,大部分是裸露的岩石。另一张图中的边坡,则绿得“发光”。“用我们的技术,等这段高速公路建成后,不仅不用担心边坡表层反复滑塌,还能解决复绿难的问题。到时候你们看到的,就是稳固又能达100%绿化的‘新’边坡。”付宏渊很自信地讲述了这项“可攻可守”的技术。

  据了解,该技术集合了新型结构防护、表层防护及疏排水技术于一体。在结构防护上设计了新型植生、抗冲刷多孔纤维混凝土砌块,及稻秸秆加筋水泥土空心砌块。

  在边坡表层防水上,研究团队则发明了超疏水材料,喷涂在边坡表面,可有效防止雨水渗入,同时在材料外层喷射厚层植生土,实现对边坡的有效复绿。

  “这项技术的应用,使路段边坡绿化率提高了32%,表土冲蚀量降低了66%,工程平均造价降低了15%。经济又环保。”常祁高速公路负责人冯宇点赞。

  解决“肠梗阻” 整体成果成软岩边坡失稳的克星

  排水管之于边坡,犹如肠道系统之于人体。一旦不顺畅,会导致坡内积水水压增大,同时软岩在水长期浸泡下强度会大幅降低,最终严重影响边坡稳定性。

  “大量工程应用发现,传统排水管存在一些比较明显的缺陷。”曾铃说。比如,传统排水管开孔率较小,天然排水能力不足;排水管四周开孔,导致从排水管顶部进入的水,通过排水管下部的开孔形成二次入渗;排水管通常采用整体设计,发生淤堵就无法更换,导致无法正常排水……这些缺陷对软岩边坡而言,更致命。“软岩崩解后所产生的碎屑,极易让排水管更加堵塞。”

  针对这个问题,团队提出了一种新型排水管设计思路,促使坡内水分“自主”流出。不过,经反复测试及现场应用后,这种设计依然不能满足软岩边坡排水的“胃口”。

  是否可以设计一种主动吸水的模式来排水?曾铃又提出了一个新思路。在查阅大量文献资料后,他们选择出了一种吸水纤维和吸水树脂,对边坡排水管二次改进。最终,一款能主动吸水、可更换式排水管诞生了。“排水管利用吸湿—放湿性纤维层,吸收管体周边较大范围岩土体中的水,再利用毛细原理及蒸发作用将管内水体排出。”

  2019年4月,以业内权威专家、长安大学教授王秉纲为组长的专家团队,对“降雨入渗边坡失稳灾变机理及控制技术”的多项成果开展了评价。专家组一致认为成果总体达国际先进水平,社会、经济和环境效益显著,推广应用前景广阔。

  目前,成果已在湖南省益娄高速公路进行粉砂质泥岩边坡治理,累计应用路段5.7公里。相对原支护方案,造价降低20%,节约1200余万元。广佛肇高速公路采用该技术的边坡,过去数年,都稳稳接住了数次大级别暴风雨考验。

  成果应用还在继续。“我们的技术还将在湖南龙琅高速,以及广西、广东等省份多条在建高速公路中应用。研究成果有望推广到南方地区即将实施的近2万公里高速公路建设中。当然,它也适用‘一带一路’沿线气候相似的国家和地区,应用前景十分广阔。”付宏渊说。



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