（道路与铁道工程专业论文）膨胀土地区公路建设的水土流失防治技术研究.pdf

摘要 水土流失是全球最大的生态环境问题，膨胀土地区工程建设所造成的水土流 失更为严重。尽管国内外对水土流失问题已开展较多的研究，但对膨胀土地区筑 路所引起的水土流失及防治研究还鲜有报道。建设中的南友高速公路在穿越宁明 笳地膨胀土分布区时，造成严重的水土流失，给沿线的生态环境带来极大隐患， 引起当地政府和百姓极大的不满。为此，结合西部膨胀土课题的开展，本文研究 了膨胀土地区公路建设的水土流失防治技术。 首先，为掌握第一手资料，对南友路膨胀土分布区的水土流失现状作了详细 调查和原因分析。结果表明，引起水土流失的根本原因在于路堑开挖的大量弃方， 以及随后路堑边坡的各种病害造成新增膨胀土弃方不能为路堤施工所利用，而路 堤填筑又需大量借土，加之借、弃土作业不规范等。因此解决这一问题的根本途 径是采取工程措施，在保证路基稳定的前题下，充分利用膨胀土，减少借、弃士 方数量。 以往土质改性( 主要是掺石灰) 是利用膨胀土的主要途径，但该法成本高、 施：【困难、不宜推广应用。本文在系统研究膨胀土工程特性、膨胀土路基破坏特 点以及已有研究成果的基础上，确立以封闭包盖设计来利用膨胀土弃方的思路。 研究表明，正确的封闭包盖设计对减少路基土水分迁移和膨胀量、减弱风化作用 和裂隙发育、保持路基的强度和稳定性等方面效果显著，且水土流失的防治效果 更加明显。 基于封闭包盖和主动防治思想，设计并采用粘土包边、土工格栅包边、碎石 土夹层+ 土工格栅包边、石灰土夹层+ 土工格栅包边四种路堤填筑方案和柔性挡墙、 支撑渗沟+ 坡脚挡墙、树根桩+ d a h 化学液+ 坡脚挡墙三种路蟹支护方案，处治了 南友路膨胀土路基；各方案实体工程的修筑及试验检测结果表明，处治后的膨胀 ：上路基稳定。此外，文中还首次对人们关注较少，但属重要水土流失源的取、弃 土场的水土流失防治技术进行了较系统的研究。 最后，为寻求综合效益最佳的膨胀土路基处治方法，在综合考虑技术、经济 和环保等基础上，本文第一次将集对分析及价值工程方法应用于路基的处治方案 比较，初步建立起膨胀土路基设计方案的优选模型。分析表明，南友路所采用的 处治方法可行，有好的实用性和推广价值。在此基础上，推荐出最优的处治方案， 可供其它膨胀土地区公路建设提供参考和借鉴。 【关键词】膨胀土；水土流失；防治技术；路基设计；优选模型 a b s t r a c t s o i le r o s i o ni st h em o s ts e r i o u se c o l o g i c a lp r o b l e mi nt h ew o r l d ，a n di ti sm o r e s e r i o u si nt h er e g i o n so fe x p a n s i v es o i l st h a no t h e rr e g i o n s t h er e s e a r c ho nt h es o i l e r o s i o nt h a tt h ep r e v e n t i o na n dc u r ea r o u s e si ne x p a n s i v es o i l sr e g i o n si sv e r yl i t t l e a l t h o u g ht h er e s e a r c ho ns o i le r o s i o ni sa b u n d a n c ei nh o m ea n da b r o a d t h es e r i o u s s o i le r o s i o ni sb r o u g h tb yn a n n i n g - y o u y i g u a nf r e e w a yu n d e rc o n s t r u c t i o ni ng u a n g x i p r o v i n c e ，a n d i tb r i n g so u th i d d e nt r o u b l e st ot h ee n v i r o n m e n ta l o n gt h eh i g h w a ya st h e l o c a lg o v e r n m e n ta n dp e o p l ea r ea l lc r i t i c a lo fi t i nt h a t ，r e f e r r i n gt ot h er e s e a r c ho f e x p a n s i v es o i l t a s to fc o m m u n i c a t i o nm i n i s t r yw e s ti t e m ，t h i st h e s i ss t u d i e st h e p r e v e n t i o nc o u n t e r m e a s u r e so ft h es o i le r o s i o nc a u s e db yh i g h w a yc o n s t r u c t i o n i n e x p a n s i v es o i lr e g i o n s f i r s to fa l l ，i no r d e rt ot h ef i r s t h a n di n f o r m a t i o n ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o n so fs o i l e r o s i o no ft h er e g i o no fe x p a n s i v es o i li nn a n y o uh i g h w a ya r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l si n t h et h e s i s t h er e s u l t si n d i c a t et h eb a s i cr e a s o n so ft h es o i le r o s i o na r ep l e n t yo f d i s c a r d i n gs o i lo fc u ts l o p ea n dt h ei n c r e a s i n gd i s c a r d i n gs o i lb yk i n d so fd i s e a s e so f c u ts l o p el a t e rn o tu t i l i z e db yt h ee m b a n k m e n t ，m o r e o v e r ，t h es o i lh a v et ob eb o r r o w e d t ob u i l dt h ee m b a n k m e n t ，t o g e t h e rw i t ht h er u l e l e s so ft h ep l a c e so fb o r r o w i n gs o i la n d t h ef i e l d so fd i s c a r d i n gs o i l s ot h ee s s e n t i a lw a yo fs o l v i n gt h ep r o b l e mi st h a tt a k e e n g i n e e r i n g m e a s u r e m e n t st ou t i l i z et h e d i s c a r d i n g s o i l a d e q u a t e l yu n d e rt h e p r e c o n d i t i o no fs u b g r a d es t a b i l i t y , r e d u c et h eq u a n t i t yo fd i s c a r d i n ga n db o r r o ws o i l t h em a j o rm e a s u r er e f e ro fu t i l i z i n ge x p a n s i v es o i li ss o i li m p r o v e m e n t ( 1 i m e i m p r o v i n gm a i n l y ) ，b u tt h i sm e t h o dh a v es h o r t c o m i n g ss u c ha sh i g hc o s t ，c o n s t r u c t i o n d i f f i c u l t l y ，a n dn o ts u i t a b l et ob ep o p u l a r y f o u n d e do nt h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho ft h e s p e c i a lf e a t u r e so fe x p a n s i v es o i l ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s t r o yo ft h ee x p a n s i v es o i l s u b g r a d e ，a n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sb e f o r e ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo fs e a la n dc o v e r t ou t i l i z ed i s c a r d i n gs o i li se s t a b l i s h e di nt h ep a p e ran u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n d d e t e c t ss h o wt h a tt h ed e s i g nm e t h o do fs e a la n dc o v e rc a nr e d u c et h em o i s t u r et r a n s f e r a n de x p a n s i v ea m o u n t ，w e a k e nt h ea c t i o no fw e a t h e r i n ga n dt h ed e v e l o p i n go fc r a c k s ， s t e a d yt h es h e a rs t r e n g t ho fs u b g r a d e ，a n dt h ee f f e c to fp r e v e n t i n gs o i le r o s i o ni sm o r e n o t a b l e b a s e do nt h ei d e a so f “t h ed e s i g no fs e a la n dc o v e r a n d “p r e v e n t i o na c t i v e l y ” f o u rt r e a t m e n tm e t h o d so fe x p a n s i v es o i le m b a n k m e n ta r ea p p l i e dn a n y o uh i g h w a y ， w h i c hi n c l u d ee n c l o s es i d es l o p ew i t hn o n - e x p a n s i v ec l a ym e t h o d ，r e i n f o r c i n gs i d e l l s l o p ew i t hg e o g r i dm e t h o d ，s a n d w i c hc r u s h e ds t o n es o l i da n de x p a n s i v es o i la n d r e i n f o r c i n gt h es i d es l o p ew i t hg e o g r i dm e t h o d ，s a n d w i c hw i t hl i m e t r e a t e ds o i la n d e x p a n s i v es o i la n dr e i n f o r c i n gt h es i d es l o p ew i t hg e o g r i dm e t h o d ，a n dt h r e et r e a t m e n t m e t h o d so fe x p a n s i v es o i lc u ts l o p ea r ea p p l i e da l s o ，w h i c hi n c l u d ef l e x i b l er e t a i n i n g w a l l ，s u s t a i nu n d e r d r a i n + r e t a i n i n gw a l li ns l o p ef o u n d a t i o n ，r o o tp e g + d a hc h e m i c s o l u t i o n + r e t a i n i n gw a l li ns l o p ef o u n d a t i o na r eu t i l i z e di nt h ee x p a n s i v es u b g r a d eo f n a n y o uh i g h w a y , a n dt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h ee n t i t ye n g i n e e r i n ga r ei n t r o d u c e di n t h i st h e s i s t h er e s u l t so fc o n s t r u c t i o na n de x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ee x p a n s i v e s u b g r a d ei ss t a b l e m o r e o v e r ，t h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i n gs o i le r o s i o no ft h ep l a c e so f b o r r o w i n gs o i la n dt h ef i e l d so fd i s c a r d i n gs o i lw h i c ha r et h ei m p o r t a n ts o u r c eo fs o i l e r o s i o n ，b u ti tw e r en e g l e c t e db e f o r e ，t h e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h e s i s f i n a l l y ，i no r d e rt op r o b et h eb e s ts y n t h e s i sb e n e f i tt r e a tm e t h o do fe x p a n s i v e s u b g r a d e ，b a s e do nt h et e c h n o l o g y ，e c o n o m y , e n v i r o n m e n tp r o t e c ta n de t c ，t w o m e t h o d so fs e tp a i ra n a l y s i sa n dv a l u ee n g i n e e r i n ga r ea p p l i e dt oc o m p a r et h et r e a t m e t h o d so fe x p a n s i v es o i l s u b g r a d ef o rt h ef i r s tt i m e i nt h i st h e s i s ，a n do p t i m u m m o d e l sa r em a d eo u t t h ea n a l y s er e s u l t so ft h et w om o d e l ss h o wt h a tt h ed e s i g n s c h e m e so fn a n y o uh i g h w a ya r ef e a s i b l e ，p r a c t i c a b l ea n dh a v ep o p u l a r i z i n gv a l u e f u r t h e r m o r e ，t h eb e s td e s i g np r o j e c t sa r er e c o m m e n d e di nt h e s i s ，a n dt h i ss c h e m e s m a yo f f e rh e l pa n dr e f e r e n c et ot h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nt h er e g i o n so fe x p a n s i v e s o j le l s e 【k e y w o r d s e x p a n s i v es o i l ；s o i le r o s i o n ；t h et e c h n o l o g yo fp r e v e n ta n dc u r e s u b g r a d ed e s i g n ；t h eo p t i m u mm o d e l i i i 学位论文原创性声明与版权使用授权书 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 城 日期：) 矿年够月矽f ；：i | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名 日期：地产 妒月矽日 同期：? 一，。年车月2 分日 | f 1 1 问题的提出 第一章绪论 水土流失是指在水力、风力、重力等外营力作用下，地表土壤及母质发生的 多种破坏、移动和堆积以及水土损失和土地生产力的破坏，包括土地表层侵蚀及 水的损失，也称水土损失；其本质是土壤肥力的下降、物理化学往质变劣、士地 利用率降低等。在自然状态下，纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程非常缓慢， 常与土壤形成过程处于相对平衡状态：在人类活动影响下，特别是人类严重的破 坏坡地檀被后，水土流失速度大大加快。 全世界水土流失面积约2 5 亿公顷，年土壤侵蚀总量达6 0 0 亿吨，是目前最大 的生态环境问题。我国是水土流失最严重的国家之一，1 9 5 5 年的全国水土流失面 积摸底调查约为1 5 3 万k m 2 。近年来，由于开垦荒地、毁坏森林、掠夺性开发矿产 资源以及高速度发展交通运输、能源、通讯等事业，大面积扰动地表，造成土地 破坏和新的水土流失，使水土流失面积有增无减。到1 9 8 9 年，全国流失面积达到 3 6 7 万k m 2 ，占国土面积的3 8 2 “3 ：平均每年流失的土壤量达5 0 多亿吨，约占全 球每年土壤侵蚀量的i 1 2 。上世纪九十年代以来虽然加强了水土保持的工作力度， 但每年新增水土流失面积仍在l 万k m 2 以上0 1 。目前水土流失被我国列为首要生态 环境问题。水土流失的发生和发展，对生态环境造成严重破坏，给自然资源、国 民经济发展和人们生活等带来极大危害。专家预言：如不加以重视，日益加重的 水土流失势必影响社会经济的可持续发展，并直接威胁到国家的生态安全”1 。 在严重的国土水土流失中，由公路建设引起的水土流失数量占到相当大的比 重，目前已成为我国最严重的国土水土流失之一，其破坏程度令人担忧。如长江 中下游地区每年由于公路建设新增水土流失量超过5 0 0 0 万吨，其中单四川省2 0 0 1 年就流失水土2 6 7 8 万吨“1 。据测算，新建高速公路如不加以有效防护，路基主体 将可能每年新增水土流失2 0 0 0 5 0 0 0 吨公里；如福( 建) 安( 溪) 高速公路每年新 增水土流失多达3 5 万吨，影响沿线区域6 0 4 公顷：渝( 重庆) 涪( 陵) 高速公路由 于防护措施不力，通车仅7 个月，就由小型崩塌发展到大型滑坡，造成巨大损失“1 。 由取土和弃土所引起的新增水土流失量将可能超过路基主体的流失量，如长( 治) 邯( 郸) 高速公路仅弃土( 渣) 就每年新增水土流失2 9 万吨公里，后期治理费用达 整个工程防治费用的8 0 ”1 。公路建设引起的水土流失对环境造成了巨大的负面影 响，不仅减缓建设速度和增加工程投资，还影响沿线自然景观、当地气候、农业 生态、自然生产力以及城市生态等诸多方面。 在公路建设引起的水土流失中，膨胀土地区的情况非常突出。膨胀土是浅表层轻型 工程建设的全球性技术难题。主要由亲水性矿物组成，具有显著的吸水膨胀和失水收缩 变形特性，广泛分布在五大洲4 0 多个国家年蒸发蒸腾量超过年降雨量的半干旱 和半湿润地区。膨胀土在我国分布极广( 见图1 1 ) ，先后有2 0 多个省区1 8 0 多个市 县发现了膨胀土。由于膨胀土的特殊性质，使得膨胀土地区的水土流失比一般地区严 重得多，常形成“八沟、十岭、二十面坡”的奇特地貌景观”。 图1 1我国的膨胀土分布图1 2 我国高速公路的发展 随着我国以高速公路为代表的国家高等级公路建设的迅猛发展( 见图1 2 ) ， 不可避免的碰到大量的膨胀士及膨胀土问题，如现在各省正在抓紧建设的国家“五 纵七横”公路网中，至少有9 条通过膨胀土地区( 见表1 1 ) 。在膨胀土地区修筑 公路时，因膨胀土恶劣的筑路性质，使人们面腧的不仅是棘手的技术难题和巨大 的项目投资，还伴有复杂的生态环境问题，其中水土流失尤为突出。 膨胀土地区公路建设时的大量占地( 我国四车道高速公路平均占地7 0 1 0 0 亩k m ) 破坏了原有地表的植被覆盖，造成膨胀土( 岩) 裸露，产生大量的水土流 失( 见照片1 1 、1 2 ) ，并可能破坏部分环境敏感点的原有生态平衡。大量的土石 方作业产生大面积的新鲜坡面，新造众多的取土场和弃土场，给水土流失埋下极 大隐患。如果各种坡体支防不当，极可能引起土壤侵蚀、崩塌、滑坡、泥石流等 严重的地质灾害。 照片1 1 膨胀土路基产生的水土流失 照片1 2 膨胀土弃土产生的水土流失 2 表1 1 “五纵七横”公路网规划和穿越的膨胀土地区 纵横 起终点 里程( k m )主要途径城市( 划线城市为膨胀土，一泛分布地区) 一纵周江一三哑5 1 2 0 哈尔滨一沈阳一人连一青岛一上海一宁波一福州一遂型止 广州一海口 二纵北京一珠海2 3 5 0 石家庄一武汉一长沙一亡趔：拯划 三纵 北京一福州 2 3 8 0 天津一济南一筮捌二金墼一南昌 四纵大同一昆明 3 0 5 0 太原一西安一自进 五纵重庆一湛江 1 6 0 0 贵阳一直主 一横绥汾一满洲里 1 2 8 0 哈尔滨 二h ：横 丹东一拉萨 4 7 0 0 沈阳一唐山一北京一呼和浩特一银川一西宁 三横青岛一太原 1 0 0 0 济南一石家庄 四横连云港一霍尔果斯 3 9 5 0 i 鑫盟一郑州一西安一乌鲁木齐 五横 成都一上海 2 2 7 0 南京一盒匿一武汉一重庆 六横上海一畹町 3 1 0 0 杭州一南昌一长沙一贵阳一垦盟 七横衡阳一昆明 1 7 4 0 直主 修筑在膨胀土地区的道路及铁道工程为水土流失付出了巨大的代价。如南( 宁) 昆( 明) 铁路百色盆地膨胀土路段从通车至今，每年单用于治理膨胀土水土流失的 费用就超过5 0 0 0 千万元：襄( 樊) 渝( 重庆) 和焦( 作) 枝( 江) 铁路的水土流失治理费 用早已超过亿元。云南楚( 雄) 大( 理) 高速公路一长3 5 3 米的路堑多次整治耗资予 余万元，开挖出的7 0 多万方膨胀土全部废弃，给周边生态环境带来极大的影响； 广西南( 宁) 友( 谊关) 公路宁明盆地段仅1 4 k m ，建设占地约1 5 2 0 亩，就产生膨胀土 弃方高达5 0 0 多万方，产生的水土流失给原本脆弱的当地生态环境、工农业生产 和居民生活造成恶劣的影响，并给沿线的生态环境带来极大的隐患，引起当地政 府和百姓极大的不满。此外，合( 肥) 徐( 州) 、荆( 州) 宜( 昌) 、襄( 樊) 荆( 州) 、耒( 阳) ：宣( 章) 、南( 宁) 柳( 粥) 公路和西( 昌) 攀( 枝花) 等多条高速公路也为治理膨胀土水 土流失投入了大量的资金，以及付出巨大的环境代价和社会成本。 膨胀土特殊的工程性质和筑路性质加剧了水土流失的速度和规模，影响面积 大为增加，生态破坏比一般地区严重得多，给公路沿线相当长一段时间的生态环 境都造成巨大威胁，人们为之付出更加高昂的环境代价和社会成本。膨胀土问题已 成为目前我国公路建设中最突出的工程问题之一。 3 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代，国际社会提出可持续发展的理念“既满足当代人的需求又不 损害后代人需求的能力”以后，人们的环保意识日益增强；要求公路建设在基于 生态可持续发展的前提下，遵照公路建设与环境保护并举的原则，在建造“生态 公路”和“绿色通道”的同时，努力做到“经济效益、社会效益与环境效益统一”。 从世界范围来看，减少公路建设对生态环境的影响以及对生态环境破坏后的恢复 与景观再造将成为今后公路环保工作的重点。 水土流失位列全球生态环境问题之首，对包括公路建设在内的工程建设所带 来的如此大范围和数量庞大的水土流失，人们也意识到其严重的危害性，并采取 了不少对策。比如在工程建设前期，推行预防和治理相结合、以预防为主的方针， 实行环境影响评价制度并编制水土保持方案；在工程建设过程中，提倡工程措施 与生物措施相结合，以生物措施为主的防护思想。这些措施在一定程度上起到了 减少水土流失的目的，但由于许多项目的水保方案落实不力或者防护方法不当， 使得水土流失减少的幅度有限；加之点上有治理、面上有破坏，一方治理、多方 破坏的现象屡禁不止，因此水土流失防治工作的形势依然严峻。 由于越来越多的膨胀土地区公路项目开工建设，以及部分公路建设者的环保 意识不够强，加之膨胀土的特殊性，所造成的水士流失破坏尤其严重。尽管国内 外对水土流失问题已开展较多的研究，但对膨胀土地区筑路所引起的水土流失及 防治方面还鲜有报道，尚无人对这方面的问题开展研究，使人们目前的水土流失 防治措施显得被动而且单一。在路基设计体系中，稳定性设计和环保设计的脱节 现象十分明显，使得在方案设计和比选中，并没有真正把环境价值纳入到路基设 计这个系统中：即没有从技术、经济和环保等角度将路基设计当作一项系统工程 来研究，这样就成了单纯为了路基稳定而设计路基，给施工阶段和营运阶段的水 土流失埋下隐患。对防护部位，人们关心的最多的是路基主体，而大量的取场、 弃土场和临时用地等由于不在人们注意的“视野”以内，而任其水土流失。对水 土流失的内容，人们往往关注的是各种坡面的风化、冲刷等，而把路基的各种病 害归结于路基的稳定和安全性方面。实际上，膨胀土路基出现的众多病害也属于 水土流失的范畴，而且是危害性更大，防治工作更难的水土流失。对各种防护措 施，往往是照搬一般土质路基的防护技术，或者是只注重每公里投入多少钱用于 后期的种革植树等。但这类措施完全属于被动型，对膨胀土这种特殊土质效果不 明显，处理的结果是既不能减少水土流失，也花费了大量的工程费用。 水土流失产生的根本原因在于土石方作业破坏了地表植被覆盖，因此水土流 失防治的关键在于减少借弃土方数量。但对于如何减少借弃士方数量，除了有的 工程师提出降低路基高度甚至慎重考虑线路走向以外，人们的办法还不多。尤其 4 是对于我国目前的公路建设来说，大量的土石方作业是无法避免的( 我国目酊的 高速公路路基平均填高为3 5 m ，四车道高速公路平均土石方数量约1 0 1 5 万方 z m ) 。如何在路基设计中，利用工程措施将弃方膨胀土作为路基填料以及通过减 少路基病害来减少土石方数量，人们除了在膨胀土中掺加石灰、水泥等改性措施 以外，另外的处理办法研究还不多，也不够深入和系统。因此，膨胀土地区公路 建设的水土流失防治技术，人们并未真正重视起来，国内外还鲜有人从事过这方 面的系统研究工作，相关的研究资料和报道也是非常之少。 综上所述，在环保意识深入人心的今天，面对膨胀土地区公路建设如此严重 的水土流失，以及水土流失的防治问题，如何紧密结合路基设计进行考虑，树立 “最小的破坏才是最大的保护”的指导思想；如何针对膨胀土的工程特性，利用 工程措施从路基设计入手，将膨胀土弃方作为路基填料，有效保证膨胀土路基的 稳定；如何对公路建设的取、弃土场做有效的水土流失防治等许多方面，都需要 进行系统深入的研究。 1 3 主要研究内容 本文以建设中的广西南友高速公路为研究对象，对膨胀土地区公路建设的水 ：t 流失防治技术作一些初步的、探索性的研究工作，主要研究内容有： l 、实地调查南友公路膨胀土路段水土流失现状，包括调查路基各种形式的破 坏、众多的取土场和弃土场的水土流失现状等i 从工程实例的角度全面了解膨胀 土路基水土流失的严重性，分析水土流失的原因、影响因素以及防治的有效途径 等，为下一步的防治技术研究提供依据。 2 、膨胀土的基本工程性质研究，包括胀缩性、裂隙性、超固结性等独有工程 性质，以及风化和强度特点等；膨胀土路基的破坏特点研究，包括浅层性、牵引 性以及堑坡的台阶式滑坡等。通过对这部分内容的分析，可以为下一阶段的膨胀 土路基设计提出有针对性的处治方案。 3 、膨胀土路基的封闭包盖设计思想研究，在分析现有研究成果的基础上，研 究膨胀土路基在封闭包盏状态下，强度、膨胀量等指标的变化情况，探索封闭包 盖设计对确保膨胀土路基稳定和减少水土流失等方面的可行性。 4 、膨胀土路基设计方法研究，在利用工程措施来减少借弃土方数量以及减少 路基病害，进而防治水土流失的思想指导下，基于封闭包盖的设计原理和主动防 治思想，分析和研究用膨胀填筑路基的几种修筑方法，达到既保证路基稳定， 又减少水土流失的双重目的。 5 、取土场和弃土场的水土流失综合防治技术研究，对以往人们关注比较少， 但流失量又相当大的取、弃土场，从选址、取土和弃土的施工工艺以及后期的支 挡防护等方面作一些初步的探索性工作。 5 6 、膨胀土路基修筑方法的综合比选，将膨胀土路基设计作为一项系统工鞋， 从技术、经济和环保等方面考虑，利用集对分析和价值工程的系统方法，初步建 立膨胀土路基设计优选模型，并筛选出最佳的设计方法。 6 第二章南友公路膨胀土路段水土流失的调查分析 南( 宁) 友( 谊关) 高速公路是国家规划的“五纵七横”国道主于线衡阳一昆明 公路的重要支线，是国家和广西“十五”重点工程，在中越边境友谊关处与越南 一号公路相接，全长2 2 0 k m ，是我国通往越南乃至东南亚地区最便捷的陆路通道， 具有重要的政治、经济和战略意义，号称“亚洲一号公路”( 见图2 1 ) 。 图2 1 南友公路地理位置图 南友高速公路在穿越宁明盆地边缘时( k 1 3 0 k 1 4 4 段，以下简称南友公路) ， 遇到连绵分布、具有我国南方代表意义的典型膨胀土一一宁明膨胀土。宁明盆地 为东西构造断陷盆地，地势平缓，具有膨胀土地区特有的舒缓起伏的垄岗微地貌 特点，地面侵蚀严重。气候属于亚热带季风型，雨量充沛，且大雨和暴雨天气较 多。公路沿线主要分布两层膨胀土( 岩) ，位于表层耕植土( 属于高液限土，层厚 0 5 m 1 5 m ) 之下，分别为棕黄色或灰自色、斑纹状的残积型膨胀土( 层厚2 6 m ) 和下第三系那读组深灰色、灰黑色的膨胀泥岩( 厚度末揭穿，大多比路堑挖方深) 。 由于膨胀土不良的工程性质，加之当地干湿分明的气候条件，使得膨胀土錾 坡“无堑不塌”，成为南友高速公路建中的主要工程技术难题之一，严重阻碍了工 程进度，并造成巨大的经济损失，引起严重的水土流失等生态破坏。 如果从水土流失的来源划分，南友公路新增水土流失可分为主体工程新增水 士流失、弃土弃渣流失、取土流失和道路影响区新增水土流失几部分。其中弃士 弃渣流失是新增水士流失的重要来源，在相似的土壤侵蚀条件下，弃土弃渣流失 量一。般占到流失总量的4 0 6 0 ；其次是大量的取土用地( 目前我国的高速公路 取土占地一般占到建设用地的2 0 5 0 ，如南友高速公路取土用地约占总用地的 2 3 ，而济青高速公路取土用地占到总用地的4 5 6 ) ，以及路基边坡所产生的水土 流失，这两个部位的流失量在一一般地区可占到总量的2 5 4 0 m 1 ，但对于像宁明 盆地这种强降雨、强风化和强侵蚀的膨胀土地区，单由路基破坏所引起的新增水 土流失就非常严重。因此这几个部位是水土流失防治设计的重点。公路建设水土 流失形成的具体过程见图2 2 。 公路建设过程 建设前 破坏地貌植被 建设期 路基填挖、取、弃土及防护 压埋原 地貌植 被 土壤抗0 植被i i 边坡稳 毽蔷嚣i l 丧失| i 囊拿譬 新增水土流失 降雨径流作用 破坏土地资源、土地生产力降低、区域性生态 环境恶化、水土流失严重、河流含砂量升高、 淤积河床、影响河道行洪、加大洪涝灾害等 弃 土 石 占 地 降雨径流作用 难 流 失 易 流 失 图2 2 公路建设过程产生的水土流失示意图 以下即对南友公路路基、取土场和弃土场等水土流失的主要来源部位的水七 流失现状作出详细的调查和分析。 2 1 路基的水土流失 路基的水土流失主要来源于边坡，而边坡可能形成的水土流失来自于两方i 叭 一是由路基边坡设计不合理或施工不当造成的边坡崩塌或滑坡而形成的大规模的 8 动损 一黜蠓罂 开原坏一 一用一作f 上蹴一雨一降 水土流失，二是流水对边坡土壤的侵蚀或一些易风化软岩的风化剥落等。对膨胀 土这类特殊土质而言，路基边坡的水土流失主要体现在边坡的破坏方面，即膨胀 土路基的病害导致大量的水土流失：由流水侵蚀或风化剥落等引起的水土流失， 也都与膨胀土路基的各种病害紧密相关的。因此本文研究路基的水土流失主要研 究边坡破坏所引起的水土流失部分。 膨胀土复杂的工程特性造就了路基边坡的多种病害，并决定着病害的发生和 进一步发展。膨胀土边坡开挖后，由于卸载作用释放应力，使得边坡产生弹塑性 变形、反复胀缩变形和流变等；同时，由于膨胀土对大气环境的极端敏感性，湿 胀干缩、风化、崩解和强度衰减的速度相当快，使得边坡在多种变形的基础上， 迅速的从裂隙发生到扩展、从坡面风化到剥落、从坡体溜塌到滑坡、从牵引式滑 坡到横展式滑坡甚至到支挡结构的破坏等方向发展( 见照片2 1 2 3 ) 。 照片2 1 路基坍塌破坏 照片2 2 路基滑坡破坏 照片2 3 路基支挡结构破坏 9 南友公路膨胀土路堑从2 0 0 3 年3 月开始施工，到2 0 0 4 年4 月，路矩开挖尚 正进行一多半，但经过一个雨季的“洗礼”，区域内几乎所有丌挖的矩坡都有不同 程度的出现崩塌、坍滑和滑坡等破坏。坡面冲积成羽毛状或鸡爪状，坡底出现大 小不一的泥流冲积扇，水土流失的问题相当严重。 为综合研究和掌握典型膨胀土路基的水土流失现状，膨胀土特性，以及膨胀 土堑坡的常见破坏形式、规模及破坏原因等，作者通过近一年时间的现场观察和 时隔八个月的先后两次对南友公路沿线边坡破坏情况的详尽调查，掌握了丰富的 原始资料。截止到2 0 0 4 年4 月的部分典型破坏边坡见表2 1 。 表2 1 南友公路膨胀土路堑边坡破坏调查结果 规模( m ) 桩号破坏类型滑面埋深( m )滑动面位置 ( 长宽) k 1 3 2 + 2 2 0 2 4 5 右崩塌2 5 3 53灰白色膨胀土 k 1 3 2 + 2 9 5 3 2 0 左坍滑 2 5 2 56 土岩界面 k 1 3 2 + 3 0 0 3 4 8 右 滑坡 4 8 1 88 土岩界面+ 强风化页岩 k 1 3 2 + 3 2 0 3 4 8 右 滑坡 2 8 2 0l o 土岩界面+ 弱风化页岩 k 1 3 2 + 3 2 3 3 3 6 左 滑塌 1 3 26 灰白色膨胀土 k 1 3 2 + 3 5 0 3 6 5 左 滑塌 1 5 25 灰白色膨胀土 k 1 3 2 + 5 7 7 5 9 7 左 滑塌 2 0 23 灰白色膨胀土 k 1 3 2 + 7 8 0 8 5 0 右 滑塌 3 0 23 灰白色膨胀土 k 1 3 3 + 1 0 2 1 5 2 右 滑坡 5 2 1 8i 0 土岩界面+ 强风化页岩 k t 3 3 + 9 0 0 9 4 0 右 滑坡 4 0 3 01 2 弱风化页岩 k 1 3 3 + 9 2 0 9 8 0 右滑坡8 0 2 0 6 土岩界面 k 1 3 4 + 0 0 0 1 0 0 右滑坡 1 0 0 2 58 土岩界面+ 强风化页岩 k 1 3 5 + 1 3 0 3 6 0 左大型滑坡2 3 0 x8 0 1 8 微风化页岩 k 1 3 5 + 2 8 0 3 l o 右 滑塌 3 0 31 8 弱风化页岩 k 1 3 5 + 8 0 0 8 6 0 左坍滑 6 0 1 08 强风化页岩 k 1 3 6 + 0 4 0 2 0 0 右 滑坡 1 6 0 3 06 土岩界面+ 强风化页岩 k 1 3 6 + 2 0 0 2 9 0 右 滑坡 9 0 x4 0l o 土岩界面+ 强风化页岩 k 1 3 6 + 2 9 0 3 6 0 矗滑塌6 0 1 04 坡积士膨胀十层 k 1 3 6 + 9 8 0 9 9 5 右坍塌1 5 44 灰白色膨胀十 k 1 3 7 + 1 3 0 1 3 5 右小坍塌5 2 51 5 灰白色膨胀土 k 1 3 7 + 1 6 0 1 6 6 右 小坍塌 6 2 52 灰白色膨胀士 k 1 3 7 2 3 0 2 4 l 芷i 小坍塌 i l 2 54 灰白色膨胀二 ： k 1 3 7 + 3 2 0 3 6 0 右 滑塌 4 0 x2 51 8 弱风化页岩 k 1 3 7 + 9 5 0 k 1 3 8 + 0 6 0 右大型滑坡1 1 0 7 08 土岩界面+ 强风化页岩 k 1 3 8 + 4 6 0 4 8 0 右 滑塌 2 0 l o5 强风化页岩 k 1 3 8 + 4 8 0 6 6 0 右 大型滑坡 1 8 0 9 01 8 弱风化页岩 k 1 4 0 + 3 6 0 5 2 5 右 滑塌 1 7 5 x 4 04 土岩界面 k 1 4 l + 0 2 0 1 2 0 右 滑塌 1 0 0 2 0i 2 士岩界面+ 强风化页岩 a k o + 0 0 0 1 6 0 右 滑塌 1 6 0 1 86 土岩界面 a k o + 1 l o b l 8 0 右 滑塌 8 0 2 08 岩界面+ 强风化页岩 根据表2 1 ( 截止到2 0 0 4 年4 月的调查结果) ，西以大致计算出膨胀路基病 害所造成的大量废弃土方和引起的严重水土流失。调查路段( 长约9 k m ) 出现各种 形式破坏的面积约为7 4 7 8 4 m 2 ，占到全部调查坡面的3 5 ，平均每公里的破坏面积 达到8 3 1 0m s 而顺坡破坏超过全部调查顺坡面积的8 0 。由这些病害所产生的破 坏土方约9 2 9 6 7 2 m 3 ( 未含重新刷坡的新增废方) ，平均每公里新增清理废方 1 0 3 2 9 7 m 3 。到2 0 0 4 年1 2 月( 路堑施工尚未完全结束) ，相继产生的路基病害又新 增膨胀土弃方2 0 0 多万方，使整个宁明盆地路段( k 1 3 3 k 1 4 4 ) 的膨胀土弃方总 量由最初路堑设计开挖量的2 0 0 多万方猛增至5 0 0 多万方；也就是说，单路基的 各种病害就新增加废弃土方量3 0 0 多万方，平均每公里叛增废方约2 2 万方。可见， 由膨胀土病害产生的水土流失远比坡面的风化、冲刷等产生的水土流失严重得多。 根据表2 1 的调查结果，可以分析出南友公路膨胀土路基破坏的些特点。 如有规模的边坡滑坡破坏中，7 8 的破坏发生在土岩界面和强风化岩层中，9 4 的 破坏为右侧顺层滑坡。即这类破坏主要受层理、土岩界面和地下水界面等层状结 构面的控制，行车荷载及节理是局部破坏的重要影响因素。小型滑塌破坏中，6 9 的破坏发生在灰白色膨胀土中，6 2 的破坏为右侧顺层破坏。即此类破坏主要受土 层中残余层理和节理的控制。 综合分析调查结果，可以大致分析出膨胀土堑坡破坏的主要原因。其中内部 因素包括顺坡顺层的地质构造和裂隙极为发育的土体结构；外部因素包括开挖卸 载引起土体超固结能量释放和水的作用使土体强度下降和侧向变形递增迅速；以 及其它的一些因素，如堑坡开挖成形后，未及时封闭支护以及堑坡顶部作为临时 便道，加速了边坡破坏。即膨胀土路基的各种病害是膨胀土多种恶劣筑路性质复 杂叠加以后的外在表现，是膨胀士独有工程性质与大气营力、人类活动等综合作 用的结果。 2 2 取、弃土场的水土流失 由于取土场彻底破坏了地表植被覆盖，也破坏了地底下一定深度内的植物根 系，因此在相当长的时间内，植被都难以恢复( 人工播草籽或植草条件下，一般 土质恢复需3 5 年；膨胀土这种较贫瘠的土质的恢复时间需要更长；自然状态下， 膨胀土地表植被的恢复需要近1 0 年或更长时间) ，这样使得地表径流速度加快