高等级公路边坡综合防护系统

摘要本文分析了路基边坡的病害类型、原因和边坡的侵蚀机理，提出了边坡的防护类型、特点及防护类型的选择原则。关键词路基边坡边坡病害侵蚀机理防护适用性植物防护防护区划综合防护设计StuedyonSideSlopeProtectionSystemofExpresswayWangWei(HenanCommunicationsSchool)AbstractThispaperanalysesthetypesofsideslopedamages，reasonsandprinciplesofthedamages.Thispaperalsoexplainthetypes，charactersandselectingprinciplesofprotectionmethods.KeywordsSubgradesideslopeSideslopedamageDamageprincipleProtectionavailabilityPlantprotectionProtectiondistrictComprehensiveprotectiondesign1前言随着我国公路建设的飞速发展，高等级公路边坡综合防护系统研究日渐引起公路部门的重视。边坡综合防护设计是高等级公路设计的重要内容之一，需根据公路等级、降雨强度、地下水、地形、土质、材料来源等情况综合考虑，合理布局，因地制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保高等级公路的稳定和高速行车安全，同时达到与周围环境的协调，保持生态环境的相对平衡，美化高等级公路的效果。长期以来，路基边坡的综合防护技术一直是公路修筑中的一个薄弱环节，我国在80年代中期以前，主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，深挖高填较少，投资不大，因而防护工程不作为道路建设的主体工程，由此引起的损失亦不大，所以在工程中对边坡的综合防护研究常常被忽视。进入90年代以后，我国高等级公路建设方兴未艾，由于缺乏对防护技术的系统研究，没有成熟的经验供设计部门应用，因此只能用低等级公路的防护技术或供鉴铁路部门的经验来实施局部防护，缺乏综合考虑，从而为工程埋下隐患，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，有的甚至中断交通，如沈大高速公路鲅鱼圈所以南180km长的路段，后期的工程防治费用占整个工程防治费的80％、京石高速公路在1997年遇到洪水冲击后，很多路段出现路基垮塌，路面悬空的现象，再如众所周知的昆禄路等。据交通部统计，仅1991年因水毁冲毁路基1577km，冲毁路面43733km，冲毁桥梁3606座、涵洞40343道，塌方4171万方，直接经济损失16.86亿元，因排水防护不当使基层与路基含水量增加引起公路整体强度下降造成的损失更是无法统计。随着高等级公路的加快修建和交通量的急剧增加，环境破坏与环境污染与日俱增。自1972年联合国斯德哥尔摩环保会议以来，由于公路工程修建等因素导致水土流失和耕地占用，农民们失去了5000多亿吨的表层土；同时由于植被破坏导致温室效应的CO2增加了10％，世界在以每年80亿吨的巨量排放CO2和硫化物，臭氧层日益遭到破坏。自1950年以来，世界经济增长了5倍，人口从26亿上升到58亿，但这一切增长完全建立在对地球的超负荷掠夺上。地球退化、土地减少、每年对农作物和牲畜业造成的损失达430亿美元，相当于美国一年的粮食收入。1950年～1984年世界粮食产量以每年3％的速率增长，1984年以后放慢，1984～1992年增长率仅为0.7％，不及人口增长率的一半；与此同时，全世界的森林覆盖率也由工业革命前的55％降至25％左右，我国森林覆盖率由50年代的30％降至1997年的12％左右。随着环境问题的日益严峻，为了环境的持续发展，环境会计学诞生了，国际社会第一次认真地考虑把环境和资源的损失计算到经济成本中去，经济增长必须考虑到环境的代价，即由环境问题引起了环境会计和环境审计。如何在加快公路建设和汽车工业发展的同时，减少对环境的损坏。降低噪音，吸收汽车排放物，恢复自然生态平衡已成为目前公路设计部门的当务之急。与此同时，防护技术在理论方面尚需进一步研究，如边坡的侵蚀机理、边坡水力学特性研究、地区差异性以及公路部门与园林部门的专业交叉研究等等，以便提供边坡综合防护的理论支持和依据。因此，为降低工程造价，减少或防止道路病害，保持生态环境的相对平衡，确保道路的安全与稳定，急需对高等级公路的边坡综合防护加固技术进行全面系统的研究。2国内外研究概况国际上有关道路防护与加固技术的研究，多年来一直是广大道路工作者关注的焦点之一。有的研究已开始将水对边坡的侵蚀冲刷定量化。根据降水侵蚀力系数，土固有的侵蚀性参数、地形分类及侵蚀控制参数等计算边坡上的平均流失，从而更科学地选择合适的边坡防护措施。Eillison提出击溅板得出雨滴的击溅侵蚀公式：G＝K·V4.22·d1.07·i0.05(G：侵蚀量；V：雨滴下降速度；d雨滴直径；i：降雨强度；K：系数)，开创了植物防护定量研究的先河，以后经多人的努力，如50年代美国学者Wischmeiere.W.H和simithD.D等人利用美国35个土壤保持试验站8250个休闲小区的降雨侵蚀实测资料，进行了降雨量、降雨动能、最大时段降雨、前期降雨以及各种复合因子与土壤流失量的回归分析，最后得到一个通用土壤流失方程式，至今在国际上广泛采用。同时许多国家都针对各自国家或地区的不同情况，确定最佳参数，推导土壤流失方程式，取得了丰硕的成果。日本、美国等国家在设计规范中明确了防护设计和公路园林的设计重点、原则和具体措施，如日本《高等级公路设计规范》(日本道路公团，1983，4)中，比较大的篇幅对护坡的方法、分类、方案设计以及公路园林设计的基本原则，不同物种在本地区的适应性均作出了详细的规定，具有很强的设计指导性。在边坡防护的系统设计中，国际上特别是发达国家尤为重视植物防护或植物与圬工防护相结合的方法，以期达到同时发挥防护与美化的作用。随着我国公路等级和人们生活水平的提高，路基边坡防护日渐引起公路部门的重视。在我国多年的道路工程实践中，积累了不少防护与加固技术的经验。水是公路边坡上土壤侵蚀的主体，公路部门对水流的力学研究都是以明渠均匀流为研究对象，如曼宁流速公式等，利用这些公式进行排水构造物的设计取得了较满意的效果，但如果以此来描述边坡冲刷则有不妥。如我国《公路排水设计规范》(JTJ018-97)中推荐的沟管近似流速公式V＝20·i1／2，即流速与坡角的平方根成正比，而在公路边坡中，随边坡坡角的增大，径流流速确有增大的趋势，但坡角增大导致汇水面积减小，必然使流速减小，所以边坡径流流速应是产流降压强度、坡长、坡度、坡面粗糙系数的综合函数；在圬工防护理论计算方面，库伦理论，朗金理论被广泛应用。随着科技的发展，各种新型支档结构和防护型式及CAD程序相继而生，但在设计时，仅从边坡的稳定性等因素出发，很少考虑水对防护的量化冲刷能力和环保因素，如：可否利用工程经济学研究某路段采用集中排水或分散排水?可否用混凝土预制块或网格代替费工费时的浆砌片石?可否用植被防护或综合防护替代全圬工防护等等。由于工程的千差万别，上述问题在规范中仅定性地作了限制，很少给出具体比选方法进行量化计算分析，由此设计出的结果可能一方面是工程达到了防护效果却造成了大量工程资金的浪费，另一方面是防护不当或方案错误导致防护失败，造成巨大资金重复投入，形成不良的社会影响。高等级公路由于线形标准较高、设计人员素质低、比选方案少等因素，造成路基高填深挖现象普遍存在，同时大交通量给沿线造成的交通污染不但威胁沿线居民的身体健康，而且影响区域的生态平衡。由于诸多原因，我国公路的环保技术研究远远不能适应当今高速公路发展的道路建设要求，同时关于边坡冲刷防护、交通环境美化进行的综合设计也鲜为报道。在国内植物防护方面，随着人们环保意识的增强和生活质量的提高，在适宜植物生长的土质边坡、服务区、立交区，根据土壤、气候特点栽种花草树木，既可防风护坡，恢复因建路而破坏的生态平衡，美化环境、吸收尾气、诱导视线，还可防止暴雨对路基边坡的击溅冲刷。西北水保所对此进行了大量的研究，并在引用美国通用土壤流失方程式方面取得了一系列成果。贵州毕节公路段做过公路绿化效应及山区公路水毁防治的研究，北京市公路管理处作了一系列公路绿化设计研究，河南省交通厅与天津大学联合完成了"土工合成材料在郑洛高速公路护坡工程中的应用及绿化研究"，交通部科技信息所环保部分别在昆(明)-曲(靖)路，楚(雄)-大(理)路实施了"生物防护与景观再造工程"等等，取得了较好的防护效果，但水对边坡侵蚀冲刷的量化研究仍鲜为报道，理论上缺乏必要的支持。同时由于各处工程项目的地理气候差异性，以及公路植物防护与园林专业的交叉相容，导致了防护物种和设计方案的千差万别，所以将水对土质边坡的侵蚀冲刷研究定量化，确定护坡方法的选择原则，划分不同地区用于公路防护的植物类型及特性，从而确定最佳综合防护设计方案已势在必行。悠如前检所述，由粥于理论研怠究上的不初足和设计嘱上的随意本性，同时争由于国内伪外不同地滤区的地理广、气候及国工程建设茫规模的差散异，决定续了不同地洗区综合防形护方案的曲差异性，梯所以在侵遇蚀冲刷机寿理研究的什基础上，顶对不同地功区的高等勺级公路边盒坡进行综歪合系统研钉究，提出揭最佳防护脖设计方案杨已迫在眉柿睫胡。厅芳反思喝我省的高斜等级公路者边坡防护航现状，虽坊然做了许荒多实验性始尝试，采俊用了多种羊防护型式轿，基本达绞到了预期林防护效果拼，但仍有外许多沉痛损的教训值粒得认真总殃结，如郑得洛路九东标带199股6赏年边坡水虾毁，开郑相路边坡水舞毁索赔、就安新路个庭别路段大骄面积边坡六混凝土预仓制块坍滑帝等等，归婚纳起来存松在的问题皆有爆：哈梯晚嘴(1灯)慌缺乏系统腿的防护方船案、措施铲研究和综夕合设计挪；智僚异土(2井)煤在防护方缠案、防护邀型式选择芦方面缺乏圾技术、工咱程经济比谦较分析起；冻唯爹站(3伐)蹦植物物种谋选择方面夺，随意性层过大，缺贼乏和园林巧部门的探西讨研究既；赖厕底犯(4慰)桥由于各地豪区的差异辟，缺乏各煤分区最佳搞防护典型呼型式，致佣使设计人作员难以操捷作也。窑昨总之性，上述问摆题的存在观，使我省波边坡防护灶设计可能谱一方面是盐工程达到陪了防护效恭果却浪费煮了大量的绩工程投资各，另一方嫂面是防护央不当导致别了路基边锄坡的早期麦病害慎。筋或剖3颈边坡侵蚀症机理研花究靠滩通过胜对边坡力印学特性研误究，可得值以下结论蝴：友为公路踢边坡由降旧雨产生的吗坡面流与附明渠流具矛有不同的赶水力学特逼点，它应蚂该是产流垂降雨强度柿、坡长、异坡角、粗土糙系数的葱函数。由搜于坡角增术大一方面能使势能向批动能的转盈化加快，愈另一方面忆却使单位誓坡长所接自受的降雨挖减少，因役此边坡的速流速应该贪存在一个弊临界坡角授，圣从斧Muzi亲k倦的边坡径影流平衡时弟间关系式掠出发，推捷导出了一钩个公路边颗坡坡面径裙流流速的群关系途式侨(湾紊飘流丘)演：悲醉剑蔽V造＝筐K·L0略.397汽6·co己s0.3捎976a砖·sin剥0.30很12a·禽n齿－泪0.60澡24脾·辩δ血0.39乐7板6布朝式中接，毒K喷为系数捷，倘L拔为坡长让，文a局为边坡坡而角地，岭n矛为边坡坡害面粗糙系馋数砖，辱δ唉为产流降砖雨强度。夸通过对此野式的数学扔处理得到迈边坡坡面狸流速的临箩界坡角奔为岁41中°嘉左右；考寺虑到边坡说土壤侵蚀仇量是流量殃与流速的板函数，进柴一步推导普出公路边姻坡土壤侵坝蚀量同样卫存在一个梯临界坡角题，这个坡版角大约涝在供25殖°足左右，这检与公路边月坡常采要用险1糕∶鹊1.进5刮坡率很是矛接近，因闲此对边坡希的防护应叔引起足够慈重高视尸劝。孤证边坡社在自然界杏降雨情况稳下不断经命受降雨的堂袭击，其渡中一部分呆下渗，一欲部分在边港坡汇集，僚形成径流鹊，径流在奥土颗粒表性面产生剪榜切力，当半这种力大抛到能抵消熄土的抗侵下蚀能力时仔，土颗粒舱被径流带治走，从而杨发生侵蚀储，这种径被流的剪切桐力与土壤杜粒抵抗力休之间的相拐互作用不齿同相可引煌起溅蚀、孤溶蚀、片站蚀、沟蚀蓄等不同的驳侵蚀现象行。滨做粱颜4斤边坡防护堪类型及公骑路植物特闸性研循究猪巧作者保按照材料椅将路基防仆护分煎为员3遗类：植物骄防护、圬惭工防护和驼综合防护匙。防护分认类如巡图史1沟。肺漂通过核对公路植断物的特性羽研究，可炼得以下结顶论东：航分驻贩(1狼)邻路基边坡厌土质、酸忙碱度、气疮候、降雨情等是影响疲公路植物眨的主要因市素，由于独路基边坡蔬防护的特队殊性，故故草种、树争种的选择恩有别于园龟林绿化粮；丝粘写损(2粪)驶应根据植任物的类型生、气候适吓应性、土虚壤适应性畜、抗病性将、抗侵蚀侦冲刷，易羞粗放管理糊等要求选迈择适易的梅物种用于滨公路边坡牛防护掘；剂货载但(3字)傻尽量选用写本地的物拢种，其适蓝应性远远纵优于引进漏物种肺。即环蚂5辅边坡综合李防护设计麦原则与注偏意事腹项年脖渗夕(1梁)萍“估综合设计引、就地取封材、以防袭为主、确不保施细工恩”漆是边坡综童合防护设校计的基本列原则附；白涌食柱(2患)光路基防护栏应按照设幼计、施工狱与养护相循结合的原拜则，深入蒙调查研究娘，根据当梨地气候环弊境、工程咱地质和材旺料等情况串，因地制攀宜，就地烘取材，选辉用适当的令工程类型权或采取综阴合措施，震以保证路钓基的稳固钉。不要轻退易取消或谷减少必要趣的防护工边程措施，药而给养护旦遗留繁重瓦的工作量欣；仅托园京(3维)窑路基防护反措施是根牵据沿线不躺同土质岩纳性、水文皇地质条件布、坡度、击高度和当软地材料、服气候等因绕地制宜选效择，应密无切结合路编面排水作么综合考虑序；立贩浊颗(4梨)劫护坡方法早应优先考席虑采用植狱物防护，蹦当土质不尝宜植物生菜长及难以科保证边坡浸稳定时，尼要考虑经付济性、施岁工及效果绍，采用圬灾工防护或膝相应的辅孝助设施昂；请沿否即(5泳)纪在防护方猪案设计时稠，应参照掌上述设计蜻原则，初型步选出护染坡方法。低在施工阶未段，要对播每个边坡昏的排水、学土质等调涉查，根据说调查结果狡变更原设繁计逼；氧便伸裕(6栗)姨在不良的精气候和水参文条件下参，对粉砂累、细砂与售易于风化陪的岩石边修坡，以及毁黄土和黄棋土类边坡赞，均宜在细土石方施渗工完成后灵及时防护翅。路堑边抵坡应根据捧边坡岩层洲组成及坡缺面弱点分沿布情况考霉虑全面防薯护或局部慌防护毯；莲虎品学(7宝)燥对于土路怎堤的坡面介铺砌防护君工程，最慢好待填土课沉实或夯遗实后施工纳，并根据必填料的性景质及分层块情况决定误防护方式杂。铺砌的昌坡面应预程先整平，肌坑洼处应什填平夯实软；班贩宜(8滚)径对于不宜岁采用植物聋或混凝土度网格中空舱植草的破截碎岩路堑坦边坡，应撞综合考虑嫁地形关系岸、基岩风各化破碎程邪度、地震撒、暴雨、滴漏水、施念工难易及泥经济性等辜因素，慎口重选择喷票浆热(陶混凝齐土麦)她、护面墙共，落石防杏治等方案狱；胖躲宁郑(9壶)踪混凝土网奶格中空植个草护坡的慨目的，是永防止受雨成水侵蚀和拿风化严重毅的土质产栗生沟槽，亚及不适宜找植物生长季的土质和细由于周围城环境需要茄绿化的地件方。该护煮坡方法不跑能承受土尺压力且造泉价高于植铅物护坡，钻使用时须眠充分分析宅；垦硬挪郑(10帜)曾对于水流鼻、波浪、胞风力、降芹水以及其残它因素可屿能引起起析路基破坏蠢的，均应行设置防护从工程。在统冲刷防护惜设计中，技可综合考燃虑河道整牲治，使防躁护工程收叫到更好的蕉效果亏；嘉陵弦瓣(11鹊)统对于冲刷输防护，一太般在水流开流速不大弹及水流破衰坏作用较睛弱地段，粒可在沿河许路基边坡线设砌石护匆坡、石笼堵和混凝土秤预制板等坑，以抵抗圆水流的冲叔刷和淘刷贪。需要改理变水流或拿提高坡脚箱处的粗糙磁率，以降窜低流速、押减缓冲刷巡作用时，西可修筑坝佳类构造物弄。对于冲爪刷严重地给段按(晓急流区、氏顶冲地布区睡)由，可采用燥加固边昨坡付(扯砌石护撒坡浇)冬和改变水盒流情况的喂综合措施棋；水下部谋分可视水添流的淘刷份情况，采院用加固边狭坡叛(删砌石护哄坡世)猫和改变水粉流情况的蓄综合措施俊；水下部尼分可视水薯流的淘刷获情况，采炎用砌石、寒石笼或混模凝土预制杜板等护底嗓护脚。砌经石基础应果置于冲刷受线以伏下蓄0.璃5醋～包1.0牙m烟，水上部钞分采用轻衣型防护即累可时；卖齐永秩(12捎)杂综合防护惩应遵秃循众"橡实用、经饲济、美伸观献"念的指导思地想，明眯确派"担为行车服载务交"矮的目的，哗在实用、捡经济的前射提下，力侍求边坡绿暴化三季有胖花增。帅券妨小6观高等级公摩路防护区予划的思亩想革狐为了乱区分地理输区域自然估条件对公撤路防护影坑响的差异线性，并在析高速公路叉边坡设计较中对施工沟防护型式船、植物物净种选择时总有章可依台，确保路恩基边坡的幼稳定并节贼约投资，互同时按照底《公路自怨然区划标随准受》板(JTJ朴003-番86盾)盼中关蚊于紧"辆三级自然罚区划由各滨地按有关抹规定自行壳划表分张"络的指导思鸡想，有必增要划分不亲同地区植尺物防护主坚要类型返。匆车我省去植物防护寺主要类型您区划以公钓路自然区朽划标准为残基础，结输合高等级暖公路边坡忘防护的特化点和我省役已建高速恭公路的建写设经验，收按照气象齐、地质、酷地形、物械种分布等妇因素的差戚异性，将拴全省划分虚为模A扫、冠B哈、锯C绩三个防护删类型哪区侵(猎如河南省败公路防护厘类型区划换图僻)言。辉妨悲洋7圈首河南省高荐等级公路蔽边坡综合五防护推荐肿方否案浮特投掘7.冬1辞临塔河南册省盟梯A忆区边坡综肌合防护推筒荐方吨案附忌主要毅为黄河冲询积所成的踩低液限粘极土和低液乏限粉土，阻同时雨量链集中，但戚年降雨量划不大，四揪季分明，骄所以防护张要求不高元。间有盐粥碱地，同谈时石料缺右乏。结合评上述研究计结果，故爱推邀荐鹿A哑区边护综仍合防护方京案为：沿谊线路基边够坡除桥头下路基、水调稻田等局筑部特殊路要段采用浆雁砌混凝土展预制块防絮护外，一下般采用植腔草或种草台籽护坡，谎喷播更佳证。炒吴醋舰7.窜2灭乐河南物省输区B呈区边坡综崖合防护推木荐方哲案相隆桐酸B愧区内岭坡捎连绵，沟壤壑纵横、穗切割严重杀，地表多屈为黄土覆街盖，浅层乳地层主要饰分布有第富四系中新花更新统黄府土状粘土崇圾上第三隙系上新统祖杂色泥岩潜，局部有链寒武系、趴石灰岩出匙露。同时寻夏季雨量元集中，冲栗刷防护极铃为重要。出结合上述亭研究结果烛，故推份荐戏B燃区边坡综迫合防护方层案为：填乖方边坡锁按失8舱m画、拦20亏m铺和大瑞于学20表m膊分别采用衔边坡坡度疯为幼1抢∶病1.害5接、伞1向∶芒1.7昏5山和砌1摧∶者2糟，挖方边醒坡根据土饭质不同采求用不同边盛坡坡度。顶应采用集绞中排水方液式。沿线饺在综合排膀水设施的贱基础上，驰根据路堤浮、边堑高镜度不同、凉淋雨坡面尊和地面径株流冲刷程巨度不同，文采用浆砌疫片石护坡驻，浆砌片食石护脚、射浆砌砌片玻石挡土珍墙掩(聋该区内片想石圬工较发混凝土预拍制块经飞济尼)祖、预制混糖凝土网格衡中空植草拼、坡面喷捷草等综合蠢防护措施轰。激抬吊抗7.灾3卧皮河南油省晌栽C趴区边坡综查合防护推眯荐方赏案感冰斯菠C熔区属淮河凝冲湖积平饶原和江淮愚丘陵区，负主要以严脆粘土及亚滔砂土为主堡，呈软塑傲性。河道杯较为发育指，水位亩深牢3眠～照10陵m良，多稻田绑和滞洪区纵。春旱秋海雨，夏热可冬寒，干语湿剧差，缺年降雨量吉在平79繁4溪～威924m烧m类以上，气盘候相对多计雨潮湿。狼因此必须么采取有效传的排水与红防护措施级，及时排择除公路范玻围内的水骄，并作好勒路基边坡伸的浸水冲胃刷防护。章推剖荐咸C椒区边坡综盆合防护方膏案为：沿毫线路基边抵坡除桥头秘路杏基沾(野含锥乎坡羊)袋采用浆砌羽片石防护牺，局部特守殊路辱段占(穷水稻田、左滞洪区四等率)东采用浆砌让片石或混锐凝土预制泄块防护外债，一般路旨段均采用窃路基下允部惹0.疾5辉高