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。捕如尿前所述哭，由于浸理论研洒究上的锋不足和旁设计上酬的随意驱性，同慎时由于惑国内外等不同地徐区的地混理、气糊候及工校程建设稍规模的隐差异，何决定了愁不同地由区综合袍防护方出案的差耗异性，兔所以在震侵蚀冲扭刷机理丘研究的侄基础上嫩，对不廊同地区悄的高等炮级公路日边坡进遇行综合街系统研蠢究，提国出最佳墨防护设鞠计方案岁已迫在扮眉睫妄。耳敞反像思我省笋的高等哗级公路闻边坡防也护现状众，虽然屯做了许塑多实验厕性尝试尾，采用抗了多种郑防护型册式，基程本达到稿了预期痕防护效录果，但宝仍有许指多沉痛胜的教训恋值得认道真总结睡，如郑符洛路九泻标勾199摄6性年边坡袄水毁，好开郑路领边坡水彻毁索赔页、安新弯路个别尸路段大爷面积边苹坡混凝立土预制脸块坍滑践等等，姥归纳起摔来存在怪的问题嘱有朗：掩疗桐叨(1播)狂缺乏系哀统的防按护方案宅、措施民研究和茂综合设电计欣；猫排命烘(2搞)陕在防护介方案、痒防护型衬式选择买方面缺戒乏技术桌、工程捧经济比纹较分析肾；从机获帜(3煮)躬植物物们种选择茎方面，扒随意性葛过大，窝缺乏和翠园林部利门的探更讨研究鼠；中砖冒浪(4茄)耀由于各侨地区的教差异，油缺乏各愁分区最裕佳防护悬典型型傅式，致藏使设计倚人员难绩以操作扯。删叔总反之，上其述问题感的存在庙，使我巨省边坡乐防护设坏计可能搜一方面唉是工程愤达到了割防护效珍果却浪餐费了大栗量的工膨程投资汪，另一谷方面是挂防护不唐当导致粪了路基铜边坡的贫早期病哗害款。锈笋绣3痒边坡侵葵蚀机理残研兵究嫂次通动过对边乳坡力学绘特性研渠究，可冬得以下紧结论德：任促公犯路边坡序由降雨妹产生的雕坡面流苏与明渠形流具有竟不同的郑水力学阴特点，炕它应该趟是产流戚降雨强险度、坡猜长、坡辰角、粗李糙系数朵的函数服。由于鼻坡角增怖大一方路面使势项能向动雅能的转蚊化加快枝，另一验方面却瑞使单位镜坡长所童接受的抚降雨减蓬少，因旋此边坡盯的流速盼应该存筑在一个颠临界坡尿角，孩从钞Muz薪i采k激的边坡岩径流平画衡时间网关系式源出发，波推导出细了一个征公路边拴坡坡面络径流流备速的关恒系属式燕(撇紊针流脸)洁：做丸柄悲V突＝磁K·L只0.3庸976巧·co径s0.外397斤6a·慰sin宁0.3蜻012既a·昼n艳－麻0.6获024单·笑δ齿0.3浇97蛙6唤筒式乡中舞，洗K抚为系数屑，始L骂为坡长葵，扛a情为边坡跑坡角择，僻n策为边坡随坡面粗青糙系数思，盼δ再为产流盗降雨强蚊度。通庙过对此沿式的数包学处理旗得到边滤坡坡面挪流速的结临界坡旱角蔑为件41脖°荷左右；长考虑到货边坡土戒壤侵蚀汪量是流漆量与流仿速的函守数，进丧一步推东导出公千路边坡允土壤侵恭蚀量同门样存在祖一个临咏界坡角紧，这个在坡角大伪约越在社25系°鼓左右，庙这与公而路边坡奥常采因用湾1倚∶御1.塘5朽坡率很毯是接近欣，因此枣对边坡勉的防护名应引起国足够重按视旁歼。限和边遣坡在自劲然界降胜雨情况句下不断抽经受降呜雨的袭拣击，其滔中一部偿分下渗刷，一部杆分在边碍坡汇集给，形成什径流，厦径流在货土颗粒哈表面产蚕生剪切悉力，当芬这种力马大到能归抵消土树的抗侵量蚀能力泼时，土鼻颗粒被别径流带东走，从绝而发生带侵蚀，燕这种径柏流的剪萌切力与巴土壤粒恩抵抗力显之间的秤相互作涉用不同蚁相可引旧起溅蚀拳、溶蚀境、片蚀气、沟蚀腹等不同困的侵蚀贿现象捕。梅荒迅凉4括边坡防率护类型查及公路映植物特绞性研寄究燃铁作干者按照弹材料将宾路基防凑护分误为花3鲁类：植顺物防护绞、圬工掠防护和豆综合防企护。防誓护分类肾如衬图酱1靠。练乞通寸过对公薄路植物吨的特性烛研究，好可得以网下结论泛：青置瓦赵(1燃)喷路基边添坡土质已、酸碱送度、气传候、降睬雨等是武影响公倦路植物狂的主要僚因素，泪由于路煌基边坡滥防护的山特殊性隐，故草镰种、树董种的选展择有别愿于园林柴绿化氏；酷简洁己(2股)好应根据半植物的摊类型、浴气候适融应性、姨土壤适挪应性、朱抗病性壶、抗侵熟蚀冲刷座，易粗拢放管理伤等要求静选择适所易的物朵种用于县公路边婚坡防护况；向绿霸犁(3秧)悲尽量选舅用本地舌的物种扒，其适老应性远近远优于螺引进物挤种仗。惹寸补5轮边坡综擦合防护瞒设计原搭则与注保意事亮项象萌稀载(1迅)粮“裳综合设辣计、就号地取材殃、以防愚为主、深确保施帆工选”湖是边坡枕综合防扫护设计贞的基本喜原则威；业她禾输(2再)密路基防爆护应按呜照设计喇、施工健与养护时相结合剖的原则唉，深入浑调查研学究，根婶据当地输气候环恐境、工档程地质粉和材料诊等情况耳，因地毅制宜，砌就地取尿材，选为用适当筋的工程翠类型或糕采取综复合措施送，以保乖证路基另的稳固哗。不要浓轻易取神消或减予少必要倦的防护雀工程措格施，而朴给养护腰遗留繁醒重的工割作量滑；呢塞共括(3跟)三路基防西护措施改是根据惊沿线不扬同土质工岩性、响水文地烈质条件隙、坡度睬、高度佳和当地予材料、准气候等壤因地制拿宜选择批，应密闹切结合店路面排珠水作综壤合考虑擦；析式与惨(4怨)烫护坡方鞋法应优惜先考虑鉴采用植获物防护糊，当土觉质不宜硬植物生祖长及难临以保证妄边坡稳女定时，烟要考虑纺经济性裂、施工搭及效果侨，采用参圬工防蜘护或相劝应的辅播助设施猫；戚我想碧(5柿)矿在防护逮方案设弃计时，熊应参照擦上述设港计原则辛，初步尺选出护讨坡方法爆。在施脑工阶段铲，要对竭每个边理坡的排咬水、土虚质等调矩查，根持据调查除结果变礼更原设析计古；逼醉杯并(6勒)收在不良跪的气候领和水文牙条件下愤，对粉双砂、细越砂与易描于风化货的岩石腾边坡，竞以及黄照土和黄鞋土类边我坡，均贼宜在土议石方施书工完成趁后及时萝防护。耻路堑边册坡应根约据边坡荣岩层组梯成及坡逗面弱点纷分布情酷况考虑驳全面防绍护或局右部防护惜；迁塑夕坡(7世)不对于土持路堤的缓坡面铺疏砌防护漂工程，叮最好待选填土沉甜实或夯甩实后施禽工，并黑根据填联料的性穿质及分无层情况适决定防枪护方式抵。铺砌智的坡面鸣应预先撒整平，层坑洼处沟应填平极夯实背；脂树糕(8榆)酒对于不筒宜采用味植物或享混凝土油网格中巾空植草热的破碎慰岩路堑怠边坡，哑应综合搞考虑地窃形关系窑、基岩梯风化破蒜碎程度贸、地震彼、暴雨摘、漏水浮、施工搏难易及杨经济性菠等因素蚀，慎重岗选择喷泄浆康(卡混凝啊土注)泪、护面拐墙，落暑石防治舰等方案旷；泥扣社息(9誓)软混凝土倾网格中苏空植草伯护坡的晴目的，倒是防止植受雨水施侵蚀和源风化严侍重的土漂质产生偿沟槽，浊及不适辱宜植物脑生长的砌土质和姥由于周虹围环境投需要绿回化的地乏方。该问护坡方锋法不能剂承受土振压力且疗造价高摧于植物判护坡，那使用时睬须充分委分析化；聋渣宅行(10纯)峡对于水穷流、波泉浪、风屑力、降融水以及霸其它因汁素可能糖引起起凯路基破建坏的，梳均应设峰置防护哄工程。黎在冲刷胸防护设检计中，腥可综合漠考虑河掀道整治规，使防送护工程客收到更解好的效适果轮；回居王贷(11后)午对于冲幼刷防护及，一般稍在水流垫流速不航大及水泡流破坏凤作用较谦弱地段乖，可在嘴沿河路判基边坡众设砌石件护坡、花石笼和铅混凝土检预制板河等，以社抵抗水捡流的冲高刷和淘纪刷。需剩要改变患水流或搬提高坡危脚处的级粗糙率贩，以降页低流速做、减缓芦冲刷作闲用时，遭可修筑暗坝类构端造物。设对于冲削刷严重镜地鲜段犯(因急流区挂、顶冲报地更区馆)稠，可采样用加固群边希坡室(亲砌石护酒坡陈)学和改变片水流情薄况的综纸合措施咱；水下厨部分可佩视水流船的淘刷勇情况，看采用加节固边啊坡悬(合砌石护敢坡打)科和改变岁水流情折况的综巴合措施晓；水下燥部分可预视水流庆的淘刷托情况，农采用砌部石、石说笼或混鼻凝土预嗽制板等舱护底护厦脚。砌渣石基础辫应置于叹冲刷线脑以于下据0.倦5设～辫1.0救m轨，水上孕部分采炊用轻型畅防护即蜘可前；页饭帅览(12合)菊综合防爽护应遵介循脖"耻实用、影经济、田美愚观蓄"纱的指导饿思想，眼明斯确摩"禁为行车冷服阁务喂"捉的目的幅，在实马用、经弦济的前井提下，历力求边怜坡绿化辅三季有滨花河。帽缩醉利6谜高等级柿公路防抱护区划羽的思触想缴融为拒了区分胶地理区免域自然去条件对板公路防欣护影响蛾的差异箭性，并肃在高速统公路边抄坡设计亿中对施辟工防护觉型式、屋植物物饶种选择铺时有章密可依，动确保路湿基边坡月的稳定蔑并节约昆投资，欣同时按蕉照《公责路自然站区划标宽准股》恼(JT类J00科3-8直6魂)凑中关顶于缴"控三级自老然区划趟由各地拘按有关膀规定自骆行划崇分槐"要的指导你思想，则有必要吗划分不洁同地区颗植物防腔护主要游类型员。鲁斯我麦省植物猎防护主促要类型靠区划以牙公路自予然区划佳标准为居基础，枯结合高董等级公榨路边坡东防护的常特点和鸽我省已讨建高速锣公路的磨建设经身验，按棒照气象孟、地质母、地形僵、物种疗分布等拘因素的慧差异性军，将全煮省划分览为锤A物、装B看、锡C粉三个防国护类型峡区狮(趟如河南勉省公路卸防护类尖型区划爸图词)刺。榴林书逐7犬井河南省蓝高等级喘公路边江坡综合遵防护推陡荐方股案叮崖冬柱7.截1月捆链河南熊省脑征A脂区边坡糊综合防呀护推荐啄方做案佛暂主范要为黄串河冲积蛋所成的佣低液限款粘土和龙低液限辣粉土，踏同时雨洗量集中奉，但年侦降雨量嗽不大，耻四季分贸明，所超以防护仍要求不蒸高。间因有盐碱常地，同脸时石料计缺乏。追结合上答述研究饮结果，焰故推挽荐齿A雾区边护覆综合防棉护方案尚为：沿浩线路基伍边坡除考桥头路笛基、水抱稻田等公局部特掩殊路段碍采用浆阻砌混凝梦土预制凡块防护铜外，一饲般采用厕植草或卖种草籽逮护坡，既喷播更鲁佳鞠。件晕毅题7.运2耽扔河南狮省次阶B暴区边坡翻综合防侨护推荐畅方垫案迟难宣偷B竞区内岭桂坡连绵扮，沟壑肾纵横、皮切割严竿重，地横表多为榆黄土覆融盖，浅荒层地层财主要分齐布有第谊四系中魔新更新邪统黄土惑状粘土剩圾上第罢三系上台新统杂勾色泥岩锹，局部阵有寒武夕系、石设灰岩出坚露。同半时夏季步雨量集鞋中，冲景刷防护写极为重寺要。结朽合上述限研究结纽果，故灶推得荐祸B尝区边坡车综合防饱护方案敞为：填白方边坡岸按冒8们m呢、刃20片m愚和大斑于权20绿m铸分别采糊用边坡瓦坡度管为妙1醒∶鲁1.早5躲、淋1瞎∶林1.7箩5奔和觉1基∶长2么，挖方费边坡根慢据土质乖不同采弊用不同乡边坡坡蝶度。应扩采用集规中排水行方式。击沿线在邮综合排权水设施菊的基础宿上，根挠据路堤乏、边堑盼高度不毅同、淋工雨坡面势和地面康径流冲妖刷程度波不同，盲采用浆环砌片石等护坡，勿浆砌片贱石护脚雅、浆砌每砌片石降挡土彻墙爷(素该区内亮片石圬起工较混程凝土预冻制块经端济冈)吧、预制仁混凝土疗网格中豆空植草穿、坡面买喷草等架综合防与护措施御。做宵孟言7.粗3舟血河南砖省煤吉C蔑区边坡蜓综合防赚护推荐摩方无案部棚虏丽C惑区属淮羽河冲湖积积平原网和江淮蹦丘陵区林，主要勒以严粘明土及亚召砂土为滴主，呈膜软塑性跑。河道途较为发货育，水灭位光深锋3追～亚10假m叨，多稻败田和滞队洪区。撒春旱秋旦雨，夏岸热冬寒蹄，干湿胃剧差，阳年降雨夕量温在治79啊4孙～毛924途m炮m达以上，最气候相耕对多雨诉潮湿。弃因此必头须采取守有效的含排水与胶防护措务施，及储时排除报公路范爸围内的糖水，并廊作好路阶基边坡踢的浸水终冲刷防鲁护。推童荐尘C怀区边坡厨综合防煌护方案瞧为：沿疲线路基抓边坡除芝桥头路收基参(领含锥尽坡尾)送采用浆雁砌片石辰防护，拉局部特绣殊路疯段宅(傻水稻田失、滞洪乖区屿等鄙)厚采用浆滋砌片石芦或混凝箱土预制特块防护止外，一蜻般路段极均采用箩路基下订部舞0.互5微高度用器浆砌片喝石或混良凝土预占制块防昌