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高等級公路邊坡綜合防護系統探討
摘要 本文了路基邊坡的病害類型、原因和邊坡的侵蝕機理，提出了邊坡的防護類型、特點及防護類型的選擇原則。?? 關鍵詞 路基邊坡 邊坡病害 侵蝕機理 防護適用性 植物防護 防護區劃綜合防護設計
StuedyonSideSlopeProtectionSystemofExpressway
?Abstract?Thispaperanalysesthetypesofsideslopedamages，reasonsandprinciplesofthedamages.Thispaper?alsoexplainthetypes，charactersandselectingprinciplesofprotectionmethods.?
?Keywords?SubgradesideslopeSideslopedamageDamageprinciple Protectionavailability Plantprotection?Protectiondistrict Comprehensiveprotectiondesign
?1前言?
隨著我國公路建設的飛速，高等級公路邊坡綜合防護系統日漸引起公路部門的重視。邊坡綜合防護設計是高等級公路設計的重要之一，需根據公路等級、降雨強度、地下水、地形、土質、材料來源等情況綜合考慮，合理布局，因地制宜地選擇實用、合理、、美觀的工程措施，確保高等級公路的穩定和高速行車安全，同時達到與周圍環境的協調，保持生態環境的相對平衡，美化高等級公路的效果。?
長期以來，路基邊坡的綜合防護技術一直是公路修筑中的一個薄弱環節，我國在80年代中期以前，主要以低等級公路建設為主，由于量小，深挖高填較少，投資不大，因而防護工程不作為道路建設的主體工程，由此引起的損失亦不大，所以在工程中對邊坡的綜合防護研究常常被忽視。進入90年代以后，我國高等級公路建設方興未艾，由于缺乏對防護技術的系統研究，沒有成熟的經驗供設計部門，因此只能用低等級公路的防護技術或供鑒鐵路部門的經驗來實施局部防護，缺乏綜合考慮，從而為工程埋下隱患，造成了巨大的經濟損失和不良的，有的甚至中斷交通，如沈大高速公路鲅魚圈所以南180km長的路段，后期的工程防治費用占整個工程防治費的80％、京石高速公路在1997年遇到洪水沖擊后，很多路段出現路基垮塌，路面懸空的現象，再如眾所周知的昆祿路等。據交通部統計，僅1991年因水毀沖毀路基1577km，沖毀路面43733km，沖毀橋梁3606座、涵洞40343道，塌方4171萬方，直接經濟損失16.86億元，因排水防護不當使基層與路基含水量增加引起公路整體強度下降造成的損失更是無法統計。?
隨著高等級公路的加快修建和交通量的急劇增加，環境破壞與環境污染與日俱增。自1972年聯合國斯德哥爾摩環保會議以來，由于公路工程修建等因素導致水土流失和耕地占用，農民們失去了5000多億噸的表層土；同時由于植被破壞導致溫室效應的CO?2增加了10％，世界在以每年80億噸的巨量排放CO?2和硫化物，臭氧層日益遭到破壞。自1950年以來，世界經濟增長了5倍，人口從26億上升到58億，但這一切增長完全建立在對地球的超負荷掠奪上。地球退化、土地減少、每年對農作物和牲畜業造成的損失達430億美元，相當于美國一年的糧食收入。1950年～1984年世界糧食產量以每年3％的速率增長，1984年以后放慢，1984～1992年增長率僅為0.7％，不及人口增長率的一半；與此同時，全世界的森林覆蓋率也由革命前的55％降至25％左右，我國森林覆蓋率由50年代的30％降至1997年的12％左右。隨著環境的日益嚴峻，為了環境的持續發展，環境學誕生了，國際社會第一次認真地考慮把環境和資源的損失到經濟成本中去，經濟增長必須考慮到環境的代價，即由環境問題引起了環境會計和環境審計。如何在加快公路建設和汽車工業發展的同時，減少對環境的損壞。降低噪音，吸收汽車排放物，恢復生態平衡已成為公路設計部門的當務之急。?
與此同時，防護技術在方面尚需進一步研究，如邊坡的侵蝕機理、邊坡水力學特性研究、地區差異性以及公路部門與園林部門的專業交叉研究等等，以便提供邊坡綜合防護的理論支持和依據。?
因此，為降低工程造價，減少或防止道路病害，保持生態環境的相對平衡，確保道路的安全與穩定，急需對高等級公路的邊坡綜合防護加固技術進行全面系統的研究。?
?2國內外研究概況?
國際上有關道路防護與加固技術的研究，多年來一直是廣大道路工作者關注的焦點之一。有的研究已開始將水對邊坡的侵蝕沖刷定量化。根據降水侵蝕力系數，土固有的侵蝕性參數、地形分類及侵蝕控制參數等計算邊坡上的平均流失，從而更地選擇合適的邊坡防護措施。Eillison提出擊濺板得出雨滴的擊濺侵蝕公式：G＝K·V4.22·d1.07·i0.05(G：侵蝕量；V：雨滴下降速度；d雨滴直徑；i：降雨強度；K：系數)，開創了植物防護定量研究的先河，以后經多人的努力，如50年代美國學者Wischmeiere.W.H和simithD.D等人利用美國35個土壤保持試驗站8250個休閑小區的降雨侵蝕實測資料，進行了降雨量、降雨動能、最大時段降雨、前期降雨以及各種復合因子與土壤流失量的回歸分析，最后得到一個通用土壤流失方程式，至今在國際上廣泛采用。同時許多國家都針對各自國家或地區的不同情況，確定最佳參數，推導土壤流失方程式，取得了豐碩的成果。日本、美國等國家在設計規范中明確了防護設計和公路園林的設計重點、原則和具體措施，如日本《高等級公路設計規范》(日本道路公團，1983，4)中，比較大的篇幅對護坡的、分類、方案設計以及公路園林設計的基本原則，不同物種在本地區的適應性均作出了詳細的規定，具有很強的設計指導性。在邊坡防護的系統設計中，國際上特別是發達國家尤為重視植物防護或植物與圬工防護相結合的方法，以期達到同時發揮防護與美化的作用。?
?隨著我國公路等級和人們生活水平的提高，路基邊坡防護日漸引起公路部門的重視。在我國多年的道路工程實踐中，積累了不少防護與加固技術的經驗。水是公路邊坡上土壤侵蝕的主體，公路部門對水流的力學研究都是以明渠均勻流為研究對象，如曼寧流速公式等，利用這些公式進行排水構造物的設計取得了較滿意的效果，但如果以此來描述邊坡沖刷則有不妥。如我國《公路排水設計規范》(JTJ018-97)中推薦的溝管近似流速公式V＝20·i1／2，即流速與坡角的平方根成正比，而在公路邊坡中，隨邊坡坡角的增大，徑流流速確有增大的趨勢，但坡角增大導致匯水面積減小，必然使流速減小，所以邊坡徑流流速應是產流降壓強度、坡長、坡度、坡面粗糙系數的綜合函數；在圬工防護理論計算方面，庫倫理論，朗金理論被廣泛應用。隨著的發展，各種新型支檔結構和防護型式及CAD程序相繼而生，但在設計時，僅從邊坡的穩定性等因素出發，很少考慮水對防護的量化沖刷能力和環保因素，如：可否利用工程經濟學研究某路段采用集中排水或分散排水?可否用混凝土預制塊或網格代替費工費時的漿砌片石?可否用植被防護或綜合防護替代全圬工防護等等。由于工程的千差萬別，上述問題在規范中僅定性地作了限制，很少給出具體比選方法進行量化計算分析，由此設計出的結果可能一方面是工程達到了防護效果卻造成了大量工程資金的浪費，另一方面是防護不當或方案錯誤導致防護失敗，造成巨大資金重復投入，形成不良的社會影響。?
高等級公路由于線形標準較高、設計人員素質低、比選方案少等因素，造成路基高填深挖現象普遍存在，同時大交通量給沿線造成的交通污染不但威脅沿線居民的身體健康，而且影響區域的生態平衡。由于諸多原因，我國公路的環保技術研究遠遠不能適應當今高速公路發展的道路建設要求，同時關于邊坡沖刷防護、交通環境美化進行的綜合設計也鮮為報道。?
在國內植物防護方面，隨著人們環保意識的增強和生活質量的提高，在適宜植物生長的土質邊坡、服務區、立交區，根據土壤、氣候特點栽種花草樹木，既可防風護坡，恢復因建路而破壞的生態平衡，美化環境、吸收尾氣、誘導視線，還可防止暴雨對路基邊坡的擊濺沖刷。西北水保所對此進行了大量的研究，并在引用美國通用土壤流失方程式方面取得了一系列成果。貴州畢節公路段做過公路綠化效應及山區公路水毀防治的研究，北京市公路管理處作了一系列公路綠化設計研究，河南省交通廳與天津大學聯合完成了"土工合成材料在鄭洛高速公路護坡工程中的應用及綠化研究"，交通部科技信息所環保部分別在昆(明)-曲(靖)路，楚(雄)-大(理)路實施了"生物防護與景觀再造工程"等等，取得了較好的防護效果，但水對邊坡侵蝕沖刷的量化研究仍鮮為報道，理論上缺乏必要的支持。同時由于各處工程項目的地理氣候差異性，以及公路植物防護與園林專業的交叉相容，導致了防護物種和設計方案的千差萬別，所以將水對土質邊坡的侵蝕沖刷研究定量化，確定護坡方法的選擇原則，劃分不同地區用于公路防護的植物類型及特性，從而確定最佳綜合防護設計方案已勢在必行。?
如前所述，由于理論研究上的不足和設計上的隨意性，同時由于國內外不同地區的地理、氣候及工程建設規模的差異，決定了不同地區綜合防護方案的差異性，所以在侵蝕沖刷機理研究的基礎上，對不同地區的高等級公路邊坡進行綜合系統研究，提出最佳防護設計方案已迫在眉睫。?
反思我省的高等級公路邊坡防護現狀，雖然做了許多實驗性嘗試，采用了多種防護型式，基本達到了預期防護效果，但仍有許多沉痛的教訓值得認真，如鄭洛路九標1996年邊坡水毀，開鄭路邊坡水毀索賠、安新路個別路段大面積邊坡混凝土預制塊坍滑等等，歸納起來存在的有：?
(1)缺乏系統的防護方案、措施和綜合設計；?
(2)在防護方案、防護型式選擇方面缺乏技術、工程比較；?
(3)植物物種選擇方面，隨意性過大，缺乏和園林部門的探討研究；?
(4)由于各地區的差異，缺乏各分區最佳防護典型型式，致使設計人員難以操作。?
總之，上述問題的存在，使我省邊坡防護設計可能一方面是工程達到了防護效果卻浪費了大量的工程投資，另一方面是防護不當導致了路基邊坡的早期病害。?
?3邊坡侵蝕機理研究?
通過對邊坡力學特性研究，可得以下結論：?
公路邊坡由降雨產生的坡面流與明渠流具有不同的水力學特點，它應該是產流降雨強度、坡長、坡角、粗糙系數的函數。由于坡角增大一方面使勢能向動能的轉化加快，另一方面卻使單位坡長所接受的降雨減少，因此邊坡的流速應該存在一個臨界坡角，從Muzik的邊坡徑流平衡時間關系式出發，推導出了一個公路邊坡坡面徑流流速的關系式(紊流)：?
V＝K·L0.3976·cos0.3976a·sin0.3012a·n－0.6024·δ0.3976??
式中，K為系數，L為坡長，a為邊坡坡角，n為邊坡坡面粗糙系數，δ為產流降雨強度。通過對此式的數學處理得到邊坡坡面流速的臨界坡角為41°左右；考慮到邊坡土壤侵蝕量是流量與流速的函數，進一步推導出公路邊坡土壤侵蝕量同樣存在一個臨界坡角，這個坡角大約在25°左右，這與公路邊坡常采用1∶1.5坡率很是接近，因此對邊坡的防護應引起足夠重視。?
邊坡在界降雨情況下不斷經受降雨的襲擊，其中一部分下滲，一部分在邊坡匯集，形成徑流，徑流在土顆粒表面產生剪切力，當這種力大到能抵消土的抗侵蝕能力時，土顆粒被徑流帶走，從而發生侵蝕，這種徑流的剪切力與土壤粒抵抗力之間的相互作用不同相可引起濺蝕、溶蝕、片蝕、溝蝕等不同的侵蝕現象。?
? 4邊坡防護類型及公路植物特性研究?
作者按照材料將路基防護分為3類：植物防護、圬工防護和綜合防護。防護分類如圖1。
通過對公路植物的特性研究，可得以下結論：?
(1)路基邊坡土質、酸堿度、氣候、降雨等是公路植物的主要因素，由于路基邊坡防護的特殊性，故草種、樹種的選擇有別于園林綠化；?
(2)應根據植物的類型、氣候適應性、土壤適應性、抗病性、抗侵蝕沖刷，易粗放管理等要求選擇適易的物種用于公路邊坡防護；?
(3)盡量選用本地的物種，其適應性遠遠優于引進物種。?
?5邊坡綜合防護設計原則與注意事項?
(1)“綜合設計、就地取材、以防為主、確保施工”是邊坡綜合防護設計的基本原則；?
(2)路基防護應按照設計、施工與養護相結合的原則，深入調查研究，根據當地氣候環境、工程地質和材料等情況，因地制宜，就地取材，選用適當的工程類型或采取綜合措施，以保證路基的穩固。不要輕易取消或減少必要的防護工程措施，而給養護遺留繁重的工作量；?
(3)路基防護措施是根據沿線不同土質巖性、水文地質條件、坡度、高度和當地材料、氣候等因地制宜選擇，應密切結合路面排水作綜合考慮；?
(4)護坡應優先考慮采用植物防護，當土質不宜植物生長及難以保證邊坡穩定時，要考慮經濟性、施工及效果，采用圬工防護或相應的輔助設施；?
(5)在防護方案設計時，應參照上述設計原則，初步選出護坡方法。在施工階段，要對每個邊坡的排水、土質等調查，根據調查結果變更原設計；?
(6)在不良的氣候和水文條件下，對粉砂、細砂與易于風化的巖石邊坡，以及黃土和黃土類邊坡，均宜在土石方施工完成后及時防護。路塹邊坡應根據邊坡巖層組成及坡面弱點分布情況考慮全面防護或局部防護；?
(7)對于土路堤的坡面鋪砌防護工程，最好待填土沉實或夯實后施工，并根據填料的性質及分層情況決定防護方式。鋪砌的坡面應預先整平，坑洼處應填平夯實；? (8)對于不宜采用植物或混凝土網格中空植草的破碎巖路塹邊坡，應綜合考慮地形關系、基巖風化破碎程度、地震、暴雨、漏水、施工難易及經濟性等因素，慎重選擇噴漿(混凝土)、護面墻，落石防治等方案；?
(9)混凝土網格中空植草護坡的目的，是防止受雨水侵蝕和風化嚴重的土質產生溝槽，及不適宜植物生長的土質和由于周圍環境需要綠化的地方。該護坡方法不能承受土壓力且造價高于植物護坡，使用時須充分分析；?
(10)對于水流、波浪、風力、降水以及其它因素可能引起起路基破壞的，均應設置防護工程。在沖刷防護設計中，可綜合考慮河道整治，使防護工程收到更好的效果；?
(11)對于沖刷防護，一般在水流流速不大及水流破壞作用較弱地段，可在沿河路基邊坡設砌石護坡、石籠和混凝土預制板等，以抵抗水流的沖刷和淘刷。需要改變水流或提高坡腳處的粗糙率，以降低流速、減緩沖刷作用時，可修筑壩類構造物。對于沖刷嚴重地段(急流區、頂沖地區)，可采用加固邊坡(砌石護坡)和改變水流情況的綜合措施；水下部分可視水流的淘刷情況，采用加固邊坡(砌石護坡)和改變水流情況的綜合措施；水下部分可視水流的淘刷情況，采用砌石、石籠或混凝土預制板等護底護腳。砌石基礎應置于沖刷線以下0.5～1.0m，水上部分采用輕型防護即可；?
(12)綜合防護應遵循"實用、經濟、美觀"的指導思想，明確"為行車服務"的目的，在實用、經濟的前提下，力求邊坡綠化三季有花。?
? 6高等級公路防護區劃的思想?
為了區分地理區域自然條件對公路防護影響的差異性，并在高速公路邊坡設計中對施工防護型式、植物物種選擇時有章可依，確保路基邊坡的穩定并節約投資，同時按照《公路自然區劃標準》(JTJ003-86)中關于"三級自然區劃由各地按有關規定自行劃分"的指導思想，有必要劃分不同地區植物防護主要類型。?
我省植物防護主要類型區劃以公路自然區劃標準為基礎，結合高等級公路邊坡防護的特點和我省已建高速公路的建設經驗，按照氣象、地質、地形、物種分布等因素的差異性，將全省劃分為A、B、C三個防護類型區(如河南省公路防護類型區劃圖)。?
? 7?河南省高等級公路邊坡綜合防護推薦方案??
??7.1??河南省?A區邊坡綜合防護推薦方案?
主要為黃河沖積所成的低液限粘土和低液限粉土，同時雨量集中，但年降雨量不大，四季分明，所以防護要求不高。間有鹽堿地，同時石料缺乏。結合上述研究結果，故推薦A區邊護綜合防護方案為：沿線路基邊坡除橋頭路基、水稻田等局部特殊路段采用漿砌混凝土預制塊防護外，一般采用植草或種草籽護坡，噴播更佳。?
??7.2?河南省?B區邊坡綜合防護推薦方案?
B區內嶺坡連綿，溝壑縱橫、切割嚴重，地表多為黃土覆蓋，淺層地層主要分布有第四系中新更新統黃土狀粘土圾上第三系上新統雜色泥巖，局部有寒武系、石灰巖出露。同時夏季雨量集中，沖刷防護極為重要。結合上述研究結果，故推薦B區邊坡綜合防護方案為：填方邊坡按8m、20m和大于20m分別采用邊坡坡度為1∶1.5、1∶1.75和1∶2，挖方邊坡根據土質不同采用不同邊坡坡度。應采用集中排水方式。沿線在綜合排水設施的基礎上，根據路堤、邊塹高度不同、淋雨坡面和地面徑流沖刷程度不同，采用漿砌片石護坡，漿砌片石護腳、漿砌砌片石擋土墻(該區內片石圬工較混凝土預制塊經濟)、預制混凝土網格中空植草、坡面噴草等綜合防護措施。?
??7.3?河南省?C區邊坡綜合防護推薦方案?
C區屬淮河沖湖積平原和江淮丘陵區，主要以嚴粘土及亞砂土為主，呈軟塑性。河道較為發育，水位深3～10m，多稻田和滯洪區。春旱秋雨，夏熱冬寒，干濕劇差，年降雨量在794～924mm以上，氣候相對多雨潮濕。因此必須采取有效的排水與防護措施，及時排除公路范圍內的水，并作好路基邊坡的浸水沖刷防護。推薦C區邊坡綜合防護方案為：沿線路基邊坡除橋頭路基(含錐坡)采用漿砌片石防護，局部特殊路段(水稻田、滯洪區等)采用漿砌片石或混凝土預制塊防護外，一般路段均采用路基下部0.5高度用漿砌片石或混凝土預制塊防護，上部采用植草或種草籽護坡。路基兩側的護坡道采用綠化或漿砌混凝土預制塊，邊溝采用混凝土預制塊護砌(在確保質量的前提下，優先選用漿砌片石)，土路肩均用厚8cm水泥混凝土預制塊鋪砌。?
? 8主要結論?
通過對高等級公路邊坡防護系統的綜合研究，得到以下主要結論和研究成果：
(1)剖析了路基邊坡的病害類型和原因，提出了在邊坡防護方面上的欠缺和在工程中缺乏綜合設計的觀點；?
(2)通過對邊坡水力學特性和鋟蝕機理的研究，建立了流速與降雨強度、坡長、坡角、粗糙系數的函數關系，確定了臨界坡角(41°左右)，經進一步推導得出公路邊坡侵蝕量同樣存在一臨界坡角(25°左右)；指出了公路邊坡侵蝕的影響因素和侵蝕機理；?
(3)通過對各種邊坡防護類型的分析及其特點研究，提出了防護類型選擇的原則；?
(4)通過對公路植物的特性研究及適應分析，推薦了公路常用植物的外觀特征、氣候、土壤適應性及建植、管理特點，使植物防護的選擇有據可循；?
(5)根據公路自然區劃和地質特點，首次提出了公路防護區劃的思想，并建立了河南省公路防護類型區劃；?
(6)提出了高等級公路邊坡綜合防護的設計原則；?
(7)根據上述的研究成果，推薦出了河南省不同區劃內的邊坡綜合防護設計方案，供設計人員。?
由本文初步提出的高等級公路邊坡病害分析和侵蝕機理研究結果，可為今后公路試驗科研部門提供參考；提出的邊坡防護類型，公路植物防護主要類型劃分以及邊坡典型綜合防護研究可為公路勘察、設計部門采納；其初步成果能為《高等級公路綜合防護加固技術研究》課題的完成乃至《公路防護設計規范》的制定有所裨益。
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