南寧公路路堤邊坡沖刷防護(hù)臨界高度研究

徐麗麗 杜靜 陽(yáng)利君

摘要：文章結(jié)合已有試驗(yàn)觀測(cè)文獻(xiàn)資料，通過(guò)類比、野外調(diào)研分析得出南寧公路路堤邊坡臨界高度數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)計(jì)單位案例，劃分植物防護(hù)與工程防護(hù)臨界路堤高度，為今后的路堤防護(hù)臨界高度設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：路堤邊坡;臨界高度;沖刷防護(hù)

0 引言

為保證路基穩(wěn)定，在路基兩側(cè)做成的具有一定坡度的坡面叫邊坡。邊坡暴露后，受各種氣候條件與自然因素的影響，容易發(fā)生變形和破壞，成為路基病害易發(fā)部位。在道路工程中，邊坡本身整體穩(wěn)定，但需防止坡面淺層滑塌和坡面沖蝕、碎落、掉塊，實(shí)踐中需要對(duì)邊坡采取防護(hù)措施以防止路基災(zāi)害發(fā)生。目前高速公路邊坡坡面防護(hù)措施主要有植物防護(hù)和工程防護(hù)，植物防護(hù)主要是在邊坡的坡面植草、植樹(shù)，因?yàn)楣こ塘啃。M(fèi)用低，在高度比較低的邊坡中應(yīng)用比較廣;而工程防護(hù)主要采用干砌片石護(hù)坡、漿砌片石護(hù)坡、漿砌預(yù)制塊護(hù)坡以及錨桿鋼絲網(wǎng)噴漿、噴射混凝土護(hù)坡等，工程防護(hù)的工程量大，成本高，但防護(hù)效果好，應(yīng)用也比較廣。目前高速公路邊坡沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)植物防護(hù)和工程防護(hù)的界限高度取值沒(méi)有規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算或者判斷標(biāo)準(zhǔn)，往往憑施工人員的經(jīng)驗(yàn)或投資預(yù)算，不論路堤高低，均為統(tǒng)一模式，或者不同單位設(shè)計(jì)的邊坡采取的經(jīng)驗(yàn)不同，同一個(gè)地區(qū)其取值也往往大不相同，需要防護(hù)的地方未能很好地防護(hù)，而部分不需防護(hù)的地方又大量設(shè)計(jì)了防護(hù)工程，浪費(fèi)了大量的工程建設(shè)資金。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)文獻(xiàn)類比、野外調(diào)研及案例相結(jié)合，可以較為合理地確定廣西南寧地域的植物防護(hù)與骨架植物護(hù)坡臨界高度值。

1 臨界高度的概念

當(dāng)邊坡高度較小，僅僅采用植物防護(hù)即可抵抗雨水沖刷，而在集中下水情況下，植物防護(hù)可抵抗雨水沖刷的最大高度，即為臨界高度。超過(guò)這一高度，僅僅采用植物防護(hù)，則防護(hù)效果不佳。見(jiàn)圖1。

確定合理的邊坡臨界高度值，有利于對(duì)邊坡防沖刷采取更具針對(duì)性的設(shè)計(jì)，在滿足臨界坡度的情況下，當(dāng)高度低于植被防護(hù)臨界高度，則可采取植被防護(hù)，減少工程量，節(jié)約大量工程資金。

2 邊坡沖刷機(jī)理

2.1 雨水沖刷機(jī)理

降雨沖刷的最初形式為擊濺。雨滴以7～9 m/s的平均速度落向地面，產(chǎn)生巨大沖擊力，致使土顆粒濺起，原本成團(tuán)的土粒分散、土塊受到破壞并遷移，形成了豐富的松散顆粒;隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，坡面土顆粒逐漸形成泥漿，并最終在坡面形成薄層水流，在水流很小時(shí)，其攜帶泥沙的能力比較弱。隨著水流的向下流動(dòng)，一路不斷有雨水、雜質(zhì)、植物莖葉、土顆粒等填充進(jìn)來(lái)，流體逐漸變深變大。而雨滴的濺擊、流體所經(jīng)的溝側(cè)壁彎曲、溝底的高低起伏，使流體形成紊流和旋渦，對(duì)坡面造成了更大的侵蝕，使坡面土壤分離，土塊滾落。坡面的沖蝕大致發(fā)生在這個(gè)階段。

2.2 植物防沖刷機(jī)理

公路邊坡上采取植物防護(hù)，種植草皮，既能美化道路景觀，又能促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)，同時(shí)植物根系加強(qiáng)了淺層土壤的抗剪強(qiáng)度，植物莖葉阻截水流，削弱濺蝕，防止沖刷。一方面，植物根系具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，草本植物屬淺根類型，在土層中，植物根系與土盤結(jié)纏繞，試驗(yàn)證明草本植物根系的加筋增大了黏性土的c、φ值，同時(shí)植物根系對(duì)土粒的網(wǎng)兜包裹效應(yīng)阻止了土粒松散解離。植物根系與邊坡表土組成的加筋層厚度一般為坡面上0～30 cm。另一方面，草本植物莖葉可削弱雨滴濺蝕，同時(shí)有效地阻截、分散水流，防止邊坡坡面徑流沖刷，減弱坡面水流的侵蝕作用。

2.3 骨架植物護(hù)坡防沖刷機(jī)理

有研究表明，根系對(duì)土體的力學(xué)加固效應(yīng)一般僅存在于地表以下1.5 m的深度范圍內(nèi)，因此當(dāng)坡長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，土質(zhì)條件不好，單獨(dú)采用植物防護(hù)已不能滿足防護(hù)要求。同時(shí)水的蒸騰作用發(fā)生在降雨間歇，速率低，一旦遇暴雨或連續(xù)降雨，坡面水流的短時(shí)大幅抬升會(huì)造成斜坡的不穩(wěn)定。植物生長(zhǎng)引起土體干裂縫，各種動(dòng)物通道、膨脹裂縫等又會(huì)使斜坡吸收除攔截?fù)p失之外的幾乎所有降水，加劇斜坡蠕變。在植物根系的新陳代謝下有機(jī)質(zhì)的腐化與降解等會(huì)向土體中釋放一系列酸性物質(zhì)，提高滲入水的酸度及侵蝕性，促進(jìn)水巖反應(yīng)，這些對(duì)斜坡蠕變及滑坡孕育產(chǎn)生了助推作用，此時(shí)不再適合僅僅只做植物防護(hù)，可采取工程護(hù)坡。即在公路邊坡坡面上，用片石或砌塊骨架將長(zhǎng)大的坡面分割成若干有骨架支撐的小坡面，并種植植被，進(jìn)行分而治之。一方面骨架可以阻截引導(dǎo)水流，減小沖刷;另一方面分而治之后，大塊坡面被分成小塊窗格，不穩(wěn)定土體的范圍和厚度都大大減小，同時(shí)骨架有效支撐了將要滑動(dòng)的土塊體，保證了邊坡穩(wěn)定。實(shí)踐中，此種形式護(hù)坡在黃土路堤中得到了很好的應(yīng)用。

3 植物護(hù)坡與工程護(hù)坡的臨界高度

3.1 臨界高度的理論計(jì)算

均為土壤的物理性質(zhì)，但對(duì)于長(zhǎng)大坡面而言，這些參數(shù)也是變化的，不同路段參數(shù)不一，則導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不一樣;同時(shí)式中h為水流水深，影響因素眾多，如坡面的入滲率、當(dāng)時(shí)的降雨強(qiáng)度、坡面高度、坡面長(zhǎng)度等，利用公式計(jì)算的臨界高度只具有參考價(jià)值，沒(méi)有普適意義，因此工程實(shí)踐中利用理論公式計(jì)算臨界高度不太現(xiàn)實(shí)，鑒于影響因素復(fù)雜，建議應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)、野外調(diào)研最終確定。

3.2 臨界高度的試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果分析

影響土體沖刷的其中一個(gè)重要因素是坡長(zhǎng)，李志剛研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)江蘇邳州段的一段坡長(zhǎng)從3.5～10 m的黏土路堤進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，得出坡長(zhǎng)（路堤高）與侵蝕深度呈冪指數(shù)關(guān)系：

此試驗(yàn)以江蘇邳州地區(qū)的氣候和邳州段高速公路為對(duì)象，當(dāng)y=10 mm時(shí)，坡面呈現(xiàn)嚴(yán)重的沖刷，可判定植草防護(hù)已經(jīng)無(wú)法滿足沖刷防護(hù)要求，應(yīng)該采用工程防護(hù)，根據(jù)式（2），得出工程防護(hù)與植草防護(hù)的臨界高度為6.1 m。同時(shí)其通過(guò)對(duì)地處蘇北地區(qū)高速公路調(diào)研發(fā)現(xiàn)，邊坡在6 m左右的植物防護(hù)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的沖刷，而超過(guò)6.5 m的則發(fā)現(xiàn)有大的沖刷。研究還發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡沖刷的影響不可忽略，李志剛科研團(tuán)隊(duì)以邳州地區(qū)從1986—2000年來(lái)的最大雨強(qiáng)（30 mm/10 min）作為試驗(yàn)雨強(qiáng)進(jìn)行了邊坡沖刷防護(hù)臨界高度的野外試驗(yàn)，并結(jié)合野外觀測(cè)試驗(yàn)、實(shí)地邊坡沖刷調(diào)研得出可將江蘇省高速公路黏土路堤邊坡植被防護(hù)與工程防護(hù)的臨界高度設(shè)置為4.5 m。

廣西壯族自治區(qū)首府南寧市，緯度低，太陽(yáng)終年輻射強(qiáng)，夏季氣溫高，雨水充沛。每年的4～9月為降雨汛期，受海洋暖氣團(tuán)的影響，從5月開(kāi)始出現(xiàn)暴雨，并且暴雨來(lái)勢(shì)急促。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南寧多年平均降雨量為1 302.6 mm，最大年降雨量為1 970.6 mm（1923），最小年降雨量為830.1 mm（1989）;多年平均相對(duì)濕度為65%;多年平均蒸發(fā)量為1 736.6 mm。對(duì)比江蘇邳州的氣候特點(diǎn)，南寧比邳州的年均降水量多400 mm左右，按《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》“圖9.1.7-1中國(guó)5年一遇10 min降雨強(qiáng)度圖”，廣西南寧為2.7 mm/min，而江蘇邳州為2.6 mm/min，說(shuō)明南寧的降雨強(qiáng)度比邳州稍強(qiáng)。南寧屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽(yáng)光充足，雨量充沛，霜少無(wú)雪，氣候溫和，公路邊坡的植被可保持四季常青，存活率及覆蓋率均高，對(duì)防止邊坡沖刷起到重要的作用。有研究表明，隨著植被覆蓋率的增加，坡面徑流與侵蝕產(chǎn)沙量明顯減少，但影響程度有限。綜合以上，廣西南寧的植物護(hù)坡與工程護(hù)坡的臨界高度可選擇6 m。

3.3 南寧公路邊坡植物防護(hù)臨界高度調(diào)研

南寧的氣候條件適合植物生長(zhǎng)，邊坡植物的成活率高，但南寧雨季雨量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)并未有學(xué)者在南寧實(shí)行野外試驗(yàn)，工程界對(duì)于臨界高度的選擇也莫衷一是。本次研究特選擇南寧吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路工程（城市快速路段）和南寧市長(zhǎng)虹路主干道道路工程，進(jìn)行公路邊坡植物防護(hù)與工程防護(hù)沖刷狀況調(diào)研，希望得到臨界高度的調(diào)研值，為工程設(shè)計(jì)做參考，調(diào)研結(jié)果如表1所示。

南寧某機(jī)場(chǎng)高速公路工程（城市快速路段），設(shè)計(jì)時(shí)速主車道80 km/h、輔道40 km/h，道路沿線地貌為盆地邊緣丘陵，局部地段起伏較大，場(chǎng)地內(nèi)的淺表層土主要為黃、灰黃色填筑土，稍密狀態(tài)，有一定均勻性，易擾動(dòng);主要成分為黏性土。

其路基邊坡防護(hù)主要采取以下兩種：

（1）當(dāng)路基挖方高度<6 m時(shí)坡面設(shè)置綠化植草護(hù)坡。

（2）路基挖方邊坡高度>6.0 m的區(qū)域，坡面采用拱形骨架防護(hù)，沿線每隔100～150 m設(shè)一道檢修人行步梯。骨架護(hù)坡平面如圖2所示。

防護(hù)工程漿砌片石的施工質(zhì)量要求按照設(shè)計(jì)和規(guī)范要求執(zhí)行，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的斷面尺寸進(jìn)行施工，盡可能地滿足線條流暢、直順、美觀大方的要求。砌體采用坐漿擠漿法施工，機(jī)拌砂漿砌石，分層錯(cuò)縫，嵌填飽滿。

噴播草籽施工程序?yàn)椋哼吰聶z驗(yàn)→邊坡修整→噴播草灌種子→覆蓋無(wú)紡布→養(yǎng)護(hù)管理→綠化成坪。施工期間，保證出苗率，后期做好苗期養(yǎng)護(hù)管理工作，及時(shí)補(bǔ)苗。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)理論計(jì)算、文獻(xiàn)類比、野外調(diào)研以及設(shè)計(jì)單位的案例分析，就南寧市而言，高速公路黏土邊坡的植物防護(hù)與工程防護(hù)的臨界高度，建議可設(shè)為6 m，6 m以上才采用工程防護(hù)，6 m以下發(fā)揮植被防護(hù)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約工程資金，美化道路景觀，促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)。數(shù)據(jù)僅供工程設(shè)計(jì)參考，但考慮邊坡土質(zhì)不同、植被類型對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，此界限高度還需要大量工程實(shí)踐驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]王興元.路堤邊坡防護(hù)高度研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011（8）：141-143.

[2]仝 召，馬 駿，關(guān)曉靜.骨架植物護(hù)坡在黃土路堤邊坡防護(hù)中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（19）：120-123.

[3]王文生，楊曉華，謝永利.公路邊坡植物的護(hù)坡機(jī)理[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（4）：26-30.

[4]徐則民，黃潤(rùn)秋，唐正光，等.植被護(hù)坡的局限性及其對(duì)深層滑坡孕育的貢獻(xiàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（3）：438-450.

[5]王瑞鋼，閆澍旺，鄧衛(wèi)東.降雨作用下高填土質(zhì)路堤邊坡的滲流穩(wěn)定分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004（4）：28-33.

[6]李志剛，劉建民.高等級(jí)公路路堤邊坡沖刷防護(hù)臨界高度野外模擬試驗(yàn)研究[J].公路，2003（10）：43-46.

[7]李志剛，王春輝.公路邊坡沖刷機(jī)理初探[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（3）：43-45.

[8]李志剛，吳 偉，陳云鶴.高速公路路堤邊坡沖刷防護(hù)臨界高度初探[J].公路交通科技，2003（2）：24-27.

[9]李志剛，錢七虎，陳云鶴.土工構(gòu)造物邊坡沖刷臨界坡度的研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004（2）：78-80.

[10]單 煒，孫玉英，王 強(qiáng)，等.高等級(jí)公路邊坡植物護(hù)坡機(jī)理與深根錨固作用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（11）：59-60，63.

收稿日期：2020-05-27