不同生態(tài)防護(hù)措施下的道路邊坡侵蝕特征研究

曾 征

重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400020

隨著基礎(chǔ)交通網(wǎng)的完善和城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進(jìn)，道路工程的建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大。裸露的邊坡坡面在降雨、風(fēng)化等因素作用下，容易出現(xiàn)表面侵蝕現(xiàn)象。道路邊坡侵蝕會導(dǎo)致邊坡沖蝕、剝落等淺層病害，淺層病害發(fā)展到一定程度會影響邊坡的整體穩(wěn)定性。如果對道路邊坡防護(hù)不當(dāng)，會影響道路運(yùn)營期間的行車安全，甚至造成嚴(yán)重的交通事故。目前，我國相關(guān)部門對道路建設(shè)期間的生態(tài)環(huán)保要求更加嚴(yán)格，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的邊坡生態(tài)防護(hù)措施已經(jīng)成為工程師要解決的重要問題[1]。因此，研究不同生態(tài)防護(hù)措施下的邊坡侵蝕特征具有十分重要的工程意義。

1 道路邊坡沖刷機(jī)理分析

（1）降雨濺擊。路基邊坡坡面發(fā)生沖刷的實(shí)質(zhì)是坡面土體小于水流搬移力時(shí)，坡面水流將土顆粒剝離，而水流搬移力主要源于降雨濺擊。降雨濺擊是路基邊坡坡面沖刷的最初形式，相關(guān)研究表明，當(dāng)雨滴平均降落速度為8～10m/s時(shí)，會對坡面土體產(chǎn)生較大沖擊力，導(dǎo)致土顆粒因?yàn)R擊而侵蝕[2]。降雨濺擊坡面可分為三個(gè)階段：①干土濺散階段。降雨初期，雨滴濺擊到干燥坡面，土顆粒未能及時(shí)吸取雨水，而被雨滴濺散。②泥漿濺散階段。降雨時(shí)間持續(xù)增加，邊坡坡面土體結(jié)構(gòu)被破壞，土顆粒間的空隙被水分充填，當(dāng)坡面土體水分達(dá)到飽和程度，土呈泥漿狀，受雨滴沖擊后也會濺散。③層狀侵蝕階段。降雨歷時(shí)繼續(xù)增加，坡面表層的泥漿將阻塞土孔隙，減小其滲透性，雨水以徑流方式在坡面漫流，導(dǎo)致邊坡表層土顆粒不斷流失，屬于降雨濺擊最嚴(yán)重的階段。

（2）坡面沖刷影響因子。路基邊坡坡面沖刷受到多因素的綜合影響，可用函數(shù)表示如下：

式中：I為降雨強(qiáng)度；α為邊坡坡角；L為邊坡坡長；λ為邊坡入滲率；n為坡面粗糙系數(shù)；d為土顆粒平均直徑。

2 道路邊坡生態(tài)防護(hù)措施

2.1 普通生態(tài)防護(hù)措施

（1）植物防護(hù)。①鋪草皮護(hù)坡：施工時(shí)間短、施工技術(shù)簡單，能夠適應(yīng)惡劣的外界環(huán)境，是一種應(yīng)用廣泛的道路路基邊坡防護(hù)技術(shù)，該方法是通過相關(guān)設(shè)備把草坪鏟起運(yùn)輸?shù)骄G化場地，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求鋪植，但是在鋪草皮時(shí)，草種不能過于單一，否則可能引起蟲害。②植生袋護(hù)坡：該護(hù)坡草種、肥料、保水劑等按照設(shè)計(jì)比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅度改善草種出苗率，能夠減緩邊坡風(fēng)化速度、減少雨水侵蝕，適用于各種環(huán)境。③三維植被網(wǎng)護(hù)坡：基礎(chǔ)層是熱塑性樹脂經(jīng)雙向拉伸后形成的方形網(wǎng)格，可以將土壤和草種固定在坡面。“網(wǎng)包”的存在可以消減雨水下降的勢能（使雨水在坡面繞流），降低雨水對坡面土體的侵蝕量，同時(shí)三維植被網(wǎng)相互交錯(cuò)，會對坡面土壤起到一定的加筋作用，進(jìn)一步提高邊坡抗沖刷能力。

（2）土工合成材料植草護(hù)坡。土工合成材料具有結(jié)構(gòu)性能良好、不易降解、質(zhì)量較輕等優(yōu)勢。將土工合成材料與植物草種混合用于道路路基邊坡防護(hù)在質(zhì)量和造價(jià)方面都具有一定的優(yōu)勢。常用的土工織物生態(tài)防護(hù)形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。土工織物植草應(yīng)用于路基邊坡防護(hù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮邊坡巖體性質(zhì)、邊坡幾何參數(shù)等因素，一般適用于坡度緩于1∶1的殘積土或軟巖路塹邊坡及硬質(zhì)巖填筑的路堤邊坡。在施工之前，應(yīng)將路基邊坡表面雜物清理干凈，確保坡面的平整[3]。同時(shí)，可以根據(jù)坡面實(shí)際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距在20cm左右，以減少水土流失，給草種提供良好的生長環(huán)境。

（3）植生混凝土護(hù)坡。植生混凝土防護(hù)路基邊坡是一種多功能綠色環(huán)保防護(hù)技術(shù)，根據(jù)功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質(zhì)的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。植生混凝土結(jié)構(gòu)組成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等，其中多孔混凝土具有良好的透氣性，屬于基本骨架結(jié)構(gòu)；保水材料是由有機(jī)質(zhì)保水劑和無機(jī)保水劑混合所得，主要作用是為草種生長提供一定的水分。

2.2 新型生態(tài)防護(hù)措施

筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)用于道路邊坡防護(hù)，即植物聚丙烯纖維護(hù)坡技術(shù)。該技術(shù)是將土體、聚丙烯纖維、草種、水、保水劑均勻的拌在一起，然后通過專用噴播機(jī)將混合物噴射到預(yù)防護(hù)邊坡的一種高質(zhì)量、現(xiàn)代化的新型防護(hù)技術(shù)。聚丙烯纖維護(hù)坡技術(shù)借鑒了液壓噴播植草技術(shù)，通過液壓噴播技術(shù)可以在很大程度上提高坡面種植效率，能夠使播種、防護(hù)等多種工序一次性完成，不僅提高了坡面建植的速度和質(zhì)量，還能夠克服不良自然條件的影響，滿足各種條件下坡面建植的需要。與此同時(shí)，在良好的保濕條件下，草種能迅速萌發(fā)。因此，植物聚丙烯纖維護(hù)坡技術(shù)不僅能夠起到防護(hù)坡面的作用，還能美化自然環(huán)境、維持生態(tài)相對平衡。結(jié)合相關(guān)研究成果，筆者建議設(shè)置邊坡坡頂?shù)木郾├w維加筋土厚度為10～15cm，設(shè)置坡面聚丙烯纖維加筋土厚度為8cm。此外，由于聚丙烯纖維加筋土的入滲性能相對較差，為了將坡頂?shù)姆e水順利排出，參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）和《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T-D33—2012）中的排水設(shè)計(jì)方法，將坡頂?shù)木郾├w維加筋土防護(hù)布設(shè)一個(gè)3%的橫向坡度，便于坡頂積水的排出，減少雨水的下滲量，從而更好地保護(hù)邊坡坡頂，加筋土防護(hù)邊坡示意圖如圖1所示。

圖1 加筋土防護(hù)邊坡示意圖

3 道路邊坡加固前后侵蝕特征分析

3.1 工程概況

為了評價(jià)不同生態(tài)防護(hù)措施在邊坡防護(hù)中的應(yīng)用效果，文章依托某公路路基邊坡開展現(xiàn)場降雨沖刷試驗(yàn)，得到各防護(hù)形式下的坡面侵蝕特征。道路邊坡防護(hù)方式選擇植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纖維加筋土防護(hù)，坡面侵蝕特征通過產(chǎn)沙強(qiáng)度來評價(jià)。該公路沿線地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水位低，地形起伏較大，坡體地面標(biāo)高約為205.8～262.5m，自然坡角最大約為20°～27°。坡體組成物質(zhì)表層為粉質(zhì)黏土，厚度約為1.20～3.10m，其下為砂質(zhì)黏性土，厚度約為4.40～8.50m，再下基巖為強(qiáng)風(fēng)化混合巖，厚度約為9.40～12.50m，其下為中風(fēng)化混合巖。降雨設(shè)備采用自制人工降雨模擬器，降雨強(qiáng)度為20mm/h，降雨歷時(shí)60min，同時(shí)選擇相同邊坡高度和坡度的裸坡作為空白對照。

3.2 邊坡侵蝕結(jié)果分析

邊坡沖刷試驗(yàn)開始后每隔5min采集一個(gè)沖刷水樣，測定各降雨時(shí)段內(nèi)坡面的徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙強(qiáng)度，得到了邊坡坡面加固前后的產(chǎn)沙強(qiáng)度。邊坡坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與降雨時(shí)間關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 邊坡坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度與降雨時(shí)間關(guān)系圖

由圖2可知，隨著降雨歷時(shí)的增加，不同防護(hù)形式下的道路邊坡產(chǎn)沙強(qiáng)度不斷提高，但提高速率逐漸變緩，其中植草護(hù)坡產(chǎn)沙強(qiáng)度最大，纖維加筋土護(hù)坡產(chǎn)沙強(qiáng)度最小。在坡面沖刷初始階段（0～20min），雨水沖刷作用明顯，坡面侵蝕嚴(yán)重，水流通道多，雨水主要以濺擊坡面土體，坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度增加幅度大。當(dāng)坡面沖刷時(shí)間超過20min后，水流下滲作用減弱，產(chǎn)沙強(qiáng)度增長緩慢。降雨結(jié)束后植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纖維加筋土防護(hù)的邊坡產(chǎn)沙強(qiáng)度分別達(dá)到了4.8kg/min、3.7kg/min、3kg/min、2.6kg/min，這說明聚丙烯纖維加筋土抗侵蝕性能最好。

4 結(jié)論

降雨濺擊是路基坡面沖刷的最初形式，主要包括干土濺散、泥漿濺散、層狀侵蝕三個(gè)階段。道路邊坡常見生態(tài)防護(hù)形式包括植物防護(hù)、土工合成材料植草護(hù)坡、植生混凝土護(hù)坡及其他新型防護(hù)措施。不同生態(tài)防護(hù)措施下的道路邊坡產(chǎn)沙強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)的增加而增加，但提高速率逐漸變緩，且植草護(hù)坡抗侵蝕能力最差。