論高速公路路基邊坡沖刷防護技術(shù)

韋純國　王世容

摘要 高速公路路基邊坡是公路工程的重要組成部分，其抗沖刷能力及穩(wěn)定性直接影響公路的安全運營。基于此，文章針對路基邊坡沖刷防護問題進行研究，對常見防護技術(shù)進行了防護效果對比分析，提出一種排水+加固聯(lián)合防護方案，結(jié)合排水工程和加固工程綜合改善邊坡的滲流條件、抗沖刷能力，將該方案應(yīng)用于實際工程案例，驗證其防護效果，證明該方案的可行性較高。

關(guān)鍵詞 高速公路工程；路基邊坡；防沖刷技術(shù)；技術(shù)要點

中圖分類號 U416.1文獻標(biāo)識碼A文章編號 2096-8949（2023）16-0072-03

0 引言

高速公路路基邊坡穩(wěn)定性直接影響高速公路的運營維護。由于高速公路路基邊坡通常處于開挖或填筑狀態(tài)，易受降雨、地下水、地震等因素的影響，導(dǎo)致邊坡發(fā)生沖刷、滑動、崩塌等破壞現(xiàn)象，給高速公路造成嚴(yán)重危害[1-3]。因此，采取有效防護技術(shù)，提高邊坡的穩(wěn)定性是高速公路工程中必不可少的工作。

1 常見路基邊坡的防護技術(shù)

1.1 排水防護技術(shù)

水是導(dǎo)致邊坡沖刷破壞的主要因素，排水防護技術(shù)是通過設(shè)置排水系統(tǒng)或改善土體滲透性來降低邊坡內(nèi)部的水壓和水位，其主要原理是通過控制邊坡的滲流場，降低邊坡內(nèi)部的水壓和水位，從而減少水對邊坡穩(wěn)定性的不利影響，提高邊坡的抗滑能力，防止邊坡發(fā)生沖刷破壞。

1.2 工程防護技術(shù)

工程防護技術(shù)是通過設(shè)置護面墻、植被混凝土、錨桿、土釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)或材料來增加邊坡的抗剪強度和抗滑能力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性[4]。

2 防護技術(shù)對比

2.1 坡率法

坡率法是一種通過控制邊坡高度、坡度，使邊坡自身達到穩(wěn)定目的的人工放坡設(shè)計方法。該方法施工簡單、成本低、無需額外支護結(jié)構(gòu)，條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮此方案。

2.2 抗滑樁

抗滑樁的基本原理是將樁插入滑面以下的穩(wěn)固地層內(nèi)，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用平衡滑坡推力，從而穩(wěn)定滑坡?？够瑯陡鶕?jù)錨固方式可分為單錨固樁、雙錨固樁、多錨固樁等。

2.3 擋土墻

擋土墻的作用是將邊坡土體壓力傳遞到墻體基礎(chǔ)上，同時利用排水系統(tǒng)或滲透性材料來降低土壓力，從而保證邊坡穩(wěn)定性。擋土墻的設(shè)計應(yīng)考慮墻體的穩(wěn)定性、強度、變形、經(jīng)濟性等因素，以及地基承載力和地震作用等參數(shù)。

2.4 排水工程

排水工程是一種通過設(shè)置排水系統(tǒng)或改善土體滲透性來降低邊坡內(nèi)部的水壓和水位，減少水對邊坡穩(wěn)定性不利影響的防護技術(shù)，其原理是控制邊坡的滲流場，使邊坡內(nèi)部水分得以有效排除或利用，從而保持邊坡土體干燥穩(wěn)定。

3 路基邊坡沖刷防護加固措施

3.1 排水工程

地表排水：設(shè)溝渠、管道、槽道等結(jié)構(gòu)及時排走邊坡表面的降雨、地表水，防止其滲入邊坡內(nèi)部，造成邊坡飽和或軟化。

平孔排水：通過平行于邊坡表面的排水孔，將邊坡內(nèi)部的滲流水引出，降低邊坡內(nèi)部的孔隙水壓，增加邊坡的有效應(yīng)力。平孔排水適用于土質(zhì)良好、滲透性好、地下水位低、邊坡高度小的情況[5]。

斜向排水孔：傾斜于邊坡表面的排水孔引出邊坡內(nèi)部的滲流水，降低邊坡內(nèi)部的孔隙水壓，增加邊坡的有效應(yīng)力。斜向排水孔適用于土質(zhì)差、滲透性差、地下水位高、邊坡高度大的情況。

截水溝：通過邊坡下部的溝渠截斷或?qū)Я鞯叵滤?，減少其對邊坡的侵蝕浸潤作用。

3.2 加固工程

加固工程是指通過設(shè)置結(jié)構(gòu)或材料，增加邊坡的抗剪強度和抗滑能力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性?；诼坊庸桃蠹皼_刷特點選用土釘加固措施，將鋼筋作為土釘，插入邊坡內(nèi)部，通過土釘?shù)腻^固作用，將邊坡內(nèi)部土體拉緊，使其產(chǎn)生一定預(yù)應(yīng)力，同時利用土釘與土體之間的摩擦力、黏著力抵抗邊坡滑動力。土釘加固的設(shè)計應(yīng)考慮土釘?shù)拈L度、直徑、間距、傾角、錨固段長度等因素，以及邊坡地質(zhì)條件、工程條件等參數(shù)。

4 排水工程與加固工程方案分析

4.1 模型建立和模型相關(guān)理論

采用排水工程與加固工程聯(lián)合防護方案，提高邊坡穩(wěn)定性。首先，根據(jù)前文試驗?zāi)Ｐ痛_定防治方案布置圖，如圖1所示。其次，利用測斜儀測量邊坡不同深度的水平位移變化，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合防護方案可有效降低位移。最后，運用GeoStudio軟件分析聯(lián)合防護方案的排水效果和邊坡穩(wěn)定性。

4.1.1 模型建立

為模擬降雨入滲對邊坡的影響，利用GeoStudio軟件建立邊坡模型，模型尺寸為20 m×15 m，網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m。模型中設(shè)置黏性土、排水孔、土釘、溝渠以及截水溝材料。模型中假定以下幾種邊界條件和初始條件。

（1）邊界條件：左側(cè)和底部為零位移邊界；右側(cè)為自由邊界；上部為自由應(yīng)力邊界；溝渠和截水溝內(nèi)部為恒定水頭邊界（h=0）；排水孔內(nèi)部為零流量邊界[6]。

（2）初始條件：初始應(yīng)力狀態(tài)為自重平衡狀態(tài)；初始水壓狀態(tài)為靜水壓力狀態(tài)；初始溫度狀態(tài)為恒定溫度狀態(tài)（T=20 ℃）。水頭邊界確定的情況下開展邊坡土體滲流穩(wěn)態(tài)分析，作為模型滲流場分析的初始條件，具體如圖2所示。

（3）加載條件：降雨載荷（q=10 mm/h）作用于邊坡表面；地震載荷（a=0.15 g）作用于底部；土釘預(yù)應(yīng)力（P=100 kN）作用于土釘錨固段。

（4）觀測條件：在邊坡內(nèi)部設(shè)置了測斜儀，用于測量邊坡的位移和應(yīng)力；在邊坡內(nèi)部設(shè)置了水壓計，用于測量邊坡的水壓和水位；在邊坡內(nèi)部設(shè)置溫度計，用于測量邊坡土體溫度。

4.1.2 模型的相關(guān)理論

（1）滲流條件下邊坡穩(wěn)定性理論。極限平衡法是一種常用的計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)的方法，其基本思想是將邊坡劃分為若干個滑動體，假設(shè)滑動體之間無相互作用，然后根據(jù)力學(xué)平衡條件求解滑動體的內(nèi)力和外力，從而得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。極限平衡法有多種形式，如簡單斜面法、雙楔形法、圓弧法、拋物線法等。該文采用圓弧法來計算邊坡在滲流條件下的穩(wěn)定系數(shù)，即假設(shè)滑動面為圓弧形。在滲流條件下，邊坡受到自重、水平力、土釘預(yù)應(yīng)力等作用，同時排水孔會改變邊坡內(nèi)部的水壓分布。因此，在計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時，需要考慮這些因素的影響。根據(jù)極限平衡法，考慮水平力作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的表達式如下：

4.2 排水效果分析

利用流線圖對比分析了排水平孔對邊坡防護效果的影響：①未設(shè)置排水平孔的邊坡，流線密集，表明邊坡內(nèi)水流難以排出。②設(shè)置排水平孔后的邊坡，流線稀疏，表明邊坡內(nèi)水流能夠有效排出。因此，排水平孔能夠改善邊坡的排水效果[8]。

4.3 加固后路基邊坡的穩(wěn)定性分析

對比排水工程、加固工程聯(lián)合方案對路基邊坡穩(wěn)定性的影響。通過圖3可以看出，僅通過設(shè)置排水孔，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)雖然有所提高，但是效果不明顯。而通過設(shè)置土釘進行加固，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在沖刷過程中接近于2，表明邊坡的穩(wěn)定性得到了極大增強。因此，排水工程和加固工程聯(lián)合方案是一種有效的邊坡防護加固方法。

5 聯(lián)合防護方案在高速公路路基邊坡的應(yīng)用分析

將排水工程與加固工程聯(lián)合防護方案應(yīng)用于高速公路路基邊坡的防護，以某高速K4+000～K4+600為例進行效果研究。首先，利用GeoStudio軟件建立高速公路路基邊坡的模型，分析設(shè)置聯(lián)合防護方案前后的流線分布，如圖4所示；其次，比較設(shè)置聯(lián)合防護方案前后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化，如圖4所示；最后，評價聯(lián)合防護方案對高速公路路基邊坡的防護效果。

從圖4可以看出，設(shè)置聯(lián)合防護方案前，降雨時邊坡土體內(nèi)流線密集，說明雨水在土體內(nèi)滲透較多；設(shè)置聯(lián)合防護方案后，邊坡土體內(nèi)流線稀疏，說明雨水被排水孔攔截并排出較多。這表明聯(lián)合防護方案可以改善邊坡的排水效果，減少雨水對土體的浸潤。

設(shè)置聯(lián)合防護方案前，隨著時間增長邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降，說明邊坡穩(wěn)定性降低；設(shè)置聯(lián)合防護方案后，隨著時間增長邊坡穩(wěn)定系數(shù)上升，說明邊坡穩(wěn)定性提高。這表明聯(lián)合防護方案可以增強邊坡的抗沖刷能力，提高邊坡的安全性[9]。

6 結(jié)論

綜上所述，該文研究了路基邊坡沖刷災(zāi)害的防護技術(shù)，以某高速公路K4+000～K4+600為例，采用排水工程和加固工程的聯(lián)合方案進行防護。主要結(jié)論如下：

（1）路基邊坡的防護技術(shù)主要分為排水防護和工程防護兩類，其中排水防護包括地面排水工程和平孔排水，工程防護包括坡率法和抗滑樁等。不同的防護技術(shù)有各自的適用條件、優(yōu)缺點和造價水平。

（2）聯(lián)合方案是將排水工程和加固工程相結(jié)合的一種綜合防護方法，可以有效地提高路基邊坡的排水效果和穩(wěn)定性，減少沖刷災(zāi)害的發(fā)生和危害。

（3）通過建立數(shù)值模型，對聯(lián)合方案進行了模擬分析，對比了設(shè)置防護方案前后路基邊坡的流線分布、穩(wěn)定系數(shù)和可靠度，驗證了聯(lián)合方案的防護效果。結(jié)果表明，設(shè)置防護方案后，路基邊坡的流線分布更加合理，穩(wěn)定系數(shù)和可靠度都顯著提高。

參考文獻

[1]趙川波. 高速公路路基邊坡的滑塌防護施工技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 工程機械與維修， 2023（2）： 102-104.

[2]蒙禮超. 山區(qū)高速公路路基邊坡防護方案比選分析[J]. 西部交通科技， 2023（2）： 58-60.

[3]魏海寶. 高速公路路基邊坡防護及支護施工技術(shù)[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計， 2022（15）： 184-186.

[4]尹峰. 高速公路路基邊坡綠色防護措施研究[J]. 建設(shè)科技， 2022（2）： 88-90.

[5]陳小洪. 高速公路路基邊坡防護及支護施工技術(shù)[J]. 工程技術(shù)研究， 2021（16）： 85-86.

[6]孫慧文. 高速公路路基邊坡的滑塌防護施工技術(shù)[J]. 黑龍江交通科技， 2021（6）： 48-49.

[7]黃飛. 高速公路路基邊坡防護及支護技術(shù)探討[J]. 建材發(fā)展導(dǎo)向， 2021（4）： 64-65.

[8]趙明峰. 高速公路路基邊坡的滑塌防護施工技術(shù)[J]. 四川建材， 2020（10）： 117-118.

[9]郭銳. 公路路基邊坡滑塌防護設(shè)計研究[C]//中國智慧工程研究會智能學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究工作委員會. 2020萬知科學(xué)發(fā)展論壇論文集（智慧工程一）， 2020： 294-301.