高等级公路边坡防护系统探讨

    1前言
    随着我国公路建设的飞速发展，高等级公路边坡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12％，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·d1.12·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。
    如前所述，由于理论研究上的不足和设计上的随意性，同时由于国内外不同地区的地理、气候及工程建设规模的差异，决定了不同地区综合防护方案的差异性，所以在侵蚀冲刷机理研究的基础上，对不同地区的高等级公路边坡进行综合系统研究，提出最佳防护设计方案已迫在眉睫。
    反思我省的高等级公路边坡防护现状，虽然做了许多实验性尝试，采用了多种防护型式，基本达到了预期防护效果，但仍有许多沉痛的教训值得认真总结，如郑洛路九标1996年边坡水毁，开郑路边坡水毁索赔、安新路个别路段大面积边坡混凝土预制块坍滑等等，归纳起来存在的问题有：
    (1)缺乏系统的防护方案、措施研究和综合设计；
    (2)在防护方案、防护型式选择方面缺乏技术、工程经济比较分析；
    (3)植物物种选择方面，随意性过大，缺乏和园林部门的探讨研究；
    (4)由于各地区的差异，缺乏各分区最佳防护典型型式，致使设计人员难以操作。
    总之，上述问题的存在，使我省边坡防护设计可能一方面是工程达到了防护效果却浪费了大量的工程投资，另一方面是防护不当导致了路基边坡的早期病害。
    3边坡侵蚀机理研究
    通过对边坡力学特性研究，可得以下结论：
    公路边坡由降雨产生的坡面流与明渠流具有不同的水力学特点，它应该是产流降雨强度、坡长、坡角、粗糙系数的函数。由于坡角增大一方面使势能向动能的转化加快，另一方面却使单位坡长所接受的降雨减少，因此边坡的流速应该存在一个临界坡角，从Muzik的边坡径流平衡时间关系式出发，推导出了一个公路边坡坡面径流流速的关系式(紊流)：
    V＝K·L0.3976·cos0.3976a·sin0.3012a·n－0.6024·δ0.3976
    式中，K为系数，L为坡长，a为边坡坡角，n为边坡坡面粗糙系数，δ为产流降雨强度。通过对此式的数学处理得到边坡坡面流速的临界坡角为41°左右；考虑到边坡土壤侵蚀量是流量与流速的函数，进一步推导出公路边坡土壤侵蚀量同样存在一个临界坡角，这个坡角大约在25°左右，这与公路边坡常采用1：1.5坡率很是接近，因此对边坡的防护应引起足够重视。
    边坡在自然界降雨情况下不断经受降雨的袭击，其中一部分下渗，一部分在边坡汇集，形成径流，径流在土颗粒表面产生剪切力，当这种力大到能抵消土的抗侵蚀能力时，土颗粒被径流带走，从而发生侵蚀，这种径流的剪切力与土壤粒抵抗力之间的相互作用不同相可引起溅蚀、溶蚀、片蚀、沟蚀等不同的侵蚀现象。
    4边坡防护类型及公路植物特性研究
    作者按照材料将路基防护分为3类：植物防护、圬工防护和综合防护。
    通过对公路植物的特性研究，可得以下结论：
    (1)路基边坡土质、酸碱度、气候、降雨等是影响公路植物的主要因素，由于路基边坡防护的特殊性，故草种、树种的选择有别于园林绿化；
    (2)应根据植物的类型、气候适应性、土壤适应性、抗病性、抗侵蚀冲刷，易粗放管理等要求选择适易的物种用于公路边坡防护；
    (3)尽量选用本地的物种，其适应性远远优于引进物种。
    5边坡综合防护设计原则与注意事项
    (1)“综合设计、就地取材、以防为主、确保施工”是边坡综合防护设计的基本原则；
    (2)路基防护应按照设计、施工与养护相结合的原则，深入调查研究，根据当地气候环境、工程地质和材料等情况，因地制宜，就地取材，选用适当的工程类型或采取综合措施，以保证路基的稳固。不要轻易取消或减少必要的防护工程措施，而给养护遗留繁重的工作量；
    (3)路基防护措施是根据沿线不同土质岩性、水文地质条件、坡度、高度和当地材料、气候等因地制宜选择，应密切结合路面排水作综合考虑；
    (4)护坡方法应优先考虑采用植物防护，当土质不宜植物生长及难以保证边坡稳定时，要考虑经济性、施工及效果，采用圬工防护或相应的辅助设施；
    (5)在防护方案设计时，应参照上述设计原则，初步选出护坡方法。在施工阶段，要对每个边坡的排水、土质等调查，根据调查结果变更原设计；
    (6)在不良的气候和水文条件下，对粉砂、细砂与易于风化的岩石边坡，以及黄土和黄土类边坡，均宜在土石方施工完成后及时防护。路堑边坡应根据边坡岩层组成及坡面弱点分布情况考虑全面防护或局部防护；
    (7)对于土路堤的坡面铺砌防护工程，最好待填土沉实或夯实后施工，并根据填料的性质及分层情况决定防护方式。铺砌的坡面应预先整平，坑洼处应填平夯实；
    (8)对于不宜采用植物或混凝土网格中空植草的破碎岩路堑边坡，应综合考虑地形关系、基岩风化破碎程度、地震、暴雨、漏水、施工难易及经济性等因素，慎重选择喷浆(混凝土)、护面墙，落石防治等方案；
    (9)混凝土网格中空植草护坡的目的，是防止受雨水侵蚀和风化严重的土质产生沟槽，及不适宜植物生长的土质和由于周围环境需要绿化的地方。该护坡方法不能承受土压力且造价高于植物护坡，使用时须充分分析；
    (12)对于水流、波浪、风力、降水以及其它因素可能引起起路基破坏的，均应设置防护工程。在冲刷防护设计中，可综合考虑河道整治，使防护工程收到更好的效果；
    (12)对于冲刷防护，一般在水流流速不大及水流破坏作用较弱地段，可在沿河路基边坡设砌石护坡、石笼和混凝土预制板等，以抵抗水流的冲刷和淘刷。需要改变水流或提高坡脚处的粗糙率，以降低流速、减缓冲刷作用时，可修筑坝类构造物。对于冲刷严重地段(急流区、顶冲地区)，可采用加固边坡(砌石护坡)和改变水流情况的综合措施；水下部分可视水流的淘刷情况，采用加固边坡(砌石护坡)和改变水流情况的综合措施；水下部分可视水流的淘刷情况，采用砌石、石笼或混凝土预制板等护底护脚。砌石基础应置于冲刷线以下0.5～1.0m，水上部分采用轻型防护即可；
    (12)综合防护应遵循"实用、经济、美观"的指导思想，明确"为行车服务"的目的，在实用、经济的前提下，力求边坡绿化三季有花。
    6高等级公路防护区划的思想
    为了区分地理区域自然条件对公路防护影响的差异性，并在高速公路边坡设计中对施工防护型式、植物物种选择时有章可依，确保路基边坡的稳定并节约投资，同时按照《公路自然区划标准》(JTJ003-86)中关于"三级自然区划由各地按有关规定自行划分"的指导思想，有必要划分不同地区植物防护主要类型。
    我省植物防护主要类型区划以公路自然区划标准为基础，结合高等级公路边坡防护的特点和我省已建高速公路的建设经验，按照气象、地质、地形、物种分布等因素的差异性，将全省划分为A、B、C三个防护类型区(如河南省公路防护类型区划图)。
    7河南省高等级公路边坡防护推荐方案
    7.1河南省?A区边坡综合防护推荐方案
    主要为黄河冲积所成的低液限粘土和低液限粉土，同时雨量集中，但年降雨量不大，四季分明，所以防护要求不高。间有盐碱地，同时石料缺乏。结合上述研究结果，故推荐A区边护综合防护方案为：沿线路基边坡除桥头路基、水稻田等局部特殊路段采用浆砌混凝土预制块防护外，一般采用植草或种草籽护坡，喷播更佳。
    7.2河南省?B区边坡综合防护推荐方案
    B区内岭坡连绵，沟壑纵横、切割严重，地表多为黄土覆盖，浅层地层主要分布有第四系中新更新统黄土状粘土圾上第三系上新统杂色泥岩，局部有寒武系、石灰岩出露。同时夏季雨量集中，冲刷防护极为重要。结合上述研究结果，故推荐B区边坡综合防护方案为：填方边坡按8m、20m和大于20m分别采用边坡坡度为1∶1.5、1∶1.75和1∶2，挖方边坡根据土质不同采用不同边坡坡度。应采用集中排水方式。沿线在综合排水设施的基础上，根据路堤、边堑高度不同、淋雨坡面和地面径流冲刷程度不同，采用浆砌片石护坡，浆砌片石护脚、浆砌砌片石挡土墙(该区内片石圬工较混凝土预制块经济)、预制混凝土网格中空植草、坡面喷草等综合防护措施。
    7.3河南省?C区边坡综合防护推荐方案
    C区属淮河冲湖积平原和江淮丘陵区，主要以严粘土及亚砂土为主，呈软塑性。河道较为发育，水位深3～12m，多稻田和滞洪区。春旱秋雨，夏热冬寒，干湿剧差，年降雨量在794～924mm以上，气候相对多雨潮湿。因此必须采取有效的排水与防护措施，及时排除公路范围内的水，并作好路基边坡的浸水冲刷防护。推荐C区边坡综合防护方案为：沿线路基边坡除桥头路基(含锥坡)采用浆砌片石防护，局部特殊路段(水稻田、滞洪区等)采用浆砌片石或混凝土预制块防护外，一般路段均采用路基下部0.5高度用浆砌片石或混凝土预制块防护，上部采用植草或种草籽护坡。路基两侧的护坡道采用绿化或浆砌混凝土预制块，边沟采用混凝土预制块护砌(在确保质量的前提下，优先选用浆砌片石)，土路肩均用厚8cm水泥混凝土预制块铺砌。
    8主要结论
    通过对高等级公路边坡防护系统的综合研究，得到以下主要结论和研究成果：
    (1)剖析了路基边坡的病害类型和原因，提出了在边坡防护方面理论上的欠缺和在工程中缺乏综合设计的观点；
    (2)通过对边坡水力学特性和锓蚀机理的研究，建立了流速与降雨强度、坡长、坡角、粗糙系数的函数关系，确定了临界坡角(41°左右)，经进一步推导得出公路边坡侵蚀量同样存在一临界坡角(25°左右)；指出了公路边坡侵蚀的影响因素和侵蚀机理；
    (3)通过对各种边坡防护类型的分析及其特点研究，提出了防护类型选择的原则；
    (4)通过对公路植物的特性研究及适应分析，推荐了公路常用植物的外观特征、气候、土壤适应性及建植、管理特点，使植物防护的选择有据可循；
    (5)根据公路自然区划和地质特点，首次提出了公路防护区划的思想，并建立了河南省公路防护类型区划；
    (6)提出了高等级公路边坡防护的设计原则；
    (7)根据上述的研究成果，推荐出了河南省不同区划内的边坡综合防护设计方案，供设计人员参考。
    由本文初步提出的高等级公路边坡病害分析和侵蚀机理研究结果，可为今后公路试验科研部门提供参考；提出的边坡防护类型，公路植物防护主要类型划分以及边坡典型综合防护研究可为公路勘察、设计部门采纳；其初步成果能为《高等级公路综合防护加固技术研究》课题的完成乃至《公路防护设计规范》的制定有所裨益。