高等级公路边坡综合防护系统探讨.doc

1高等级公路边坡综合防护系统探讨王玮冯治安高建立河南省交通学校河南省交通基本建设质量检测监督站摘要本文分析了路基边坡的病害类型原因和边坡的侵蚀机理提出了边坡的防护类型特点及防护类型的选择原则关键词路基边坡边坡病害侵蚀机理防护适用性植物防护防护区划综合防护设计1前言随着我国公路建设的飞速发展高等级公路边坡综合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1686亿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10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19841992年增长率仅为07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252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GKV422d107i005G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WischmeiereWH和simithDD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19834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JTJ01897中推荐的沟管近似流速公式V20i12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3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VKL03976cos03976asin03012an0602403976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115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防护分类如图14jt291gif11522字节通过对公路植物的特性研究可得以下结论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尽量选用本地的物种其适应性远远优于引进物种边坡综合防护设计原则与注意事项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5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水上部分采用轻型防护即可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三个防护类型区如河南省公路防护类型区划图河南省高等级公路边坡综合防护推荐方案河南省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河南省区边坡综合防护推荐方案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区边坡综合防护方案为填方边坡按和大于分别采用边坡坡度为和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河南省区边坡综合防护推荐方案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多稻田和滞洪区春旱秋雨夏热冬寒干湿剧差年降雨量在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6提下优先选用浆砌片石土路肩均用厚水泥混凝土预制块铺砌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左右指出了公路边坡侵蚀的影响因素和侵蚀机理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提出了高等级公路边坡综合防护的设计原则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