南寧公路路堤邊坡沖刷防護臨界高度研究

徐麗麗 杜靜 陽利君

摘要：文章結合已有試驗觀測文獻資料，通過類比、野外調研分析得出南寧公路路堤邊坡臨界高度數據，并結合設計單位案例，劃分植物防護與工程防護臨界路堤高度，為今后的路堤防護臨界高度設計提供參考。

關鍵詞：路堤邊坡;臨界高度;沖刷防護

0 引言

為保證路基穩定，在路基兩側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，容易發生變形和破壞，成為路基病害易發部位。在道路工程中，邊坡本身整體穩定，但需防止坡面淺層滑塌和坡面沖蝕、碎落、掉塊，實踐中需要對邊坡采取防護措施以防止路基災害發生。目前高速公路邊坡坡面防護措施主要有植物防護和工程防護，植物防護主要是在邊坡的坡面植草、植樹，因為工程量小，費用低，在高度比較低的邊坡中應用比較廣;而工程防護主要采用干砌片石護坡、漿砌片石護坡、漿砌預制塊護坡以及錨桿鋼絲網噴漿、噴射混凝土護坡等，工程防護的工程量大，成本高，但防護效果好，應用也比較廣。目前高速公路邊坡沖刷防護設計對植物防護和工程防護的界限高度取值沒有規定一個統一的計算或者判斷標準，往往憑施工人員的經驗或投資預算，不論路堤高低，均為統一模式，或者不同單位設計的邊坡采取的經驗不同，同一個地區其取值也往往大不相同，需要防護的地方未能很好地防護，而部分不需防護的地方又大量設計了防護工程，浪費了大量的工程建設資金。針對上述問題，通過文獻類比、野外調研及案例相結合，可以較為合理地確定廣西南寧地域的植物防護與骨架植物護坡臨界高度值。

1 臨界高度的概念

當邊坡高度較小，僅僅采用植物防護即可抵抗雨水沖刷，而在集中下水情況下，植物防護可抵抗雨水沖刷的最大高度，即為臨界高度。超過這一高度，僅僅采用植物防護，則防護效果不佳。見圖1。

確定合理的邊坡臨界高度值，有利于對邊坡防沖刷采取更具針對性的設計，在滿足臨界坡度的情況下，當高度低于植被防護臨界高度，則可采取植被防護，減少工程量，節約大量工程資金。

2 邊坡沖刷機理

2.1 雨水沖刷機理

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，產生巨大沖擊力，致使土顆粒濺起，原本成團的土粒分散、土塊受到破壞并遷移，形成了豐富的松散顆粒;隨著降雨時間的延長，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，其攜帶泥沙的能力比較弱。隨著水流的向下流動，一路不斷有雨水、雜質、植物莖葉、土顆粒等填充進來，流體逐漸變深變大。而雨滴的濺擊、流體所經的溝側壁彎曲、溝底的高低起伏，使流體形成紊流和旋渦，對坡面造成了更大的侵蝕，使坡面土壤分離，土塊滾落。坡面的沖蝕大致發生在這個階段。

2.2 植物防沖刷機理

公路邊坡上采取植物防護，種植草皮，既能美化道路景觀，又能促進生態恢復，同時植物根系加強了淺層土壤的抗剪強度，植物莖葉阻截水流，削弱濺蝕，防止沖刷。一方面，植物根系具有較強的抗拉強度，草本植物屬淺根類型，在土層中，植物根系與土盤結纏繞，試驗證明草本植物根系的加筋增大了黏性土的c、φ值，同時植物根系對土粒的網兜包裹效應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 骨架植物護坡防沖刷機理

有研究表明，根系對土體的力學加固效應一般僅存在于地表以下1.5 m的深度范圍內，因此當坡長過長，土質條件不好，單獨采用植物防護已不能滿足防護要求。同時水的蒸騰作用發生在降雨間歇，速率低，一旦遇暴雨或連續降雨，坡面水流的短時大幅抬升會造成斜坡的不穩定。植物生長引起土體干裂縫，各種動物通道、膨脹裂縫等又會使斜坡吸收除攔截損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質的腐化與降解等會向土體中釋放一系列酸性物質，提高滲入水的酸度及侵蝕性，促進水巖反應，這些對斜坡蠕變及滑坡孕育產生了助推作用，此時不再適合僅僅只做植物防護，可采取工程護坡。即在公路邊坡坡面上，用片石或砌塊骨架將長大的坡面分割成若干有骨架支撐的小坡面，并種植植被，進行分而治之。一方面骨架可以阻截引導水流，減小沖刷;另一方面分而治之后，大塊坡面被分成小塊窗格，不穩定土體的范圍和厚度都大大減小，同時骨架有效支撐了將要滑動的土塊體，保證了邊坡穩定。實踐中，此種形式護坡在黃土路堤中得到了很好的應用。

3 植物護坡與工程護坡的臨界高度

3.1 臨界高度的理論計算

均為土壤的物理性質，但對于長大坡面而言，這些參數也是變化的，不同路段參數不一，則導致計算結果不一樣;同時式中h為水流水深，影響因素眾多，如坡面的入滲率、當時的降雨強度、坡面高度、坡面長度等，利用公式計算的臨界高度只具有參考價值，沒有普適意義，因此工程實踐中利用理論公式計算臨界高度不太現實，鑒于影響因素復雜，建議應結合試驗、野外調研最終確定。

3.2 臨界高度的試驗觀測結果分析

影響土體沖刷的其中一個重要因素是坡長，李志剛研究團隊通過對江蘇邳州段的一段坡長從3.5～10 m的黏土路堤進行試驗觀測，得出坡長（路堤高）與侵蝕深度呈冪指數關系：

此試驗以江蘇邳州地區的氣候和邳州段高速公路為對象，當y=10 mm時，坡面呈現嚴重的沖刷，可判定植草防護已經無法滿足沖刷防護要求，應該采用工程防護，根據式（2），得出工程防護與植草防護的臨界高度為6.1 m。同時其通過對地處蘇北地區高速公路調研發現，邊坡在6 m左右的植物防護沒有發現大的沖刷，而超過6.5 m的則發現有大的沖刷。研究還發現降雨強度對邊坡沖刷的影響不可忽略，李志剛科研團隊以邳州地區從1986—2000年來的最大雨強（30 mm/10 min）作為試驗雨強進行了邊坡沖刷防護臨界高度的野外試驗，并結合野外觀測試驗、實地邊坡沖刷調研得出可將江蘇省高速公路黏土路堤邊坡植被防護與工程防護的臨界高度設置為4.5 m。

廣西壯族自治區首府南寧市，緯度低，太陽終年輻射強，夏季氣溫高，雨水充沛。每年的4～9月為降雨汛期，受海洋暖氣團的影響，從5月開始出現暴雨，并且暴雨來勢急促。據統計，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）;多年平均相對濕度為65%;多年平均蒸發量為1 736.6 mm。對比江蘇邳州的氣候特點，南寧比邳州的年均降水量多400 mm左右，按《公路排水設計規范》“圖9.1.7-1中國5年一遇10 min降雨強度圖”，廣西南寧為2.7 mm/min，而江蘇邳州為2.6 mm/min，說明南寧的降雨強度比邳州稍強。南寧屬濕潤的亞熱帶季風氣候，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪，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，廣西南寧的植物護坡與工程護坡的臨界高度可選擇6 m。

3.3 南寧公路邊坡植物防護臨界高度調研

南寧的氣候條件適合植物生長，邊坡植物的成活率高，但南寧雨季雨量大，持續時間長，同時并未有學者在南寧實行野外試驗，工程界對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場第二高速公路工程（城市快速路段）和南寧市長虹路主干道道路工程，進行公路邊坡植物防護與工程防護沖刷狀況調研，希望得到臨界高度的調研值，為工程設計做參考，調研結果如表1所示。

南寧某機場高速公路工程（城市快速路段），設計時速主車道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，場地內的淺表層土主要為黃、灰黃色填筑土，稍密狀態，有一定均勻性，易擾動;主要成分為黏性土。

其路基邊坡防護主要采取以下兩種：

（1）當路基挖方高度<6 m時坡面設置綠化植草護坡。

（2）路基挖方邊坡高度>6.0 m的區域，坡面采用拱形骨架防護，沿線每隔100～150 m設一道檢修人行步梯。骨架護坡平面如圖2所示。

防護工程漿砌片石的施工質量要求按照設計和規范要求執行，嚴格按設計的斷面尺寸進行施工，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，機拌砂漿砌石，分層錯縫，嵌填飽滿。

噴播草籽施工程序為：邊坡檢驗→邊坡修整→噴播草灌種子→覆蓋無紡布→養護管理→綠化成坪。施工期間，保證出苗率，后期做好苗期養護管理工作，及時補苗。

4 結語

根據理論計算、文獻類比、野外調研以及設計單位的案例分析，就南寧市而言，高速公路黏土邊坡的植物防護與工程防護的臨界高度，建議可設為6 m，6 m以上才采用工程防護，6 m以下發揮植被防護的優勢，節約工程資金，美化道路景觀，促進生態恢復。數據僅供工程設計參考，但考慮邊坡土質不同、植被類型對邊坡穩定的影響，此界限高度還需要大量工程實踐驗證。

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收稿日期：2020-05-27