山西黃土地區公路邊坡防護設計研究

苗貴華

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 黃土的工程性質

黃土在世界上分布相當廣泛，中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大、結構最完整的國家，黃土覆蓋厚度可達到50～100 m。黃土按生成年代可分為Q1黃土、Q2黃土、Q3黃土、Q4黃土等。地層位置由深到淺，密實度由高到低。

黃土具有大孔隙的特點，顆粒間相互結合不緊密。結構性差、抗分散性弱、孔隙度大、垂直節理發育，以上微觀結構決定了黃土的易蝕性。當遭遇暴雨、強風、凍融等不利的自然條件時，極易出現水蝕、風蝕和重力侵蝕[1]。從而導致黃土邊坡局部破壞甚至整體失穩。

2 黃土邊坡地層組合形式

依據黃土地區的氣候條件不同、地形地貌條件的差異、黃土的成因時代、黃土的地層結構、黃土的地質特征以及黃土的各種物理力學性質指標，筆者通過對山西省近年來公路設計中遇到黃土邊坡的類型組合，現歸納總結為以下5種組合形式：分別為新黃土（Q3）單一形式、新老黃土（Q3或 Q2）組合形式、老黃土（Q2）單一形式、新老黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式、黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式。

3 黃土邊坡破壞模式

根據上述黃土的組合形式，黃土邊坡破壞模式可概括為兩大類：一類為坡面破壞模式；另一類為坡體破壞模式。具體闡述如下。

3.1 坡面破壞模式

坡面破壞主要表現為沖刷、濕陷、剝落、落水洞以及坡腳沖蝕。坡面變形、破壞是黃土地區公路邊坡常見的現象，而坡面破壞最主要的原因是水的影響。在相同降雨強度及相同坡高的情況下，水對邊坡沖刷侵蝕主要受邊坡坡率影響，通常情況下，坡率越緩，坡面越大，其匯水面積和徑流厚度越大，對邊坡沖刷越大，而坡率越陡，其匯水面積及徑流厚度越小，水流流速越大。因此，選擇合適的邊坡坡率是決定水對坡面沖刷大小的關鍵，而一般認為邊坡愈緩，邊坡綜合坡率愈大，邊坡愈穩定。但筆者現場調查發現，若黃土邊坡坡率設計過緩，采用植草防護形式，植物成長初期，植物的地下根系及地上莖葉的作用不足以保護坡面不受沖刷侵蝕，此時邊坡沖刷侵蝕破壞較為嚴重。因此黃土地區邊坡選擇最優的坡率是防止邊坡產生坡面破壞的關鍵。

圖1 坡面破壞

3.2 坡體破壞模式

坡體破壞主要有滑坡、崩塌等。黃土邊坡施工開挖后將坡腳土體卸載，形成高陡臨空面，其應力狀態勢必要進行調整，可能使邊坡產生蠕動變形導致后緣拉裂，導致邊坡坡體整體滑動。黃土邊坡坡體破壞一般可分為黃土層內滑坡和黃土接觸面滑坡。黃土層內滑坡是在黃土層內部產生的旋轉式或圓弧狀滑坡；黃土接觸面滑坡是新黃土沿老黃土頂面產生平移式滑動，或者新、老黃土沿著基巖頂面或粉質黏土頂面產生平移式滑動。工程中經常遇到的破壞模式是黃土接觸面滑坡。即邊坡組合形式為黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式與黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式。這種邊坡組合形式中邊坡下臥層為相對隔水層，由于地表水容易沿黃土垂直節理滲入，水積聚在基巖頂面或者粉質黏土頂面。加之黃土組成以粉土為主，坡體內相對隔水層界面上的一層黃土受水浸潤后，抗剪強度降低非常快，內摩擦角可低至5°～7°。極易沿接觸面發生滑移破壞。另外黃土層與下臥層的接觸關系、層面傾斜角度等也對邊坡產生坡體破壞起到至關重要的作用。

圖2 坡體破壞

4 防護技術形式

目前山西省公路路塹邊坡采用防護措施盡管對邊坡穩定及防止沖刷等方面起到一定的防護作用，但同時也存在如下缺點。其一，防護型式較為單一，大量采用漿砌片石護面墻等防護型式；其二，防護型式個別路段設置不合理。筆者對已建及在建的幾條高速公路的防護形式進行歸納總結，見表1。

表1 山西省部分高速公路路塹邊坡防護形式一覽表

由表1可見，黃土路塹邊坡加固與防護方法主要采用植物防護、骨架植草防護和工程防護相結合。但是以往公路邊坡防護主要考慮邊坡穩定的問題，大量采用漿砌片石護坡、護面墻、擋土墻、錨固等工程防護措施進行路基邊坡防護。不僅造價高而且對自然環境產生極大的破壞作用。隨著人們的生態保護意識逐漸提高以及經濟條件改善，高速公路路基邊坡的防護不僅注重安全穩定，同時兼顧到保護和恢復生態環境。以往灰色防護不僅破壞生態和諧，而且大大降低了行車旅行帶來的景觀舒適度。

現在的家長對兒童總是嬌生慣養，促使學前兒童慢慢成為了“溫室里的花朵”，不能應對任何挫折[4]。基于此，在學前兒童體育游戲創編活動設計中，增設一些對抗類游戲項目，可改善幼兒們不良心理，讓他們養成勇于拼搏精神，做到勝不驕，敗不餒，實現身體和心理的共同發展。

4.1 坡面防護

坡面防護是改善路域環境、保護環境和防止水土流失的一種工程措施。設計中按照以往經驗進行邊坡設計，坡面防護主要作用就是保護路基邊坡表面，免受雨水沖刷，減緩溫度及濕度變化的影響，防止和延緩軟弱巖土表面的風化、剝落等演變過程，還可兼顧到公路與環境的美化。坡面防護技術分為工程防護技術、植物防護技術和復合型生態防護技術三大類[2]。

例如在上述5種黃土邊坡組合形式設計中經常采用護面墻防護。雖然起到阻止沖刷、剝蝕、風蝕等破壞，但是大面積護面墻對景觀和環境造成較大影響。特別是對于黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式與黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式，由于護面墻泄水孔設置不合理，施工質量不高，滲透進黃土內的水遇到粉質黏土隔水層阻止了坡體內外“水汽循環”，地下水在此分界面處積聚無法排除，引起墻后土體孔隙水壓力急劇增大，從而導致護面墻以及邊坡的破壞。對于邊坡上部覆蓋濕陷性黃土的邊坡，則由于墻后土體浸水后的濕陷性破壞，引發邊坡潛蝕性沖刷破壞，致使護面墻防護作用失效，最終引起坡體大范圍地滑塌破壞。

圖3 護面墻破壞

雖然工程防護技術在我國已應用數十年，技術已經成熟，但是工程防護存在的主要問題是與周圍環境不協調、景觀效果極差。筆者建議結合黃土邊坡組合形式、邊坡高度、環境條件、施工條件等因素，不要盲目選用工程防護。在氣候和土質條件適宜時，設計中優先采用植草防護及骨架植草防護。不僅可以保護生態環境，改善景觀功能，使旅行者體驗到人在畫中游的美感，而且可以降低噪聲、減少光污染，保證行車安全[3]。

植物防護作為一種柔性、開放式、三維立體的防護措施，不僅能克服圬工工程措施的不足，而且工程造價比圬工工程措施節省許多。山西省已建成的幾條黃土地區高速公路高邊坡進行植物防護，均取得了不錯的防護效果。尤其對黃土高原地區的水土流失有良好的防治作用和明顯的防治效果。從養護角度考慮，坡面植草宜在緩于1∶0.75以上的邊坡上采用，黑麥草、紫穗槐、高羊茅等是較適宜的草種。

黃土路塹邊坡形式規范建議采用直線形、折線形、臺階形等3種形式。陜西省推薦采用“陡邊坡寬平臺，大平臺與小平臺相結合的設計原則”進行設計。山西省地處中溫帶干旱氣候，降水特點為冬春少，夏秋多。結合以往工程經驗山西省推薦黃土邊坡坡率優先采用1∶0.75的坡率進行設計。另外筆者建議黃土邊坡防護優先考慮骨架植草防護。對于地下水和地面水較為豐富地段的邊坡，其坡面防護效果的好壞直接與水的處理密切相關，為此應進行邊坡坡面防護與排水措施相結合的綜合設計。

總之，坡面防護中應盡量使景觀設計和環境保護相結合，注意與周圍自然環境和當地人文環境的融合。

4.2 坡體防護

坡體防護是針對邊坡可能產生的整體或局部失穩而對邊坡采取的工程措施。坡體防護形式在滿足邊坡安全性的前提下，應結合現場的地形、地質、水文等具體情況，從技術可靠、經濟合理、環境和諧的原則出發，選擇最合適的防護形式。但是無論采用哪種防護形式都要做到安全可靠、經濟合理、便于施工養護的要求。坡體防護常用的措施具體可分為放緩邊坡坡率、設置支擋、加固坡體等幾大類。本文以工程中經常采用的工程支擋法（擋土墻、錨桿（索）、抗滑樁等）以及削方減載法進行闡述。支擋法是通過主動或被動受力方法，阻擋滑坡的移動。

4.2.1 工程支擋法

圖4 花子村滑坡地貌

圖5 花子村滑坡地質剖面（比例尺水平1∶500 垂直1∶500）

以某高速公路K86+420—K86+700段花子村滑坡為例，路線中線從滑坡體中部穿過，該滑坡平面形態呈圓弧形，滑體主軸長 212.4 m，橫寬 496～536 m，平均厚度15.6 m，總體積132.3萬m3，滑向100°，屬于大型滑坡[4]。邊坡地層主要由第四系坡積物、風積物、第三系紅黏土及三疊系二馬營組地層組成，整體上從上至下依次分布有黃土狀粉土、紅黏土。設計中在刷坡卸載后，在路基右側設置抗滑樁（尺寸2 m×3 m），樁間距為5 m，以保證路基工程的安全。

4.2.2 削方減載法

針對黃土滑塌的誘發因素，采用削方減載法進行治理。削方減載法主要是采用削坡方式，清除不穩定滑塌體，以增加邊坡穩定性的方法。

某高速公路邊坡原邊坡設計方案為邊坡分級高度均為8 m，第1、2級平臺寬度為2 m，第3級平臺寬度為10 m，第4、5級平臺寬度為4 m，第 6、7級平臺寬度為10 m，第8級平臺寬度為4 m，以上邊坡設為取土場。第1級邊坡坡率1∶0.25，以上各級邊坡坡率均為1∶0.75，邊坡坡高達73.4 m。第1級邊坡采用混凝土擋土墻防護，為防止沖刷，第2、第3級設漿砌片石護面墻防護，以上各級坡面采用穴栽一年生紫穗槐（容器苗）進行綠化防護。

通過對現場進行勘查，該段邊坡所處山體坡面大部分為耕地，且地表沖溝發育。滑塌區邊坡地層為多元結構，上部為黃土狀粉土，垂直節理發育，雨水容易下滲，下部為粉質黏土，為相對隔水層。當雨水滲入后，分界面處土體軟化，抗剪強度降低。加之施工開挖后將邊坡坡腳處部分土體卸載，坡腳位置出現應力集中，造成邊坡坡腳變形較大，同時上部黃土在張拉應力及垂直裂隙切割下發生錯動，導致邊坡發生滑塌。滑塌體呈馬蹄狀，其后緣有清晰的弧形，沿垂直張裂隙形成高約2～10 m的陡壁，塌方體長約50 m，高度約75 m，滑塌體體積約5萬m3。考慮到黃土滑塌的危險性及治理的重要性，在治理本滑塌時盡量做到根除，不留再次發生的可能性，從滑塌的性質、規模、形成原因、重要程度等方面綜合考慮，設計最終選用削坡卸載+護坡工程+截排水組合方案。

首先對滑塌坡面進行削坡減載處理，削坡由上而下進行，在第4級、第8級、第12級設置寬大平臺，緩解邊坡坡腳應力集中，改變了邊坡的剪應力及剪應變的分布，有利于提高邊坡整體穩定性，且方便施工。邊坡分級高度均為8 m，第1級平臺寬度為8 m，第2級平臺寬度為2 m，第3級平臺寬度為6 m，第4級平臺寬度為20 m，第5、第6、第7級平臺寬度為4 m，第8級平臺寬度為32 m，第9、第10、第11級平臺寬度為4 m，第12級平臺寬度為16 m，第13、第14、第15級平臺寬度為4 m。第1級邊坡坡率 1∶0.25，第 2、第 3、第 4級邊坡坡率 1∶0.75；以上各級邊坡坡率均采用1∶1。考慮到第1級邊坡片石混凝土擋土墻對滑塌體起到了較好的支撐作用，第1級混凝土擋土墻防護形式盡量維持原設計，拆除第2、第3級漿砌片石護面墻，分別在第2、第5、第9、第13級設2.5 m高漿砌片石護腳防護，其余各級坡面采用穴栽一年生紫穗槐進行綠化防護。平臺設平臺截水溝，平臺截水溝底部鋪設防滲土工布，坡面設置急流槽。

圖6 黃土邊坡滑塌

圖7 滑塌后邊坡設計方案（單位：m）

5 結語

我國高速公路建設方興未艾，但由于實踐時間短，設計時對邊坡的防護重視不夠等因素，黃土地區公路的防護設計至今還沒有統一的標準。防護設計中設計者的經驗和資料調查顯得尤為重要，保守設計會造成不必要的浪費，防護不當則會導致各種病害的發生。因此，筆者建議黃土地區邊坡防護形式應依據邊坡的地層組合，結合邊坡的破壞模式。貫徹“建綠色通道，走環保之路”的設計理念，設計中一方面要考慮路基邊坡安全穩定；另一方面要考慮公路與沿線自然環境相協調。合理選擇經濟、美觀、安全的邊坡防護形式。總之，黃土地區的邊坡防護設計需建設、科研、設計、監理、施工等各方面共同努力，才能探尋出符合山西地區特色的邊坡防護形式。