不同生態防護措施下的道路邊坡侵蝕特征研究

曾 征

重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400020

隨著基礎交通網的完善和城鎮化建設不斷推進，道路工程的建設規模逐年擴大。裸露的邊坡坡面在降雨、風化等因素作用下，容易出現表面侵蝕現象。道路邊坡侵蝕會導致邊坡沖蝕、剝落等淺層病害，淺層病害發展到一定程度會影響邊坡的整體穩定性。如果對道路邊坡防護不當，會影響道路運營期間的行車安全，甚至造成嚴重的交通事故。目前，我國相關部門對道路建設期間的生態環保要求更加嚴格，選擇合理、經濟的邊坡生態防護措施已經成為工程師要解決的重要問題[1]。因此，研究不同生態防護措施下的邊坡侵蝕特征具有十分重要的工程意義。

1 道路邊坡沖刷機理分析

（1）降雨濺擊。路基邊坡坡面發生沖刷的實質是坡面土體小于水流搬移力時，坡面水流將土顆粒剝離，而水流搬移力主要源于降雨濺擊。降雨濺擊是路基邊坡坡面沖刷的最初形式，相關研究表明，當雨滴平均降落速度為8～10m/s時，會對坡面土體產生較大沖擊力，導致土顆粒因濺擊而侵蝕[2]。降雨濺擊坡面可分為三個階段：①干土濺散階段。降雨初期，雨滴濺擊到干燥坡面，土顆粒未能及時吸取雨水，而被雨滴濺散。②泥漿濺散階段。降雨時間持續增加，邊坡坡面土體結構被破壞，土顆粒間的空隙被水分充填，當坡面土體水分達到飽和程度，土呈泥漿狀，受雨滴沖擊后也會濺散。③層狀侵蝕階段。降雨歷時繼續增加，坡面表層的泥漿將阻塞土孔隙，減小其滲透性，雨水以徑流方式在坡面漫流，導致邊坡表層土顆粒不斷流失，屬于降雨濺擊最嚴重的階段。

（2）坡面沖刷影響因子。路基邊坡坡面沖刷受到多因素的綜合影響，可用函數表示如下：

式中：I為降雨強度；α為邊坡坡角；L為邊坡坡長；λ為邊坡入滲率；n為坡面粗糙系數；d為土顆粒平均直徑。

2 道路邊坡生態防護措施

2.1 普通生態防護措施

（1）植物防護。①鋪草皮護坡：施工時間短、施工技術簡單，能夠適應惡劣的外界環境，是一種應用廣泛的道路路基邊坡防護技術，該方法是通過相關設備把草坪鏟起運輸到綠化場地，再根據設計要求鋪植，但是在鋪草皮時，草種不能過于單一，否則可能引起蟲害。②植生袋護坡：該護坡草種、肥料、保水劑等按照設計比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅度改善草種出苗率，能夠減緩邊坡風化速度、減少雨水侵蝕，適用于各種環境。③三維植被網護坡：基礎層是熱塑性樹脂經雙向拉伸后形成的方形網格，可以將土壤和草種固定在坡面。“網包”的存在可以消減雨水下降的勢能（使雨水在坡面繞流），降低雨水對坡面土體的侵蝕量，同時三維植被網相互交錯，會對坡面土壤起到一定的加筋作用，進一步提高邊坡抗沖刷能力。

（2）土工合成材料植草護坡。土工合成材料具有結構性能良好、不易降解、質量較輕等優勢。將土工合成材料與植物草種混合用于道路路基邊坡防護在質量和造價方面都具有一定的優勢。常用的土工織物生態防護形式包括草籽無紡布、土工格室、土工布等。土工織物植草應用于路基邊坡防護時，應綜合考慮邊坡巖體性質、邊坡幾何參數等因素，一般適用于坡度緩于1∶1的殘積土或軟巖路塹邊坡及硬質巖填筑的路堤邊坡。在施工之前，應將路基邊坡表面雜物清理干凈，確保坡面的平整[3]。同時，可以根據坡面實際情況在周圍開挖水平種植溝，種植溝間距在20cm左右，以減少水土流失，給草種提供良好的生長環境。

（3）植生混凝土護坡。植生混凝土防護路基邊坡是一種多功能綠色環保防護技術，根據功能不同，植生混凝土可分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質的植生混凝土、抗沖刷型植生混凝土。植生混凝土結構組成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等，其中多孔混凝土具有良好的透氣性，屬于基本骨架結構；保水材料是由有機質保水劑和無機保水劑混合所得，主要作用是為草種生長提供一定的水分。

2.2 新型生態防護措施

筆者結合多年工程經驗，提出一種新型生態護坡技術用于道路邊坡防護，即植物聚丙烯纖維護坡技術。該技術是將土體、聚丙烯纖維、草種、水、保水劑均勻的拌在一起，然后通過專用噴播機將混合物噴射到預防護邊坡的一種高質量、現代化的新型防護技術。聚丙烯纖維護坡技術借鑒了液壓噴播植草技術，通過液壓噴播技術可以在很大程度上提高坡面種植效率，能夠使播種、防護等多種工序一次性完成，不僅提高了坡面建植的速度和質量，還能夠克服不良自然條件的影響，滿足各種條件下坡面建植的需要。與此同時，在良好的保濕條件下，草種能迅速萌發。因此，植物聚丙烯纖維護坡技術不僅能夠起到防護坡面的作用，還能美化自然環境、維持生態相對平衡。結合相關研究成果，筆者建議設置邊坡坡頂的聚丙烯纖維加筋土厚度為10～15cm，設置坡面聚丙烯纖維加筋土厚度為8cm。此外，由于聚丙烯纖維加筋土的入滲性能相對較差，為了將坡頂的積水順利排出，參考《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）和《公路排水設計規范》（JTG/T-D33—2012）中的排水設計方法，將坡頂的聚丙烯纖維加筋土防護布設一個3%的橫向坡度，便于坡頂積水的排出，減少雨水的下滲量，從而更好地保護邊坡坡頂，加筋土防護邊坡示意圖如圖1所示。

圖1 加筋土防護邊坡示意圖

3 道路邊坡加固前后侵蝕特征分析

3.1 工程概況

為了評價不同生態防護措施在邊坡防護中的應用效果，文章依托某公路路基邊坡開展現場降雨沖刷試驗，得到各防護形式下的坡面侵蝕特征。道路邊坡防護方式選擇植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纖維加筋土防護，坡面侵蝕特征通過產沙強度來評價。該公路沿線地質條件較復雜，地下水位低，地形起伏較大，坡體地面標高約為205.8～262.5m，自然坡角最大約為20°～27°。坡體組成物質表層為粉質黏土，厚度約為1.20～3.10m，其下為砂質黏性土，厚度約為4.40～8.50m，再下基巖為強風化混合巖，厚度約為9.40～12.50m，其下為中風化混合巖。降雨設備采用自制人工降雨模擬器，降雨強度為20mm/h，降雨歷時60min，同時選擇相同邊坡高度和坡度的裸坡作為空白對照。

3.2 邊坡侵蝕結果分析

邊坡沖刷試驗開始后每隔5min采集一個沖刷水樣，測定各降雨時段內坡面的徑流強度和產沙強度，得到了邊坡坡面加固前后的產沙強度。邊坡坡面產沙強度與降雨時間關系圖如圖2所示。

圖2 邊坡坡面產沙強度與降雨時間關系圖

由圖2可知，隨著降雨歷時的增加，不同防護形式下的道路邊坡產沙強度不斷提高，但提高速率逐漸變緩，其中植草護坡產沙強度最大，纖維加筋土護坡產沙強度最小。在坡面沖刷初始階段（0～20min），雨水沖刷作用明顯，坡面侵蝕嚴重，水流通道多，雨水主要以濺擊坡面土體，坡面產沙強度增加幅度大。當坡面沖刷時間超過20min后，水流下滲作用減弱，產沙強度增長緩慢。降雨結束后植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纖維加筋土防護的邊坡產沙強度分別達到了4.8kg/min、3.7kg/min、3kg/min、2.6kg/min，這說明聚丙烯纖維加筋土抗侵蝕性能最好。

4 結論

降雨濺擊是路基坡面沖刷的最初形式，主要包括干土濺散、泥漿濺散、層狀侵蝕三個階段。道路邊坡常見生態防護形式包括植物防護、土工合成材料植草護坡、植生混凝土護坡及其他新型防護措施。不同生態防護措施下的道路邊坡產沙強度隨著降雨歷時的增加而增加，但提高速率逐漸變緩，且植草護坡抗侵蝕能力最差。