山區公路高邊坡綜合排水研究

摘要 為了提高山區公路高邊坡排水能力，保證運營期的安全性，文章首先總結了高邊坡路段的排水類型和排水設計原則、排水設施設計步驟。隨后，分析了截水溝、急流槽、仰斜式排水孔等排水設施的布置要求、設計要求及驗算方法。最后，以某山區公路4級高邊坡為研究對象，制定了綜合排水方案，研究成果可供類似高邊坡排水設計提供理論指導。

關鍵詞 山區公路；高邊坡；綜合排水；水文水力計算；設計要點

中圖分類號 U417.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0063-03

0 引言

山區地形復雜，地勢起伏大，在修建公路工程時存在大面積開挖，產生大量高邊坡。高邊坡的變形機理復雜，穩定性受各種地表水和地下水的影響大，需制定經濟合理的排水方案，將水流盡快排出至路基外。否則，高邊坡可能出現滑坡、溜塌等問題，威脅公路上的行車安全，甚至需中斷交通修復，造成不良的社會影響。然而，很多設計人員開展高邊坡排水設計時，只注重單個排水設施的斷面選擇和水力計算，不注重排水設施之間互相銜接、相互配合。因此，進一步研究山區公路高邊坡綜合排水意義重大。

1 山區公路高邊坡水形式和排水原則

高度大于20 m的土質邊坡或高度大于30 m的巖質邊坡均可視作高邊坡，其水文條件復雜，穩定性受各種地表水和地下水的影響大，需加強排水控制[1]。

1.1 高邊坡路段水形式

1.1.1 地下水和坡面流

在連續降雨期間，會有部分雨水入滲至邊坡巖土體內部，增加了坡體內的地下水含量。同時，隨著植物截留能力和低洼地儲蓄能力不斷飽和，邊坡入滲率減小，在坡面產生徑流。地下水入滲量和坡面流大小與降雨強度、植被狀況、土壤滲水特性等因素密切相關。

1.1.2 邊坡承壓水

由于公路高邊坡開挖，可能破壞地下不透水層的結構，使承壓水出露。而承壓水的水頭高、滲流速率快，會對邊坡穩定性產生較大影響。

1.2 高邊坡排水原則

為了提高高邊坡排水效率和能力，排水方案制定時應堅持以下原則：一是預防為主。高邊坡排水設施要根據坡高、坡長、匯水面積等選擇，不能等邊坡失穩后再加強排水設施，否則會大幅增加工程費用。二是分級截流、縱橫結合。山區公路高邊坡坡頂外的雨水徑流應通過坡頂截水溝排走，降落在坡面的雨水徑流可通過平臺截水溝排出。同時，每隔20～50 m設置1道急流槽，將截水溝與急流槽結合，使匯集的雨水盡快排出。三是經濟適用。要結合當地情況，就地取材，不能設置過多或過少的排水設施，并對排水溝渠做好加固，以免后期出現損壞，加大排水設施投資。

2 山區公路高邊坡排水設施布置方法

2.1 排水設施設計步驟

高邊坡排水設計時要先結合實際情況，初步選擇合理的排水設施和斷面尺寸，并結合設計徑流量開展水利和水文計算，確保計算結果滿足《公路排水設計規范》（JTGT D33—2012，以下簡稱《規范》）的要求，具體設計步驟如圖1所示[2]。

2.2 水文計算

為了簡化山區公路高邊坡排水計算，在排水設施設計時以最大徑流量為基準。由《規范》可知，高邊坡的設計徑流量可按式（1）計算[3]：

（1）

（2）

式中，Q——設計徑流量（m3/s）；P——降雨重現期（年）；t——降雨歷時（min）；b、c、d、n——回歸系數，根據高邊坡所在區域氣象站超過10年的雨量資料進行回歸分析；Qp、t——平均降雨強度（mm/min）；F——匯流面積（km2）；ψ——徑流系數，取決于地表類型，對于硬質巖石坡面可取0.7～0.85，陡峭山地可取0.75～0.85、起伏山地可取0.4～0.65。

2.3 截水溝設計

截水溝設置在高邊坡坡頂外或平臺上，以攔截排向邊坡的地表徑流，減輕雨水徑流對邊坡坡面的沖刷、侵蝕，以免影響邊坡的整體穩定性。

2.3.1 設置條件

高邊坡截水溝的設置應考慮公路等級、邊坡工程地質條件、坡度及降雨量等因素，具體闡述如下：①公路等級。對于同一地區，高速公路、一級公路，邊坡防、排水系統較完善，截水溝設置多，而低等級公路因投資金額限制，設計人員對高邊坡排水一般不會開展專項設計，截水溝較少；②邊坡工程地質條件。堅硬完整的巖體邊坡可不設平臺截水溝，土質邊坡、松散坡積層邊坡在降雨條件下易發生滑坡、崩塌、泥石流，必須設置坡頂截水溝；③邊坡坡度。邊坡坡度越高，承雨面積越小，地表徑流和入滲也越少。一般情況下，邊坡坡度陡于1∶0.75，可不設置平臺截水溝。

2.3.2 布置要求

截水溝斷面常采用矩形或梯形，設置在高邊坡坡頂外5～10 m。如果降雨量大，可設置2道或2道以上截水溝。截水溝的斷面尺寸要結合水力計算結果確定，溝底縱坡不宜＜0.5%，困難時不宜＜0.3%，走形宜與水流方向相互垂直，以確保地表水順利進入截水溝。

同時，高邊坡截水溝布置要順應地形，將雨水徑流排至所在山坡一側的自然溝或橋涵出口，不宜直接排入邊溝，會增加邊溝排水負擔，使邊溝內地表水溢出路面，威脅行車安全。在匯水量大的區域，可設置涵洞，將截水溝內的水流引去路基另一側。

2.3.3 水力驗算

截水溝的斷面尺寸要能滿足排泄設計流量的需要，不出現沖刷和淤積，又不致引起沖刷和淤積。因此，截水溝的水力計算包括斷面計算和流速檢驗。

截水溝的泄水能力可按式（3）計算，當Qc＞Q，說明截水溝泄水能力能滿足設計要求[4]。

（3）

式中，Qc——截水溝泄水能力（m3/s）；R——水力半徑（m）；I——截水溝溝底縱坡（%）；A——過水斷面面積（m3）；v——截水溝內水流流速（m/s）。

《規范》中針對不同材料的截水溝給出了不被沖刷的最大流速，比如水泥混凝土溝、漿砌片石溝的最大流速vmax可分別取4 m/s、3 m/s。而截水溝不產生淤積的最小容許流速可根據當地經驗公式計算，見式（4）：

（4）

式中，vmax——最小容許流速（m3/s）；a——與土質有關的系數。對于淤積的粗砂、細砂、中砂、極細砂，a可分別取0.65～0.77、0.41～0.45、0.58～0.64、0.37～0.41。

2.4 急流槽設計

在邊坡陡、水流速度快的路段，需設置急流槽，將坡頂截水溝或平臺截水溝的水流引出坡面。

2.4.1 急流槽斷面

急流槽包括進水口、槽身（矩形或梯形）、出水口三部分，進水口部分是寬度逐漸縮小的“喇叭口過渡段”，其長度可取過渡前過水斷面水深的2～4倍；槽身可采用矩形肋條、棋盤式方格等適當加糙，以減小急流槽內的水流速度，降低沖刷力；出口與下游銜接可采用跌坎式，并設置混凝土消力池、消力坎等設施，如急流槽長度過長，可設置多級效能設施，防止急流槽底部被掏空。

2.4.2 急流槽設計參數

急流槽縱坡應依地形而定，多取1∶1.5。當地質條件良好時，急流槽坡度可以更陡，但結構要求嚴格，造價也相對較高。

一般情況下，急流槽間距越小，其匯集坡面水流的能力越強，但工程造價也更高。目前，山區公路高邊坡常用的急流槽間距多為30 m、50 m、100 m等，具體應結合匯水面積、降雨強度等計算，并考慮坡面防護類型、坡面地質條件等。如果邊坡較穩定，急流槽間距可適當加大，甚至不設置急流槽。

2.4.3 防溜滑措施

大部分急流槽采用漿砌片石，屬剛性結構，變形很小。而邊坡土體相對于急流槽是柔性的，變形較大。在雨水徑流作用下，急流槽槽底和坡面間會形成軟弱結構面。在急流槽自身重力作用下，槽身可能沿著軟弱結構面下滑。尤其是邊坡坡度大或土質松散的路段，急流槽所受的下滑力加大，急流槽更容易溜滑失穩[5]。鑒于此，急流槽設計時槽底要每隔2.5～5 m設置一個凸榫，增加槽身的穩定性，如圖2所示。

2.5 仰斜排水孔設計

仰斜排水孔的孔徑較小、滲透半徑小，故仰斜排水孔主要是用于疏排坡體中的裂隙水、潛水等。仰斜排水孔多采用軟式透水管制作，不宜使用或采用硬式透水管制作，不建議采用PVC管或鋼管。為了快速排出坡體內部水，仰斜排水孔多采用“梅花形”布置方案，傾角取5 °～10 °，水平向間距取6～9 m。如坡面出現集中滲水點，可針對滲水點對仰斜排水孔加密。同時，仰斜排水孔長度不宜超過15 m，需穿過隔水層2～3 m。此外，仰斜排水孔多采用潛孔鉆機成孔，而在地下水豐富的路段，潛孔鉆機成孔難度大，可采用螺旋鉆成孔。

3 山區公路高邊坡綜合排水設計實例

3.1 工程概況

研究對象為某公路高邊坡，其最大邊坡高度為35.9 m，劃分為4級邊坡，每級邊坡平臺寬2 m，邊坡坡率均為1∶1，1～3級邊坡的高度為10 m，分別設置了抗滑擋土墻、預應力錨索、全長黏結錨桿來加固邊坡；4級邊坡高度為5.9 m，采用拱形骨架植草防護。該邊坡所在位置的巖體節理裂隙較發育，完整性差，強度低，以全風化砂巖和強風化砂巖為主。為了保證高邊坡在連續降雨天氣下的穩定性，需加強排水設計。

3.2 綜合排水系統

3.2.1 坡面排水方案

經驗算，該高邊坡的坡頂外5 m設置1道矩形截水溝，尺寸為0.6 m×0.6 m，采用M7.5漿砌片石砌筑，并在溝壁設置一層防滲土工布；每級邊坡平臺設置1道矩形平臺截水溝，尺寸為0.3 m×0.5 m，采用M7.5漿砌片石砌筑，并對平臺硬化處理，減少雨水入滲；高邊坡每隔50 m設置1道急流槽，與截水溝搭配后，將匯集的雨水排至路基外的河溝，如圖3所示。

3.2.2 仰斜排水孔方案

為了在保證排水效果的同時節約工程造價，該高邊坡共設置兩排仰斜排水孔，其中一排設置在坡腳出水點位置，傾角取8 °，水平向間距取6 m，長度20 m；另一排設置在全風化砂巖和中風化砂巖的交界處，傾角取8 °，水平向間距取9 m，長度15 m，如圖4所示。

4 結論

該文主要研究了高邊坡的排水設計原則、各種排水設施的應用，并針對某山區公路高邊坡制定了綜合排水方案，研究成果表明：公路高邊坡路段主要是排出地下水、坡面流、邊坡承壓水、暗泉等，在開展排水設計時要堅持“預防為主、分級截流、縱橫結合、經濟適用”的原則。同時，排水設施設計前，要先開展水文計算，確定設計徑流量，再結合工程地質條件、邊坡防護類型、降雨強度等因素合理設計急流槽、截水溝、仰斜排水孔的位置、斷面尺寸等參數。如有必要，需針對排水設施開展水力驗算，確保將高邊坡的水流迅速排出至路基外。

參考文獻

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[3]張志超. 路基邊坡水毀成因及處治措施分析[J]. 交通世界， 2023（29）： 10-12.

[4]劉紅森， 黃倩影， 吳寧. 黃藏寺水利樞紐道路高邊坡排水設計論證[J]. 人民黃河， 2019（S2）： 133-135.

[5]牛國良. 贛南山區高速公路高邊坡防護技術及工程應用研究[D]. 南昌：南昌大學， 2019.

收稿日期：2023-11-29

作者簡介：白曉菲（1990—），男，本科，工程師，從事公路勘察設計工作。