淺析路基邊坡防護設計

摘要 為保證公路工程設計質(zhì)量，文章總結了路基邊坡防護目標、防護類型和設計原則，分析了植物防護、土工格室護坡、植生混凝土護坡、骨架護坡、護面墻等防護措施的設計要點。同時，以某山區(qū)二級公路為研究對象，制定了路堤邊坡和路塹邊坡的防護方案，可為類似路基邊坡防護設計提供借鑒。

關鍵詞 路基邊坡；防護技術；生態(tài)防護；圬工防護；設計要點

中圖分類號 U417.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0123-03

0 引言

公路工程作為帶動區(qū)域文化交流和經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎設施，其建設里程逐年增加。公路在建設期間，需回填或開挖形成邊坡。在連續(xù)降雨天氣下，邊坡坡面會出現(xiàn)雨水徑流，對坡面土體產(chǎn)生沖刷、侵蝕，使得邊坡坡面的力學性能下降，嚴重的可能引起邊坡滑塌或整體失穩(wěn)，引起不良的社會影響。目前，很多設計人員在選擇路基邊坡防護措施時，套圖現(xiàn)象嚴重，對設計原理了解不清，導致邊坡防護方案的適用性差。因此，進一步研究路基邊坡防護設計要點具有重要意義。

1 路基邊坡防護基本理論

1.1 邊坡防護目標

在降雨強度較大的地區(qū)，雨水在邊坡內(nèi)的入滲量會明顯小于邊坡土體的入滲能力，從而在坡面產(chǎn)生雨水徑流。邊坡坡面的土顆粒在雨水徑流的作用下，會受到水拖曳力Fd和上舉力Fl，見式（1）和式（2）：

（1）

（2）

式中，Cd——阻力系數(shù)；C——上舉力系數(shù)；A——土顆粒在水流方向的投影面積（m2）；ρ——水流密度（g/cm3）；u——顆粒表面水流速度（m/s）。

當拖曳力和上舉力的合力大于土顆粒自身重力時，邊坡坡面土顆粒就會被持續(xù)沖走，故邊坡防護的目標是防止土顆粒被沖走。

1.2 邊坡防護類型

經(jīng)過對國內(nèi)多條在役公路的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：公路路基邊坡防護方式有生態(tài)防護和圬工防護兩類，前者包括植物護坡、植生混凝土防護、土工格室防護等，后者包括骨架防護、護面墻等。由于我國公路邊坡防護理論很多是借鑒鐵路或水利行業(yè)，所以比較重視工程效應。對于高度較大的邊坡多采用圬工防護（尤其是發(fā)展較落后的山區(qū)），景觀性較差，且與自然景觀不協(xié)調(diào)。為了推動公路工程的可持續(xù)發(fā)展，建議在路基邊坡防護中加強生態(tài)防護的應用。

1.3 邊坡防護設計原則

公路路基應根據(jù)其所在地區(qū)的地質(zhì)、氣候氣象、水文條件、經(jīng)濟水平等選擇合理的護坡方式，并滿足以下基本原則[1]：一是安全性原則。防護后的邊坡要進行穩(wěn)定性分析，確保其安全系數(shù)在規(guī)范要求內(nèi)。二是經(jīng)濟性原則。邊坡防護方案要對比工程造價，避免投入成本過高。三是協(xié)調(diào)性原則。邊坡防護方案應與周邊自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，提高道路美觀性。

2 路基邊坡生態(tài)防護設計

2.1 植物護坡

2.1.1 防護原理

植物防護對路基邊坡的防護原理體現(xiàn)在兩方面[2]：一是水文效應。坡面植物可以截留雨量，使雨水在未到達坡面前就被植物枝干截留，隨后部分雨水蒸發(fā)、部分雨水重新濺落在坡面上，減小了雨水的勢能和動能，從而降低坡面侵蝕。二是加筋效應。一般情況下，植物根系越密集，對土體的加筋效果越好。植物根系在土層中雜亂無章地生長，使得植物根系與土壤形成一種復合材料，從而提高土體的黏聚力。由莫爾—庫倫準則可知，黏聚力增加后，最小主應力增大，莫爾圓半徑減小，土體破壞線上移，如圖1所示。

2.1.2 植物防護措施

目前，常用的植物護坡措施有人工植草、客土噴播、三維網(wǎng)植草等，其中人工植草是施工工藝最簡單、工程造價最低的一種工藝，適用高度較低、坡度較平緩的土質(zhì)邊坡，但是人工操作不易控制草籽撒播密度，使得草籽成活率偏低，在暴雨天氣下防沖刷效果不好；三維網(wǎng)植草技術是先在邊坡坡面上固定一層三維網(wǎng)，可以在草籽未長成前保護邊坡坡面不受雨水干擾，但是大部分三維網(wǎng)是以熱塑脂為原料，成本較高，且老化后易產(chǎn)生有害物質(zhì)，會對土壤造成二次污染。

對于土壤松軟、土質(zhì)復雜、坡度較大的路基邊坡坡面，可采用客土噴播植草護坡，即先將草籽、肥料、植物纖維、保水劑、黏結劑、土壤及各種營養(yǎng)物質(zhì)等按比例混合在一起，均勻攪拌成“客土”，并將其噴附在邊坡坡面，具有施工效率高、工期短、效果好等優(yōu)勢。如公路投資金額充裕，建議優(yōu)先選擇客土噴播防護邊坡。

2.1.3 植物設計

在實際公路項目中，應因地制宜選擇護坡植物，優(yōu)先選擇根系發(fā)達、成活率高、耐寒耐旱的本地物種，謹慎選擇外來物種。護坡植物要盡量做到草本植物、灌木、喬木相結合，構建相互依存、共同成長的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。

植物用量宜綜合考慮當?shù)氐慕涤炅俊⑼临|(zhì)、邊坡坡度、邊坡坡向、公路施工季節(jié)等因素，具體草種用量M可按式（3）計算[3]：

（3）

式中，m——期望成株數(shù)（株/m2）；C1～C5——分別為年降雨量、土質(zhì)、坡度、坡向、施工季節(jié)修正系數(shù)，具體取值可參考表1；C6——草種發(fā)芽率，取90%。

2.2 土工格室護坡

2.2.1 防護原理

土工格室具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗拉強度高等優(yōu)勢，可將其用于公路路基邊坡防護中。土工格室對邊坡的防護原理體現(xiàn)在：①排水作用。土工格室能填補邊坡坡面縫隙，并作為排水通道，將雨水徑流排出，降低邊坡土體的含水量。②防滲作用。土工格室具有防滲功能，可減少雨水徑流向邊坡內(nèi)部的滲入量。③加筋作用。土工格室埋入邊坡土體內(nèi)部，可與周邊土體形成復合材料，提高土體的抗剪強度參數(shù)和邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.2.2 土工格室護坡注意事項

土工格室適用于坡度＜1∶1.0、缺乏石料的路段。在施工前，要將邊坡坡面的雜物清理干凈，保證坡面平整，防止雜物刺穿土工格室。同時，應按需在周圍開挖水平種植溝，降低水土流失，改善植物生長環(huán)境。需注意，種植溝間距不宜過于稀疏或密集，控制在20～30 cm。

2.3 植生混凝土護坡

植生混凝土護坡是近年來提出的一種新型綠色環(huán)保型防護技術，在很多地區(qū)的公路項目中已經(jīng)推廣應用。植生混凝土由多孔混凝土、保水材料、肥料等成分組成，按功能不同可劃分為植物型多孔纖維混凝土、可凈化水質(zhì)植生混凝土砌塊、抗沖刷型植生混凝土等，不同植生混凝土的特征和適用性見表2[4]。

3 路基邊坡圬工防護設計

3.1 邊坡骨架防護

3.1.1 骨架形式

目前，公路路基邊坡防護中骨架形式有拱形骨架、菱形骨架、人字形骨架等，不同骨架常用的尺寸、圬工量、截排水效果對比見表3。

綜上，建議公路路基防護設計時優(yōu)先選擇每平方米圬工量最小、截排水效果較好的拱形骨架。

3.1.2 骨架材料

為了避免路基邊坡坡面在雨水徑流作用下出現(xiàn)水土流失、表層掉塊等病害，骨架必須有足夠的強度和厚度。

骨架常用材料有強度較大的混凝土預制塊和漿砌片石，其中預制塊骨架的圬工量小，可標準化施工，但造價偏高；而漿砌片石成本低，但需嚴格控制施工質(zhì)量。因此，在石料豐富的區(qū)域，建議使用漿砌片石骨架（以挖方石料作為原材料）；在石料缺乏地區(qū)，宜使用預制塊骨架[5]。

此外，由《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）可知，路基邊坡骨架厚度應≥0.4 m。

3.2 邊坡護面墻防護

護面墻適用于路基邊坡坡面巖石風化嚴重的路段，且邊坡坡率不宜陡于1∶0.6。護面墻只嵌入邊坡坡面表層（取決于墻厚），在設計時可忽略土壓力作用。大量工程實踐表明，護面墻厚度取決于邊坡高度H，當H≤2 m、2＜H≤6 m、6＜H≤10 m、10＜H≤16 m，護面墻頂寬分別取0.4 m、0.4 m、0.4 m、0.6 m，護面墻底寬分別取0.4 m、0.4+H/10 m、0.4+H/20 m、0.6+H/20 m。

在含水豐富的地區(qū)，護面墻墻背應設置排水孔。同時，為了提高護面墻的穩(wěn)固性，可在墻背每隔4～5 m設置一個耳墻。

4 路基邊坡防護設計實例

研究對象為某省道公路，全長22.8 km，設計標準為二級公路，設計荷載為公路Ⅱ級，路基寬度為8.5 m，路面為瀝青混凝土路面。公路所在區(qū)域為溫帶季風性氣候，夏季高溫多雨，且以短時強降雨為主，最大日降雨量可達36.5 mm/d。

4.1 填方段邊坡防護設計方案

K0+000～K1+000段路基的地勢較平坦，以填方路堤為主，填料為黏性土，邊坡最大高度為5.5 m、最小高度為1.6 m（滿足基本洪水位要求），均為一級邊坡，邊坡坡率為1∶1.5，不設置護坡道。由于K0+000～K1+000段路基邊坡高度不均勻，不宜采用同一種邊坡防護措施，否則會造成路基經(jīng)濟指標偏高或防護效果差等情況。

結合上述研究成果和臨近項目建設經(jīng)驗，建議邊坡高度≤4 m的路段采用植物防護（K0+000～K0+350、K0+550～K0+1000），植物選擇紫穗槐，草籽用量取15 g/m2，土路肩用M7.5漿砌片石進行加固；邊坡高度＞4 m的路段（K0+350～K0+550）采用拱形骨架植草防護，骨架采用M7.5漿砌片石，并每隔20 m設置一道截水槽，骨架內(nèi)種植紫穗槐，具體邊坡防護方案如圖2所示。

4.2 挖方段邊坡防護設計方案

K10+600～K10+700段路基地勢高，以挖方路塹為主，邊坡巖土體以強風化和中風化砂巖為主，邊坡整體高度較均勻，在12.6～13.5 m之間，均為二級邊坡，邊坡坡率自下而上分別為1∶0.75、1∶1.1，坡腳處設置寬1 m的碎落臺。為了防止邊坡坡面沖刷，在一級邊坡設置了護面墻，材料選用M7.5漿砌片石，具體設計參數(shù)為：護面墻頂寬取0.4 m，底寬取0.8 m，在墻背設置3排仰斜式排水孔（梅花形布置），并在距離坡腳4 m處設置一個耳墻。

5 結語

該文主要研究了路基邊坡防護設計原則、生態(tài)防護和圬工防護的設計要點，并以某二級公路為研究對象，制定了路基防護方案。研究成果表明：

（1）公路路基邊坡防護目標是防止土顆粒沖刷，設計時要堅持“安全性、經(jīng)濟性、協(xié)調(diào)性”的基本原則。

（2）路基邊坡生態(tài)防護包括植物防護、土工格室防護、植生混凝土防護等，其設計關鍵是確定植物類型和用量。

（3）邊坡骨架宜優(yōu)先選擇拱形，厚度不小于0.4 m，材料可用漿砌片石或混凝土預制塊。

（4）護面墻多用于風化嚴重的路塹邊坡，可結合實際需求設置排水孔和耳墻。

參考文獻

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[5]馬建國. 公路路基設計中邊坡防護技術的應用[J]. 交通世界， 2022（14）： 108-110+114.

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：王磊剛（1991—），男，本科，工程師，從事公路勘察設計工作。