高等級公路邊坡防護(hù)系統(tǒng)探討
發(fā)布時間：2010-01-14 共2頁
1前言
隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，高等級公路邊坡防護(hù)系統(tǒng)研究日漸引起公路部門的重視。邊坡綜合防護(hù)設(shè)計(jì)是高等級公路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，需根據(jù)公路等級、降雨強(qiáng)度、地下水、地形、土質(zhì)、材料來源等情況綜合考慮，合理布局，因地制宜地選擇實(shí)用、合理、經(jīng)濟(jì)、美觀的工程措施，確保高等級公路的穩(wěn)定和高速行車安全，同時達(dá)到與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)，保持生態(tài)環(huán)境的相對平衡，美化高等級公路的效果。
長期以來，路基邊坡的綜合防護(hù)技術(shù)一直是公路修筑中的一個薄弱環(huán)節(jié)，我國在80年代中期以前，主要以低等級公路建設(shè)為主，由于交通量小，深挖高填較少，投資不大，因而防護(hù)工程不作為道路建設(shè)的主體工程，由此引起的損失亦不大，所以在工程中對邊坡的綜合防護(hù)研究常常被忽視。進(jìn)入90年代以后，我國高等級公路建設(shè)方興未艾，由于缺乏對防護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)研究，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)供設(shè)計(jì)部門應(yīng)用，因此只能用低等級公路的防護(hù)技術(shù)或供鑒鐵路部門的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施局部防護(hù)，缺乏綜合考慮，從而為工程埋下隱患，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響，有的甚至中斷交通，如沈大高速公路鲅魚圈所以南180km長的路段，后期的工程防治費(fèi)用占整個工程防治費(fèi)的80％、京石高速公路在1997年遇到洪水沖擊后，很多路段出現(xiàn)路基垮塌，路面懸空的現(xiàn)象，再如眾所周知的昆祿路等。據(jù)交通部統(tǒng)計(jì)，僅1991年因水毀沖毀路基1577km，沖毀路面43733km，沖毀橋梁3606座、涵洞40343道，塌方4171萬方，直接經(jīng)濟(jì)損失16.86億元，因排水防護(hù)不當(dāng)使基層與路基含水量增加引起公路整體強(qiáng)度下降造成的損失更是無法統(tǒng)計(jì)。
隨著高等級公路的加快修建和交通量的急劇增加，環(huán)境破壞與環(huán)境污染與日俱增。自1972年聯(lián)合國斯德哥爾摩環(huán)保會議以來，由于公路工程修建等因素導(dǎo)致水土流失和耕地占用，農(nóng)民們失去了5000多億噸的表層土；同時由于植被破壞導(dǎo)致溫室效應(yīng)的CO2增加了10％，世界在以每年80億噸的巨量排放CO2和硫化物，臭氧層日益遭到破壞。自1950年以來，世界經(jīng)濟(jì)增長了5倍，人口從26億上升到58億，但這一切增長完全建立在對地球的超負(fù)荷掠奪上。地球退化、土地減少、每年對農(nóng)作物和牲畜業(yè)造成的損失達(dá)430億美元，相當(dāng)于美國一年的糧食收入。1950年～1984年世界糧食產(chǎn)量以每年3％的速率增長，1984年以后放慢，1984～1992年增長率僅為0.7％，不及人口增長率的一半；與此同時，全世界的森林覆蓋率也由工業(yè)革命前的55％降至25％左右，我國森林覆蓋率由50年代的30％降至1997年的12％左右。隨著 環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，為了環(huán)境的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境會計(jì)學(xué)誕生了，國際社會第一次認(rèn)真地考慮把環(huán)境和資源的損失計(jì)算到經(jīng)濟(jì)成本中去，經(jīng)濟(jì)增長必須考慮到環(huán)境的代價，即由環(huán)境問題引起了環(huán)境會計(jì)和環(huán)境審計(jì)。如何在加快公路建設(shè)和汽車工業(yè)發(fā)展的同時，減少對環(huán)境的損壞。降低噪音，吸收汽車排放物，恢復(fù)自然生態(tài)平衡已成為目前公路設(shè)計(jì)部門的當(dāng)務(wù)之急。
與此同時，防護(hù)技術(shù)在理論方面尚需進(jìn)一步研究，如邊坡的侵蝕機(jī)理、邊坡水力學(xué)特性研究、地區(qū)差異性以及公路部門與園林部門的專業(yè)交叉研究等等，以便提供邊坡綜合防護(hù)的理論支持和依據(jù)。
因此，為降低工程造價，減少或防止道路病害，保持生態(tài)環(huán)境的相對平衡，確保道路的安全與穩(wěn)定，急需對高等級公路的邊坡綜合防護(hù)加固技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。
2國內(nèi)外研究概況
國際上有關(guān)道路防護(hù)與加固技術(shù)的研究，多年來一直是廣大道路工作者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。有的研究已開始將水對邊坡的侵蝕沖刷定量化。根據(jù)降水侵蝕力系數(shù)，土固有的侵蝕性參數(shù)、地形分類及侵蝕控制參數(shù)等計(jì)算邊坡上的平均流失，從而更科學(xué)地選擇合適的邊坡防護(hù)措施。Eillison提出擊濺板得出雨滴的擊濺侵蝕公式：G＝K·V4.22·d1.07·i0.05(G：侵蝕量；V：雨滴下降速度；d雨滴直徑；i：降雨強(qiáng)度；K：系數(shù))，開創(chuàng)了植物防護(hù)定量研究的先河，以后經(jīng)多人的努力，如50年代美國學(xué)者Wischmeiere.W.H和simithD.D等人利用美國35個土壤保持試驗(yàn)站8250個休閑小區(qū)的降雨侵蝕實(shí)測資料，進(jìn)行了降雨量、降雨動能、最大時段降雨、前期降雨以及各種復(fù)合因子與土壤流失量的回歸分析，最后得到一個通用土壤流失方程式，至今在國際上廣泛采用。同時許多國家都針對各自國家或地區(qū)的不同情況，確定最佳參數(shù)，推導(dǎo)土壤流失方程式，取得了豐碩的成果。日本、美國等國家在設(shè)計(jì)規(guī)范中明確了防護(hù)設(shè)計(jì)和公路園林的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、原則和具體措施，如日本《高等級公路設(shè) 計(jì)規(guī)范》(日本道路公團(tuán)，1983，4)中，比較大的篇幅對護(hù)坡的方法、分類、方案設(shè)計(jì)以及公路園林設(shè)計(jì)的基本原則，不同物種在本地區(qū)的適應(yīng)性均作出了詳細(xì)的規(guī)定，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)性。在邊坡防護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，國際上特別是發(fā)達(dá)國家尤為重視植物防護(hù)或植物與圬工防護(hù)相結(jié)合的方法，以期達(dá)到同時發(fā)揮防護(hù)與美化的作用。
隨著我國公路等級和人們生活水平的提高，路基邊坡防護(hù)日漸引起公路部門的重視。在我國多年的道路工程實(shí)踐中，積累了不少防護(hù)與加固技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。水是公路邊坡上土壤侵蝕的主體，公路部門對水流的力學(xué)研究都是以明渠均勻流為研究對象，如曼寧流速公式等，利用這些公式進(jìn)行排水構(gòu)造物的設(shè)計(jì)取得了較滿意的效果，但如果以此來描述邊坡沖刷則有不妥。如我國《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ018-97)中推薦的溝管近似流速公式V＝20·i1／2，即流速與坡角的平方根成正比，而在公路邊坡中，隨邊坡坡角的增大，徑流流速確有增大的趨勢，但坡角增大導(dǎo)致匯水面積減小，必然使流速減小，所以邊坡徑流流速應(yīng)是產(chǎn)流降壓強(qiáng)度、坡長、坡度、坡面粗糙系數(shù)的綜合函數(shù)；在圬工防護(hù)理論計(jì)算方面，庫倫理論，朗金理論被廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，各種新型支檔結(jié)構(gòu)和防護(hù)型式及CAD程序相繼而生，但在設(shè)計(jì)時，僅從邊坡的穩(wěn)定性等因素出發(fā)，很少考慮水對防護(hù)的量化沖刷能力和環(huán)保因素，如：可否利用工程經(jīng)濟(jì)學(xué)研究某路段采用集中排水或分散排水?可否用混凝土預(yù)制塊或網(wǎng)格代替費(fèi)工費(fèi)時的漿砌片石?可否用植被防護(hù)或綜合防護(hù)替代全圬工防護(hù)等等。由于工程的千差萬別，上述問題在規(guī)范中僅定性地作了限制，很少給出具體比選方法進(jìn)行量化計(jì)算分析，由此設(shè)計(jì)出的結(jié)果可能一方面是工程達(dá)到了防護(hù)效果卻造成了大量工程資金的浪費(fèi)，另一方面是防護(hù)不當(dāng)或方案錯誤導(dǎo)致防護(hù)失敗，造成巨大資金重復(fù)投入，形成不良的社會影響。
高等級公路由于線形標(biāo)準(zhǔn)較高、設(shè)計(jì)人員素質(zhì)低、比選方案少等因素，造成路基高填深挖現(xiàn)象普遍存在，同時大交通量給沿線造成的交通污染不但威脅沿線居民的身體健康，而且影響區(qū)域的生態(tài)平衡。由于諸多原因，我國公路的環(huán)保技術(shù)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今高速公路發(fā)展的道路建設(shè)要求，同時關(guān)于邊坡沖刷防護(hù)、交通環(huán)境美化進(jìn)行的綜合設(shè)計(jì)也鮮為報道。
在國內(nèi)植物防護(hù)方面，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和生活質(zhì)量的提高，在適宜植物生長的土質(zhì)邊坡、服務(wù)區(qū)、立交區(qū)，根據(jù)土壤、氣候特點(diǎn)栽種花草樹木，既可防風(fēng)護(hù)坡，恢復(fù)因建路而破壞的生態(tài)平衡，美化環(huán)境、吸收尾氣、誘導(dǎo)視線，還可防止暴雨對路基邊坡的擊濺沖刷。西北水保所對此進(jìn)行了大量的研究，并在引用美國通用土壤流失方程式方面取得了一系列成果。貴州畢節(jié)公路段做過公路綠化效應(yīng)及山區(qū)公路水毀防治的研究，北京市公路管理處作了一系列公路綠化設(shè)計(jì)研究，河南省交通廳與天津大學(xué)聯(lián)合完成了"土工合成材料在鄭洛高速公路護(hù)坡工程中的應(yīng)用及綠化研究"，交通部科技信息所環(huán)保部分別在昆(明)-曲(靖)路，楚(雄)-大(理)路實(shí)施了"生物防護(hù)與景觀再造工程"等等，取得了較好的防護(hù)效果，但水對邊坡侵蝕沖刷的量化研究仍鮮為報道，理論上缺乏必要的支持。同時由于各處工程項(xiàng)目的地理氣候差異性，以及公路植物防護(hù)與園林專業(yè)的交叉相容，導(dǎo)致了防護(hù)物種和設(shè)計(jì)方案的千差萬別，所以將水對土質(zhì)邊坡的侵蝕沖刷研究定量化，確定護(hù)坡方法的選擇原則，劃分不同地區(qū)用于公路防護(hù)的植物類型及特性，從而確定最佳綜合防護(hù)設(shè)計(jì)方案已勢在必行。
如前所述，由于理論研究上的不足和設(shè)計(jì)上的隨意性，同時由于國內(nèi)外不同地區(qū)的地理、氣候及工程建設(shè)規(guī)模的差異，決定了不同地區(qū)綜合防護(hù)方案的差異性，所以在侵蝕沖刷機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對不同地區(qū)的高等級公路邊坡進(jìn)行綜合系統(tǒng)研究，提出最佳防護(hù)設(shè)計(jì)方案已迫在眉睫。
反思我省的高等級公路邊坡防護(hù)現(xiàn)狀，雖然做了許多實(shí)驗(yàn)性嘗試，采用了多種防護(hù)型式，基本達(dá)到了預(yù)期防護(hù)效果，但仍有許多沉痛的教訓(xùn)值得認(rèn)真總結(jié)，如鄭洛路九標(biāo)1996年邊坡水毀，開鄭路邊坡水毀索賠、安新路個別路段大面積邊坡混凝土預(yù)制塊坍滑等等，歸納起來存在的問題有：
(1)缺乏系統(tǒng)的防護(hù)方案、措施研究和綜合設(shè)計(jì)；
(2)在防護(hù)方案、防護(hù)型式選擇方面缺乏技術(shù)、工程經(jīng)濟(jì)比較分析；
(3)植物物種選擇方面，隨意性過大，缺乏和園林部門的探討研究；
(4)由于各地區(qū)的差異，缺乏各分區(qū)最佳防護(hù)典型型式，致使設(shè)計(jì)人員難以操作。
總之，上述問題的存在，使我省邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)可能一方面是工程達(dá)到了防護(hù)效果卻浪費(fèi)了大量的工程投資，另一方面是防護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致了路基邊坡的早期病害。
3邊坡侵蝕機(jī)理研究
通過對邊坡力學(xué)特性研究，可得以下結(jié)論：
公路邊坡由降雨產(chǎn)生的坡面流與明渠流具有不同的水力學(xué)特點(diǎn)，它應(yīng)該是產(chǎn)流降雨強(qiáng)度、坡長、坡角、粗糙系數(shù)的函數(shù)。由于坡角增大一方面使勢能向動能的轉(zhuǎn)化加快，另一方面卻使單位坡長所接受的降雨減少，因此邊坡的流速應(yīng)該存在一個臨界坡角，從Muzik的邊坡徑流平衡時間關(guān)系式出發(fā)，推導(dǎo)出了一個公路邊坡坡面徑流流速的關(guān)系式(紊流)：
V＝K·L0.3976·cos0.3976a·sin0.3012a·n－0.6024·δ0.3976
式中，K為系數(shù)，L為坡長，a為邊坡坡角，n為邊坡坡面粗糙系數(shù)，δ為產(chǎn)流降雨強(qiáng)度。通過對此式的數(shù)學(xué)處理得到邊坡坡面流速的臨界坡角為41°左右；考慮到邊坡土壤侵蝕量是流量與流速的函數(shù)，進(jìn)一步推導(dǎo)出公路邊坡土壤侵蝕量同樣存在一個臨界坡角，這個坡角大約在25°左右，這與公路邊坡常采用1∶1.5坡率很是接近，因此對邊坡的防護(hù)應(yīng)引起足夠重視 。
邊坡在自然界降雨情況下不斷經(jīng)受降雨的襲擊，其中一部分下滲，一部分在邊坡匯集，形成徑流，徑流在土顆粒表面產(chǎn)生剪切力，當(dāng)這種力大到能抵消土的抗侵蝕能力時，土顆粒被徑流帶走，從而發(fā)生侵蝕，這種徑流的剪切力與土壤粒抵抗力之間的相互作用不同相可引起濺蝕、溶蝕、片蝕、溝蝕等不同的侵蝕現(xiàn)象。
