南宁公路路堤边坡冲刷防护临界高度研究

徐丽丽 杜静 阳利君

摘要：文章结合已有试验观测文献资料，通过类比、野外调研分析得出南宁公路路堤边坡临界高度数据，并结合设计单位案例，划分植物防护与工程防护临界路堤高度，为今后的路堤防护临界高度设计提供参考。

关键词：路堤边坡;临界高度;冲刷防护

0 引言

为保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面叫边坡。边坡暴露后，受各种气候条件与自然因素的影响，容易发生变形和破坏，成为路基病害易发部位。在道路工程中，边坡本身整体稳定，但需防止坡面浅层滑塌和坡面冲蚀、碎落、掉块，实践中需要对边坡采取防护措施以防止路基灾害发生。目前高速公路边坡坡面防护措施主要有植物防护和工程防护，植物防护主要是在边坡的坡面植草、植树，因为工程量小，费用低，在高度比较低的边坡中应用比较广;而工程防护主要采用干砌片石护坡、浆砌片石护坡、浆砌预制块护坡以及锚杆钢丝网喷浆、喷射混凝土护坡等，工程防护的工程量大，成本高，但防护效果好，应用也比较广。目前高速公路边坡冲刷防护设计对植物防护和工程防护的界限高度取值没有规定一个统一的计算或者判断标准，往往凭施工人员的经验或投资预算，不论路堤高低，均为统一模式，或者不同单位设计的边坡采取的经验不同，同一个地区其取值也往往大不相同，需要防护的地方未能很好地防护，而部分不需防护的地方又大量设计了防护工程，浪费了大量的工程建设资金。针对上述问题，通过文献类比、野外调研及案例相结合，可以较为合理地确定广西南宁地域的植物防护与骨架植物护坡临界高度值。

1 临界高度的概念

当边坡高度较小，仅仅采用植物防护即可抵抗雨水冲刷，而在集中下水情况下，植物防护可抵抗雨水冲刷的最大高度，即为临界高度。超过这一高度，仅仅采用植物防护，则防护效果不佳。见图1。

确定合理的边坡临界高度值，有利于对边坡防冲刷采取更具针对性的设计，在满足临界坡度的情况下，当高度低于植被防护临界高度，则可采取植被防护，减少工程量，节约大量工程资金。

2 边坡冲刷机理

2.1 雨水冲刷机理

降雨冲刷的最初形式为击溅。雨滴以7～9 m/s的平均速度落向地面，产生巨大冲击力，致使土颗粒溅起，原本成团的土粒分散、土块受到破坏并迁移，形成了丰富的松散颗粒;随着降雨时间的延长，坡面土颗粒逐渐形成泥浆，并最终在坡面形成薄层水流，在水流很小时，其携带泥沙的能力比较弱。随着水流的向下流动，一路不断有雨水、杂质、植物茎叶、土颗粒等填充进来，流体逐渐变深变大。而雨滴的溅击、流体所经的沟侧壁弯曲、沟底的高低起伏，使流体形成紊流和旋涡，对坡面造成了更大的侵蚀，使坡面土壤分离，土块滚落。坡面的冲蚀大致发生在这个阶段。

2.2 植物防冲刷机理

公路边坡上采取植物防护，种植草皮，既能美化道路景观，又能促进生态恢复，同时植物根系加强了浅层土壤的抗剪强度，植物茎叶阻截水流，削弱溅蚀，防止冲刷。一方面，植物根系具有较强的抗拉强度，草本植物属浅根类型，在土层中，植物根系与土盤结缠绕，试验证明草本植物根系的加筋增大了黏性土的c、φ值，同时植物根系对土粒的网兜包裹效应阻止了土粒松散解离。植物根系与边坡表土组成的加筋层厚度一般为坡面上0～30 cm。另一方面，草本植物茎叶可削弱雨滴溅蚀，同时有效地阻截、分散水流，防止边坡坡面径流冲刷，减弱坡面水流的侵蚀作用。

2.3 骨架植物护坡防冲刷机理

有研究表明，根系对土体的力学加固效应一般仅存在于地表以下1.5 m的深度范围内，因此当坡长过长，土质条件不好，单独采用植物防护已不能满足防护要求。同时水的蒸腾作用发生在降雨间歇，速率低，一旦遇暴雨或连续降雨，坡面水流的短时大幅抬升会造成斜坡的不稳定。植物生长引起土体干裂缝，各种动物通道、膨胀裂缝等又会使斜坡吸收除拦截损失之外的几乎所有降水，加剧斜坡蠕变。在植物根系的新陈代谢下有机质的腐化与降解等会向土体中释放一系列酸性物质，提高渗入水的酸度及侵蚀性，促进水岩反应，这些对斜坡蠕变及滑坡孕育产生了助推作用，此时不再适合仅仅只做植物防护，可采取工程护坡。即在公路边坡坡面上，用片石或砌块骨架将长大的坡面分割成若干有骨架支撑的小坡面，并种植植被，进行分而治之。一方面骨架可以阻截引导水流，减小冲刷;另一方面分而治之后，大块坡面被分成小块窗格，不稳定土体的范围和厚度都大大减小，同时骨架有效支撑了将要滑动的土块体，保证了边坡稳定。实践中，此种形式护坡在黄土路堤中得到了很好的应用。

3 植物护坡与工程护坡的临界高度

3.1 临界高度的理论计算

均为土壤的物理性质，但对于长大坡面而言，这些参数也是变化的，不同路段参数不一，则导致计算结果不一样;同时式中h为水流水深，影响因素众多，如坡面的入渗率、当时的降雨强度、坡面高度、坡面长度等，利用公式计算的临界高度只具有参考价值，没有普适意义，因此工程实践中利用理论公式计算临界高度不太现实，鉴于影响因素复杂，建议应结合试验、野外调研最终确定。

3.2 临界高度的试验观测结果分析

影响土体冲刷的其中一个重要因素是坡长，李志刚研究团队通过对江苏邳州段的一段坡长从3.5～10 m的黏土路堤进行试验观测，得出坡长（路堤高）与侵蚀深度呈幂指数关系：

此试验以江苏邳州地区的气候和邳州段高速公路为对象，当y=10 mm时，坡面呈现严重的冲刷，可判定植草防护已经无法满足冲刷防护要求，应该采用工程防护，根据式（2），得出工程防护与植草防护的临界高度为6.1 m。同时其通过对地处苏北地区高速公路调研发现，边坡在6 m左右的植物防护没有发现大的冲刷，而超过6.5 m的则发现有大的冲刷。研究还发现降雨强度对边坡冲刷的影响不可忽略，李志刚科研团队以邳州地区从1986—2000年来的最大雨强（30 mm/10 min）作为试验雨强进行了边坡冲刷防护临界高度的野外试验，并结合野外观测试验、实地边坡冲刷调研得出可将江苏省高速公路黏土路堤边坡植被防护与工程防护的临界高度设置为4.5 m。

广西壮族自治区首府南宁市，纬度低，太阳终年辐射强，夏季气温高，雨水充沛。每年的4～9月为降雨汛期，受海洋暖气团的影响，从5月开始出现暴雨，并且暴雨来势急促。据统计，南宁多年平均降雨量为1 302.6 mm，最大年降雨量为1 970.6 mm（1923），最小年降雨量为830.1 mm（1989）;多年平均相对湿度为65%;多年平均蒸发量为1 736.6 mm。对比江苏邳州的气候特点，南宁比邳州的年均降水量多400 mm左右，按《公路排水设计规范》“图9.1.7-1中国5年一遇10 min降雨强度图”，广西南宁为2.7 mm/min，而江苏邳州为2.6 mm/min，说明南宁的降雨强度比邳州稍强。南宁属湿润的亚热带季风气候，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温和，公路边坡的植被可保持四季常青，存活率及覆盖率均高，对防止边坡冲刷起到重要的作用。有研究表明，随着植被覆盖率的增加，坡面径流与侵蚀产沙量明显减少，但影响程度有限。综合以上，广西南宁的植物护坡与工程护坡的临界高度可选择6 m。

3.3 南宁公路边坡植物防护临界高度调研

南宁的气候条件适合植物生长，边坡植物的成活率高，但南宁雨季雨量大，持续时间长，同时并未有学者在南宁实行野外试验，工程界对于临界高度的选择也莫衷一是。本次研究特选择南宁吴圩机场第二高速公路工程（城市快速路段）和南宁市长虹路主干道道路工程，进行公路边坡植物防护与工程防护冲刷状况调研，希望得到临界高度的调研值，为工程设计做参考，调研结果如表1所示。

南宁某机场高速公路工程（城市快速路段），设计时速主车道80 km/h、辅道40 km/h，道路沿线地貌为盆地边缘丘陵，局部地段起伏较大，场地内的浅表层土主要为黄、灰黄色填筑土，稍密状态，有一定均匀性，易扰动;主要成分为黏性土。

其路基边坡防护主要采取以下两种：

（1）当路基挖方高度<6 m时坡面设置绿化植草护坡。

（2）路基挖方边坡高度>6.0 m的区域，坡面采用拱形骨架防护，沿线每隔100～150 m设一道检修人行步梯。骨架护坡平面如图2所示。

防护工程浆砌片石的施工质量要求按照设计和规范要求执行，严格按设计的断面尺寸进行施工，尽可能地满足线条流畅、直顺、美观大方的要求。砌体采用坐浆挤浆法施工，机拌砂浆砌石，分层错缝，嵌填饱满。

喷播草籽施工程序为：边坡检验→边坡修整→喷播草灌种子→覆盖无纺布→养护管理→绿化成坪。施工期间，保证出苗率，后期做好苗期养护管理工作，及时补苗。

4 结语

根据理论计算、文献类比、野外调研以及设计单位的案例分析，就南宁市而言，高速公路黏土边坡的植物防护与工程防护的临界高度，建议可设为6 m，6 m以上才采用工程防护，6 m以下发挥植被防护的优势，节约工程资金，美化道路景观，促进生态恢复。数据仅供工程设计参考，但考虑边坡土质不同、植被类型对边坡稳定的影响，此界限高度还需要大量工程实践验证。

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收稿日期：2020-05-27