高速公路水土流失试验分析及保持技术

唐艳玲

（ 海南 海口570206）

1 高速公路水土流失试验分析

1.1 选择试验地点

本次试验共选择2 处场地，场地一位于高速公路某收费站附近的匝道处，场地二在k11+443-k11+525 段右侧的弃土场。

1.2 布设试验场地

场地一的试验目的是测量在没有采取任何防护措施的情况下，高速公路边坡水土流失情况。该场地为8.5×17.0 的矩形，坡面角度为83.1°。在坡脚开挖一处长度为10m，宽度为0.8m，深度为0.5m 的截水沟。确保试验区的坡面径流可以全部汇集到截水沟内。在截水沟的底部预留三角堰，其作用是计算留出截水沟的水流量。三角堰如图1 所示。

图1 截水沟三角堰

场地二的为弃土场的斜坡，坡度为1：1.6。在坡面上从上往下依次规划出3 个试验小区，标记为1、2、3 号小区。3 个小区所占坡面的总长度为21.0m，相邻小区之间间隔1m。在弃土场的上方、两侧均开挖截水沟，采用混凝土砌筑，其作用是拦截弃土场顶部径流；在弃土场的下方开挖排水沟，其作用是排出上坡面的径流。在1 号小区的顶部、3 号小区的底部，各设置一处三角堰，其作用是计算坡面来水汇入截水沟后流出的量。各试验小区基本情况见表1。

表1 3 个试验小区基本情况

1.3 现场试验内容

在两处试验场地随机放置若干台自记式雨量计，获取降雨量；另外使用雨滴取样器，可以获取雨滴直径和雨滴数量，如图2 所示。为了保证计算精度，选择滤纸色斑测定法，雨滴落在滤纸上产生的色斑直径，与雨滴直径的换算公式为：

图2 雨滴取样器图

上式中，d 为雨滴直径，单位为mm；D 为雨滴直径，单位为mm。从截水沟流出的水量，可以借助于三角堰直接测出。结合图1，三角堰中有一根“L”型的软管，软管上有刻度。试验人员能够直接读出流过三角堰的水位。然后利用公式（2）求得流过三角堰的水量。

上式中，C0为三角堰的流量系数，可以通过式（3）求得。

上式中，H 为三角堰顶部水头的高度，单位为m；P1 为上游堰高，单位为m；B 为三角堰上游引水渠的宽度，单位为m。

1.4 试验结果分析

在试验期间，共记录到13 次降雨，其中有5 次因为降雨量较少，未形成坡面径流，因此无统计数据。分析另外8 次降雨，按照“流失量÷流失面积”可以计算出单位面积水土流失量（见表2）。

表2 各试验区单位面积水土流失量

结合表2 可以发现，在第3-8 场降雨中，弃土场的水土流失量达到了2726.86t/km2，开挖边坡的水土流失量更是达到了4768.81t/km2，原地貌的水土流失量仅为825.34t/km2。对比这三项数据可以发现，公路建设导致原来的植被遭到了破坏，因此在同等降雨条件下，水土流失情况更为严重。一方面，弃土场由于土壤堆积比较松散，加上表面植被稀疏，因此在受到雨水冲刷后，水土流失情况也比较严重。另一方面，弃土场的坡度更大，接近垂直（83.1°），这就为坡面径流提供了有利条件，也是导致水土流失量较为严重的主要因素。

在坡度试验中，3 个小区的基本情况（长度、宽度、下垫面等）一致，但是坡度差异明显。1 号小区坡度为27.78°，2 号小区坡度为39.23°，3 号小区坡度为43.0°。在相同的降雨量下，2号小区的水土流失量最大，其次是3 号小区，1 号小区的水土流失量最少。其原因主要来自于两方面：其一，坡度越大，则坡面径流的速度越快，具有较强的侵蚀能力，因此坡度较大的2 号小区、3 号小区水土流失量较高。其二，坡度越大，受到雨水冲刷的面积越小，同等降雨量下，坡度大的坡面径流较小，因此水土流失量反而小。因此坡度更大的3 号小区水土流失量低于坡面较小的2 号小区。

2 基于水土流失结果合理应用水土保持的新技术

2.1 工程防护+植物防护的创新技术组合

2.1.1 土工布和临时排水沟技术

在高速公路的建设中，由于施工需要可能会对边坡植被造成不同程度的破坏，出现不同面积的地表裸露情况。同时，由于填方边坡的土质比较松散，因此在遇到降雨天气后，水土流失情况比较严重。为了控制水土流失，可以在回填路段和两侧半坡上，分别设计排水沟。排水沟的底部和两侧均需要使用混凝土砌筑，既可以防止排水沟受到土体挤压变形，保证结构牢固，同时又可以减少水分渗透，保证排水效果。排水沟的横断面如图3 所示。排水沟的入口处应当设置沉沙凼，可以阻挡径流中的一些部分泥沙，避免泥沙直接进入排水沟导致淤积和堵塞。另外，在沉沙凼的下游还要加装滤网，可以避免漂浮的树叶以及其他杂物进入到排水沟。在坡脚位置使用土工布挡沙，避免强降雨天气下部分砂石进入高速公路，保证行车安全。

图3 排水沟

2.1.2 表土临时堆置技术

对于土质较好、坡面植被覆盖率较高的地区，可以在正式开展施工前，提前将表面良好的土壤挖出，并选择施工场地就近的一处空地进行临时堆放。施工期间应做好保护，例如使用土工布进行遮盖，或者是在周边设置排水沟等。在工程结束后，可以将这些土壤重新回填边坡或是用于表面覆盖。既可以提高资源利用率，又能够节约工程成本。

2.2 雷诺护坡技术

雷诺石笼护坡也是比较常见的边坡水土保持技术。其结构可以概括为“两网夹一石”，即在坡面上先平铺一层双铰合金属网，然后将石料填充到金属网上，最后在石料的上方再盖上一层金属网，如图4 所示。在金属网的节点部位，以及四周上，使用钢丝进行绑扎，形成牢固的石笼。雷诺石笼的应用优势在于：第一，强度大，防护效果好。填充了石块的笼结构，既可以保证雨水正常渗透，同时又能够阻挡泥沙，达到了护坡效果。第二，施工方便，可以广泛适用于各种护坡。根据护坡的宽度、长度等灵活设计金属网的面积，节约材料。第三，金属网可以预制，石料可以就地取材，降低施工成本。需要注意的是在施工前，要做好现场调研，评估是否满足雷诺石笼的使用条件，并根据现场测量数据提前准备金属网。

图4 雷诺石笼

3 结论

高速公路在施工建设和后期维护时，必须要考虑边坡水土保持。本文通过试验证明了采取不同的边坡防护措施对径流量和土壤侵蚀量有明显的影响。其中，混凝土预制块与紫穗槐组合，或者是旱地早熟禾与紫穗槐、丁香组合，都可以取得较为理想的防护效果。除此之外，采用“工程防护+植物防护”的新型模式，既可以降低防护成本，减少作业量，又能够进一步提升水土保持效果，具有推广应用价值。