不同生态防护措施下的道路边坡侵蚀特征研究

曾 征

重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 400020

随着基础交通网的完善和城镇化建设不断推进，道路工程的建设规模逐年扩大。裸露的边坡坡面在降雨、风化等因素作用下，容易出现表面侵蚀现象。道路边坡侵蚀会导致边坡冲蚀、剥落等浅层病害，浅层病害发展到一定程度会影响边坡的整体稳定性。如果对道路边坡防护不当，会影响道路运营期间的行车安全，甚至造成严重的交通事故。目前，我国相关部门对道路建设期间的生态环保要求更加严格，选择合理、经济的边坡生态防护措施已经成为工程师要解决的重要问题[1]。因此，研究不同生态防护措施下的边坡侵蚀特征具有十分重要的工程意义。

1 道路边坡冲刷机理分析

（1）降雨溅击。路基边坡坡面发生冲刷的实质是坡面土体小于水流搬移力时，坡面水流将土颗粒剥离，而水流搬移力主要源于降雨溅击。降雨溅击是路基边坡坡面冲刷的最初形式，相关研究表明，当雨滴平均降落速度为8～10m/s时，会对坡面土体产生较大冲击力，导致土颗粒因溅击而侵蚀[2]。降雨溅击坡面可分为三个阶段：①干土溅散阶段。降雨初期，雨滴溅击到干燥坡面，土颗粒未能及时吸取雨水，而被雨滴溅散。②泥浆溅散阶段。降雨时间持续增加，边坡坡面土体结构被破坏，土颗粒间的空隙被水分充填，当坡面土体水分达到饱和程度，土呈泥浆状，受雨滴冲击后也会溅散。③层状侵蚀阶段。降雨历时继续增加，坡面表层的泥浆将阻塞土孔隙，减小其渗透性，雨水以径流方式在坡面漫流，导致边坡表层土颗粒不断流失，属于降雨溅击最严重的阶段。

（2）坡面冲刷影响因子。路基边坡坡面冲刷受到多因素的综合影响，可用函数表示如下：

式中：I为降雨强度；α为边坡坡角；L为边坡坡长；λ为边坡入渗率；n为坡面粗糙系数；d为土颗粒平均直径。

2 道路边坡生态防护措施

2.1 普通生态防护措施

（1）植物防护。①铺草皮护坡：施工时间短、施工技术简单，能够适应恶劣的外界环境，是一种应用广泛的道路路基边坡防护技术，该方法是通过相关设备把草坪铲起运输到绿化场地，再根据设计要求铺植，但是在铺草皮时，草种不能过于单一，否则可能引起虫害。②植生袋护坡：该护坡草种、肥料、保水剂等按照设计比例加固而成，具有良好的保水能力，可以大幅度改善草种出苗率，能够减缓边坡风化速度、减少雨水侵蚀，适用于各种环境。③三维植被网护坡：基础层是热塑性树脂经双向拉伸后形成的方形网格，可以将土壤和草种固定在坡面。“网包”的存在可以消减雨水下降的势能（使雨水在坡面绕流），降低雨水对坡面土体的侵蚀量，同时三维植被网相互交错，会对坡面土壤起到一定的加筋作用，进一步提高边坡抗冲刷能力。

（2）土工合成材料植草护坡。土工合成材料具有结构性能良好、不易降解、质量较轻等优势。将土工合成材料与植物草种混合用于道路路基边坡防护在质量和造价方面都具有一定的优势。常用的土工织物生态防护形式包括草籽无纺布、土工格室、土工布等。土工织物植草应用于路基边坡防护时，应综合考虑边坡岩体性质、边坡几何参数等因素，一般适用于坡度缓于1∶1的残积土或软岩路堑边坡及硬质岩填筑的路堤边坡。在施工之前，应将路基边坡表面杂物清理干净，确保坡面的平整[3]。同时，可以根据坡面实际情况在周围开挖水平种植沟，种植沟间距在20cm左右，以减少水土流失，给草种提供良好的生长环境。

（3）植生混凝土护坡。植生混凝土防护路基边坡是一种多功能绿色环保防护技术，根据功能不同，植生混凝土可分为植物型多孔纤维混凝土、可净化水质的植生混凝土、抗冲刷型植生混凝土。植生混凝土结构组成要素包括多孔混凝土、保水材料、肥料等，其中多孔混凝土具有良好的透气性，属于基本骨架结构；保水材料是由有机质保水剂和无机保水剂混合所得，主要作用是为草种生长提供一定的水分。

2.2 新型生态防护措施

笔者结合多年工程经验，提出一种新型生态护坡技术用于道路边坡防护，即植物聚丙烯纤维护坡技术。该技术是将土体、聚丙烯纤维、草种、水、保水剂均匀的拌在一起，然后通过专用喷播机将混合物喷射到预防护边坡的一种高质量、现代化的新型防护技术。聚丙烯纤维护坡技术借鉴了液压喷播植草技术，通过液压喷播技术可以在很大程度上提高坡面种植效率，能够使播种、防护等多种工序一次性完成，不仅提高了坡面建植的速度和质量，还能够克服不良自然条件的影响，满足各种条件下坡面建植的需要。与此同时，在良好的保湿条件下，草种能迅速萌发。因此，植物聚丙烯纤维护坡技术不仅能够起到防护坡面的作用，还能美化自然环境、维持生态相对平衡。结合相关研究成果，笔者建议设置边坡坡顶的聚丙烯纤维加筋土厚度为10～15cm，设置坡面聚丙烯纤维加筋土厚度为8cm。此外，由于聚丙烯纤维加筋土的入渗性能相对较差，为了将坡顶的积水顺利排出，参考《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）和《公路排水设计规范》（JTG/T-D33—2012）中的排水设计方法，将坡顶的聚丙烯纤维加筋土防护布设一个3%的横向坡度，便于坡顶积水的排出，减少雨水的下渗量，从而更好地保护边坡坡顶，加筋土防护边坡示意图如图1所示。

图1 加筋土防护边坡示意图

3 道路边坡加固前后侵蚀特征分析

3.1 工程概况

为了评价不同生态防护措施在边坡防护中的应用效果，文章依托某公路路基边坡开展现场降雨冲刷试验，得到各防护形式下的坡面侵蚀特征。道路边坡防护方式选择植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纤维加筋土防护，坡面侵蚀特征通过产沙强度来评价。该公路沿线地质条件较复杂，地下水位低，地形起伏较大，坡体地面标高约为205.8～262.5m，自然坡角最大约为20°～27°。坡体组成物质表层为粉质黏土，厚度约为1.20～3.10m，其下为砂质黏性土，厚度约为4.40～8.50m，再下基岩为强风化混合岩，厚度约为9.40～12.50m，其下为中风化混合岩。降雨设备采用自制人工降雨模拟器，降雨强度为20mm/h，降雨历时60min，同时选择相同边坡高度和坡度的裸坡作为空白对照。

3.2 边坡侵蚀结果分析

边坡冲刷试验开始后每隔5min采集一个冲刷水样，测定各降雨时段内坡面的径流强度和产沙强度，得到了边坡坡面加固前后的产沙强度。边坡坡面产沙强度与降雨时间关系图如图2所示。

图2 边坡坡面产沙强度与降雨时间关系图

由图2可知，随着降雨历时的增加，不同防护形式下的道路边坡产沙强度不断提高，但提高速率逐渐变缓，其中植草护坡产沙强度最大，纤维加筋土护坡产沙强度最小。在坡面冲刷初始阶段（0～20min），雨水冲刷作用明显，坡面侵蚀严重，水流通道多，雨水主要以溅击坡面土体，坡面产沙强度增加幅度大。当坡面冲刷时间超过20min后，水流下渗作用减弱，产沙强度增长缓慢。降雨结束后植草、土工格室、植生混凝土、聚丙烯纤维加筋土防护的边坡产沙强度分别达到了4.8kg/min、3.7kg/min、3kg/min、2.6kg/min，这说明聚丙烯纤维加筋土抗侵蚀性能最好。

4 结论

降雨溅击是路基坡面冲刷的最初形式，主要包括干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段。道路边坡常见生态防护形式包括植物防护、土工合成材料植草护坡、植生混凝土护坡及其他新型防护措施。不同生态防护措施下的道路边坡产沙强度随着降雨历时的增加而增加，但提高速率逐渐变缓，且植草护坡抗侵蚀能力最差。