铁路路基边坡浅层稳定性分析与坡面防护现状

2023-07-30吕宋魏少伟刘越然刘瑞

铁道建筑 2023年6期

吕宋魏少伟刘越然刘瑞

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081； 2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081；3.中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860

路基结构常年暴露在自然环境中，在降雨、地震、人类活动等外界作用下易发生边坡失稳。据不完全统计，80%的边坡失稳与降雨有关，因此降雨是诱发边坡失稳的主要因素，一般会诱发两种类型的边坡破坏。第一类是剪切滑动型失稳破坏，即边坡滑坡，原因是降雨入渗使土体含水率增加，造成土体抗剪强度降低，同时下滑力增大，当滑动面下滑力大于抗滑力时发生破坏。第二类是渐进型侵蚀破坏，即边坡冲刷，此类破坏一开始发生在坡面表层，坡面经过长期多次的剥离，出现片蚀、细沟等侵蚀现象，随着坡面持续冲刷，侵蚀会进一步向内部发展，可能引发溜坍等问题。

针对第一类边坡滑坡问题，国内外规范提出了稳定性验算方法。对于边坡整体深层失稳，以圆弧滑动面、平面滑动面、折线滑动面等不同的破坏模式为基础，形成了一套完整的计算方法。对于因雨水入渗导致的边坡浅层失稳计算方法，规范涉及较少。日本《铁道构造物设计标准及解说》［1］中对于标准的路堤断面，规定了简易降雨设计模型的降雨渗透等高线图，基于土体强度参数的折减，利用圆弧滑动法进行稳定性检算。针对第二类边坡冲刷问题，德国《铁路土工建筑物手册》［2］中提出了与水流速度和土颗粒粒径有关的水力冲蚀临界范围；美国以近30年的土壤侵蚀观测数据为基础提出通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）预测土壤侵蚀量［3］。针对边坡浅层失稳与坡面冲刷，即边坡浅层破坏问题，现有国内外规范未提出较完整的计算分析方法。

边坡浅层破坏会给列车运行带来极大的安全隐患，因此需采用适宜的坡面防护措施保证边坡的稳定，包括骨架护坡、锚杆（索）框架梁护坡等工程防护形式和喷播植草、植生带（袋）植草等生态防护形式。TB 10001—2016《铁路路基设计规范》［4］提出了各种路基坡面防护形式，但对各防护形式未作具体要求。2015年原中国铁路总公司发布铁路路基边坡防护通用参考图［5］，对各种边坡防护形式尺寸、材料等进行了具体说明，与国外高速铁路相比，中国圬工防护比重偏大，存在较大的优化空间。

综上，针对路基边坡浅层破坏问题，现有国内外规范均缺少较为全面完善的路基边坡坡面浅层稳定性及冲刷分析方法。边坡防护方面，通用参考图在一定程度上反映了中国铁路路基边坡防护现状，坡面防护骨架等多是根据经验设计的，以至于坡面防护结构中圬工占比偏大，有待于进一步优化，在保证安全可靠的前提下增加边坡防护的生态性与环保性。本文针对铁路路基边坡浅层稳定性分析与坡面防护现状进行梳理，为铁路路基边坡浅层稳定性评价与坡面防护结构优化奠定基础。

1 铁路路基边坡浅层稳定性分析

1.1 边坡浅层失稳

日本《铁道构造物设计标准及解说》中考虑了降雨对路堤浅层稳定性的影响，在渗流分析的基础上采取圆弧滑动法进行稳定性验算（图1）。对于标准路堤断面，规定了简易降雨设计模型的降雨渗透等高线图（即饱和度图），方便进行路堤浅层稳定性验算。对于特殊路堤形状、土质条件及降雨条件，需采用有限元法进行浸透流分析。德国针对路堤填料、边坡高度规定了铁路路基边坡标准坡度，在满足承载力和变形要求下无需进行稳定性验算，如边坡是非标准坡度，需采用基于圆弧滑动面的条分法进行整体稳定性验算，但未考虑降雨入渗下的浅层稳定性。中国《铁路路基设计规范》也未对路基边坡浅层稳定性分析方法进行规定。

图1 日本路堤浅层稳定性验算流程

降雨入渗对坡面稳定性研究的关键在于计算入渗引起的边坡渗流场，并在此基础上进行坡面浅层稳定性分析。2001年陈善雄等［6］通过数值模拟得到沿坡面法向的含水率分布规律，为边坡土体重度的增加及抗剪强度的衰减提供了量化依据，通过非饱和土边坡稳定分析证明了降雨引起的土坡失稳通常为浅层破坏。2020年史振宁等［7］以非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论为基础，综合考虑边坡土体初始含水率分布状态和降雨后土体含水率变化规律，建立降雨入渗条件土质边坡浅层稳定性计算方法。铁路领域，2017年连继峰［8］针对雨水均匀浸润软化和顺坡渗流两种情况，在分析边坡水分时空分布特征的基础上研究了路基土质边坡浅层破坏模式及影响因素。2019年刘振宇［9］以襄渝铁路溜坍为背景，在室内液塑限试验、直剪试验、渗透试验等基础上，采用改进后的Green‐Ampt模型分析降雨条件下雨水入渗规律，采用有限元软件进行边坡稳定性分析。

1.2 边坡坡面冲刷

德国《铁路土工建筑物手册》认为边坡表面土颗粒通过雨点撞击和水流拖曳力可能被冲刷和搬运，具有高泥沙比例的土壤以及细砂冲刷现象最为明显。根据粒径和水流速度对冲刷破坏进行评估（图2），如有冲刷危险应在边坡表面采取防冲刷措施。

图2 取决于水流速度和粒径的水力冲蚀临界范围

美国基于10 000多个径流小区30年观测数据提出USLE，用于预测土壤流失量，广泛应用于侵蚀预测和抗侵蚀措施设计，见式（1）。日本及中国相关规范中均未提及降雨引起的坡面冲刷计算方法，仅提出了坡面防护措施。

式中：E为单位面积多年平均土壤流失量；R为降雨和径流侵蚀因子；K为土壤可蚀性因子，指在标准小区下，每个R单位的土壤流失量；L为坡长因子；S为坡度因子；C为作物管理因子；P为水土保持措施因子。

路基边坡坡面冲刷涉及土力学、水力学等多学科，冲刷过程复杂。关于铁路路基边坡坡面冲刷研究主要包括坡面冲刷起动机理、坡面冲刷发展过程、坡面冲刷量计算等方面。1999年罗斌等［10］针对成昆铁路、京广铁路等花岗岩残积层路堑边坡坡面冲蚀总结了冲蚀特征，分析了坡面冲蚀影响因素。2009年匡星［11］通过现场试验、理论分析、数值计算等手段，系统开展铁路工程边坡降雨侵蚀影响因素、水力侵蚀过程、侵蚀计算模型及评价方法研究，结合侵蚀规律与评价标准提出了坡面防护措施与建议。2012年郭增强［12］考虑铁路路基结构、填料及降雨和汇水特征，分析了无黏性均匀填料和黏性土填料的坡面冲刷起动机理，得出了坡面流速、起动粒径随降雨强度的变化规律，并针对不同类型路基坡面提出冲刷计算模型。2013年路遥［13］分析了山洪冲刷掏蚀作用下的铁路路基破坏过程及机理，推导出冲刷导致的滑移破坏和崩塌破坏两种模式下路基稳定性的计算公式，构建了路基在山洪冲刷作用下抗冲刷评价指标体系，并验证了其适用性。2018年杜晓燕等［14］基于铁路路基边坡冲刷、溜坍发展过程及影响因素，分析了边坡溜坍与降雨之间的内在联系，为合理制订雨量警戒值提供了思路。

2 铁路路基坡面防护现状

2.1 国外坡面防护

2.1.1 德国

德国的边坡防护措施包括工程防护、生态防护和特殊的生物防护。工程防护措施包括：①坡顶、坡面和坡脚排水；②边坡面压实；③采用防冲蚀保护层覆盖坡面；④较陡边坡采用混凝土预制构件［15-16］、格栅板等覆盖边坡坡面。

生态防护措施包括表土覆盖层绿化和无表土绿化两种，生态防护断面如图3所示。表土覆盖层绿化是指在坡面上覆盖10～20 cm厚的含有腐殖质的地表土后绿化，在坡面设置凹槽、台阶或采取挂网措施保证覆土稳定，防护类型包括草籽撒播、草垫铺设、草皮移植等。无土绿化即液压喷播或使用草垫的方式代替表土绿化。

图3 德国生态防护断面图

特殊生物防护措施是指在坡面上栽植或放置木本植物、灌木枝条、植物篱笆或采用它们的组合形式［17-18］。既可作为绿化初期的坡面保护措施，又可作为长期的植被护坡。编织篱笆和放置灌木枝条是最主要的生物防护措施。编织篱笆可以使用枯萎或能够重新生长的枝条，在边坡上编织成简单的或对角交叉、间距为1.5 ~ 3.0 m的网状篱笆。无表土时，应在编织篱笆之间的空地上插上木桩，如图4所示。灌木枝条主要在铁路路堤上使用，在填方过程中将长度最大为8 m的灌木枝条水平放置在填土层之间。灌木枝条本身以及在后期长出的根系能起到加固边坡的作用。

图4 编织篱笆工程

2.1.2 日本

日本《铁道构造物设计标准及解说》中，分别针对路堤和路堑提出了主要的坡面防护工程，并提出了路堤路堑边坡坡面工程的选择标准。路堤、路堑边坡护坡工程的主要形式及其功能见表1、表2。其中“◎”表示具有较高功能；“○”表示具有功能；“—”表示不具有功能。

表1 路堤边坡护坡工程的主要形式及其功能

表2 路堑边坡坡面工程的主要形式及其功能

1）砌块工程

砌块工程分为浆砌和干砌。新筑路堤边坡原则上采用能适应沉降的干砌方法，高度为3 m以上时应与混凝土砌格并用；路堑边坡采用浆砌，在砌块之间的结合部插入直径为6 ~ 9 mm的钢筋，并使用砂浆勾缝，适用于边坡缓于1∶1.0且高度低于5 m的路堑边坡。

砌块工程有平板砌块和格框砌块。平板砌块多采用浆砌结构，拼砌方法如图5所示。一般采用堆砌法，当坡面较小或者采用钢筋加固时也可采用分层砌法；格框砌块为三角形或者星形块，拼砌后形成的圆形空间可用卵石铺砌或植被绿化，如图6所示。

图5 采用平板砌块的工法

图6 采用格框砌块的工法

2）格子工程

格子工程包括预制、现浇、喷射格子工程。根据天然地层的土质，一般边坡坡度缓于1∶1.5时应采用预制格子工程（图7、图8），陡于1∶1.5时宜采用现浇格子工程或者喷射格子工程。新筑路堤原则上采用适应沉降的预制格框工程，可采用打入式钢制格框（图9）、边坡面平铺部件或部件开槽埋设等方法。对于岩石边坡面，应采用现浇格子工程或者喷射格子工程。为防止格子内的表层侵蚀，应根据坡面的实际状况选择设置植被工程、铺面混凝土工程、砌块工程、砌石工程等。

图7 斜格子型预制格子工法

图8 方格子型预制格子工法

图9 组装式钢制格子工法

3）植被工程

坡面采用的植被工程主要有播种法、铺席植被法、铺草皮法、袋装植被法等，如图10所示。填料不适合植被工程且有绿化需求时，可采用外运土喷植或者厚层基材喷植等替代方法［19］。此外，还有坡面直接种植或者栽培灌木的方法等。

图10 主要植被工法

4）铺面混凝土工程

铺面混凝土工程（素混凝土和钢筋混凝土）适用于坡度陡于1∶1.0的软岩、硬岩边坡。坡度缓于1∶0.5时可采用素混凝土，陡于1∶0.5时宜采用钢筋混凝土。混凝土的厚度一般为150 ~ 200 mm，应以10 m间隔设置伸缩缝。为了充分进行背后排水，以每2 ~ 4 m2设置一处排水孔为宜，如图11所示。

图11 铺面混凝土

5）防草排水薄板

随着高分子合成制品技术的发展，相关领域尝试采用防草排水薄板等方法进行坡面防护。高分子薄板具有轻量、便于施工、排水性高等特点，可有效防止降雨向路堤的渗透和对坡面的侵蚀。但薄板长期受紫外线照射会发生劣化，导致其排水和防草功能降低，在铁路上未得到广泛应用。

欧美、日本等发达国家在坡面防护中更加注重生态保护，在确保边坡稳定的前提下，尽可能采取各种生态防护措施［20］。法国将工程建设中大量使用混凝土视为“白色污染”，各类工程坡面优先采用生态防护。澳大利亚铁路建设推崇自然防护，通常采用放缓边坡创造植物生长的条件。美国要求新建工程必须对坡面绿化，一般采用机械化喷播措施。

2.2 国内坡面防护

2.2.1 工程防护

铁路路基边坡工程防护形式主要有实体护坡（墙）、骨架护坡、孔窗式护坡（墙）、锚杆（索）框架梁护坡、喷射混凝土护坡等。实体护坡因施工工艺简单在20世纪80、90年代大量使用，包括浆砌片石护坡和浆砌片石护面墙两种方式，如有条件在考虑绿化效果的情况下宜做成窗孔式。1986年皖赣铁路采用一护到顶的浆砌片石防护结构解决了路基塌方落石的病害［21］。1996年南昆铁路以及1997年京九铁路针对膨胀土路基引起的病害采用全坡面浆砌片石防护［22-23］。实体护坡存在形式单一、与环境协调效果差等问题，在铁路路基边坡防护中应用日益减少。

骨架护坡与实体护坡相比，在满足坡面防护需求的前提下具有节约材料、降低造价的优势，因此在边坡防护工程中得到广泛应用。骨架护坡结构可现浇或预制成多种形式，如矩形、菱形、人字形、拱形等。京九铁路（1997—2000年）大部分地段采用浆砌片石拱形骨架护坡；秦沈客运专线（2002年）坡面采用4 m × 4 m拱形或3 m × 3 m方格形浆砌片石骨架护坡［24］；青藏铁路（2002年）部分地段采用了预制拼装式骨架护坡［25-26］，通过长期试验监测，证明路堤骨架护坡基本完好，沉降变形较小。

锚杆（索）框架结构于20世纪90年代在日本提出并应用。锚杆框架梁利用埋设在坡面中的锚杆，将纵、横向框架梁与坡面牢固连锁在一起，依赖锚杆与周围岩土体的抗剪强度承受框架梁传递的拉力，以保证边坡的稳定。西康铁路采用十字形锚杆框架结构［27］，武广客运专线路堑采用锚杆框架梁进行边坡加固［28］，云桂高速铁路六郎隧洞出口边坡采用锚杆（索）框架梁、锚固桩等综合措施，以保持边坡的稳定。

中国铁路路基边坡工程防护形式在《铁路路基边坡防护》系列通用参考图中进行了规定，设计单位针对具体工况和通用参考图适用范围选择相应的工程防护措施。骨架防护等工程防护结构多是基于经验的构造设计，其截面尺寸、布置疏密程度等有待于结合边坡浅层稳定性分析进一步优化。2016年连继峰等［29-30］研究骨架结构截面尺寸及净距对边坡浅层稳定性的影响，提出矩形骨架优化设计方案。2018年宣立华［31］对方格骨架防护形式进行研究，认为与加宽骨架宽度相比，减小方格骨架净距或增加骨架厚度更能提高土质边坡浅层稳定性。

2.2.2 生态防护

随着社会发展，人们环保意识不断增强，铁路路基边坡生态防护应用日益增多。早期坡面使用铺草皮、喷播草籽等较为传统的生态防护措施。经过多年的实践与发展，中国铁路形成了较为成熟的路基边坡生态防护技术体系。目前，铁路路基边坡高度在3 ~5 m以下时一般采用全坡面生态防护［32-33］；边坡高度进一步增大时，为保证边坡稳定，采用生态防护与工程防护相结合的措施。

常规的生态防护形式有喷播植草、植生带（袋）植草、客土植生等多种形式，见表3。近年来在常规生态防护技术的基础上，通过材料研发与技术改进，形成了基材植生喷播、三维柔性生态护坡、土工格室生态防护、锚拉式生态防护等多种新型生态防护技术。

表3 路基常用生态防护类型及适用条件

基材植生喷播技术在京雄城际铁路固安东站（图12）路基边坡应用，反季节喷播施工2 ~ 3周出苗约10 cm［34］。该技术陆续在太焦高速铁路、浦梅铁路等边坡进行应用，保证了边坡生态防护效果，为铁路路基边坡生态防护提供了新方案。

图12 京雄城际铁路固安东站基材植生喷播绿化效果

三维柔性生态护坡由生态袋（三维柔性生态护坡系统的基本组成单元）、扎口带、三维排水联结扣和土工格栅（选配）组成，如图13所示。生态袋具有透水不透土的特点，既能保证袋内土壤和养分不流失，又能保持水分的自由流动，对植物的生长有利［35］。三维柔性生态护坡结构适用于坡度缓于1∶1的边坡，当坡度陡于1∶1时需采用锚固措施。2017年三维柔性生态护坡技术应用于连镇铁路淮安东站，如图14所示。