论高速公路路基边坡冲刷防护技术

2023-09-03韦纯国王世容

交通科技与管理 2023年16期

韦纯国　王世容

摘要高速公路路基边坡是公路工程的重要组成部分，其抗冲刷能力及稳定性直接影响公路的安全运营。基于此，文章针对路基边坡冲刷防护问题进行研究，对常见防护技术进行了防护效果对比分析，提出一种排水+加固联合防护方案，结合排水工程和加固工程综合改善边坡的渗流条件、抗冲刷能力，将该方案应用于实际工程案例，验证其防护效果，证明该方案的可行性较高。

关键词高速公路工程；路基边坡；防冲刷技术；技术要点

中图分类号 U416.1文献标识码A文章编号 2096-8949（2023）16-0072-03

0 引言

高速公路路基边坡稳定性直接影响高速公路的运营维护。由于高速公路路基边坡通常处于开挖或填筑状态，易受降雨、地下水、地震等因素的影响，导致边坡发生冲刷、滑动、崩塌等破坏现象，给高速公路造成严重危害[1-3]。因此，采取有效防护技术，提高边坡的稳定性是高速公路工程中必不可少的工作。

1 常见路基边坡的防护技术

1.1 排水防护技术

水是导致边坡冲刷破坏的主要因素，排水防护技术是通過设置排水系统或改善土体渗透性来降低边坡内部的水压和水位，其主要原理是通过控制边坡的渗流场，降低边坡内部的水压和水位，从而减少水对边坡稳定性的不利影响，提高边坡的抗滑能力，防止边坡发生冲刷破坏。

1.2 工程防护技术

工程防护技术是通过设置护面墙、植被混凝土、锚杆、土钉等结构或材料来增加边坡的抗剪强度和抗滑能力，从而提高边坡的稳定性[4]。

2 防护技术对比

2.1 坡率法

坡率法是一种通过控制边坡高度、坡度，使边坡自身达到稳定目的的人工放坡设计方法。该方法施工简单、成本低、无需额外支护结构，条件允许的情况下应优先考虑此方案。

2.2 抗滑桩

抗滑桩的基本原理是将桩插入滑面以下的稳固地层内，利用稳定地层岩土的锚固作用平衡滑坡推力，从而稳定滑坡。抗滑桩根据锚固方式可分为单锚固桩、双锚固桩、多锚固桩等。

2.3 挡土墙

挡土墙的作用是将边坡土体压力传递到墙体基础上，同时利用排水系统或渗透性材料来降低土压力，从而保证边坡稳定性。挡土墙的设计应考虑墙体的稳定性、强度、变形、经济性等因素，以及地基承载力和地震作用等参数。

2.4 排水工程

排水工程是一种通过设置排水系统或改善土体渗透性来降低边坡内部的水压和水位，减少水对边坡稳定性不利影响的防护技术，其原理是控制边坡的渗流场，使边坡内部水分得以有效排除或利用，从而保持边坡土体干燥稳定。

3 路基边坡冲刷防护加固措施

3.1 排水工程

地表排水：设沟渠、管道、槽道等结构及时排走边坡表面的降雨、地表水，防止其渗入边坡内部，造成边坡饱和或软化。

平孔排水：通过平行于边坡表面的排水孔，将边坡内部的渗流水引出，降低边坡内部的孔隙水压，增加边坡的有效应力。平孔排水适用于土质良好、渗透性好、地下水位低、边坡高度小的情况[5]。

斜向排水孔：倾斜于边坡表面的排水孔引出边坡内部的渗流水，降低边坡内部的孔隙水压，增加边坡的有效应力。斜向排水孔适用于土质差、渗透性差、地下水位高、边坡高度大的情况。

截水沟：通过边坡下部的沟渠截断或导流地下水，减少其对边坡的侵蚀浸润作用。

3.2 加固工程

加固工程是指通过设置结构或材料，增加边坡的抗剪强度和抗滑能力，从而提高边坡的稳定性。基于路基加固要求及冲刷特点选用土钉加固措施，将钢筋作为土钉，插入边坡内部，通过土钉的锚固作用，将边坡内部土体拉紧，使其产生一定预应力，同时利用土钉与土体之间的摩擦力、黏着力抵抗边坡滑动力。土钉加固的设计应考虑土钉的长度、直径、间距、倾角、锚固段长度等因素，以及边坡地质条件、工程条件等参数。

4 排水工程与加固工程方案分析

4.1 模型建立和模型相关理论

采用排水工程与加固工程联合防护方案，提高边坡稳定性。首先，根据前文试验模型确定防治方案布置图，如图1所示。其次，利用测斜仪测量边坡不同深度的水平位移变化，发现联合防护方案可有效降低位移。最后，运用GeoStudio软件分析联合防护方案的排水效果和边坡稳定性。

4.1.1 模型建立

为模拟降雨入渗对边坡的影响，利用GeoStudio软件建立边坡模型，模型尺寸为20 m×15 m，网格划分为0.5 m×0.5 m。模型中设置黏性土、排水孔、土钉、沟渠以及截水沟材料。模型中假定以下几种边界条件和初始条件。

（1）边界条件：左侧和底部为零位移边界；右侧为自由边界；上部为自由应力边界；沟渠和截水沟内部为恒定水头边界（h=0）；排水孔内部为零流量边界[6]。

（2）初始条件：初始应力状态为自重平衡状态；初始水压状态为静水压力状态；初始温度状态为恒定温度状态（T=20 ℃）。水头边界确定的情况下开展边坡土体渗流稳态分析，作为模型渗流场分析的初始条件，具体如图2所示。

（3）加载条件：降雨载荷（q=10 mm/h）作用于边坡表面；地震载荷（a=0.15 g）作用于底部；土钉预应力（P=100 kN）作用于土钉锚固段。

（4）观测条件：在边坡内部设置了测斜仪，用于测量边坡的位移和应力；在边坡内部设置了水压计，用于测量边坡的水压和水位；在边坡内部设置温度计，用于测量边坡土体温度。

4.1.2 模型的相关理论

（1）渗流条件下边坡稳定性理论。极限平衡法是一种常用的计算边坡稳定系数的方法，其基本思想是将边坡划分为若干个滑动体，假设滑动体之间无相互作用，然后根据力学平衡条件求解滑动体的内力和外力，从而得到边坡的稳定系数。极限平衡法有多种形式，如简单斜面法、双楔形法、圆弧法、抛物线法等。该文采用圆弧法来计算边坡在渗流条件下的稳定系数，即假设滑动面为圆弧形。在渗流条件下，边坡受到自重、水平力、土钉预应力等作用，同时排水孔会改变边坡内部的水压分布。因此，在计算边坡稳定系数时，需要考虑这些因素的影响。根据极限平衡法，考虑水平力作用下边坡稳定系数的表达式如下：

4.2 排水效果分析

利用流线图对比分析了排水平孔对边坡防护效果的影响：①未设置排水平孔的边坡，流线密集，表明边坡内水流难以排出。②设置排水平孔后的边坡，流线稀疏，表明边坡内水流能够有效排出。因此，排水平孔能够改善边坡的排水效果[8]。

4.3 加固后路基边坡的稳定性分析

对比排水工程、加固工程联合方案对路基边坡稳定性的影响。通过图3可以看出，仅通过设置排水孔，边坡的稳定系数虽然有所提高，但是效果不明显。而通过设置土钉进行加固，边坡的稳定系数在冲刷过程中接近于2，表明边坡的稳定性得到了极大增强。因此，排水工程和加固工程联合方案是一种有效的边坡防护加固方法。

5 联合防护方案在高速公路路基邊坡的应用分析

将排水工程与加固工程联合防护方案应用于高速公路路基边坡的防护，以某高速K4+000～K4+600为例进行效果研究。首先，利用GeoStudio软件建立高速公路路基边坡的模型，分析设置联合防护方案前后的流线分布，如图4所示；其次，比较设置联合防护方案前后的边坡稳定系数变化，如图4所示；最后，评价联合防护方案对高速公路路基边坡的防护效果。

从图4可以看出，设置联合防护方案前，降雨时边坡土体内流线密集，说明雨水在土体内渗透较多；设置联合防护方案后，边坡土体内流线稀疏，说明雨水被排水孔拦截并排出较多。这表明联合防护方案可以改善边坡的排水效果，减少雨水对土体的浸润。

设置联合防护方案前，随着时间增长边坡稳定系数下降，说明边坡稳定性降低；设置联合防护方案后，随着时间增长边坡稳定系数上升，说明边坡稳定性提高。这表明联合防护方案可以增强边坡的抗冲刷能力，提高边坡的安全性[9]。

6 结论

综上所述，该文研究了路基边坡冲刷灾害的防护技术，以某高速公路K4+000～K4+600为例，采用排水工程和加固工程的联合方案进行防护。主要结论如下：

（1）路基边坡的防护技术主要分为排水防护和工程防护两类，其中排水防护包括地面排水工程和平孔排水，工程防护包括坡率法和抗滑桩等。不同的防护技术有各自的适用条件、优缺点和造价水平。

（2）联合方案是将排水工程和加固工程相结合的一种综合防护方法，可以有效地提高路基边坡的排水效果和稳定性，减少冲刷灾害的发生和危害。

（3）通过建立数值模型，对联合方案进行了模拟分析，对比了设置防护方案前后路基边坡的流线分布、稳定系数和可靠度，验证了联合方案的防护效果。结果表明，设置防护方案后，路基边坡的流线分布更加合理，稳定系数和可靠度都显著提高。

参考文献

[1]赵川波. 高速公路路基边坡的滑塌防护施工技术应用研究[J]. 工程机械与维修， 2023（2）： 102-104.

[2]蒙礼超. 山区高速公路路基边坡防护方案比选分析[J]. 西部交通科技， 2023（2）： 58-60.

[3]魏海宝. 高速公路路基边坡防护及支护施工技术[J]. 工程建设与设计， 2022（15）： 184-186.

[4]尹峰. 高速公路路基边坡绿色防护措施研究[J]. 建设科技， 2022（2）： 88-90.