浅析路基边坡防护设计

摘要 为保证公路工程设计质量，文章总结了路基边坡防护目标、防护类型和设计原则，分析了植物防护、土工格室护坡、植生混凝土护坡、骨架护坡、护面墙等防护措施的设计要点。同时，以某山区二级公路为研究对象，制定了路堤边坡和路堑边坡的防护方案，可为类似路基边坡防护设计提供借鉴。

关键词 路基边坡；防护技术；生态防护；圬工防护；设计要点

中图分类号 U417.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0123-03

0 引言

公路工程作为带动区域文化交流和经济发展的重要基础设施，其建设里程逐年增加。公路在建设期间，需回填或开挖形成边坡。在连续降雨天气下，边坡坡面会出现雨水径流，对坡面土体产生冲刷、侵蚀，使得边坡坡面的力学性能下降，严重的可能引起边坡滑塌或整体失稳，引起不良的社会影响。目前，很多设计人员在选择路基边坡防护措施时，套图现象严重，对设计原理了解不清，导致边坡防护方案的适用性差。因此，进一步研究路基边坡防护设计要点具有重要意义。

1 路基边坡防护基本理论

1.1 边坡防护目标

在降雨强度较大的地区，雨水在边坡内的入渗量会明显小于边坡土体的入渗能力，从而在坡面产生雨水径流。边坡坡面的土颗粒在雨水径流的作用下，会受到水拖曳力Fd和上举力Fl，见式（1）和式（2）：

（1）

（2）

式中，Cd——阻力系数；C——上举力系数；A——土颗粒在水流方向的投影面积（m2）；ρ——水流密度（g/cm3）；u——颗粒表面水流速度（m/s）。

当拖曳力和上举力的合力大于土颗粒自身重力时，边坡坡面土颗粒就会被持续冲走，故边坡防护的目标是防止土颗粒被冲走。

1.2 边坡防护类型

经过对国内多条在役公路的调查发现：公路路基边坡防护方式有生态防护和圬工防护两类，前者包括植物护坡、植生混凝土防护、土工格室防护等，后者包括骨架防护、护面墙等。由于我国公路边坡防护理论很多是借鉴铁路或水利行业，所以比较重视工程效应。对于高度较大的边坡多采用圬工防護（尤其是发展较落后的山区），景观性较差，且与自然景观不协调。为了推动公路工程的可持续发展，建议在路基边坡防护中加强生态防护的应用。

1.3 边坡防护设计原则

公路路基应根据其所在地区的地质、气候气象、水文条件、经济水平等选择合理的护坡方式，并满足以下基本原则[1]：一是安全性原则。防护后的边坡要进行稳定性分析，确保其安全系数在规范要求内。二是经济性原则。边坡防护方案要对比工程造价，避免投入成本过高。三是协调性原则。边坡防护方案应与周边自然环境相协调，提高道路美观性。

2 路基边坡生态防护设计

2.1 植物护坡

2.1.1 防护原理

植物防护对路基边坡的防护原理体现在两方面[2]：一是水文效应。坡面植物可以截留雨量，使雨水在未到达坡面前就被植物枝干截留，随后部分雨水蒸发、部分雨水重新溅落在坡面上，减小了雨水的势能和动能，从而降低坡面侵蚀。二是加筋效应。一般情况下，植物根系越密集，对土体的加筋效果越好。植物根系在土层中杂乱无章地生长，使得植物根系与土壤形成一种复合材料，从而提高土体的黏聚力。由莫尔—库伦准则可知，黏聚力增加后，最小主应力增大，莫尔圆半径减小，土体破坏线上移，如图1所示。

2.1.2 植物防护措施

目前，常用的植物护坡措施有人工植草、客土喷播、三维网植草等，其中人工植草是施工工艺最简单、工程造价最低的一种工艺，适用高度较低、坡度较平缓的土质边坡，但是人工操作不易控制草籽撒播密度，使得草籽成活率偏低，在暴雨天气下防冲刷效果不好；三维网植草技术是先在边坡坡面上固定一层三维网，可以在草籽未长成前保护边坡坡面不受雨水干扰，但是大部分三维网是以热塑脂为原料，成本较高，且老化后易产生有害物质，会对土壤造成二次污染。

对于土壤松软、土质复杂、坡度较大的路基边坡坡面，可采用客土喷播植草护坡，即先将草籽、肥料、植物纤维、保水剂、黏结剂、土壤及各种营养物质等按比例混合在一起，均匀搅拌成“客土”，并将其喷附在边坡坡面，具有施工效率高、工期短、效果好等优势。如公路投资金额充裕，建议优先选择客土喷播防护边坡。

2.1.3 植物设计

在实际公路项目中，应因地制宜选择护坡植物，优先选择根系发达、成活率高、耐寒耐旱的本地物种，谨慎选择外来物种。护坡植物要尽量做到草本植物、灌木、乔木相结合，构建相互依存、共同成长的稳定生态系统。

植物用量宜综合考虑当地的降雨量、土质、边坡坡度、边坡坡向、公路施工季节等因素，具体草种用量M可按式（3）计算[3]：

（3）

式中，m——期望成株数（株/m2）；C1～C5——分别为年降雨量、土质、坡度、坡向、施工季节修正系数，具体取值可参考表1；C6——草种发芽率，取90%。

2.2 土工格室护坡

2.2.1 防护原理

土工格室具有质量轻、耐腐蚀、抗拉强度高等优势，可将其用于公路路基边坡防护中。土工格室对边坡的防护原理体现在：①排水作用。土工格室能填补边坡坡面缝隙，并作为排水通道，将雨水径流排出，降低边坡土体的含水量。②防渗作用。土工格室具有防渗功能，可减少雨水径流向边坡内部的渗入量。③加筋作用。土工格室埋入边坡土体内部，可与周边土体形成复合材料，提高土体的抗剪强度参数和边坡的整体稳定性。

2.2.2 土工格室护坡注意事项

土工格室适用于坡度＜1∶1.0、缺乏石料的路段。在施工前，要将边坡坡面的杂物清理干净，保证坡面平整，防止杂物刺穿土工格室。同时，应按需在周围开挖水平种植沟，降低水土流失，改善植物生长环境。需注意，种植沟间距不宜过于稀疏或密集，控制在20～30 cm。

2.3 植生混凝土护坡

植生混凝土护坡是近年来提出的一种新型绿色环保型防护技术，在很多地区的公路项目中已经推广应用。植生混凝土由多孔混凝土、保水材料、肥料等成分组成，按功能不同可划分为植物型多孔纤维混凝土、可净化水质植生混凝土砌块、抗冲刷型植生混凝土等，不同植生混凝土的特征和适用性见表2[4]。

3 路基边坡圬工防护设计

3.1 边坡骨架防护

3.1.1 骨架形式

目前，公路路基边坡防护中骨架形式有拱形骨架、菱形骨架、人字形骨架等，不同骨架常用的尺寸、圬工量、截排水效果对比见表3。

综上，建议公路路基防护设计时优先选择每平方米圬工量最小、截排水效果较好的拱形骨架。

3.1.2 骨架材料

为了避免路基边坡坡面在雨水径流作用下出现水土流失、表层掉块等病害，骨架必须有足够的强度和厚度。

骨架常用材料有强度较大的混凝土预制块和浆砌片石，其中预制块骨架的圬工量小，可标准化施工，但造价偏高；而浆砌片石成本低，但需严格控制施工质量。因此，在石料丰富的区域，建议使用浆砌片石骨架（以挖方石料作为原材料）；在石料缺乏地区，宜使用预制块骨架[5]。

此外，由《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）可知，路基边坡骨架厚度应≥0.4 m。

3.2 边坡护面墙防护

护面墙适用于路基边坡坡面岩石风化严重的路段，且边坡坡率不宜陡于1∶0.6。护面墙只嵌入边坡坡面表层（取决于墙厚），在设计时可忽略土压力作用。大量工程实践表明，护面墙厚度取决于边坡高度H，当H≤2 m、2＜H≤6 m、6＜H≤10 m、10＜H≤16 m，护面墙顶宽分别取0.4 m、0.4 m、0.4 m、0.6 m，护面墙底宽分别取0.4 m、0.4+H/10 m、0.4+H/20 m、0.6+H/20 m。

在含水丰富的地区，护面墙墙背应设置排水孔。同时，为了提高护面墙的稳固性，可在墙背每隔4～5 m设置一个耳墙。

4 路基边坡防护设计实例

研究对象为某省道公路，全长22.8 km，设计标准为二级公路，设计荷载为公路Ⅱ级，路基宽度为8.5 m，路面为沥青混凝土路面。公路所在区域为温带季风性气候，夏季高温多雨，且以短时强降雨为主，最大日降雨量可达36.5 mm/d。

4.1 填方段边坡防护设计方案

K0+000～K1+000段路基的地势较平坦，以填方路堤为主，填料为黏性土，边坡最大高度为5.5 m、最小高度为1.6 m（满足基本洪水位要求），均为一级边坡，边坡坡率为1∶1.5，不设置护坡道。由于K0+000～K1+000段路基边坡高度不均匀，不宜采用同一种边坡防护措施，否则会造成路基经济指标偏高或防护效果差等情况。

结合上述研究成果和临近项目建设经验，建议边坡高度≤4 m的路段采用植物防护（K0+000～K0+350、K0+550～K0+1000），植物选择紫穗槐，草籽用量取15 g/m2，土路肩用M7.5浆砌片石进行加固；边坡高度＞4 m的路段（K0+350～K0+550）采用拱形骨架植草防护，骨架采用M7.5浆砌片石，并每隔20 m设置一道截水槽，骨架内种植紫穗槐，具体边坡防护方案如图2所示。

4.2 挖方段边坡防护设计方案

K10+600～K10+700段路基地势高，以挖方路堑为主，边坡岩土体以强风化和中风化砂岩为主，边坡整体高度较均匀，在12.6～13.5 m之间，均为二级边坡，边坡坡率自下而上分别为1∶0.75、1∶1.1，坡脚处设置宽1 m的碎落台。为了防止边坡坡面冲刷，在一级边坡设置了护面墙，材料选用M7.5浆砌片石，具体设计参数为：护面墙顶宽取0.4 m，底宽取0.8 m，在墙背设置3排仰斜式排水孔（梅花形布置），并在距离坡脚4 m处设置一个耳墙。

5 结语

该文主要研究了路基边坡防护设计原则、生态防护和圬工防护的设计要点，并以某二级公路为研究对象，制定了路基防護方案。研究成果表明：

（1）公路路基边坡防护目标是防止土颗粒冲刷，设计时要坚持“安全性、经济性、协调性”的基本原则。

（2）路基边坡生态防护包括植物防护、土工格室防护、植生混凝土防护等，其设计关键是确定植物类型和用量。

（3）边坡骨架宜优先选择拱形，厚度不小于0.4 m，材料可用浆砌片石或混凝土预制块。

（4）护面墙多用于风化严重的路堑边坡，可结合实际需求设置排水孔和耳墙。

参考文献

[1]陈光文. 公路路基边坡防护要求及方案分析[J]. 交通科技与管理， 2023（15）： 135-137.

[2]彭小录， 牛力达. 绿色公路建设理念在甘南高寒区路基设计中的应用[J]. 黑龙江交通科技， 2023（5）： 27-30.

[3]郭文礼. 道路路基边坡加固防护工程的设计分析[J]. 运输经理世界， 2023（11）： 140-142.

[4]蔺青青. 边坡防护技术在公路路基设计中的应用研究[J]. 工程建设与设计， 2023（3）： 122-124.

[5]马建国. 公路路基设计中边坡防护技术的应用[J]. 交通世界， 2022（14）： 108-110+114.

收稿日期：2023-11-20

作者简介：王磊刚（1991—），男，本科，工程师，从事公路勘察设计工作。