山西黃土地區(qū)公路邊坡防護(hù)設(shè)計研究

苗貴華

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 黃土的工程性質(zhì)

黃土在世界上分布相當(dāng)廣泛，中國是世界上黃土分布最廣、厚度最大、結(jié)構(gòu)最完整的國家，黃土覆蓋厚度可達(dá)到50～100 m。黃土按生成年代可分為Q1黃土、Q2黃土、Q3黃土、Q4黃土等。地層位置由深到淺，密實度由高到低。

黃土具有大孔隙的特點，顆粒間相互結(jié)合不緊密。結(jié)構(gòu)性差、抗分散性弱、孔隙度大、垂直節(jié)理發(fā)育，以上微觀結(jié)構(gòu)決定了黃土的易蝕性。當(dāng)遭遇暴雨、強(qiáng)風(fēng)、凍融等不利的自然條件時，極易出現(xiàn)水蝕、風(fēng)蝕和重力侵蝕[1]。從而導(dǎo)致黃土邊坡局部破壞甚至整體失穩(wěn)。

2 黃土邊坡地層組合形式

依據(jù)黃土地區(qū)的氣候條件不同、地形地貌條件的差異、黃土的成因時代、黃土的地層結(jié)構(gòu)、黃土的地質(zhì)特征以及黃土的各種物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，筆者通過對山西省近年來公路設(shè)計中遇到黃土邊坡的類型組合，現(xiàn)歸納總結(jié)為以下5種組合形式：分別為新黃土（Q3）單一形式、新老黃土（Q3或 Q2）組合形式、老黃土（Q2）單一形式、新老黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式、黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式。

3 黃土邊坡破壞模式

根據(jù)上述黃土的組合形式，黃土邊坡破壞模式可概括為兩大類：一類為坡面破壞模式；另一類為坡體破壞模式。具體闡述如下。

3.1 坡面破壞模式

坡面破壞主要表現(xiàn)為沖刷、濕陷、剝落、落水洞以及坡腳沖蝕。坡面變形、破壞是黃土地區(qū)公路邊坡常見的現(xiàn)象，而坡面破壞最主要的原因是水的影響。在相同降雨強(qiáng)度及相同坡高的情況下，水對邊坡沖刷侵蝕主要受邊坡坡率影響，通常情況下，坡率越緩，坡面越大，其匯水面積和徑流厚度越大，對邊坡沖刷越大，而坡率越陡，其匯水面積及徑流厚度越小，水流流速越大。因此，選擇合適的邊坡坡率是決定水對坡面沖刷大小的關(guān)鍵，而一般認(rèn)為邊坡愈緩，邊坡綜合坡率愈大，邊坡愈穩(wěn)定。但筆者現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，若黃土邊坡坡率設(shè)計過緩，采用植草防護(hù)形式，植物成長初期，植物的地下根系及地上莖葉的作用不足以保護(hù)坡面不受沖刷侵蝕，此時邊坡沖刷侵蝕破壞較為嚴(yán)重。因此黃土地區(qū)邊坡選擇最優(yōu)的坡率是防止邊坡產(chǎn)生坡面破壞的關(guān)鍵。

圖1 坡面破壞

3.2 坡體破壞模式

坡體破壞主要有滑坡、崩塌等。黃土邊坡施工開挖后將坡腳土體卸載，形成高陡臨空面，其應(yīng)力狀態(tài)勢必要進(jìn)行調(diào)整，可能使邊坡產(chǎn)生蠕動變形導(dǎo)致后緣拉裂，導(dǎo)致邊坡坡體整體滑動。黃土邊坡坡體破壞一般可分為黃土層內(nèi)滑坡和黃土接觸面滑坡。黃土層內(nèi)滑坡是在黃土層內(nèi)部產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)式或圓弧狀滑坡；黃土接觸面滑坡是新黃土沿老黃土頂面產(chǎn)生平移式滑動，或者新、老黃土沿著基巖頂面或粉質(zhì)黏土頂面產(chǎn)生平移式滑動。工程中經(jīng)常遇到的破壞模式是黃土接觸面滑坡。即邊坡組合形式為黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式與黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式。這種邊坡組合形式中邊坡下臥層為相對隔水層，由于地表水容易沿黃土垂直節(jié)理滲入，水積聚在基巖頂面或者粉質(zhì)黏土頂面。加之黃土組成以粉土為主，坡體內(nèi)相對隔水層界面上的一層黃土受水浸潤后，抗剪強(qiáng)度降低非常快，內(nèi)摩擦角可低至5°～7°。極易沿接觸面發(fā)生滑移破壞。另外黃土層與下臥層的接觸關(guān)系、層面傾斜角度等也對邊坡產(chǎn)生坡體破壞起到至關(guān)重要的作用。

圖2 坡體破壞

4 防護(hù)技術(shù)形式

目前山西省公路路塹邊坡采用防護(hù)措施盡管對邊坡穩(wěn)定及防止沖刷等方面起到一定的防護(hù)作用，但同時也存在如下缺點。其一，防護(hù)型式較為單一，大量采用漿砌片石護(hù)面墻等防護(hù)型式；其二，防護(hù)型式個別路段設(shè)置不合理。筆者對已建及在建的幾條高速公路的防護(hù)形式進(jìn)行歸納總結(jié)，見表1。

表1 山西省部分高速公路路塹邊坡防護(hù)形式一覽表

由表1可見，黃土路塹邊坡加固與防護(hù)方法主要采用植物防護(hù)、骨架植草防護(hù)和工程防護(hù)相結(jié)合。但是以往公路邊坡防護(hù)主要考慮邊坡穩(wěn)定的問題，大量采用漿砌片石護(hù)坡、護(hù)面墻、擋土墻、錨固等工程防護(hù)措施進(jìn)行路基邊坡防護(hù)。不僅造價高而且對自然環(huán)境產(chǎn)生極大的破壞作用。隨著人們的生態(tài)保護(hù)意識逐漸提高以及經(jīng)濟(jì)條件改善，高速公路路基邊坡的防護(hù)不僅注重安全穩(wěn)定，同時兼顧到保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。以往灰色防護(hù)不僅破壞生態(tài)和諧，而且大大降低了行車旅行帶來的景觀舒適度。

現(xiàn)在的家長對兒童總是嬌生慣養(yǎng)，促使學(xué)前兒童慢慢成為了“溫室里的花朵”，不能應(yīng)對任何挫折[4]。基于此，在學(xué)前兒童體育游戲創(chuàng)編活動設(shè)計中，增設(shè)一些對抗類游戲項目，可改善幼兒們不良心理，讓他們養(yǎng)成勇于拼搏精神，做到勝不驕，敗不餒，實現(xiàn)身體和心理的共同發(fā)展。

4.1 坡面防護(hù)

坡面防護(hù)是改善路域環(huán)境、保護(hù)環(huán)境和防止水土流失的一種工程措施。設(shè)計中按照以往經(jīng)驗進(jìn)行邊坡設(shè)計，坡面防護(hù)主要作用就是保護(hù)路基邊坡表面，免受雨水沖刷，減緩溫度及濕度變化的影響，防止和延緩軟弱巖土表面的風(fēng)化、剝落等演變過程，還可兼顧到公路與環(huán)境的美化。坡面防護(hù)技術(shù)分為工程防護(hù)技術(shù)、植物防護(hù)技術(shù)和復(fù)合型生態(tài)防護(hù)技術(shù)三大類[2]。

例如在上述5種黃土邊坡組合形式設(shè)計中經(jīng)常采用護(hù)面墻防護(hù)。雖然起到阻止沖刷、剝蝕、風(fēng)蝕等破壞，但是大面積護(hù)面墻對景觀和環(huán)境造成較大影響。特別是對于黃土與黏土（Q3+N2或Q2+N2）組合形式與黃土與基巖（Q3或Q2+T1（或P））組合形式，由于護(hù)面墻泄水孔設(shè)置不合理，施工質(zhì)量不高，滲透進(jìn)黃土內(nèi)的水遇到粉質(zhì)黏土隔水層阻止了坡體內(nèi)外“水汽循環(huán)”，地下水在此分界面處積聚無法排除，引起墻后土體孔隙水壓力急劇增大，從而導(dǎo)致護(hù)面墻以及邊坡的破壞。對于邊坡上部覆蓋濕陷性黃土的邊坡，則由于墻后土體浸水后的濕陷性破壞，引發(fā)邊坡潛蝕性沖刷破壞，致使護(hù)面墻防護(hù)作用失效，最終引起坡體大范圍地滑塌破壞。

圖3 護(hù)面墻破壞

雖然工程防護(hù)技術(shù)在我國已應(yīng)用數(shù)十年，技術(shù)已經(jīng)成熟，但是工程防護(hù)存在的主要問題是與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)、景觀效果極差。筆者建議結(jié)合黃土邊坡組合形式、邊坡高度、環(huán)境條件、施工條件等因素，不要盲目選用工程防護(hù)。在氣候和土質(zhì)條件適宜時，設(shè)計中優(yōu)先采用植草防護(hù)及骨架植草防護(hù)。不僅可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，改善景觀功能，使旅行者體驗到人在畫中游的美感，而且可以降低噪聲、減少光污染，保證行車安全[3]。

植物防護(hù)作為一種柔性、開放式、三維立體的防護(hù)措施，不僅能克服圬工工程措施的不足，而且工程造價比圬工工程措施節(jié)省許多。山西省已建成的幾條黃土地區(qū)高速公路高邊坡進(jìn)行植物防護(hù)，均取得了不錯的防護(hù)效果。尤其對黃土高原地區(qū)的水土流失有良好的防治作用和明顯的防治效果。從養(yǎng)護(hù)角度考慮，坡面植草宜在緩于1∶0.75以上的邊坡上采用，黑麥草、紫穗槐、高羊茅等是較適宜的草種。

黃土路塹邊坡形式規(guī)范建議采用直線形、折線形、臺階形等3種形式。陜西省推薦采用“陡邊坡寬平臺，大平臺與小平臺相結(jié)合的設(shè)計原則”進(jìn)行設(shè)計。山西省地處中溫帶干旱氣候，降水特點為冬春少，夏秋多。結(jié)合以往工程經(jīng)驗山西省推薦黃土邊坡坡率優(yōu)先采用1∶0.75的坡率進(jìn)行設(shè)計。另外筆者建議黃土邊坡防護(hù)優(yōu)先考慮骨架植草防護(hù)。對于地下水和地面水較為豐富地段的邊坡，其坡面防護(hù)效果的好壞直接與水的處理密切相關(guān)，為此應(yīng)進(jìn)行邊坡坡面防護(hù)與排水措施相結(jié)合的綜合設(shè)計。

總之，坡面防護(hù)中應(yīng)盡量使景觀設(shè)計和環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，注意與周圍自然環(huán)境和當(dāng)?shù)厝宋沫h(huán)境的融合。

4.2 坡體防護(hù)

坡體防護(hù)是針對邊坡可能產(chǎn)生的整體或局部失穩(wěn)而對邊坡采取的工程措施。坡體防護(hù)形式在滿足邊坡安全性的前提下，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的地形、地質(zhì)、水文等具體情況，從技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境和諧的原則出發(fā)，選擇最合適的防護(hù)形式。但是無論采用哪種防護(hù)形式都要做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、便于施工養(yǎng)護(hù)的要求。坡體防護(hù)常用的措施具體可分為放緩邊坡坡率、設(shè)置支擋、加固坡體等幾大類。本文以工程中經(jīng)常采用的工程支擋法（擋土墻、錨桿（索）、抗滑樁等）以及削方減載法進(jìn)行闡述。支擋法是通過主動或被動受力方法，阻擋滑坡的移動。

4.2.1 工程支擋法

圖4 花子村滑坡地貌

圖5 花子村滑坡地質(zhì)剖面（比例尺水平1∶500 垂直1∶500）

以某高速公路K86+420—K86+700段花子村滑坡為例，路線中線從滑坡體中部穿過，該滑坡平面形態(tài)呈圓弧形，滑體主軸長 212.4 m，橫寬 496～536 m，平均厚度15.6 m，總體積132.3萬m3，滑向100°，屬于大型滑坡[4]。邊坡地層主要由第四系坡積物、風(fēng)積物、第三系紅黏土及三疊系二馬營組地層組成，整體上從上至下依次分布有黃土狀粉土、紅黏土。設(shè)計中在刷坡卸載后，在路基右側(cè)設(shè)置抗滑樁（尺寸2 m×3 m），樁間距為5 m，以保證路基工程的安全。

4.2.2 削方減載法

針對黃土滑塌的誘發(fā)因素，采用削方減載法進(jìn)行治理。削方減載法主要是采用削坡方式，清除不穩(wěn)定滑塌體，以增加邊坡穩(wěn)定性的方法。

某高速公路邊坡原邊坡設(shè)計方案為邊坡分級高度均為8 m，第1、2級平臺寬度為2 m，第3級平臺寬度為10 m，第4、5級平臺寬度為4 m，第 6、7級平臺寬度為10 m，第8級平臺寬度為4 m，以上邊坡設(shè)為取土場。第1級邊坡坡率1∶0.25，以上各級邊坡坡率均為1∶0.75，邊坡坡高達(dá)73.4 m。第1級邊坡采用混凝土擋土墻防護(hù)，為防止沖刷，第2、第3級設(shè)漿砌片石護(hù)面墻防護(hù)，以上各級坡面采用穴栽一年生紫穗槐（容器苗）進(jìn)行綠化防護(hù)。

通過對現(xiàn)場進(jìn)行勘查，該段邊坡所處山體坡面大部分為耕地，且地表沖溝發(fā)育?；鷧^(qū)邊坡地層為多元結(jié)構(gòu)，上部為黃土狀粉土，垂直節(jié)理發(fā)育，雨水容易下滲，下部為粉質(zhì)黏土，為相對隔水層。當(dāng)雨水滲入后，分界面處土體軟化，抗剪強(qiáng)度降低。加之施工開挖后將邊坡坡腳處部分土體卸載，坡腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成邊坡坡腳變形較大，同時上部黃土在張拉應(yīng)力及垂直裂隙切割下發(fā)生錯動，導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑塌。滑塌體呈馬蹄狀，其后緣有清晰的弧形，沿垂直張裂隙形成高約2～10 m的陡壁，塌方體長約50 m，高度約75 m，滑塌體體積約5萬m3。考慮到黃土滑塌的危險性及治理的重要性，在治理本滑塌時盡量做到根除，不留再次發(fā)生的可能性，從滑塌的性質(zhì)、規(guī)模、形成原因、重要程度等方面綜合考慮，設(shè)計最終選用削坡卸載+護(hù)坡工程+截排水組合方案。

首先對滑塌坡面進(jìn)行削坡減載處理，削坡由上而下進(jìn)行，在第4級、第8級、第12級設(shè)置寬大平臺，緩解邊坡坡腳應(yīng)力集中，改變了邊坡的剪應(yīng)力及剪應(yīng)變的分布，有利于提高邊坡整體穩(wěn)定性，且方便施工。邊坡分級高度均為8 m，第1級平臺寬度為8 m，第2級平臺寬度為2 m，第3級平臺寬度為6 m，第4級平臺寬度為20 m，第5、第6、第7級平臺寬度為4 m，第8級平臺寬度為32 m，第9、第10、第11級平臺寬度為4 m，第12級平臺寬度為16 m，第13、第14、第15級平臺寬度為4 m。第1級邊坡坡率 1∶0.25，第 2、第 3、第 4級邊坡坡率 1∶0.75；以上各級邊坡坡率均采用1∶1。考慮到第1級邊坡片石混凝土擋土墻對滑塌體起到了較好的支撐作用，第1級混凝土擋土墻防護(hù)形式盡量維持原設(shè)計，拆除第2、第3級漿砌片石護(hù)面墻，分別在第2、第5、第9、第13級設(shè)2.5 m高漿砌片石護(hù)腳防護(hù)，其余各級坡面采用穴栽一年生紫穗槐進(jìn)行綠化防護(hù)。平臺設(shè)平臺截水溝，平臺截水溝底部鋪設(shè)防滲土工布，坡面設(shè)置急流槽。

圖6 黃土邊坡滑塌

圖7 滑塌后邊坡設(shè)計方案（單位：m）

5 結(jié)語

我國高速公路建設(shè)方興未艾，但由于實踐時間短，設(shè)計時對邊坡的防護(hù)重視不夠等因素，黃土地區(qū)公路的防護(hù)設(shè)計至今還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。防護(hù)設(shè)計中設(shè)計者的經(jīng)驗和資料調(diào)查顯得尤為重要，保守設(shè)計會造成不必要的浪費(fèi)，防護(hù)不當(dāng)則會導(dǎo)致各種病害的發(fā)生。因此，筆者建議黃土地區(qū)邊坡防護(hù)形式應(yīng)依據(jù)邊坡的地層組合，結(jié)合邊坡的破壞模式。貫徹“建綠色通道，走環(huán)保之路”的設(shè)計理念，設(shè)計中一方面要考慮路基邊坡安全穩(wěn)定；另一方面要考慮公路與沿線自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。合理選擇經(jīng)濟(jì)、美觀、安全的邊坡防護(hù)形式?？傊?，黃土地區(qū)的邊坡防護(hù)設(shè)計需建設(shè)、科研、設(shè)計、監(jiān)理、施工等各方面共同努力，才能探尋出符合山西地區(qū)特色的邊坡防護(hù)形式。