滯洪區(qū)高速公路生態(tài)邊坡監(jiān)測研究

張俊峰，陳永昊，薛丹璇，朱曉東

（1.中交一公局第六工程有限公司，天津市300451；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市300074）

0 引 言

滯洪區(qū)內(nèi)高速公路建設(shè)地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度較大，其路基邊坡常年受洪水浸泡、沖刷，易產(chǎn)生水損害，若防護不到位將嚴(yán)重影響公路的安全使用[1]。以往滯洪區(qū)內(nèi)高速公路邊坡常采用漿砌片石等工程防護，導(dǎo)致植物生長環(huán)境遭到破壞，難以恢復(fù)到原有的生態(tài)環(huán)境。隨著生態(tài)修復(fù)和水土保持成為研究熱點，生態(tài)護坡技術(shù)逐步引入公路建設(shè)，但滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)防護技術(shù)尚屬研發(fā)的新工藝，其實施效果有待于實踐驗證。

目前，路基邊坡生態(tài)防護技術(shù)已有一定的實踐成果[2-5]，但多用于石質(zhì)邊坡、浸水路基等，針對滯洪區(qū)公路邊坡應(yīng)用研究較少，具體的護坡效果也未有定論。監(jiān)測數(shù)據(jù)作為檢驗和分析評價邊坡防治工程效果的尺度，能夠準(zhǔn)確反映邊坡體的演變過程，通過對邊坡特征信息的捕捉，為邊坡分析、評價、預(yù)測等提供可靠資料和科學(xué)依據(jù)。因此，加強生態(tài)邊坡監(jiān)測具有重要的工程意義和社會效益。

本文以津石高速（交通運輸部第三批綠色公路建設(shè)典型示范工程之一）天津西段滯洪區(qū)路基邊坡為研究對象，應(yīng)用新型生態(tài)護坡技術(shù)，開展監(jiān)測、測試等現(xiàn)場試驗，對邊坡穩(wěn)定性和生態(tài)性效果進行驗證分析，以期為滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)防護設(shè)計施工提供技術(shù)參考和實踐經(jīng)驗。

1 滯洪區(qū)高速公路生態(tài)邊坡防護施工技術(shù)

公路邊坡防護對公路的日常運營具有重要意義，公路的使用質(zhì)量、服務(wù)能力能否滿足行車安全及舒適要求，邊坡穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。

1.1 津石高速公路概況

津石高速公路天津西段位于天津市靜海區(qū)，線路長約12.5 km。工程所在區(qū)為海河流域大清河系賈口洼蓄滯洪區(qū)，線路采用橋梁和路基相結(jié)合的方式布設(shè)，由東向西先后以橋梁跨越運西排干渠、黑龍港河、網(wǎng)口排干渠、子牙耳河等排澇河道。路線所經(jīng)地區(qū)屬于天津海積沖積平原區(qū)，地勢較為平坦，地表沉積物以黏土、亞黏土為主，地表以下7～15 m 有粉細(xì)砂及粉砂質(zhì)黏土。境內(nèi)地勢低平，排水不暢，地下水埋藏較淺，土壤多發(fā)育為潮土。工程項目地理位置圖見圖1。

圖1 工程項目地理位置圖

1.2 滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)防護施工

滯洪區(qū)內(nèi)邊坡防護需要具備防沖刷、防滲透、耐浸泡等特點，同時滿足適應(yīng)環(huán)境、保護生態(tài)的要求。邊坡采用三維土工墊生態(tài)護坡，自坡面向上依次為復(fù)合土工墊（由反濾土工布和三向土工格柵組成）、生態(tài)袋、三向土工格柵、噴播層。該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工便捷，可防止水土流失，具有良好的抗沖刷、防滲透能力和綠化效果。

施工過后，經(jīng)養(yǎng)護一個雨季，綠植基本覆蓋坡面，形成了生態(tài)、穩(wěn)定的新型生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)。

新型生態(tài)護坡方案設(shè)計圖見圖2。

圖2 新型生態(tài)護坡方案設(shè)計圖（單位：m）

2 滯洪區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測試驗

遠(yuǎn)程信息化監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控中心、云端、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、無線采集設(shè)備、前端傳感器5 部分組成，通過高精度傳感器監(jiān)測得到測點變化量，建立安全監(jiān)測模型，從而分析變形規(guī)律并實現(xiàn)及時反饋。為了建立一個更接近實際情況的安全監(jiān)測模型，合理制定監(jiān)測方案是非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作。

2.1 測點布置

本監(jiān)測系統(tǒng)共布設(shè)2 個斷面進行對比監(jiān)測，一個為新型生態(tài)護坡斷面，另一個為普通植草護坡斷面（見圖3）。

圖3 監(jiān)測裝置示意圖（單位：m）

2.1.1 新型生態(tài)護坡斷面布設(shè)

（1）從坡頂?shù)狡履_，沿坡面軸線距離坡頂5.5 m、4.0 m 和0.5 m 布設(shè)3 個鉆孔（編號為鉆孔1、鉆孔2、鉆孔3），鉆孔深度分別為6.5 m、2.5 m、10.5 m。

（2）鉆孔1 和鉆孔3 安裝導(dǎo)輪式測斜儀，其中鉆孔1 安裝2 個導(dǎo)輪式測斜儀，埋設(shè)深度分別為3 m和6 m；鉆孔3 安裝4 個導(dǎo)輪式測斜儀，埋設(shè)深度分別為2 m、4 m、7 m、10 m。

（3）3 個鉆孔內(nèi)各布設(shè)4 個孔隙水壓計，埋設(shè)深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m。

（4）3 個鉆孔內(nèi)各布設(shè)4 個土壤溫濕度計，埋設(shè)深度分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m。

（5）沿邊坡表面在鉆孔1、鉆孔2、鉆孔3 附近布設(shè)3 個表面位移監(jiān)測點，共計3 個位移計。

2.1.2 普通植草護坡斷面布設(shè)

（1）從坡頂?shù)狡履_，沿坡面軸線距離坡頂5.5 m、4.0 m 和0.5 m 布設(shè)3 個鉆孔（編號為鉆孔4、鉆孔5、鉆孔6），鉆孔深度分別為6.5 m、2.5 m、10.5 m。

（2）鉆孔4 和鉆孔6 安裝導(dǎo)輪式測斜儀，其中鉆孔4 安裝2 個導(dǎo)輪式測斜儀，埋設(shè)深度分別為3 m和6 m；鉆孔6 安裝4 個導(dǎo)輪式測斜儀，埋設(shè)深度分別為2 m、4 m、7m、10 m。

（3）3 個鉆孔內(nèi)各布設(shè)2 個土壤溫濕度計，埋設(shè)深度分別為1 m、2 m。

（4）沿邊坡表面布設(shè)3 個表面位移監(jiān)測點，共計3 個位移計。

雨量計在邊坡上部選擇穩(wěn)定、開闊的位置布設(shè)1套雨量監(jiān)測站。

數(shù)據(jù)通過GPRS 遠(yuǎn)程傳輸回服務(wù)器和平臺。用戶可以通過電腦端和手機端，多人同步共享數(shù)據(jù)查詢、分析、采集等功能。

2.2 監(jiān)測周期

（1）監(jiān)測時長。根據(jù)《邊坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T 0219—2006）和《崩塌、邊坡、泥石流監(jiān)測規(guī)范》（DZ/T 0221—2006），邊坡監(jiān)測時長設(shè)定為1 a。

（2）監(jiān)測周期。雨季：雨天1 d 觀測1 次，晴天每2～3 d 觀測1 次；旱季：1 周觀測1 次。區(qū)域降雨量監(jiān)測：實時采集降雨量，監(jiān)測頻率為6 h 采集1 次。

3 滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)性監(jiān)測試驗

通過觀測普通植草護坡和新型生態(tài)護坡在一定區(qū)域內(nèi)的植物數(shù)量和植物種類，進行滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)性效果驗證分析。具體試驗步驟如下：

（1）在普通植草護坡區(qū)域內(nèi)隨機選取3 塊1 m×1 m 的樣方，分別用卷尺量出精確尺寸，將樣方編號，邊界用彩繩或者硬紙條臨時標(biāo)記。人工現(xiàn)場觀測并記錄每塊樣方內(nèi)的植物種類和植被覆蓋率。

（2）在新型生態(tài)護坡區(qū)域內(nèi)隨機選取3 塊1 m×1 m 的樣方，分別用卷尺量出精確尺寸，將樣方編號，邊界用彩繩或者硬紙條臨時標(biāo)記。人工現(xiàn)場觀測并記錄每塊樣方內(nèi)的植物種類和植被覆蓋率。

（3）通過普通植草護坡和新型生態(tài)護坡內(nèi)植物種類和數(shù)量的數(shù)據(jù)分析和對比，檢驗新型生態(tài)護坡效果。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

本次監(jiān)測在津石高速西段黑龍港河的橋頭位置（K6+415.370～K6+515.370）、橋尾位置（K7+514.230～K7+614.230）和王口排干渠的橋頭位置（K8+928.570～K9+028.570）范圍內(nèi)開展生態(tài)護坡試驗段設(shè)計。

4.1 滯洪區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性效果分析

通過對比新型生態(tài)護坡和普通植草護坡深層位移、表層位移和土壤含水率的監(jiān)測結(jié)果，進行滯洪區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性效果驗證分析。

4.1.1 深層位移監(jiān)測

自2021 年1 月8 日起近1 a 監(jiān)測時長內(nèi)，新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的深層位移變化情況見圖4。

由圖4 可知，新型生態(tài)護坡的深層位移變化曲線較普通植草護坡的變化曲線平緩，坡體穩(wěn)定，連續(xù)性強。普通植草護坡在2021 年7 月出現(xiàn)了一次較大的位移變化，而新型生態(tài)護坡出現(xiàn)波動不大的位移后又復(fù)位，之后趨于穩(wěn)定。

圖4 新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的深層位移變化圖

4.1.2 表層位移監(jiān)測

新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的表層位移變化情況見圖5。

由圖5 可知，新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的表層位移在整個監(jiān)測期間變化不大，其中普通植草護坡的表層位移在2021 年7 月出現(xiàn)一次較大波動，可能是人為影響所致，并非坡體變化。

圖5 新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的表層位移變化圖

4.1.3 土壤含水率監(jiān)測

新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的土壤含水率變化情況見圖6。

由圖6 可知，新型生態(tài)護坡的土壤含水率變化區(qū)間不大，普通植草護坡的土壤含水率隨季節(jié)性變化起伏較大。

圖6 新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的土壤含水率變化圖

通過對新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的信息化監(jiān)測，實現(xiàn)了對護坡效果的精細(xì)化感知。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)整體上反映了新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的建設(shè)使用效果，新型生態(tài)護坡較普通植草護坡在坡體穩(wěn)定性、土壤含水率穩(wěn)定性等方面具有一定的優(yōu)勢，新型生態(tài)護坡受季節(jié)性變化的影響較小，體現(xiàn)出了更好的護坡穩(wěn)定效果。

4.2 滯洪區(qū)路基邊坡生態(tài)性效果分析

在普通植草護坡和新型生態(tài)護坡區(qū)域內(nèi)各隨機選取3 塊1 m×1 m 的樣方。普通植草護坡內(nèi)樣方標(biāo)記為樣方1、樣方2 和樣方3，分別位于普通植草護坡下部、中部和頂部；新型生態(tài)護坡內(nèi)樣方標(biāo)記為樣方4、樣方5、樣方6，分別位于新型生態(tài)護坡下部、中部和頂部。具體取樣位置見圖7。

圖7 新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的取樣位置圖

樣方內(nèi)具體情況見圖8，樣方植物種類和多樣性統(tǒng)計見表1。

圖8 新型生態(tài)護坡和普通植草護坡的樣方圖

由表1 可知，新型生態(tài)護坡中植物種類（6 種）多于普通植草護坡（3 種），植物豐富度更好。同時，新型生態(tài)護坡上生長有灌木（胡枝子），其在面對雨水沖刷時較草本植物能起到更好的邊坡防護作用。另一方面，普通植草護坡受混凝土格構(gòu)的影響，植物覆蓋度小于新型生態(tài)護坡，即新型生態(tài)護坡的植物覆蓋度更好。

表1 樣方植物多樣性統(tǒng)計表 單位：%

綜上所述，新型生態(tài)護坡的植物生態(tài)性優(yōu)于普通植草護坡，在植物豐富度和覆蓋度上具有較明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

（1）新型生態(tài)護坡較普通植草護坡在穩(wěn)定性和生態(tài)性上更具優(yōu)勢，體現(xiàn)出更好的護坡效果；監(jiān)測作為施工的“眼睛”，能夠為試驗順利進行和工程安全提供保證；應(yīng)用先進的監(jiān)測儀器及時獲取信息，能夠為信息化管理和施工提供有力的保障。新型生態(tài)護坡技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）本研究應(yīng)用于津石高速天津西段。鑒于該路基邊坡坡度較緩，路基本身穩(wěn)定系數(shù)高，新型生態(tài)防護方案安全系數(shù)也較高，使得護坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有效。若能在此基礎(chǔ)上進一步探討加固與生態(tài)結(jié)合的陡峭路基邊坡的生態(tài)防護新技術(shù)，進行新型生態(tài)護坡的長期監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)新型生態(tài)護坡的不足之處并在后續(xù)設(shè)計中予以改進。