山西黄土地区公路边坡防护设计研究

苗贵华

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 黄土的工程性质

黄土在世界上分布相当广泛，中国是世界上黄土分布最广、厚度最大、结构最完整的国家，黄土覆盖厚度可达到50～100 m。黄土按生成年代可分为Q1黄土、Q2黄土、Q3黄土、Q4黄土等。地层位置由深到浅，密实度由高到低。

黄土具有大孔隙的特点，颗粒间相互结合不紧密。结构性差、抗分散性弱、孔隙度大、垂直节理发育，以上微观结构决定了黄土的易蚀性。当遭遇暴雨、强风、冻融等不利的自然条件时，极易出现水蚀、风蚀和重力侵蚀[1]。从而导致黄土边坡局部破坏甚至整体失稳。

2 黄土边坡地层组合形式

依据黄土地区的气候条件不同、地形地貌条件的差异、黄土的成因时代、黄土的地层结构、黄土的地质特征以及黄土的各种物理力学性质指标，笔者通过对山西省近年来公路设计中遇到黄土边坡的类型组合，现归纳总结为以下5种组合形式：分别为新黄土（Q3）单一形式、新老黄土（Q3或 Q2）组合形式、老黄土（Q2）单一形式、新老黄土与黏土（Q3+N2或Q2+N2）组合形式、黄土与基岩（Q3或Q2+T1（或P））组合形式。

3 黄土边坡破坏模式

根据上述黄土的组合形式，黄土边坡破坏模式可概括为两大类：一类为坡面破坏模式；另一类为坡体破坏模式。具体阐述如下。

3.1 坡面破坏模式

坡面破坏主要表现为冲刷、湿陷、剥落、落水洞以及坡脚冲蚀。坡面变形、破坏是黄土地区公路边坡常见的现象，而坡面破坏最主要的原因是水的影响。在相同降雨强度及相同坡高的情况下，水对边坡冲刷侵蚀主要受边坡坡率影响，通常情况下，坡率越缓，坡面越大，其汇水面积和径流厚度越大，对边坡冲刷越大，而坡率越陡，其汇水面积及径流厚度越小，水流流速越大。因此，选择合适的边坡坡率是决定水对坡面冲刷大小的关键，而一般认为边坡愈缓，边坡综合坡率愈大，边坡愈稳定。但笔者现场调查发现，若黄土边坡坡率设计过缓，采用植草防护形式，植物成长初期，植物的地下根系及地上茎叶的作用不足以保护坡面不受冲刷侵蚀，此时边坡冲刷侵蚀破坏较为严重。因此黄土地区边坡选择最优的坡率是防止边坡产生坡面破坏的关键。

图1 坡面破坏

3.2 坡体破坏模式

坡体破坏主要有滑坡、崩塌等。黄土边坡施工开挖后将坡脚土体卸载，形成高陡临空面，其应力状态势必要进行调整，可能使边坡产生蠕动变形导致后缘拉裂，导致边坡坡体整体滑动。黄土边坡坡体破坏一般可分为黄土层内滑坡和黄土接触面滑坡。黄土层内滑坡是在黄土层内部产生的旋转式或圆弧状滑坡；黄土接触面滑坡是新黄土沿老黄土顶面产生平移式滑动，或者新、老黄土沿着基岩顶面或粉质黏土顶面产生平移式滑动。工程中经常遇到的破坏模式是黄土接触面滑坡。即边坡组合形式为黄土与黏土（Q3+N2或Q2+N2）组合形式与黄土与基岩（Q3或Q2+T1（或P））组合形式。这种边坡组合形式中边坡下卧层为相对隔水层，由于地表水容易沿黄土垂直节理渗入，水积聚在基岩顶面或者粉质黏土顶面。加之黄土组成以粉土为主，坡体内相对隔水层界面上的一层黄土受水浸润后，抗剪强度降低非常快，内摩擦角可低至5°～7°。极易沿接触面发生滑移破坏。另外黄土层与下卧层的接触关系、层面倾斜角度等也对边坡产生坡体破坏起到至关重要的作用。

图2 坡体破坏

4 防护技术形式

目前山西省公路路堑边坡采用防护措施尽管对边坡稳定及防止冲刷等方面起到一定的防护作用，但同时也存在如下缺点。其一，防护型式较为单一，大量采用浆砌片石护面墙等防护型式；其二，防护型式个别路段设置不合理。笔者对已建及在建的几条高速公路的防护形式进行归纳总结，见表1。

表1 山西省部分高速公路路堑边坡防护形式一览表

由表1可见，黄土路堑边坡加固与防护方法主要采用植物防护、骨架植草防护和工程防护相结合。但是以往公路边坡防护主要考虑边坡稳定的问题，大量采用浆砌片石护坡、护面墙、挡土墙、锚固等工程防护措施进行路基边坡防护。不仅造价高而且对自然环境产生极大的破坏作用。随着人们的生态保护意识逐渐提高以及经济条件改善，高速公路路基边坡的防护不仅注重安全稳定，同时兼顾到保护和恢复生态环境。以往灰色防护不仅破坏生态和谐，而且大大降低了行车旅行带来的景观舒适度。

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4.1 坡面防护

坡面防护是改善路域环境、保护环境和防止水土流失的一种工程措施。设计中按照以往经验进行边坡设计，坡面防护主要作用就是保护路基边坡表面，免受雨水冲刷，减缓温度及湿度变化的影响，防止和延缓软弱岩土表面的风化、剥落等演变过程，还可兼顾到公路与环境的美化。坡面防护技术分为工程防护技术、植物防护技术和复合型生态防护技术三大类[2]。

例如在上述5种黄土边坡组合形式设计中经常采用护面墙防护。虽然起到阻止冲刷、剥蚀、风蚀等破坏，但是大面积护面墙对景观和环境造成较大影响。特别是对于黄土与黏土（Q3+N2或Q2+N2）组合形式与黄土与基岩（Q3或Q2+T1（或P））组合形式，由于护面墙泄水孔设置不合理，施工质量不高，渗透进黄土内的水遇到粉质黏土隔水层阻止了坡体内外“水汽循环”，地下水在此分界面处积聚无法排除，引起墙后土体孔隙水压力急剧增大，从而导致护面墙以及边坡的破坏。对于边坡上部覆盖湿陷性黄土的边坡，则由于墙后土体浸水后的湿陷性破坏，引发边坡潜蚀性冲刷破坏，致使护面墙防护作用失效，最终引起坡体大范围地滑塌破坏。

图3 护面墙破坏

虽然工程防护技术在我国已应用数十年，技术已经成熟，但是工程防护存在的主要问题是与周围环境不协调、景观效果极差。笔者建议结合黄土边坡组合形式、边坡高度、环境条件、施工条件等因素，不要盲目选用工程防护。在气候和土质条件适宜时，设计中优先采用植草防护及骨架植草防护。不仅可以保护生态环境，改善景观功能，使旅行者体验到人在画中游的美感，而且可以降低噪声、减少光污染，保证行车安全[3]。

植物防护作为一种柔性、开放式、三维立体的防护措施，不仅能克服圬工工程措施的不足，而且工程造价比圬工工程措施节省许多。山西省已建成的几条黄土地区高速公路高边坡进行植物防护，均取得了不错的防护效果。尤其对黄土高原地区的水土流失有良好的防治作用和明显的防治效果。从养护角度考虑，坡面植草宜在缓于1∶0.75以上的边坡上采用，黑麦草、紫穗槐、高羊茅等是较适宜的草种。

黄土路堑边坡形式规范建议采用直线形、折线形、台阶形等3种形式。陕西省推荐采用“陡边坡宽平台，大平台与小平台相结合的设计原则”进行设计。山西省地处中温带干旱气候，降水特点为冬春少，夏秋多。结合以往工程经验山西省推荐黄土边坡坡率优先采用1∶0.75的坡率进行设计。另外笔者建议黄土边坡防护优先考虑骨架植草防护。对于地下水和地面水较为丰富地段的边坡，其坡面防护效果的好坏直接与水的处理密切相关，为此应进行边坡坡面防护与排水措施相结合的综合设计。

总之，坡面防护中应尽量使景观设计和环境保护相结合，注意与周围自然环境和当地人文环境的融合。

4.2 坡体防护

坡体防护是针对边坡可能产生的整体或局部失稳而对边坡采取的工程措施。坡体防护形式在满足边坡安全性的前提下，应结合现场的地形、地质、水文等具体情况，从技术可靠、经济合理、环境和谐的原则出发，选择最合适的防护形式。但是无论采用哪种防护形式都要做到安全可靠、经济合理、便于施工养护的要求。坡体防护常用的措施具体可分为放缓边坡坡率、设置支挡、加固坡体等几大类。本文以工程中经常采用的工程支挡法（挡土墙、锚杆（索）、抗滑桩等）以及削方减载法进行阐述。支挡法是通过主动或被动受力方法，阻挡滑坡的移动。

4.2.1 工程支挡法

图4 花子村滑坡地貌

图5 花子村滑坡地质剖面（比例尺水平1∶500 垂直1∶500）

以某高速公路K86+420—K86+700段花子村滑坡为例，路线中线从滑坡体中部穿过，该滑坡平面形态呈圆弧形，滑体主轴长 212.4 m，横宽 496～536 m，平均厚度15.6 m，总体积132.3万m3，滑向100°，属于大型滑坡[4]。边坡地层主要由第四系坡积物、风积物、第三系红黏土及三叠系二马营组地层组成，整体上从上至下依次分布有黄土状粉土、红黏土。设计中在刷坡卸载后，在路基右侧设置抗滑桩（尺寸2 m×3 m），桩间距为5 m，以保证路基工程的安全。

4.2.2 削方减载法

针对黄土滑塌的诱发因素，采用削方减载法进行治理。削方减载法主要是采用削坡方式，清除不稳定滑塌体，以增加边坡稳定性的方法。

某高速公路边坡原边坡设计方案为边坡分级高度均为8 m，第1、2级平台宽度为2 m，第3级平台宽度为10 m，第4、5级平台宽度为4 m，第 6、7级平台宽度为10 m，第8级平台宽度为4 m，以上边坡设为取土场。第1级边坡坡率1∶0.25，以上各级边坡坡率均为1∶0.75，边坡坡高达73.4 m。第1级边坡采用混凝土挡土墙防护，为防止冲刷，第2、第3级设浆砌片石护面墙防护，以上各级坡面采用穴栽一年生紫穗槐（容器苗）进行绿化防护。

通过对现场进行勘查，该段边坡所处山体坡面大部分为耕地，且地表冲沟发育。滑塌区边坡地层为多元结构，上部为黄土状粉土，垂直节理发育，雨水容易下渗，下部为粉质黏土，为相对隔水层。当雨水渗入后，分界面处土体软化，抗剪强度降低。加之施工开挖后将边坡坡脚处部分土体卸载，坡脚位置出现应力集中，造成边坡坡脚变形较大，同时上部黄土在张拉应力及垂直裂隙切割下发生错动，导致边坡发生滑塌。滑塌体呈马蹄状，其后缘有清晰的弧形，沿垂直张裂隙形成高约2～10 m的陡壁，塌方体长约50 m，高度约75 m，滑塌体体积约5万m3。考虑到黄土滑塌的危险性及治理的重要性，在治理本滑塌时尽量做到根除，不留再次发生的可能性，从滑塌的性质、规模、形成原因、重要程度等方面综合考虑，设计最终选用削坡卸载+护坡工程+截排水组合方案。

首先对滑塌坡面进行削坡减载处理，削坡由上而下进行，在第4级、第8级、第12级设置宽大平台，缓解边坡坡脚应力集中，改变了边坡的剪应力及剪应变的分布，有利于提高边坡整体稳定性，且方便施工。边坡分级高度均为8 m，第1级平台宽度为8 m，第2级平台宽度为2 m，第3级平台宽度为6 m，第4级平台宽度为20 m，第5、第6、第7级平台宽度为4 m，第8级平台宽度为32 m，第9、第10、第11级平台宽度为4 m，第12级平台宽度为16 m，第13、第14、第15级平台宽度为4 m。第1级边坡坡率 1∶0.25，第 2、第 3、第 4级边坡坡率 1∶0.75；以上各级边坡坡率均采用1∶1。考虑到第1级边坡片石混凝土挡土墙对滑塌体起到了较好的支撑作用，第1级混凝土挡土墙防护形式尽量维持原设计，拆除第2、第3级浆砌片石护面墙，分别在第2、第5、第9、第13级设2.5 m高浆砌片石护脚防护，其余各级坡面采用穴栽一年生紫穗槐进行绿化防护。平台设平台截水沟，平台截水沟底部铺设防渗土工布，坡面设置急流槽。

图6 黄土边坡滑塌

图7 滑塌后边坡设计方案（单位：m）

5 结语

我国高速公路建设方兴未艾，但由于实践时间短，设计时对边坡的防护重视不够等因素，黄土地区公路的防护设计至今还没有统一的标准。防护设计中设计者的经验和资料调查显得尤为重要，保守设计会造成不必要的浪费，防护不当则会导致各种病害的发生。因此，笔者建议黄土地区边坡防护形式应依据边坡的地层组合，结合边坡的破坏模式。贯彻“建绿色通道，走环保之路”的设计理念，设计中一方面要考虑路基边坡安全稳定；另一方面要考虑公路与沿线自然环境相协调。合理选择经济、美观、安全的边坡防护形式。总之，黄土地区的边坡防护设计需建设、科研、设计、监理、施工等各方面共同努力，才能探寻出符合山西地区特色的边坡防护形式。