高速公路花岗岩残积土边坡生态防护技术研究

马吉倩

(湖南省高速公路管理局， 湖南 长沙　410022)



高速公路花岗岩残积土边坡生态防护技术研究

马吉倩

(湖南省高速公路管理局， 湖南 长沙410022)

针对湖南省益娄高速公路花岗岩残积土粗颗粒含量多，遇水易崩解，极易形成坡面冲蚀的特点，对益娄高速公路沿线残积土边坡进行调研，将坡面按冲蚀程度进行划分，得出其发展规律为溅蚀→细沟冲蚀→浅沟冲蚀→冲沟冲蚀→坍塌，通过前期已施工边坡的局部破坏情况可知花岗岩残积土边坡开挖或填筑后应及时进行防护，特别是雨季之前应完成花岗岩残积土填筑边坡的防护工作，否则将形成恶性循环。为合理确定益娄高速花岗岩残积土边坡防护方法，对已建成的南岳高速公路花岗岩残积土边坡进行调查，结合调研情况与生态边坡防护方法，对益娄花岗岩残积土边坡防护方法与草灌选择提出了相关建议，以供工程参考。

边坡工程； 花岗岩残积土； 生态防护； 坡面冲蚀

0　引言

花岗岩残积土其典型特征是粗颗粒含量高，粘聚力低，在干燥状态下强度高，一旦遇水则迅速崩解，水稳定性极差，极易形成坡面的雨水冲刷和雨水入渗的水力冲蚀，如果处治不当，势必会导致边坡出现滑塌破坏等隐患。于是一些科研人员对其展开了研究认为对于残积土边坡方法一般采用挂网、打锚杆、设挡土墙或抗滑桩[1-3]。经试验研究，得出压实度对花岗岩残积土的崩解性影响较小，而饱和度影响较大[4]。曾朋通过对花岗岩残积土进行崩解试验，得出其崩解可以分为三个阶段，崩解曲线呈抛物线型[5]。为了使花岗岩残积土边坡防护更加符合生态环保要求，不少地区对其防护采用直接绿化，但效果并不明显。李凯[6]结合云南省保龙、保腾高速公路得出花岗岩风化土层具有一定的植被立地条件且喷射基材的效果要明显优于直接绿化。

为此，本文以益娄高速公路现场施工与防护效果，结合生态边坡防护技术与已有研究成果，对益娄高速公路边坡防护，提出一些生态防护方法，以供类似工程参考。

1　工程概况

湖南省益阳至娄底高速公路该项目起点位于益阳桃江县新屋冲处，终点到达娄底双峰县檀树冲，与潭邵高速公路相连，公路全长105.928 km，初步设计时速100 km，双向4车道，路基宽度26 m，车道宽度3.75 m，投资规模约为83.79亿元，预计2017年益娄高速公路建成通车。

1.1冲蚀花岗岩丘陵地区地貌

冲蚀花岗岩丘陵地区地貌主要分布与K49+00～K75+800 m段，受构造作用和长期冲蚀、剥蚀作用形成，地形起伏较大，斜坡坡度较缓，植被发育，冲沟发育，密度为5～8条/km2，沟谷“U”型为主，长200 m至数km，微地貌单元多为微丘、山间平地等；区内地层主要为花岗岩，风化作用强烈，风化层厚度大，中风化基岩埋藏较深，地表出露的大部分为全风化岩。覆盖主要为残坡积物，厚度变化较小，一般分布于谷底、斜坡地段，山间平地等。由于地表水发育，山间平地等低洼处常分布有厚0.4～1.5 m的软土，在丘陵边缘地段常堆积有结构松散的新堆积物。该地区地表水发育、地下水贫乏。沿途地形低洼处多见人工水库，水塘。该区标高140～190 m，高差约50 m。

在K48+200～K73+600段，主要为花岗岩，中风化基岩岩质坚硬，呈灰白色，粗粒结构，矿物体成份主要为石英、长石、云母节理裂隙不发育，多为原生节理，多成闭合状，结构面间距大于1.5 m，一般为1～2组，无危险结构面组成的危岩、掉块。基岩整体性强度高，岩体稳定，在变形特征上可视为均质弹性各项同性体。调绘期间见中风化基岩裸露较少，其风化作用强烈，地表所见多为全分化岩，风化层厚度较大，稳定性差，抗冲刷能力差，经扰动后容易产生崩滑。

1.2本区气象条件

本区属于亚热带季风湿润气候，四季分明，温暖湿润，雨量充沛，春湿多雨，夏秋多旱，严寒期短，暑热期长。降水多集中于3～8月，其中4～6月为雨季，3个月降雨量占全年降雨的37%～46%，降雨量1370.1～1556.1 mm，年均蒸发量1125～1370 mm，年均平均气温17～17.9 ℃，极端高气温40.8 ℃，极端低气温-9.9 ℃，无霜期长，年平均298 d。

2　花岗岩残积土冲蚀特性研究

花岗岩残积土在降雨作用下，随着雨水极易流失，形成又深又长的深沟，坡面冲刷严重，极大的减小了边稳定性。

2.1花岗岩残积土边坡冲蚀类型

根据现场花岗岩残积土边坡调查对坡面冲蚀情况按冲蚀痕迹形态特征，同时考虑水动力作用方式等进行总结分类。

雨滴溅蚀：在裸露的花岗岩残积土边坡上，在降雨时候，下落的雨滴直接溅落在坡面上，坡面上的残积土会发生颗粒物的散落、飞溅，或对地表薄层水流形成阻碍，以增大水流的紊流，而使降落的雨滴汇集形成坡面的面流和增大其冲蚀能力。

细沟冲蚀：在降雨时，雨水从容易观察到的，有明显形状的沟槽或地表径流的路径形成的冲蚀，所形成的冲蚀沟宽度大约为1～5 cm，深度约为1～5 cm如图1所示。

图1　残积土的细沟冲蚀Figure 1　Residual soil rill erosion

浅沟冲蚀： 在一股或多股线状水流的作用下的冲蚀下，形成具有一定宽度和深度的沟，所形成冲蚀沟宽度大约为6～25 cm，深度约为5～40 cm，如图2所示。

图2　残积土的浅沟冲蚀Figure 2　Shallow gully erosion of residual soil

冲沟冲蚀： 是指上述所形成浅沟在水流作用下进一步发展而行成冲蚀冲沟，所形成的冲蚀沟宽度大约为25～100 cm，深度约为40～100 cm如图3所示。

图3　残积土的冲沟冲蚀Figure 3　Gully erosion of residual soil

坍塌： 是指在冲蚀所形成的沟槽两边发生掉块、坍塌。是指冲沟在水流的作用下发展到后期的表现，坍塌的发生大大加剧了冲蚀现象的发展，会形成恶性循环，而难以治理，所形成的冲蚀沟宽度大约为100 cm以上，深度约为100 cm以上如图4所示。

图4　残积土坍塌Figure 4　Residual soil collapse

2.2冲蚀在坡面上的形成规律

在现场调研时发现沟蚀冲槽剖面主要为“U”字型，如图5所示，它是在冲蚀发育到一定程度的产物，近似的对应上述提到的浅沟冲蚀。

图5　冲沟槽剖面形态 Figure 5　Gully cross-sectional shape

冲蚀的形成规律主要表现为冲蚀坡面上的纵向性。其中其表现为：在降雨还未形成细沟冲刷之前的一段时间内，雨滴的下落击打在边坡上，将边坡表面的土颗粒击打松弛并搬运到雨滴的周围，此时坡面形成溅蚀；在降雨作用下，土壤逐渐的趋于饱和，在边坡的表面逐渐形成薄层的水流，由于边坡表面是凹凸不平的状态，所形成的薄层水会因为地形而汇成小股流，小股流将搬走在边坡上被雨滴溅蚀出的土颗粒，坡面出现细沟冲蚀现象；小股流水在水源的不断供应下逐步发展壮大形成浅沟水流，而此时坡面出现了浅沟冲蚀，形成的浅沟水流继续冲刷冲蚀所形成的浅沟，使冲蚀沟不断扩大从而形成冲沟，当水流继续汇集并不断冲刷冲沟的底部，土颗粒不断被水流冲走，同时在雨水作用下上部土壤容重变大且下部所剩土壤强度降低，无法支撑起上部土体的重量，便形成坍塌，坍塌下来的土又被雨水冲走，形成一种恶性循环。综上在边坡裸露时，冲蚀随着程度不断加深，溅蚀→细沟冲蚀→浅沟冲蚀→冲沟冲蚀→坍塌的变化过程。

2.3冲蚀条件下坡面土颗粒的受力分析

根据泥沙动力学可知: 边坡坡面冲蚀的物理本质是降雨所形成的坡面水流对坡面土颗粒的搬运[7]，只有当坡面上的水流对土颗粒搬运力大于坡面上土颗粒抵抗搬运能力时，坡面上的土颗粒才会脱离坡体表面的土体，从而产生运动。

假设残积土边坡坡面上在雨水的冲蚀作用下是一层一层被水流剥蚀并被带走过程，在花岗岩残积土边坡坡面被冲蚀的过程中，坡面的土体在遇水后，由于残积土土颗粒之间的粘聚力较低，会出现土体的崩解现象，从而大块的土体变为较小的土体，减轻土体的本身的重量，降低土体抵抗冲蚀的能力，此时土体中的土颗粒受自身重力与颗粒间微弱的粘聚力，还受到水流对土颗粒的作用力，还受到浮力、拖拽力、上举力、渗透压力等[7]，再运动过程中还会受到坡面对土颗粒的摩擦力等，在这些力形成的力场中，残积土的土颗粒经历了失稳起动，随着水流的运动和最后的沉积。最终形成我们宏观所看见的冲蚀现象。

3　南岳高速公路花岗岩残积边坡防护调研

为了对益娄高速花岗残积土边坡提出更合理的意见，对已经通车的南岳花岗岩残积土边坡进行了调研。通过采用植物护坡，但经过强降雨后、出现了边坡的滑塌现象，如图6所示。

图6　植物防护边坡滑塌Figure 6　Plant protection slope collapse

从图中可以看出: 边坡上的植被生长较好，但是再强降雨后仍然会出现边坡的坡体的滑塌，说明单纯的植物边坡防护不能起到良好的防护效果，需要采取其它防护方法。

菱形骨架防护在边坡防护中是一种常用的边坡防护方法，但是在降雨条件下菱形骨架防护会出现“掏空”现象，从而引起边坡垮塌，如图7所示。

图7　菱形骨架防护边坡垮塌图Figure 7　Diamond skeleton slope protection collapse picture

从图中可以看出: 菱形框格中没有植被覆盖就发生垮塌，说明单纯的菱形骨架不能起到很好的效果。上述2种情况可以看出单纯的防护不能起到良好的防护，需要结合现有的生态防护方法进行改进。

4　生态防护技术

4.1骨架草皮护坡

骨架草皮护坡是指在骨架铺设完成后，为保证其不出现被掏空现象，在骨架中间铺设草皮如图8所示。同在骨架中直接撒播草种护坡相比，在骨架中间铺设草皮有以下特点：

① 成坪时间短： 草种从播种所需时间较长，一般需要1～2个月，期间如果遇到强降雨，有个可能会导致图3所示的状况，而采用铺草皮的方法可实现“瞬间成坪”，因此对于急需绿化或植物防护的边坡，采用铺草皮是首选方法。

② 护坡功能见效快： 植物对边坡的防护作用主要是通过它对坡面进行进行植被覆盖减少雨水冲刷和植物根系坡面的加筋固土作用，草坪在未成坪之前对边坡基本起不到防护作用。铺设草皮由于可以快速有效的形成坡面防护，因此当草坪覆盖后，在一定程度上可以减弱雨水溅蚀及雨水对坡面造成的冲刷，从而降低花岗岩残积土表面溅蚀现象。

③ 施工季节限制少： 适宜的温度，冷季型草种的适宜播种季节是早春和夏末秋初，适宜的温度为16～24 ℃，暖季型草种最适合播种的季节是春末秋初，适宜的气温为20～25℃。在适宜季节外施工，草种的发芽率、生长都受到影响。铺设草皮则不存在此限制，一般地，除寒冷的冬季外。其他时间都可以施工。

④ 前期管理难度大： 这是铺设草皮最大缺点，新铺的草皮，容易受到各种灾害，所以新铺草皮要加强管理与防护。

图8　骨架草坪护坡图Figure 8　Skeleton lawn slope protection picture

该方法可以适用于各种土质路堤、路堑边坡，强分化岩质路堑边皮也可应用1∶1.0～1∶1.5，坡率超过1∶1.0时慎用；要求每级坡高不超过10 m，同时要求边坡深层必须稳定。

4.2三维植被网护坡

在花岗岩残积土边坡防护中，罗艺伟、罗建军[9]等提出三维网护坡是风化花岗岩边坡最优的防护形式。三维植被网，又称固土网垫，是以热塑性树脂为原料，经挤出、拉伸等工序形成相互缠绕，再接点上相互融合，底部为高模量基础层的三维立体结构网垫，如图9所示。三维植被网护坡具有以下特点：

① 固土优良： 由于三维网表面为波浪起伏的网包，对于喷射覆盖上去的客土、草种有良好的的固定作用，可减少雨水冲蚀作用。

② 效能作用明显： 由于表面凹凸不平的网包存在，当雨滴下落时可以有效缓冲雨滴的冲击能量，同时减缓水流在坡面形成的紊流，从而减少水流对破面的冲蚀。

③ 网络加筋突出： 三维植被网的基础层与网络层网格间的经纬线相互交错粘结，对客土起到固土和加筋的作用，同时当植物根系生长出来后会与网格线相互交错缠绕形成较牢固的整体。

④ 保温效果良好： 草种生长需要适宜的温度，在适宜温度区间生长可以保证可靠的发芽率以及成活率。夏季可保证植物根系处的温度比外部低3～5 ℃，在冬季根系处的温度比外部高3～5 ℃。

图9　三维植被网护坡现场施工图Figure 9　Three-dimensional vegetation slope protection construction site picture

该方法适用的范围： 各类土质边坡均可使用，包括路堤和路堑边坡，强风化岩石边坡也可使用，常用的坡率为1∶1.5，一般不超过1∶1.25，每级边坡坡高不要超过10 m，同时要求边坡自身必须稳定。

4.3液压喷播植草护坡(见图10)

液压喷播植草护坡技术的主要特点为： 机械化程度高，可大面积快速植草，液压喷播效率高，一台液压喷草机可日喷草8000～10000 m2；适应性广，可在人工难以施工的陡坡、高坡上建植草坪，同时可在植物难以成活的地域建植草坪，因喷料枪高速喷出的种子混合液中溶有营养物及土壤等配料，可使植物在难以生存的场所生长成坪；养护简单，喷播后基本不用浇水就能成坪，适合管理粗放的荒山荒坡。

图10　液压喷播植草护坡现场施工图Figure 10　　　　Hydraulic seeding grass protection site construction plan

该方法适宜各种土质类边坡边坡的坡率为1∶1.5～1∶2.0，当坡率超过1∶1.25时应结合其他方法使用。每级边坡坡高不要超过10 m，同时要求边坡自身必须稳定。

4.43种方案对比分析

3种方案都是生态边坡防护技术，对应边坡类型选用防护方法也不相同。一般当边坡坡率在1∶1.5以上时采用液压喷播植草护坡技术；在边坡坡率在1∶1.5左右时，采用三维植被网护坡技术；1∶1.0～1∶1.5时选用骨架草皮护坡。经过对市场调查后得出单位面积边坡防护工程的造价可得：液压喷播植草护坡<三维植被网护坡<骨架草皮护坡，根据边坡种类结合造价选择合适护坡方法。

5　草灌选择

经过对草种根系发达程度、地面上部的高度、抗旱性、抗贫瘠性、抗热性和抗寒性进行初步统计，结果如表1所示，结合本地区的气温状况，严寒期短，暑热期长，极端高气温40.8 ℃，极端低气温-9.9 ℃，无霜期长，年平均298 d。可知选择的草种应该抗热性能强，抗寒性能良好。又因为花岗岩残积土土质不适合植物生长，即使采用客土喷播技术，也要求草种有较强的抗贫瘠性。益娄高速花岗岩残积土边坡生态防护可以选择的草种为高羊茅、狗牙根、巴哈雀稗3种草种，灌木选择紫穗槐和胡枝子。

表1 高速公路常用草种基本习性Table1 Basichabitofgrasswidlyusedinhighway序号名称根系发达状况地上部高度/cm抗旱性抗热性抗寒性抗贫瘠性1高羊茅发达60～80 优秀良好优秀良好2结缕草发达12～15 优秀优秀一般优秀3狗牙根发达10～30 优秀优秀良好优秀4假俭草一般10～15 优秀优秀良好良好5巴哈雀稗良好75～90 优秀优秀良好优秀6马蹄金良好5～15 优秀优秀良好优秀7扁穗冰草发达30～50 优秀良好优秀优秀8捶穗披碱草良好60～120优秀良好优秀优秀

6　结论

经过对现场调研与总结再结合生态护坡技术可得以下结论：

① 在残积土边坡裸露时，冲蚀随着程度不断加深，溅蚀→细沟冲蚀→浅沟冲蚀→冲沟冲蚀→坍塌的变化过程。残积土边坡要及时进行防护，否则随着冲蚀程度的不断加深，当出现坍塌现象时，边坡就难以治理，最终会形成一种恶性循环。

② 一般当边坡坡率在1∶1.5以上时采用液压喷播植草护坡技术；在边坡坡率在1∶1.5左右时，采用三维植被网护坡技术；1∶1.0～1∶1.5时选用骨架草皮护坡。

③ 结合本地区严寒期短，暑热期长的气温状况，草种选择高羊茅、狗牙根、巴哈雀稗三种草种，灌木选择紫穗槐和胡枝子。

[1]黄少强.国道G323花岗岩残积土边坡锚固设计[J].四川建筑，2012(04)：159-160.

[2]陈宾.郴州地区残坡积土工程边坡过程稳定性研究及控制[D].长沙:中南大学，2010.

[3]张雷.秦巴山区公路路堑边坡防护及病害治理研究[D].西安:长安大学，2012.

[4]兰泽鑫.花岗岩残积土崩解试验研究[D].广州:华南理工大学，2013.

[5]曾朋.花岗岩残积土的压实特性及崩解特性研究[D].广州:华南理工大学，2012.

[6]李凯. 风化花岗岩边坡综合防护研究[D].重庆:重庆交通大学，2010.

[7]钱宁,万兆惠.泥沙运动力学[M].北京:科学出版社。2003.

[8]罗艺伟，罗建军，龙文强.花岗岩的三维网植被护坡技术与工程实践[J]. 公路工程，2014(03)：238-240、255.

Study on Ecological Protection Technology of Granite Residual Soil Slopes Along Highway

MA Jiqian

(Hunan Provincial Highway Administration Bureau,Changsha, Hunan 410022,China)

According to Yilou granite residual soil coarse particle content,easy disintegration in water, easy to form the characteristics of slope surface erosion, The residual soil slope along the highway of Yilou was investigated,according to the degree of erosion division which obtained the law of development of splash erosion,rill erosion, Shallow gully erosion, gully erosion and collapse, According to the situation of early constructed slope that has been partial destructed,that the granite residual soil slope or filling shall be carried out in a timely manner after the protection of slope excavation，especially before the rainy season the granite residual soil embankment slope protection work,should be completed.Otherwise it will form a vicious circle. In order to more reasonable protect the granite residual soil slope, The granite residual soil slope have been built in Nanyue highway was investigated. Combined with the research situation and methods of ecological slope protection, some suggestions are put forward for the selection of slope protection and grass irrigation for the residual soil slope of Yilou and provide a reference for engineering.

slope engineering; residual soil; ecological protection; slope erosion

2016 — 04 — 18

湖南省交通科技计划项目(201514，201533)

马吉倩(1983 — )，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事高速公路建设与管理工作。

U 416.1+4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0222 — 06