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气象灾害对平定高速公路边坡的影响及防治技术研究

日期:2013-09-27 来源:

www.wuying.org 技术水平:

结题时间:2011年6月

参研单位:甘肃长达路业有限责任公司、甘肃省交通科学研究院有限公司、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

1.)项目成果简介

“气象灾害对平定高速公路边坡的影响及防治技术研究”(合同号:2006 318 000 89)系2006年立项的交通部西部交通建设科技项目,项目主要依托工程为平凉至定西高速公路。

针对近年来全球气候变暖和极端天气事件的增多,公路边坡病害日益加剧的问题,"气象灾害对平定高速公路边坡的影响及防治技术研究"采用现场调查、室内外试验、模拟分析、原位观测等方法,首次对冻融与降雨等气象灾害引起的高速公路黄土边坡坡面病害的主要成因及影响因素进行了全面研究,揭示了边坡病害与强降雨、持续性降雨和冻融循环等气象因子之间的关系,掌握了不同气象条件下平定高速公路边坡土体内部温湿变化规律,总结了冻融循环对高速公路黄土边坡坡面稳定性影响程度的评价方法,研发了植物纤维、多级小平台和植被板防护等技术,提出了半干旱和半湿润地区高速公路黄土边坡坡面的综合防护措施,为黄土地区公路边坡坡面提供了新型防护形式。

2.)主要结论

针对黄土地区高速公路边坡病害,紧密围绕平凉至定西高速公路建设项目,分析了影响黄土边坡的主要气象因子,确定了黄土边坡主要病害和主要气象灾害。研究黄土边坡土体温湿变化与稳定性关系,分析主要气象灾害条件对平定高速公路边坡的作用机理,提出抵御气象灾害的黄土边坡新型防治技术,评价了边坡坡面防护措施对气象灾害的适应性,总结了黄土边坡坡面防护设计方法和施工工艺。

1.通过平定高速公路沿线区域公路边坡病害调研结果统计分析,公路路堑边坡病害占边坡病害调研总数的93%,坡面冲蚀和坡面剥蚀分别占路堑边坡病害总数的35%和57%。由此可见,公路边坡病害主要为路堑边坡坡面病害。

2.根据多年气象资料分析,以年降水量450mm为分界点,将平定高速公路依据气候差异,可将沿线气候划分为东段(泾川至平凉段)较湿润段和西段(定西至静宁段)较干旱段。平定高速公路沿线冬季土壤最大冻结深度为85cm,近50年来平均值为75cm;沿线地区土壤融解表现为明显的双向融化过程,浅层5cm至20cm有明显的日冻融循环。且在阴阳坡对比发现,因冬春季阴阳坡接收太阳辐射差异较大,受太阳辐射影响,阳坡更容易发生反复冻融;阴坡则由于浅层土壤温度在冬春季变化相对稳定,不易反复冻融。

3.根据平定高速公路沿线2007至2009年3年间连续观测和近50年的气象资料所确定的气候初始场初始量,结合边坡形态、土壤组成和植被覆盖状况,利用WEPP土壤侵蚀预报模型对影响平定高速公路边坡的气象因子进行了敏感性分析。结果显示,降水和气温在各气象因子中所占比例最大,风所占比例次之。由于风对边坡土壤损失的影响关系相关性较差,对土壤损失的影响比较复杂,所以本项目不将风作为本次研究重点。辐射所占比例最小,说明对土壤损失的影响很小,可以忽略。由此得到影响平定高速公路边坡稳定的主要气象因子依次为降水和气温,二者对应的典型气象灾害则为持续性降雨、强降雨和土壤冻融循环。

4.平定高速公路沿线2007至2009年三年间连续观测的气象资料所得到的不同降雨条件下、冻融条件下和冬春季阴阳坡土体温湿变化特征分析结果,以及实测降雨模拟试验边坡土体温湿变化特征均表明平定高速公路沿线气象灾害主要影响黄土边坡浅层0~20cm土体温湿变化,对20~40cm土体影响很小,对40cm以下土体几乎没有影响。

5.平定高速公路黄土路堑边坡坡率为1∶0.5、1∶0.6、1∶0.75和1∶1四种边坡进行模拟降雨试验结果表明,降雨破坏过程表现为溅蚀、面蚀和沟蚀三个阶段,破坏集中出现在坡脚2m范围内。另外,随着坡率减小,坡度变缓,受降水面积增大,坡面受降雨冲刷破坏会愈来愈严重。在边坡整体稳定的前提下,考虑气象灾害的影响,黄土路堑边坡宜选择较陡坡率。

6.在总结前人研究成果的基础上,结合平定高度公路黄土工程特性,通过模拟降雨试验和冻融循环试验,得到气象灾害既降雨和冻融对黄土边坡的作用机理。降雨侵蚀按破坏模式分为溅蚀破坏、冲刷破坏和土壤重力侵蚀破坏。雨滴对坡面的直接打击造成溅蚀破坏,其严重程度主要与降雨量和降雨强度有关。冲刷破坏是坡面径流产生后对坡面的冲蚀,主要受降雨量、降雨强度、坡率和坡长等影响径流水利要素的诸多因素控制。表层土体含水率增加、强度下降,在重力作用下向下坍塌或滚落形成土壤重力侵蚀破坏,土壤重力侵蚀破坏主要与黄土含水率变化后的土体强度有关。坡面剥蚀是路堑边坡表层土体疏松剥落的破坏过程。坡面剥蚀的主要原因是反复冻融作用下,随着冻融循环次数的增加,表层土体抗剪强度不断下降,导致剥落发生。根据试验结果,建立了平定高速公路季冻区黄土边坡坡面损伤模型公式为

,评价冻融循环对坡面稳定性的影响程度。

7.为避免坡面病害发生发展,结合黄土边坡坡面的冲蚀、剥蚀破坏机理,在黄土边坡坡体整体稳定的前提下,本项目提出在平定高速公路坡面防护工程设计与施工中采用“考虑气候,植被优先,经济适用,综合防护”的坡面防护理念和“拦截消能、分散、抑制坡面径流、强化坡面”的防护对策。

8.根据提出的坡面防护理念和防护对策,对省内外坡面防护技术措施和使用材料进行了大量的对比分析和筛选,在掌握黄土物理力学性质和坡面破坏机理的前提下,提出了植物纤维防护、多级小平台、矮护墙、植被板防护、坡面小台阶坡面防护新技术措施。利用FLAC3D程序进行坡面浅层土体稳定性和模拟降雨试验抗冲蚀效果分析,得出其防护措施均有利于边坡坡面稳定,防护效果良好。

9.我省黄土地区公路路堑边坡常用的防护型式为护面墙和拱形骨架。通过对其与新型边坡坡面防护措施在材料来源、施工工艺、施工期、环保美观性等方面的比较分析,提出了平定高速公路抵御气象灾害的黄土边坡防护措施推荐方案。充分考虑当地气候气象条件,在平定高速公路东西两段多处进行边坡防护新型防护技术措施的示范工程修筑,取得良好效果。

10.结合平定高速公路示范工程的修筑,总结了抵御气象灾害的黄土边坡坡面防护措施设计与施工要点。对植物纤维防护、植被板防护和多级小平台防护等防护措施的设计方法、材料与施工设备的技术参数、施工方法以及施工中的质量控制进行了详细阐述,并对推荐的综合防护技术措施,从适用条件、材料及结构形式、功能特点及设计与施工等方面进行了论述。

3.)主要创新点

本项目取得的创新点主要体现在以下几个方面:

1.首次将气象灾害作为黄土边坡病害产生的主要因素,提出了“考虑气候、植被优先、经济适用、综合防护”的黄土边坡坡面防护新理念;

2.通过现场调查、室内外试验、理论计算、原位观测、示范应用等手段,首次对冻融循环与降雨冲刷等气象要素引起的黄土地区高速公路边坡病害的主要成因及影响因素进行了系统研究。

3.基于WEPP模型的分析,揭示了边坡病害和强降雨、持续性降雨和冻融循环等气象因子之间的定量关系,得出不同气象条件下公路边坡土体内部温湿变化的特性规律与影响深度及公路边坡的合理坡率。

4.研究了植物纤维防护、多级小平台和植被板防护技术的适用性,创新和优化出多种黄土地区高速公路边坡病害防治技术措施,并成功完成了7个典型路段的示范工程。

5.通过对冻融循环试验结果的分析,建立了季冻区黄土边坡坡面损伤模型公式为