摘要 為了提高山區(qū)公路高邊坡排水能力，保證運(yùn)營(yíng)期的安全性，文章首先總結(jié)了高邊坡路段的排水類型和排水設(shè)計(jì)原則、排水設(shè)施設(shè)計(jì)步驟。隨后，分析了截水溝、急流槽、仰斜式排水孔等排水設(shè)施的布置要求、設(shè)計(jì)要求及驗(yàn)算方法。最后，以某山區(qū)公路4級(jí)高邊坡為研究對(duì)象，制定了綜合排水方案，研究成果可供類似高邊坡排水設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 山區(qū)公路；高邊坡；綜合排水；水文水力計(jì)算；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類號(hào) U417.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0063-03

0 引言

山區(qū)地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏大，在修建公路工程時(shí)存在大面積開(kāi)挖，產(chǎn)生大量高邊坡。高邊坡的變形機(jī)理復(fù)雜，穩(wěn)定性受各種地表水和地下水的影響大，需制定經(jīng)濟(jì)合理的排水方案，將水流盡快排出至路基外。否則，高邊坡可能出現(xiàn)滑坡、溜塌等問(wèn)題，威脅公路上的行車安全，甚至需中斷交通修復(fù)，造成不良的社會(huì)影響。然而，很多設(shè)計(jì)人員開(kāi)展高邊坡排水設(shè)計(jì)時(shí)，只注重單個(gè)排水設(shè)施的斷面選擇和水力計(jì)算，不注重排水設(shè)施之間互相銜接、相互配合。因此，進(jìn)一步研究山區(qū)公路高邊坡綜合排水意義重大。

1 山區(qū)公路高邊坡水形式和排水原則

高度大于20 m的土質(zhì)邊坡或高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡均可視作高邊坡，其水文條件復(fù)雜，穩(wěn)定性受各種地表水和地下水的影響大，需加強(qiáng)排水控制[1]。

1.1 高邊坡路段水形式

1.1.1 地下水和坡面流

在連續(xù)降雨期間，會(huì)有部分雨水入滲至邊坡巖土體內(nèi)部，增加了坡體內(nèi)的地下水含量。同時(shí)，隨著植物截留能力和低洼地儲(chǔ)蓄能力不斷飽和，邊坡入滲率減小，在坡面產(chǎn)生徑流。地下水入滲量和坡面流大小與降雨強(qiáng)度、植被狀況、土壤滲水特性等因素密切相關(guān)。

1.1.2 邊坡承壓水

由于公路高邊坡開(kāi)挖，可能破壞地下不透水層的結(jié)構(gòu)，使承壓水出露。而承壓水的水頭高、滲流速率快，會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

1.2 高邊坡排水原則

為了提高高邊坡排水效率和能力，排水方案制定時(shí)應(yīng)堅(jiān)持以下原則：一是預(yù)防為主。高邊坡排水設(shè)施要根據(jù)坡高、坡長(zhǎng)、匯水面積等選擇，不能等邊坡失穩(wěn)后再加強(qiáng)排水設(shè)施，否則會(huì)大幅增加工程費(fèi)用。二是分級(jí)截流、縱橫結(jié)合。山區(qū)公路高邊坡坡頂外的雨水徑流應(yīng)通過(guò)坡頂截水溝排走，降落在坡面的雨水徑流可通過(guò)平臺(tái)截水溝排出。同時(shí)，每隔20～50 m設(shè)置1道急流槽，將截水溝與急流槽結(jié)合，使匯集的雨水盡快排出。三是經(jīng)濟(jì)適用。要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，就地取材，不能設(shè)置過(guò)多或過(guò)少的排水設(shè)施，并對(duì)排水溝渠做好加固，以免后期出現(xiàn)損壞，加大排水設(shè)施投資。

2 山區(qū)公路高邊坡排水設(shè)施布置方法

2.1 排水設(shè)施設(shè)計(jì)步驟

高邊坡排水設(shè)計(jì)時(shí)要先結(jié)合實(shí)際情況，初步選擇合理的排水設(shè)施和斷面尺寸，并結(jié)合設(shè)計(jì)徑流量開(kāi)展水利和水文計(jì)算，確保計(jì)算結(jié)果滿足《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT D33—2012，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）的要求，具體設(shè)計(jì)步驟如圖1所示[2]。

2.2 水文計(jì)算

為了簡(jiǎn)化山區(qū)公路高邊坡排水計(jì)算，在排水設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)以最大徑流量為基準(zhǔn)。由《規(guī)范》可知，高邊坡的設(shè)計(jì)徑流量可按式（1）計(jì)算[3]：

（1）

（2）

式中，Q——設(shè)計(jì)徑流量（m3/s）；P——降雨重現(xiàn)期（年）；t——降雨歷時(shí)（min）；b、c、d、n——回歸系數(shù)，根據(jù)高邊坡所在區(qū)域氣象站超過(guò)10年的雨量資料進(jìn)行回歸分析；Qp、t——平均降雨強(qiáng)度（mm/min）；F——匯流面積（km2）；ψ——徑流系數(shù)，取決于地表類型，對(duì)于硬質(zhì)巖石坡面可取0.7～0.85，陡峭山地可取0.75～0.85、起伏山地可取0.4～0.65。

2.3 截水溝設(shè)計(jì)

截水溝設(shè)置在高邊坡坡頂外或平臺(tái)上，以攔截排向邊坡的地表徑流，減輕雨水徑流對(duì)邊坡坡面的沖刷、侵蝕，以免影響邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.3.1 設(shè)置條件

高邊坡截水溝的設(shè)置應(yīng)考慮公路等級(jí)、邊坡工程地質(zhì)條件、坡度及降雨量等因素，具體闡述如下：①公路等級(jí)。對(duì)于同一地區(qū)，高速公路、一級(jí)公路，邊坡防、排水系統(tǒng)較完善，截水溝設(shè)置多，而低等級(jí)公路因投資金額限制，設(shè)計(jì)人員對(duì)高邊坡排水一般不會(huì)開(kāi)展專項(xiàng)設(shè)計(jì)，截水溝較少；②邊坡工程地質(zhì)條件。堅(jiān)硬完整的巖體邊坡可不設(shè)平臺(tái)截水溝，土質(zhì)邊坡、松散坡積層邊坡在降雨條件下易發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流，必須設(shè)置坡頂截水溝；③邊坡坡度。邊坡坡度越高，承雨面積越小，地表徑流和入滲也越少。一般情況下，邊坡坡度陡于1∶0.75，可不設(shè)置平臺(tái)截水溝。

2.3.2 布置要求

截水溝斷面常采用矩形或梯形，設(shè)置在高邊坡坡頂外5～10 m。如果降雨量大，可設(shè)置2道或2道以上截水溝。截水溝的斷面尺寸要結(jié)合水力計(jì)算結(jié)果確定，溝底縱坡不宜＜0.5%，困難時(shí)不宜＜0.3%，走形宜與水流方向相互垂直，以確保地表水順利進(jìn)入截水溝。

同時(shí)，高邊坡截水溝布置要順應(yīng)地形，將雨水徑流排至所在山坡一側(cè)的自然溝或橋涵出口，不宜直接排入邊溝，會(huì)增加邊溝排水負(fù)擔(dān)，使邊溝內(nèi)地表水溢出路面，威脅行車安全。在匯水量大的區(qū)域，可設(shè)置涵洞，將截水溝內(nèi)的水流引去路基另一側(cè)。

2.3.3 水力驗(yàn)算

截水溝的斷面尺寸要能滿足排泄設(shè)計(jì)流量的需要，不出現(xiàn)沖刷和淤積，又不致引起沖刷和淤積。因此，截水溝的水力計(jì)算包括斷面計(jì)算和流速檢驗(yàn)。

截水溝的泄水能力可按式（3）計(jì)算，當(dāng)Qc＞Q，說(shuō)明截水溝泄水能力能滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

（3）

式中，Qc——截水溝泄水能力（m3/s）；R——水力半徑（m）；I——截水溝溝底縱坡（%）；A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m3）；v——截水溝內(nèi)水流流速（m/s）。

《規(guī)范》中針對(duì)不同材料的截水溝給出了不被沖刷的最大流速，比如水泥混凝土溝、漿砌片石溝的最大流速vmax可分別取4 m/s、3 m/s。而截水溝不產(chǎn)生淤積的最小容許流速可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，見(jiàn)式（4）：

（4）

式中，vmax——最小容許流速（m3/s）；a——與土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。對(duì)于淤積的粗砂、細(xì)砂、中砂、極細(xì)砂，a可分別取0.65～0.77、0.41～0.45、0.58～0.64、0.37～0.41。

2.4 急流槽設(shè)計(jì)

在邊坡陡、水流速度快的路段，需設(shè)置急流槽，將坡頂截水溝或平臺(tái)截水溝的水流引出坡面。

2.4.1 急流槽斷面

急流槽包括進(jìn)水口、槽身（矩形或梯形）、出水口三部分，進(jìn)水口部分是寬度逐漸縮小的“喇叭口過(guò)渡段”，其長(zhǎng)度可取過(guò)渡前過(guò)水?dāng)嗝嫠畹?～4倍；槽身可采用矩形肋條、棋盤式方格等適當(dāng)加糙，以減小急流槽內(nèi)的水流速度，降低沖刷力；出口與下游銜接可采用跌坎式，并設(shè)置混凝土消力池、消力坎等設(shè)施，如急流槽長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，可設(shè)置多級(jí)效能設(shè)施，防止急流槽底部被掏空。

2.4.2 急流槽設(shè)計(jì)參數(shù)

急流槽縱坡應(yīng)依地形而定，多取1∶1.5。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件良好時(shí)，急流槽坡度可以更陡，但結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，造價(jià)也相對(duì)較高。

一般情況下，急流槽間距越小，其匯集坡面水流的能力越強(qiáng)，但工程造價(jià)也更高。目前，山區(qū)公路高邊坡常用的急流槽間距多為30 m、50 m、100 m等，具體應(yīng)結(jié)合匯水面積、降雨強(qiáng)度等計(jì)算，并考慮坡面防護(hù)類型、坡面地質(zhì)條件等。如果邊坡較穩(wěn)定，急流槽間距可適當(dāng)加大，甚至不設(shè)置急流槽。

2.4.3 防溜滑措施

大部分急流槽采用漿砌片石，屬剛性結(jié)構(gòu)，變形很小。而邊坡土體相對(duì)于急流槽是柔性的，變形較大。在雨水徑流作用下，急流槽槽底和坡面間會(huì)形成軟弱結(jié)構(gòu)面。在急流槽自身重力作用下，槽身可能沿著軟弱結(jié)構(gòu)面下滑。尤其是邊坡坡度大或土質(zhì)松散的路段，急流槽所受的下滑力加大，急流槽更容易溜滑失穩(wěn)[5]。鑒于此，急流槽設(shè)計(jì)時(shí)槽底要每隔2.5～5 m設(shè)置一個(gè)凸榫，增加槽身的穩(wěn)定性，如圖2所示。

2.5 仰斜排水孔設(shè)計(jì)

仰斜排水孔的孔徑較小、滲透半徑小，故仰斜排水孔主要是用于疏排坡體中的裂隙水、潛水等。仰斜排水孔多采用軟式透水管制作，不宜使用或采用硬式透水管制作，不建議采用PVC管或鋼管。為了快速排出坡體內(nèi)部水，仰斜排水孔多采用“梅花形”布置方案，傾角取5 °～10 °，水平向間距取6～9 m。如坡面出現(xiàn)集中滲水點(diǎn)，可針對(duì)滲水點(diǎn)對(duì)仰斜排水孔加密。同時(shí)，仰斜排水孔長(zhǎng)度不宜超過(guò)15 m，需穿過(guò)隔水層2～3 m。此外，仰斜排水孔多采用潛孔鉆機(jī)成孔，而在地下水豐富的路段，潛孔鉆機(jī)成孔難度大，可采用螺旋鉆成孔。

3 山區(qū)公路高邊坡綜合排水設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

研究對(duì)象為某公路高邊坡，其最大邊坡高度為35.9 m，劃分為4級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡平臺(tái)寬2 m，邊坡坡率均為1∶1，1～3級(jí)邊坡的高度為10 m，分別設(shè)置了抗滑擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索、全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿來(lái)加固邊坡；4級(jí)邊坡高度為5.9 m，采用拱形骨架植草防護(hù)。該邊坡所在位置的巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性差，強(qiáng)度低，以全風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主。為了保證高邊坡在連續(xù)降雨天氣下的穩(wěn)定性，需加強(qiáng)排水設(shè)計(jì)。

3.2 綜合排水系統(tǒng)

3.2.1 坡面排水方案

經(jīng)驗(yàn)算，該高邊坡的坡頂外5 m設(shè)置1道矩形截水溝，尺寸為0.6 m×0.6 m，采用M7.5漿砌片石砌筑，并在溝壁設(shè)置一層防滲土工布；每級(jí)邊坡平臺(tái)設(shè)置1道矩形平臺(tái)截水溝，尺寸為0.3 m×0.5 m，采用M7.5漿砌片石砌筑，并對(duì)平臺(tái)硬化處理，減少雨水入滲；高邊坡每隔50 m設(shè)置1道急流槽，與截水溝搭配后，將匯集的雨水排至路基外的河溝，如圖3所示。

3.2.2 仰斜排水孔方案

為了在保證排水效果的同時(shí)節(jié)約工程造價(jià)，該高邊坡共設(shè)置兩排仰斜排水孔，其中一排設(shè)置在坡腳出水點(diǎn)位置，傾角取8 °，水平向間距取6 m，長(zhǎng)度20 m；另一排設(shè)置在全風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖的交界處，傾角取8 °，水平向間距取9 m，長(zhǎng)度15 m，如圖4所示。

4 結(jié)論

該文主要研究了高邊坡的排水設(shè)計(jì)原則、各種排水設(shè)施的應(yīng)用，并針對(duì)某山區(qū)公路高邊坡制定了綜合排水方案，研究成果表明：公路高邊坡路段主要是排出地下水、坡面流、邊坡承壓水、暗泉等，在開(kāi)展排水設(shè)計(jì)時(shí)要堅(jiān)持“預(yù)防為主、分級(jí)截流、縱橫結(jié)合、經(jīng)濟(jì)適用”的原則。同時(shí)，排水設(shè)施設(shè)計(jì)前，要先開(kāi)展水文計(jì)算，確定設(shè)計(jì)徑流量，再結(jié)合工程地質(zhì)條件、邊坡防護(hù)類型、降雨強(qiáng)度等因素合理設(shè)計(jì)急流槽、截水溝、仰斜排水孔的位置、斷面尺寸等參數(shù)。如有必要，需針對(duì)排水設(shè)施開(kāi)展水力驗(yàn)算，確保將高邊坡的水流迅速排出至路基外。

參考文獻(xiàn)

[1]郭志濱. 高速公路路基排水設(shè)施病害類型及處治技術(shù)研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2023（21）： 89-91.

[2]趙地， 郝楓楠. 黃土高陡邊坡水毀生態(tài)修復(fù)綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督， 2023（10）： 123-128.

[3]張志超. 路基邊坡水毀成因及處治措施分析[J]. 交通世界， 2023（29）： 10-12.

[4]劉紅森， 黃倩影， 吳寧. 黃藏寺水利樞紐道路高邊坡排水設(shè)計(jì)論證[J]. 人民黃河， 2019（S2）： 133-135.

[5]牛國(guó)良. 贛南山區(qū)高速公路高邊坡防護(hù)技術(shù)及工程應(yīng)用研究[D]. 南昌：南昌大學(xué)， 2019.

收稿日期：2023-11-29

作者簡(jiǎn)介：白曉菲（1990—），男，本科，工程師，從事公路勘察設(shè)計(jì)工作。