公路石质边坡防护与环境保护的研究.doc

西部交通建设科技项目 交通编号： 合同号：2001 318 790 79 单位编号： WCP 2001 02 密 级：内部 分 类 号： U416 公路石质边坡防护与环境保护的研究公路石质边坡防护与环境保护的研究 研究报告（简本）研究报告（简本） 贵州省交通科学研究所贵州省交通科学研究所 重庆交通科研设计院重庆交通科研设计院 1 贵州工业大学贵州工业大学 贵州高速公路开发总公司贵州高速公路开发总公司 20042004 年年 3 3 月月 中文题名公路石质边坡防护与环境保护的研究 英文题名 Study on Defense and Environmental Protection on Rock-slopes in Highways 交通编号项目来源西部交通建设科技项目 单位编号WCP 2001 02合同号2001 318 790 79 分类号U416项目起止年限2001 年2003 年 第一完成 单位 贵州省交通科学 研究所 密级内部 项目负责 人 郭明（所长，高级 工程师） 报告撰写人 郭明（项目负责人，高级工程 师） 郭 明（所长，高级工程师） 杨 信（副所长，高级工程师） 费小申（主任，高级工程师） 陈 筠（副教授） 朱立军（校长，教授） 张兰军（主任、院副总，副研究员） 陈才琳（总工，高级工程师） 周晓娟 （副主任，工程师） 魏 涛（助理研究员） 赵德志（助理研究员） 牟成刚（工程师） 马旭东 （工程师） 项目主要 参加人 吴晓燕 （助理工程师） 3 主题词公路、边坡、防护、环境保护 关键词公路、边坡、防护、环境保护、GIS、神经网络 报告摘要：报告摘要： 为确保公路工程建设项目中石质边坡工程的防护与环境保护 质量，达到人类可持续发展的目的，本项目运用神经网络分析方法 对公路石质边坡的地质条件、环境条件和工程活动特点进行研究， 寻求公路石质边坡的正确防护方法及环境保护措施，使公路石质 边坡的工程防护和环境保护得到统一解决，为公路石质边坡的环 境工程设计、施工、管理和监控（通过 GIS 数字交通信息系统）等提 供先进的技术指导。项目研究分四个部分：1）公路石质边坡地质条 件因子的研究；2）公路石质边坡环境条件因子的研究；3）公路石质 边坡防护与环境保护信息系统；4）编制公路石质边坡防护与环境保 护技术工作指南。利用本项目的研究成果共实施了 10 个不同类型 的边坡示范工程，项目实施后效果良好，便于成果的推广应用。 ABSTRACT： To ensure the quality of defense and environmental protection of highwayss rock-slopes and carry the point of human continuable development,by NN(ie NEURAL NETWORK),we study synthetically geological factors、environmental factors and engineering factors of the rock-slopes and gain the optimal ways of engineering and environmental protection to make them develop harmoniously.It is easy to design、construct、manage、supervise-control(by Degital Transportation GIS) the latest conditions of the slopes.The study includes four parts:1)the study on geological factors of rock-slopes in highways;2) the study on environmental factors of rock-slopes in highways;and 3)the study on GIS and 4)compilation of the manual of denfense and environmental protection of rock-slopes in highways.After the 10 demonstration-engineerings,the effect is remarkable and make it easy to popularize the advanced technology of slope-protection. 目录目录 1 概论1 2 公路石质边坡地质条件因子的研究3 3 公路石质边坡环境条件因子的研究4 4 地质及环境因子评价方法研究5 4.1 地质条件因子评价.6 4.1.1 网络输入向量值确定6 4.1.2 网络输出向量值确定7 4.1.3 网络学习样本8 4.2 环境条件因子评价.8 4.2.1 网络输入向量值确定8 4.2.2 网络输出向量值确定9 4.2.3 网络学习样本9 4.3 网络学习效果与分析.9 5 公路石质边坡防护与环境保护信息系统10 6 公路石质边坡防护与环境保护技术指南10 7 依托工程实施11 结束语14 致谢15 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 1 1 概概论论 “继续加强基础设施建设；认真搞好生态环境保护和建设”是实施 西部大开发战略的指导思想和重点任务中的重要内容。西部开发中， 公路基础设施建设发展迅速。 西部地区山地较多、地势陡峻、地质结构极其复杂，自然生态环 境较脆弱，裸岩分布广泛，水土流失严重。公路开发过程中产生的大 量石质边坡对生态环境的破坏较为突出，如破坏植被及地表覆土、增 加水土流失等等。因此，为了保障西部地区经济建设的可持续发展和 搞好自然生态环境的保护，将公路石质边坡的防护与环境保护结合起 来进行研究是十分必要和可行的。这样既可以保障公路工程的安全畅 通，又能达到环境保护的要求。 本项目旨在通过公路工作者和环境保护工作者的合作研究，选取 贵州省典型公路路段进行科学试验，将影响公路石质边坡防护与环境 保护的地质条件因子与环境条件因子加以广泛调查、综合分析，在理 论上为石质边坡的环保防护方法提供依据，并在此之上建立公路石质 边坡防护与环境保护信息系统，提出公路石质边坡的防护和环境保护 技术工作指南，为今后公路工作者和环境保护工作者提供公路石质边 坡的环境工程设计、施工等的技术指导。 项目由贵州省交通科学研究所牵头承担，贵州工业大学、重庆交 通科研设计院和贵州高速公路开发总公司参加。共同开展西部交通建 设科技项目“公路石质边坡防护与环境保护的研究”。项目研究分四 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 2 个专题： 1、 公路石质边坡地质条件因子的研究； 2、 公路石质边坡环境因子的研究； 3、 公路石质边坡防护与环境保护信息系统； 4、 公路石质边坡防护与环境保护技术工作指南。 本项目的关键技术在于：在对公路石质边坡的地质条件、环境条 件综合研究的基础上，确定影响公路石质边坡防护的地质条件因子和 环境条件因子，建立公路石质边坡地质条件因子及环境条件因子 GIS 数据库，并运用神经网络方法对公路石质边坡地质条件因子及环境条 件因子数据进行分析。 公路路基的开挖过程中将形成大量的石质边坡，由于在观念、技 术和建设规模上与发达国家的差距，我国及贵州省的公路的设计中很 少对生态环境保护进行专门设计，大量采用的浆砌片石护坡及喷射水 泥砂浆等传统的圬工防护技术完全封闭了植物生长的环境，使得公路 开挖而破坏的自然植被永久不能恢复，同时大量的高填深挖造成基岩 裸露，在外界的空气、水分的作用下加速了岩石的风化、破碎，边坡不 稳定性增大。而缺乏植物覆盖的边坡既不利于水土保持，大量的雨水 直接流失，不利于植被的生长及存活，并且加大了对道路周边地区的 冲刷，给农田水利带来不利影响。同时，大量裸露的岩石和混凝土视 觉、景观效果非常差，也不利于吸收阳光和汽车尾气，对高速公路的 行车带来不安全因素。因此，石质边坡的防护及环境保护成为公路建 设中的技术重点及难点之一。 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 3 2 公路石公路石质边质边坡地坡地质质条件因子的研究条件因子的研究 公路石质边坡防护与环境保护与公路石质边坡的地质条件有关， 石质边坡的地质条件是边坡主体及其反映特征，主要包括：边坡岩体 的岩性、结构构造、水文地质条件、风化特征、边坡形态要素和岩质上 覆土层的特点。本次研究解决的问题有： 1）通过对贵州山区的区域工程地质条件的研究对石质边坡防护 进行区域的评价，提供防护工程的基础信息。 2）通过对已成边坡防护工程的地质条件调查，总结其经验教训， 对不同边坡防护工程的地质条件进行归类统计分析，弄清各种地质条 件下或不同地质条件组合下石质边坡的防护方法类型及防护实施的 效果，弄清各种地质条件下或不同地质条件组合下公路石质边坡开挖 后对自然生态环境的破坏情况。 3）应用数理统计方法对稳定石质边坡的地质条件进行系统分析， 分析各种工程防护方法适用的地质条件。 具体技术路线为： 收集前人资料并进行综合分析确定影响因子和评价指标野 外调查研究对影响因子和评价指标进行论证对影响因子和评价指 标进行神经网络分析确定因子分析评价方法完成有关 GIS 信息 系统的建立及研究报告的编制。 通过研究，取得了以下成果： 1、 建立了贵州省公路石质边坡地质条件因子 GIS 数据库和公路 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 4 沿线地质条件及防护措施区划，完成了地质条件主因子分析； 2、 完成了公路石质边坡防护方法选择的神经网络模型建立。 3 公路石公路石质边质边坡坡环环境条件因子的研究境条件因子的研究 公路石质边坡的环境因子应概括为：边坡周围的环境（气候、温度、 降水等）对边坡工程的作用及边坡形成后对自然生态环境造成影响两 个概念。 环境对边坡工程的作用主要是自然营力对边坡工程的侵蚀作用， 气候、降水、温度等环境条件都将会对边坡的侵蚀破坏加快，甚至会 使稳定边坡和已防护边坡趋于不稳定，直至造成破坏。 另一方面，随着边坡工程的产生，也容易使周围环境变化，导致 环境恶化，人类的可持续性受到阻碍。如：石漠化、水土流失、植被破 坏、地下水循环受阻、人文景观遭到破坏。 公路石质边坡的环境因子研究主要解决了下面的问题： （1）区域环境条件及其与边坡的关系 通过对贵州山区环境条件的研究，对公路石质边坡的环境保护进 行区域性的评价，同时提供贵州山区公路石质边坡的环境保护的基础 信息。 （2）统计归纳特定环境下的边坡类型和合理的环保类型 通过调查现有典型边坡及防护工程的环境条件，系统地研究了目 前已采用的边坡类型和环保综合处治的方法和类型，研究公路石质边 坡的防止风化、降低水土流失和恢复生态植被的理论和方法。 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 5 具体的技术路线为： 收集前人资料并进行综合分析确定影响因子和评价指标野 外调查研究对影响因子和公路石质边坡植被恢复的调查统计归纳 特定环境下的边坡类型和合理的环保类型建立公路石质边坡环保 防护技术确定环境影响因子的评价方法完成有关环境条件因子 的 GIS 信息系统的建立及研究报告的编制。 通过研究，项目获得了以下成果： 1）建立了贵州公路石质边坡环境条件因子的 GIS 信息系统数据 库和公路沿线的环境保护信息区划，完成了环境条件主因子的分析； 2）统计和归纳了特定环境条件下的边坡类型和环保类型，提出了 较系统的公路石质边坡环保防护技术，并通过人工神经网络学习建立 了环境影响因子的评价方法。 4 地地质质及及环环境因子境因子评评价方法研究价方法研究 边坡防护与环境保护是一个复杂系统，受诸多环境因素等的综合 影响。这些因素有的是确定性的，但大部分具有随机性、模糊性、可变 性等不确定性特点，它们对边坡防护与环境保护的影响权重是变化的， 这些因子之间具有复杂的非线性关系，因此在公路石质边坡防护与环 境保护过程中应根据具体情况动态地选择评价因素，要求评价方法应 当具有能够同时处理确定性和不确定性信息的动态非线性的能力。 神经网络技术突破了人工智能知识获取的瓶颈问题，具有自学习、 自组织、联想记忆能力和强容错性，为边坡防护与环境保护研究奠定 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 6 了可靠基础。 在本次研究中，对于因子评价的方法，明确了下述原则： 1）采用人工神经网络作为评价方法； 2）地质条件因子的评价讨论防护，环境条件因子的评价讨论环 保工程。 4.1 地地质质条件因子条件因子评评价价 根据贵州公路石质边坡的地质条件特征，采用由 1 个输入层，2 个隐层和 1 个输出层构成的神经网络模型，两个隐层单元传递函数均 采用 Sigmoid 函数，输出层单元传递函数采用线性函数。 4.1.1 网网络输络输入向量入向量值值确定确定 石质边坡地质条件主要影响因素为岩性水平（I1）、边坡类型（I 2）、 岩体结构（I 3）、坡高（I4）、坡角（I5）、节理（I6）、风化程度（I7）等。因此， 此次网络构建取上述因素作为输入条件，即网络输入层为 7 个节点。 考虑到各条件的量化取值仅需区别该条件不同性质应有不同数量级 别，量化时类比工程地质评价相对应的方法，即不同定性评价级别 具不同数量。 表 41 网络输入向量中岩性水平评价及取值 岩性软岩硬岩 类别值 21 取值10.5 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 7 表 42 网络输入向量中边坡类型评价及取值 边坡类型顺向坡其他切向坡反向坡 类别值 4321 取值10.750.50.25 表 43 网络输入向量中岩体结构评价及取值 岩体结构整体状块状层状碎裂状散体状 类别值 12345 取值0.20.40.60.81 表 44 网络输入向量中坡高、坡角评价及取值 坡高H坡度d 取值H/MAX(H)取值sin(d) 表 45 网络输入向量中节理发育程度评价及取值 节理风化程度不发育较发育发育很发育 类别值 1234 取值0.250.50.751 表 46 网络输入向量中风化程度评价及取值 风化程度无轻微颇重严重极严重 类别值 12345 取值0.20.40.60.81 4.1.2 网网络输络输出向量出向量值值确定确定 网络输出包括所采取的各种防护措施及防护效果评价。所采取的 防护措施包括 14 项：边坡上部未采取防护措施（O1）、边坡下部未采 取防护措施（O 2）、边坡上部采用坡砌石防护（O 3）、边坡下部采用坡 砌石防护（O 4）、边坡下部采用砼砌块防护（O 5）、边坡上部采用满面 现浇砼护坡（O 6）、边坡下部采用满面现浇砼护坡（O 7）、边坡上部采 用护面墙防护（O8）、边坡下部采用护面墙防护（O9）、客土植草或喷播 （O10）、挂网防护（O 11）、浆砌片石护坡（O 12）、锚固护坡（O 13）、井字梁 护坡（O 14）。因此，此次网络构建取上述因素作为输出条件，即网络 输出层为 14 个节点。由于不同边坡地质条件，各种防护措施的防护 效果必不相同，故须作防护效果评价，其定性评价结果分为：好、较 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 8 好、一般、差和很差五类情况，各种防护效果的量化结果如表 47。 表 47 网络输出向量中防护效果评价及取值 防护效果好较好一般差很差 类别值 54321 取值10.80.60.40.2 4.1.3 网网络络学学习样习样本本 调查收集已有边坡的地质条件，及对应的防护处理措施和防护效 果，对各类别因素进行分类和定性评价，并按上述量化指标进行量化 处理，形成网络学习样本。 4.2 环环境条件因子境条件因子评评价价 4.2.1 网网络输络输入向量入向量值值确定确定 根据贵州公路石质边坡的环境条件特征，同样采用由 1 个输入层， 2 个隐层和 1 个输出层构成的神经网络模型。 石质边坡的环境影响因素主要为岩性水平（I1）、边坡类型（I 2）、 岩体结构（I 3）、坡高（I4）、坡角（I5）、节理（I6）、风化程度（I7）、坡表含 水（I8）、气温（I9）、降水（I10）等。因此，此次网络构建取上述因素作为 输入条件，即网络输入层为 10 个节点。因子量化结果表 48、49 所示，其余同前。 表 48 网络输入向量中坡表含水评价及取值 坡表含水干燥湿润表面有水层 取值0.330.671 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 9 表 49 网络输入向量中风化程度评价及取值 气温T降水R 取值T/min(T)+max(T)取值R/min(R)+max(R) 4.2.2 网网络输络输出向量出向量值值确定确定 网络输出包括工程防护和生态防护的等级。其量化结果如表 410。 表 410 网络输出向量中工程防护效果评价及取值 工程防护等级一级二级三级四级五级 具体措施 抗滑桩、挡墙、 锚固等稳定措 施 锚喷、护面墙 等坡面全封闭 措施 渡锌铁丝网等 柔性防护 仅在坡脚采取 护面墙等措施 未防护 取值10.80.80.60.60.40.40.20.2 生态防护等级一级二级三级四级 具体措施 客土喷播、挖沟植 草、挖沟种灌等措 施 直接喷播等措施 仅在坡脚或平台种 植乔、灌、滕等植 物 未防护 取值10.750.750.50.50.250.25 4.2.3 网网络络学学习样习样本本 调查收集已有边坡的地质条件，及对应的防护处理措施和防护效 果，对各类别因素进行分类和定性评价，并按上述量化指标进行量化 处理，形成网络学习样本。 4.3 网网络络学学习习效果与分析效果与分析 在训练过程中，剔除异常样本 16 个，最终训练样本总数为 343 个。地质条件因子分析样本经过 330400 次迭代后，网络整体标准误 差 SE=0.712，量值较大，下降过程缓慢。表明网络学习样本较为分散， 但总体学习效果较好。 环境条件因子分析样本的学习经过 12010 次迭代后，网络整体标 准误差也偏大，下降过程缓慢。表明网络学习样本较为分散，学习效 果仍较好。通过对大量边坡的网络学习，得到不同环境条件下边坡工 程和生态防护的等级。 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 10 5 公路石公路石质边质边坡防坡防护护与与环环境保境保护护信息系信息系统统 在得到了大量的有关公路石质边坡的地质条件因子、环境条件 因子的基础数据后，采用神经网络分析方法对公路沿线的区域地质和 环境条件及对应的防护分区、环境分区进行了学习。在此基础上建立 了公路石质边坡地质条件和环境条件因子 GIS 数据库，并将这些数 据库搭建在贵州数字交通平台下，形成了一个工程应用子系统，系统 包含了相关的信息采集、信息分析和方案决策的管理方法。它将公路 石质边坡防护与环境保护有关的基础地质条件信息，环境条件信息和 工程防护信息与环境保护信息纳入数字交通系统中，通过该信息系统 可准确掌握公路沿线区域的地质条件，环境条件，对公路石质边坡防 护优化设计、监控、管理、维护等具有重要的意义。 系统由数据采集系统、数据库管理系统、网级系统和项目级系统 四部分组成。 6 公路石公路石质边质边坡防坡防护护与与环环境保境保护护技技术术指南指南 为确保公路工程建设项目中边坡工程的环境保护质量，达到人类 可持续发展的目的，制定了公路石质边坡防护与环境保护技术指南， 以指导公路工程边坡工程的防护及环境保护工作，提高公路工程的环 境保护水平。 指南主要根据中华人民共和国环境保护法、 中华人民共和国公 路法、 建设项目环境保护设计规定、 公路工程技术标准、 公路环境 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 11 保护设计规范、 公路路基设计规范、 公路路基施工技术规范、 公路 工程地质勘察规范等有关规定，结合西部地区多年来公路环境保护 实践经验并广泛收集、研究公路对社会、生态环境影响基础上制定的。 指南指出了公路石质边坡防护及环境保护的基本原则和基本要求。即： “因地制宜因地制宜”的原的原则则、 、 “就地取材就地取材”的原的原则则、 、 “经济经济适用适用”的原的原则则、 、 “保保护环护环境境” 的原的原则则。 。提出了进行公路石质边坡防护及环境保护设计时必须考虑的 地质条件、环境条件以及边坡开挖的形式和注意事项、设计参考图等 等。 7 依托工程依托工程实实施施 依托工程是根据西部交通建设科技项目“公路石质边坡防护与环 境保护的研究”要求实施的。项目组在充分调研国道主干线上海至瑞 丽公路（贵州境）清镇至镇宁段高速公路工程沿线石质边坡地质条件、 环境状况及工程特点的基础上，结合项目研究成果（参见公路石质边 坡防护与环境保护技术工作指南）对公路沿线石质边坡实施环境保 护防护，本次选取了具有代表性的典型公路石质边坡共计 10 个。示 范工程实施后，经跟踪观察，防护效果良好。 公路石质边坡开挖引起的环境问题主要表现在下列各方面： 、使坡面植被覆盖面积减少； 、开挖边坡，使石质边坡坡面上的原有覆盖土壤流失，造成 土地资源损失，产生石漠化； 、破坏了坡体的地下水流通系统； 西部交通建设科技项目：公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本） 12 、使新鲜基岩暴露，将加剧基岩风化侵蚀速度； 、松动坡面岩体，产生崩落，增加水土流失； 、破坏了公路路域景观环境等等。 因此，针对公路石质边坡开挖所产生的环境问题对公路石质边坡 进行有效的环境保护防护意义重大。 公路石质边坡的防护类型根据防护采用的形式不同，主要分为五 类，如下： 、植物防护：如植草、铺草皮、植树等； 、封面防护：如抹面、捶面、喷浆及喷射混凝土防护、喷射钢 纤维混凝土、干砌片石防护、浆砌片石防护、四合土砖护坡、 浆砌片石护墙、锚杆铁丝网喷射混凝土防护等等； 、框格（骨架）防护：浆砌片石骨架护坡、井字梁护坡等； 、锚固防护； 、挂网防护。 上述防护方法常常根据边坡地质条件和环境条件结合使用，