（道路与铁道工程专业论文）山区公路沿河路基防护结构的工程特性研究.pdf

摘要 摘要 山区公路多沿河布线，路基失稳破坏现象时有发生，许多防护措施已经在实 践当中采用，如浆砌或干砌块石、现浇混凝土、预制混凝土块体等结构形式，采 用这些结构形式在保持岸坡的稳定性方面起到了一定的作用，但是由于沿河路基 所处环境的复杂性，许多地区防护工程使用效果不佳。多条沿河公路路基防护的 实践表明，路基工程的投资增加，在很大的程度上，是由于防护结构问题引起的 变更造成，因此，如何根据沿河路基防护结构的工程特性，对防护结构物进行合 理的选型和设计，已成为设计、建设单位十分关注的问题。 论文在总结前人研究成果的基础上，主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 总结了目前沿河路基主要防护型式，按其构造和作用分为两大类： 直接防护，主要有植被护坡、抛石护坡、挡土墙护坡、护坦防护、铺砌护坡五种 形式；间接防护，主要有丁坝和丁坝群两种形式，并提出了各种形式的适用条 件； ( 2 ) 从宏观上把影响沿河路基及其防护结构稳定性的因素归纳为两个方 面：坡体内剪应力增加；滑带岩土体强度降低。并从这两方面出发，结合现 场调查资料，以重力式挡墙为例，归纳了防护结构的主要病害，包括倾覆破坏、 整体破坏、基础冲刷淘空、滑移破坏、泄水孔堵塞、勾缝砂浆脱落、墙背填土沉 陷变形、沉降缝和伸缩缝破损变形等多种类型，并分析了其成因机制，针对性地 提出了处治对策：优化细部设计；采用凸楔基础；控制渗透变形；采用 石笼护坡以及生态型防护技术； ( 3 ) 根据沿河路基自身的特点，分析了河流直道和弯道上不同的冲刷规律； 影响冲刷深度的因素主要有三个：几何边界条件、水流因素、河床质因素，从这 三个因素出发，对现有的冲刷深度计算公式进行了评述，发现蒋焕章提出的公式 对因素的考虑比较全面，而且对清水冲刷和深水冲刷两种冲刷机理有所不同的情 况分别予以计算，因此建议使用该公式； ( 4 ) 对沿河路基挡墙的结构进行了简化，针对路基排水系统沿墙土界面布置、 沿填土底面布置和路基排水系统完全实效三种情况，提出了土压力的计算方法， 通过实例分析，提出了有结论性的建议：确保路基排水系统的有效性对路基挡 墙的稳定性是很重要的；排水系统沿填土底面布置比沿墙土界面更有利于路基 挡墙的稳定； ( 5 ) 利用室内物理模型试验，对河水位升降情况下沿河路基挡墙进行了模拟， 试验结果表明：土压力和孔隙水压力的变化相似，大致是随着水位的升降而变化。 摘要 2 一 并应用p l a x i s 软件对室内试验进行数值模拟，把数值分析结果与物理模型试验 结果进行对比，发现水、土压力随水位升降的变化规律都是一致的，而且数值模 拟结果可以更清楚的反映水压力的变化，对挡板的位移变形的数值模拟表明，水 位下降对挡墙的稳定性是不利的； ( 6 ) 采用模糊多属性决策的方法，以欧氏权距离为基础建立目标函数，综合 考虑经济性、结构的工程特性、施工可行性等多种难以量化的因素，对这些因素 进行模糊处理，得出了最优的防护结构选型方案，并结合沿河路基特点，提出了 防护结构一般的设置原则。 根据河湾冲刷规律和各种防护结构的适用条件，结合实际情况，因地治宜地 选择防护型式，有效地防治可能发生的病害，一定能够使沿河路基的防护达到满 意的效果。 关键词：沿河路基防护；病害；冲刷；土压力；结构选型 a b s t r a c t m o s th i g h w a y si nm o u n t a i n o u s a r e aw e r e a r ep r o j e c t e da l o n g l i v e r s r o c k s o i lf i l l e dr o a d b e di so n eo ft h em a i nr o a d b e dt y p e s m a n yp r o t e c t i v em e a s u r e s h a v e b e e na d o p t e d ，f o re x a m p l e ，j i a n g q is t o n eo rd r y b l o c k ，c a s t - i n 。p l a c ec o n c r e t e ， p r e c a s tc o n c r e t eb l o c ks t r u c t u r ef o r m s u s i n gt h e s es t r u c t u r e sh a sp l a y e da c e r t a i n r o l ei nm a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo ft h eb a n ks l o p e b u tm a n yl o c a lp r o t e c t i o np r o j e c t s 、v e r ei n e f f e c t i v e m o r ep r a c t i c e so fr i v e r s i d er o a d b e dp r o t e c t i o ns h o wt h a ti n c r e a s e d i n v e s t m e n tp r o j e c t sr o a d b e d ，t oal a r g ee x t e n t ，i sd u et os t r u c t u r a lp r o b l e m sc a u s e db y p r o t e c t i v ec h a n g e s t h e r e f o r e ，a c c o r d i n g t oe n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fp r o t e c t i v e s 仃u c t u r ef - o rr i v e r s i d er o a d b e d ，d e s i g n i n gt h er e a s o n a b l es t r u c t u r eh a sb e c o m et h e m o s tc o n c e m e dm a t t e ro fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nu n i t b a s e do nf o r m e rw o r k ，s e v e r a lm a i nr e s e a r c h e si nt h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z e dt h ep r e s e n tt h em a i np a t t e r no fr i v e r s i d er o a d b e dp r o t e c t i o n ， d i v i d e si n t ot w ob i gk i n d sa c c o r d i n gt o i t ss t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n ：d i r e c t p r o t e c t i o n ：p l a n ts l o p ep r o t e c t i o n ，r i p r a pr e v e t m e n t ，r e t a i n i n g w a l lp r o t e c t i o n ，a p r o n p r o t e c t i o n ，s l o p ep a v i n g ；( 墓) i n d i r e c ts l o p ep r o t e c t i o n ：g r o i n a n dg r o i ng r o u p ，a n d p r o p o s e dt h es u i t a b l ec o n d i t i o no f e a c hk i n d ( 2 ) f r o mo nm a c r o s c o p i ct h ei n f l u e n c ea l o n gt h er i v e rr o a d b e da n di t st h e p r o t e c t i o ns t r u c t u r a ls t a b i l i t y f a c t o ri n d u c t i o ni st w oa s p e c t s ：s h e a r i n gs t r e s s i n c r e a s ei ns l o p ei nv i v o , t h es l i p p e r yb e l tg n e i s si n t e n s i t yr e d u c e s a n de m b a r k e d f r o mt h e s et w oa s p e c t s ，u n i f y i n gt h es c e n ei n v e s t i g a t i o nm a t e r i a l ，t a k i n gr e t a i n i n g w a la st h ee x a m p l e ，a n di n d u c i n gt h em a i np l a n td i s e a s eo fp r o t e c t i o ns t r u c t u r e ： o v e r t u r n i n gd a m a g e ，o v e r a l lf r a c t u r e ，b a s i sb r u s h e d ，s l i d i n gd a m a g e ，p i p i n g a n dh a s a n a l y z e di t so r i g i nm e c h a n i s m ，p o i n t e dp r o p o s e dt h ep u n i s h m e n t c o u n t e r m e a s u r e ： o o p t i m i z a t i o nd e t a i l i n g ；u s e s t h er a i s e dw e d g ef o u n d a t i o n ； ) c o n t r o ls e e p a g e d i s t o r t i o n ；u s e st h eg a b i o n sp r o t e c t i o n a sw e l la s t h ee c o l o g i c a lp r o t e c t i o n t e c h n o l o g y ； ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fr i v e r s i d er o a d b e d ，h a sa n a l y z e do nt h e r i v e rs t r a i g h tr o a da n dt h ec u r v ed i f f e r e n tw a s h e so u tt h er u l e t h r e em a i n l yf a c t o r i n n u e n i c et h ew a s h i n go u tt h ed e p t h ：t h eg e o m e t r yb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ef l u e n t 而c f 妇匹蛹er i v e rb e dn a t u r ef a c t o r e m b a r k i n gf r o mt h e s et h r e ef a c t o r s ，t h ep a p e r c a r r i e do nt h e e x i s t i n gw a s h e do u tt h ed e p t hf o r m u l aa n d d i s c o v e r e dt h ef o r m u l ao f j i a n gh u a n z h a n g i sr e a s o n a b l e ( 4 ) c a r r i e do nt h es i m p l i f i c a t i o nt ot h er i v e r s i d er o a d b e dr e t a i n i n gw a l l ， 摘要 4 一 r e g a r d i n g t h ed r a i n a g es y s t e ma tt h eb a c kw a l l ，a tt h eb o r o mo ff i u i n g ，a n da tt h e w a l l s o i li n t e r f a c e ，p r o p o s e dt h ee a r t hp r e s s u r ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，t h r o u g ht h e e x a m p l ea n a l y s i s p r o p o s e dh a st h ec o n c l u s i o ns u g g e s t i o n ：o i ti sv e r yi m p o r t a n tt o t h es t a b i l i t yo fr i v e r s i d er o a d b e d r e t a i n i n gw a l lt h a tg u a r a n t e e i n g t h es u b g r a d e d r a i n a g es y s t e mt h ev a l i d i t y ；t h ed r a i n a g es y s t e ma tt h eb o a o m o ff i l l i n gi sb e r e r ( 5 ) a d o p t e di n d o o rp h y s i cm o d e lt e s tt os t u d yt h er i v e r s i d er o a d b e dr e t a i n i n g w a l l a n a l y z e dm o d e lt e s tr e s u l t st og e tt h ed i s t r i b u t i o no fp o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e r d i f f e r e n td r a i n a g ec o n d i t i o n s b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fs e e p a g e ，c a r r i e do n n u m e r i c a la n a l y s i su s i n gs t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do fp l a x l sa n dc a l c u l a t i o nt h e o r y o ff l u i d m e c h a n i c a li n t e r a c t i o n a n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ec h a n g i n go fs e e p a g ef i e l d a n ds t r e s sf i e l du n d e rs u c hc o n d i t i o n sa sa s c e n d i n ga n dd e s c e n d i n go fw a t e rl e v e la n d t h e nc o m p a r et h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i sw i t ht h a to fp h y s i cm o d e lt e s t ( 6 ) e c o n o m i c s ，s a f e t i e s ，f e a s i b i l i t yf o rc o n s t r u c t i o na n da p p l i c a b i l i t yw e r e c o n s i d e r e di nn a t u r a ld e t e r m i n e da n dv a l u a b l ed e t e r m i n e d b a s e do nt h ee u c l i d d i s t a n c e ，t h eo b j e c tf u n c t i o nw a ss e tu p ，a n dt h ef u z z ym u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n gp r o c e s sw a su t i l i z e dt od e a l 、析mt h eu n c e r t a i ni n f o r m a t i o na n dt h ed i f f i c u l t l y v a l u e di n f o r m a t i o n w h i c hs o l v et h em u l t i p l ea t t r i b u t ep r o b l e ms u c c e s s f u l l y t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo ft h ec h o i c eo ft h e o p t i m a lf o r mi nf u z z ye n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt os u i t a b l ec o n d i t i o no fe a c hk i n do fp r o t e c t i o ns t r u c t u r e ，c h o o s e t h es u i t a b l ep r o t e c t i o np a r e m ，a n de f f e c t i v e l yp r e v e n ta n dc o n t r o lt h ep l a n td i s e a s e w h i c hp o s s i b l yo c c u r s ，c e r t a i n l yc a l lh a v eas a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d ：r i v e r s i d er o a d b e dp r o t e c t i o n ，d i s e a s e s ，w a s h ，s t r e s sf i e l d ， t h ee a r t hp r e s s u r e ，s t r u c t u r ef o r ms e l e c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乡 日期：澎年弓月哆日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期：沙。8 年月 ；e t 指导教师签名浑缘耳 日期：w 辟3 月y 3 e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 山区公路多沿河布线，由于路基所处环境的复杂性，路基失稳破坏现象时有 发生，很多地区防护结构发生不同程度的破坏，减小了路面宽度，影响了正常交 通。因此，如何根据沿河路基不同地质地貌特点，对支挡结构物进行合理的选型 和设计，已成为设计、建设单位十分关注的问题。虽然有关专家和学者已对沿河 路基防护的结构型式、防护机理、设计和施工要点进行了大量的研究，但针对于 沿河路基防护结构的适应性、护岸工程新材料、新技术护岸工程的破坏机理件及 护岸效果的研究仍处于初级阶段，研究成果尚不能很好的指导于工程实践。 1 2 问题的提出 本文依托交通部基础研究项目“山区公路沿河路基动态失稳机理与防治技 术”开展研究工作。研究目的在于以该领域内现有的研究成果为基础，以沿河路 基防护工程与支挡结构变形破坏模式为依据，坚持人与自然相和谐，树立尊重自 然、保护环境的理念，建立科学的沿河路基防护工程与支挡结构选择方法，解决 沿河路基防护工程中的关键技术问题。 鉴于目前山区公路沿河路基现状不佳，山区公路沿河路基动态失稳机理与防 治技术研究既可以为确定合理的沿河路基防护工程和支挡结构形式与防护治理 方案提供依据，也可以为沿河路基的防护工程和支挡结构的设计方案选择提供充 分的论证依据。因此，开展本项目的研究，解决沿河路基防护技术的关键问题， 为在以后的支挡结构和防护工程的选择和设计提供技术支撑，不仅具有极大的经 济、技术价值，而且具有较好的社会效益。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 沿河路基防护结构的应用现状 目前我国沿河路基防护工程与支挡结构应用形式已经存在很多种类，公路 路基设计规范1 1 1 在沿河路基防护这一节当中，简单介绍了植物防护、砌石或混 凝土护坡、护坦、抛石、石笼、浸水挡土墙、土工模袋、丁坝、顺坝这9 种常见 防护型式。针对水流对路基的冲刷作用，长安大学高冬光教授【2 】对沿河路基防护 工程的结构进行了大量的研究，提出沿河路基临水面边坡的防护，是沿河路基防 护的关键，并把冲刷防护根据防护型式的水流结构和机理分为直接防护和间接防 护两类。 采用这些结构形式在保持岸坡的稳定性、防止水土流失以及保证防洪安全等 第一章绪论 2 方面起到了一定的效果。如丁坝和护坦成功地应用在福建沿河林区公路路基防护 中口1 ；天津市海河护岸治理工程中采用了土层锚杆技术h3 进行岸坡防护，使用该 技术在1 k m 多的岸线上使用了近8 0 0 根土层锚杆，避免了大量的拆迁征地和地下 障碍物的排除，比相同条件下采用开槽打锚固桩的施工方法提前了近1 个月的工 期，避免了约2 7 0 0 0 m 3 的土方开挖回填；吉林榆树市在第二松花江的防护中采用 了软体沉排护脚、排面压载施工以及简易模袋混凝土护坡技术啼1 ，程尊兰哺1 等在 保证足够基础埋深的基础上，提出了浆砌石挡土墙十钢丝网混凝上护坦的长期 ( 永久性) 防护工程方案，为西藏高山峡谷区沿河路基水毁防护工程建设提供了示 范。这些技术均获得了一定程度的成功应用。 在这些防护结构的使用过程当中，也发现了许多问题和不足。如高大支挡结 构物，一则断面大，需要的圬工数量多，二者对地基的承载力要求高，地基处理 费用高，从而使得支挡结构物的费占了相当大的比例，而且也在不同程度上对景 观环境和生态产生了不良的影响，造成水体与陆地环境恶化和生态破坏。由于路 基岩土体特性、地质构造、河流水文特征、路基防护型式等多种因素的影响，这 类防护结构在的使用当中发生了许多不同程度的破坏。现在沿河路基防护工程实 用过程当中最常见的破坏表现出来的是基础沉陷和水流冲( 淘) 刷破坏，目前对沿 河路基防护工程及支挡结构物破化机制方面的研究成果非常少，因此开展这方面 的研究将是今后的方向。 1 3 2 挡墙土压力计算研究现状 许多专家学者已经做了很多关于挡土墙土压力大小和分布的研究工作，根据 挡土墙墙背位移与土压力的关系曲线，可分为以下两个方面问题：其一是假定墙 背土体处于极限平衡状态，基于这一假定的有库仑土压力( c o u l o m b ，l7 7 3 ) 和朗金 土压力( r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 两大理论【7 1 ，早在1 7 7 3 年，库仑创立了土体极限平衡理论。 该理论将土体视为理想塑性体，提出摩尔一库仑破坏准则，并将破裂面假定为直 线并一次为基础进行土压力计算，即著名的库仑土压力理论。此后，又有不少研 究者又假定破裂面为圆弧面、对数螺旋曲线面等，将破坏土体分为双三角区、圆 弧一三角区、三角一圆弧一三角区、三角一对数一三角区等复杂形状，并结合塑 性理论求得破坏区的应力场和速度场，从而实现对土压力的计算【8 j ，其结果表明该 方法更具合理性。而邦( s a n g c h u lb a t e ) 贝, l j 在库仑理论基础上采用假定位移的方式， 通过静力平衡条件求解主动土压力【9 】。朗金针对所研究的散粒体空间中的一点建 立极限平衡方程及状态条件，并导得水平填土面下光滑数值墙背上的土压力计算 公式，应该说对俯斜、仰斜式挡墙及填土面倾斜等情况下的挡土墙土压力计算均 不是很合适。随后，b b 索科洛夫斯基把处于极限状态下的散粒体静力学问题规 诫为对微分方程的积分i l0 。，从而建立了散粒介质理论。在库仑理论的基础上， 第一章绪论 王云球l l 】、朱桐浩【1 2 】【1 3 1 周伏少【1 4 】采用几何变换导出了粘性土主动土压力的计算 公式，发展成为我国的“广义库伦理论”。 其二是土体处于静止以及正常使用的状态。早在18 7 6 年，b i a r e zj 首次此 处考虑墙体变形来确定土体处于弹性平衡状态时挡墙上的土压力，至于根据 挡土墙的位移确定填料压力，国内外曾有多位学者提出了自己的解答，而雪莱夫 ( s h r i e f ) 和( f a n g ) l l5 j 对刚性挡墙在静止和运动时的土压力系数进行了测试，并给 出了适用于工程设计的静止土压力系数的经验公式。随着计算机技术的发展和有 限元的成熟并广泛运用于结构工程和岩土工程中，克劳夫( w a y n e c l o u g h ) 和邓肯 ( d u n c a n ) 1 6 j 首先提出了挡土墙的有限元分析。目前仍有大量研究正在这方面展 开。此外，d g 弗雷德隆德和h 拉哈尔佐在考虑了空隙水压力的影响后对非饱 和土的土压力问题进行了研究，提出了“延伸的朗金土压力理论”，使土压力理 论拓展到一个新的领域。 但是，对于沿河路基这一特殊环境，针对沿河路基挡墙的土压力的计算方法 方面尚还没有比较成熟的研究成果 1 3 3 沿河路基冲刷防护研究现状 在沿河路基的冲刷防护方面，国内外学者展开了大量的研究。1 9 7 9 年，曼 道( m a n d o u t h ，a n ) 通过试验分析，得出了弯道出口下游直段螺旋流影响距离的 经验公式。美国科罗拉多州大学刘心宽( l i u ，h k ，1 9 6 1 年) 、吉尔( g i l l ，1 9 7 2 年) 、泰埃( t e y ，1 9 8 0 年) 、新西兰奥克兰大学的关( k w a n ，1 9 8 4 ) 和埃达沙美 ( k a n d a s a m y , j k ，1 9 8 9 年) 等先后进行了丁坝( 桥台) 平衡冲刷试验研究等。 我国公路水毁的防治研究工作始于2 0 世纪5 0 年代末。广大科技工作者经过 2 0 多年的共同努力，取得了桥墩冲刷计算、大中桥孔径计算、大中桥设计流量 计算等多项科研成果，为编制我国自己的桥位勘测设计规范【l 7 】( 1 9 9 1 年) 提供了科学依据。在六十年代初期，交通部公路科学研究所蒋焕章【1 引，根据墩 前下降水流的观点，推导出了桥墩局部冲刷稳定深度的清水冲刷公式；六十年代 中期，又根据实测和模型试验，制定了桥墩局部冲刷的简化公式，1 9 8 1 年蒋焕 章又提出了清水冲刷和浑水冲刷的计算公式。1 9 9 2 年，唐德海i l9 j 提出了挡水墙 局部冲刷计算公式。 1 9 8 3 年开始，长安大学先后与陕西省公路局、陕西省公路勘察设计院合作， 系统地对弯道水流特性、弯道河床变形、沿河公路路基冲刷防护进行了研究，完 成了大量的水力试验。特别是1 9 9 2 年，长安大学与陕西省公路局共同承担了交 通部“八五”行业联合攻关项目山区公路路基排水与水毁防治技术研究， 完成了大量试验、野外现场观测以及其它相关科研工作，经过3 年的不懈努力和 艰苦工作，圆满地完成了课题的研究目标，于1 9 9 5 年通过交通部科技司组织的 第一章绪论4 鉴定，并获得了交通部科技进步三等奖。“九五”期间，交通部立项对该课题 进行了推广应用。1 9 9 8 年至2 0 0 1 年长安大学( 原西安公路交通大学) 与甘肃省 交通勘察设计院共同承担完成了交通部“九五 重点科研项目子课题黄土山 区高等级公路防排水系统研究。 交通部于1 9 9 7 年颁布了公路排水设计规范。由于该规范主要参照了日本、 美国、德国等国家相应的公路排水设计规范和国内同济大学、重庆公路科研所的 路面排水研究成果，而针对山区公路的防排水问题，则是一般性、原则性的规定 较多，专门的特殊性设计较少。由于国内对山区公路水毁的研究较少，且投入研 究经费不足，加上水毁问题影响因素多，复杂多变，开展系统研究的难度比较大， 所以现有的研究成果多针对某一水毁类型，如：重庆公路科研所的研究成果主要 针对路面排水，长安大学“八五”课题研究成果主要以沿河公路的冲刷防护为 主等。 在工程实践中，公路工程技术人员在长期治理公路水毁工作中也积累了很多 经验，如用于边坡稳定方面的支挡技术有抗滑挡墙、锚钉墙、土钉技术、抗滑锚 索桩及织物加筋技术等；沿河路基冲刷防护采用挡墙、护坡、丁坝、护坦、石笼 护脚，护脚堤等，但这些方法中经验性的内容较多，而且以往的工作中只是简单 的重复坏了就修，修了又坏的不良循环中，未能从根本上解决问题。 1 3 4 防护结构物选型及设置原则研究现状 当前，许多专家和学者都深刻地认识到如果不了解具体引起沿河路基失稳的 机理和防护对策，对水流和泥沙运动、河床变形的作用过程，想建立科学的沿河路 基防护工程与支挡结构选择方法是不可能做到的，国内学者在局部范围做了一些 结构选型方面的研究，但能够成熟应用的成果还没有。 高冬光比1 总结了常见的沿河路基、桥梁防护工程的型式，叙述了目前路基防 护的主要型式及其特点，由于引起沿河路基失稳和路基防护结构破坏的因素比较 多，他没有进一步阐述各种防护结构在具体情况下的设计参数和适宜性，因此，它 还不能作为沿河路基防护设计的依据，但可供工程设计人员的参考，对沿河路基 支挡结构物的适宜性研究有一定的价值。 聂欣岩乜们从设计、施工、造价、运行管理和工程效果等多方面，比较了干砌 石护坡与混凝土护坡的效果与差异，为不同区域条件下片两种方法的应用提供了 参考。李志刚等以颇具代表性的景泰涌整治工程为例，对模袋混凝土护坡进行应 用研究，多方面论证了棋袋混凝土造价低、整体性好、施工速度快的优越性，并总 结了机制模袋的各个类型的适用条件，给模袋的设计和施工提供了参考。 综上所述，目前国内外沿河路基防护工程和支挡结构物的研究，缺乏对各种 已有支挡结构进行系统的适宜性研究，只有综合考虑擦河流水流特征、河床演变 第一章绪论 规律、岩土体特征等多种影响因素，系统地归纳整理出各种结构形式的主要适用 范围、适用条件、设计因素等主要指标，才能建立科学的沿河路基防护结构选择 方法，解决沿河路基防护工程中的关键技术问题。 1 4 本文主要的研究内容 本文以沿河路基防护结构物为研究对象，在土力学、岩土力学及工程地质学 等学科基础上，通过理论分析、室内模型试验与野外现场工程调查相结合的方法， 重点进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 在同类研究成果基础上，依据现场调查资料，对沿河路基防护结构的主 要形式进行了总结，并分别对每一种形式的适用条件进行了说明； ( 2 ) 利用土力学、岩土力学及工程地质学的基本原理，结合现场调查资料， 归纳山区公路沿河路基防护结构物的主要病害和成因机制，并提出初步的处理意 见； ( 3 ) 结合前面学者的研究成果，系统阐述了河弯凹岸在各种典型形式防护下 的水流特点，研究了弯道在各种防护形式防护下的水流特征和弯道冲刷规律；并 对现有的冲刷深度计算公式进行了评述； ( 4 ) 针对沿河路基挡墙不同情况下的土压力计算方法，分别给出了计算实例 分析，并讨论了路基排水系统的布置方式对作用于路基挡墙上的土水压力的影 响； ( 5 ) 针对沿河路基的几何特点，利用平面应变条件，将沿河路基三维问题简 化为二维问题，通过室内试验和p l a x i s 有限元程序的数值模拟，分析了河水位 升降情况下沿河路基挡墙上水、土压力的变化规律； ( 6 ) 根据山区沿河路基防护结构物主要型式及其适用条件，和主要病害和成 因机制分析，采用模糊多属性决策方法，综合考虑影响防护结果稳定性的多种因 素，对防护结构进行合理选型，并程提出相应的宏观设置原则。 第二章防护结构主要型式及工程应用 第二章防护结构主要型式及工程应用 6 一 公路水毁和因不良地质作用造成的地质病害，对公路的破坏是国内外公路共 同存在的一个普遍问题，在我国尤其突出，据不完全统计，1 9 8 0 年以来，我国公路水 毁造成的经济损失平均每年达1 0 多亿元。所以为减少公路水毁造成的灾害，应以 “因势利导和因地制宜 为原则，针对工程实际的具体情况，实事求是，依靠科学 技术，选择简单的合理有效的防护型式，使公路水毁造成的大量经济损失减少到最 低程度。 2 1 引起沿河路基冲刷的各种水流 山区河流峡谷段河床受地形控制，河床狭窄、坡陡流急、多急弯、巨石、洪水 暴涨暴落，破坏力强河弯凹岸冲刷严重，水毁地段大都出现在河弯凹岸弯顶到出 口断面及下游凹岸一侧的直段上。山咀、巨石等地形突变引起挑流使对岸冲刷，一 般其主流总是沿多年斜流形成的深槽，以弯曲水流的形式逼向对岸路基、桥梁引 道等建筑物，引起股流冲刷，再沿对岸坡脚附近流向下游。 山区河流开阔段和山前区变迁性河流，河槽宽浅，多股流叉道，股流方向散乱。 低水位时股流对沿河路基的冲刷，因股流半径小，比降大，水流急，持续时间长，可 能沿路基坡脚形成较深的冲沟，从而导致边坡坍塌。 山区河流直河段因在河床内筑堤造田、修筑路基等人为活动，引起河槽的一般 冲刷。 2 2 冲刷引起的路基坍塌及防护 水流对沿河路基冲刷有两种作用：一种是水流直接作用于路基的边坡坡面， 冲刷坡面上的泥沙颗粒，并将它带走，形成坡面冲s u ；另一种是弯道、顶冲、绕流 产生的螺旋流、旋涡等水流冲刷坡脚，使坡面高度和坡度增大，使上部边坡因重 力作用而坍塌，形成坡脚冲刷一般上述两种作用是同时存在的。 坡面冲刷可采用坡面防护来解决。山区河流流速大，但石料丰富，常采用浆 砌片石护坡；峡谷性河段和边坡较陡的高路基，应做成沿河挡土墙，挡土墙高度主 要取决于洪水位的高度，并应保证边坡的稳定性。 坡脚冲刷是路基水毁最常见的现象。当坍蹋的物质堆积于坡脚后，若水流及 时把它们带走，坡脚冲刷继续进行，坍塌不断发生；当水流不能将坍塌物质带走时， 它们堆积在坡脚，增加河岸边坡稳定性，起到保护坡脚的作用。由此可见，改变 水流结构使坡脚免受冲刷或提高坡脚抗冲刷能力对沿河路基的稳定性是至关重要 第二章防护结构主要型式及工程应用 的。 2 3 防护结构主要型式及工程应用 7 一 沿河路基的防治是许多河岸路基水毁防治研究的重点。特别是，三峡库区蓄 水后，水位大幅度的变化以及沿河水流的冲刷引起浸水路基坡脚的后退，沿河路 基边坡稳定性将受到严重的的威胁，因此，应对沿河路基进行防治，以确保路基 在水流的侵蚀下与水位的涨落下功能的可靠性。 沿河凹岸路基的防治措施按其构造和作用可分为两种形式：一是直接防护， 用抗冲材料直接覆盖在凹岸路基边坡上，以抵抗水流的淘刷而引起的崩塌：二是 间接防护，如丁坝，通过在凹岸布设丁坝或丁坝群，来改变水流性质，减轻水流 对路基的作用。 2 3 1 直接防护 沿河凹岸路基的直接护坡主要是为了增强路基抵抗沿河水流的侵蚀的能力。护 坡的构造形态应根据沿河的地形、凹岸路基特性以及侵蚀的程度来设定。直接护 坡可分为高水位护坡和低水位护坡两种：一般来说，低水位护坡应先选择自然河 岸，利用天然植物进行护坡；高水位护坡主要是针对洪水时的侵蚀，可选择抛石 护坡、铺砌护坡或修筑挡土墙等方法。 ( 1 ) 植被护坡 植树造林，是一种常用的植被防护方法。在河流整治工程中，滩地上植造防护 林带，能起到导流、防浪、减速固滩的作用。在宽浅游荡和宽浅变迁河段上，植 树造林能起到稳定，河段的作用。 种草和铺草皮是土质边坡的简单护坡方法，适用于草类易于生长，淹没时间不 长，波浪侵蚀和水流冲刷不大，或为了防止雨水从路肩下泄时，边坡遭到侵蚀等 情况。 在沿河的凹岸，水流的流速加大，则应在路基边坡上种植根系发达，枝叶茂 密喜水性的灌木或抗冲能力较强的水草，以增加路基的耐侵蚀能力；此外，近年 来三维植被网技术在黄河黄土护坡与长江风化岩边坡治理中，有效地提高了边坡 的整体稳定性。 ( 2 ) 抛石护坡 抛石护坡是河流护岸工程与沿河路基最常用的边坡防护措施( 图2 1 ) 。抛石护 坡应注意：抛石边坡不可太陡，不可大于抛石水下休止角；要防止水流对基础的 冲蚀，使抛石逐渐被水流带走；应设置反滤垫层，以防抛石坍塌。 第二章防护结构主要型式及工程应用 图2 1 抛石护坡 f i g2 1r i p r a pp r o t e c t i o n 8 一 沿河凹岸路基边坡抛石防护中，因防护部位与水流条件的不同，所需抛石大小 应有所不同；根据沿河水流的运动特性对凹岸路基边坡泥沙运动具有独特的影响， 凹岸路基边坡上抛石粒径d 的计算应与顺直河岸有所不同，应该从抗冲稳定性考 虑，来确定沿河凹岸路基边坡抛石的粒径。 在沿河中，抛石的落距受到环流旋度的影响。由于存在沿河螺旋流，抛下的 石子在沉降过程中除了沿水流方向( 纵向) 运动外，还向河心方向( 横向) 运动，石 子横向运动的距离与环流的强度有关，环流强度大，石子横向运动距离就大；环 流强度弱，石子横向运动的距离就小。因此，沿河凹岸抛石落距公式应不同于直 段抛石落距公式，沿河抛石落距可按经验公式( 2 1 ) 计算 鱼：引2 ( 2 1 ) 一= l l ( 2 1 ) ht , c o ) 式中，s 一抛石落距，( m ) ； h 垂线水深，( m ) ； 订垂线平均流速，( r n s ) ； 一石子在静水中的沉速，( m s ) 。 进行抛石防护时，如果通过缝隙使支承面发生冲蚀，则抛石护坡将有可能失败， 因此，应选择级配良好的砂砾料以及透水性好的土工织物作为反滤层材料，以确 保抛石护坡的成功。 ( 3 ) 挡土墙护坡 填土较高的浸水路基，应综合考虑路基边坡冲刷范围、河道水位、地下水位以 及边坡的坡度等因素。验算河岸路基的稳定性后，如果发现稳定性不满足要求， 可考虑采用挡土墙护坡的方法( 图2 2 ) ，墙高2 m 以上时可采用浆砌，2 m 以下则可 干砌。目前，加筋土技术在我国得到推广应用，已经在公路、铁路、水利等部门 广泛被采用，该技术在重庆长江滨江路工程中，获得可靠的护岸效果，节约了工 程造价。 第二章防护结构主要型式及工程应用 图2 2 挡土墙护坡 9 一 采取挡土墙护坡时，基础底面应埋置在局部冲刷深度以下1 o 1 5 m 处，采用 水稳性好的材料设置人工垫层，在其上设置片石混凝土基础。墙背填料应尽量选 用水稳性良好、稳定易密实的岩渣、砂砾土混合回填夯实。 ( 4 ) 护坦防护 护坦是公路工程的一种浅基防护型式，用护坡、挡墙单独防护路基时，往往基 脚冲刷深度过大，基础埋深难以达到要求，可采用护坦形式来改善坡脚水流结构， 达到防护基脚目的。护坦，简单的说就是将干砌或浆砌块石等以低于床面高程方 式铺砌在护坡、挡土墙的坡脚处，铺砌宽度视需要可以调整，其前缘设置垂群基 础的构造物。 1 ) 护坦的防护机理 护坦属于直接防护构造物，直接依附于路基本身，顺水流而布设，对天然水流 的干扰较小，对上、下游和对岸水流几乎没有影响。由于其对水流的作用特点， 这类防护构造物对山区峡谷河段的沿河公路路基防护较为适宜。但是，这类防护 工程一旦被洪水冲毁，将立即危及路基安全，属于被动防护型式。 图2 3 护坦结构 f i g2 。3a p r o np r o t e c t i o n 第二章防护结构主要型式及工程应用 1 0 _ 一 在弯道河段凹岸修筑埋深于床面一下的护坦后，沿凹岸壁面的水流发生了一定 的变化，如图2 3 所示。近壁处向前发展的螺旋流到达床面后，带走坡脚床面的泥 沙，形成冲沟，随着冲沟的加深、加宽，护坦的顶面逐渐露出床面。水流遇到护 坦顶面后，变成沿护坦顶面向斜前方水平流动的水流。水流到达护坦的外沿( 护 坦垂裙) 后，进入沙质、卵石河床，在护坦垂裙与沙质河床交界处导致泥沙运动 和河床变形，水流在这里形成了次生的水平轴旋涡体系，形成了床面上沿护坦垂 裙的冲沟。【3 l 】【3 2 】 护坦防护坡脚与基脚的机理是由三方面组成： 螺旋流首先冲走护坦项面以上土层，增大了断面，消耗了一部分动能； 在护坦顶面迫使沿凹岸或结构壁面向床面深处发展的螺旋流或绕流漩涡，改 变为水平方向流动； 护坦顶面水平流动，在整个护坦( 垂裙) 与散粒体床面分界处诱导形成的次生 平轴旋涡体系，引起护坦边缘的冲刷。次生旋涡的冲刷较凹岸螺旋流或绕流漩涡 的直接冲刷大为减弱。因此，由于设置护坦改善了水流结构，使弯道横断面河床 变形( 凹岸冲刷和凸岸淤积) 变得平缓了。 顺直河道河床压缩引起的沿河路基冲刷，以平行纵向流动为主，河床变形主要 不是螺旋流的作用，也可用护坦防护路基坡脚。其水流结构和防护机理较简单。 防护机理是把护坦在床面以下和路基的护坡、浸水挡土墙牢固连成整体，使坡面 和护坦顶面砌体的容许流速大于洪水时的冲刷流速，或者说，使护面和护