山区公路高边坡综合排水研究

摘要 为了提高山区公路高边坡排水能力，保证运营期的安全性，文章首先总结了高边坡路段的排水类型和排水设计原则、排水设施设计步骤。随后，分析了截水沟、急流槽、仰斜式排水孔等排水设施的布置要求、设计要求及验算方法。最后，以某山区公路4级高边坡为研究对象，制定了综合排水方案，研究成果可供类似高边坡排水设计提供理论指导。

关键词 山区公路；高边坡；综合排水；水文水力计算；设计要点

中图分类号 U417.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0063-03

0 引言

山区地形复杂，地势起伏大，在修建公路工程时存在大面积开挖，产生大量高边坡。高边坡的变形机理复杂，稳定性受各种地表水和地下水的影响大，需制定经济合理的排水方案，将水流尽快排出至路基外。否则，高边坡可能出现滑坡、溜塌等问题，威胁公路上的行车安全，甚至需中断交通修复，造成不良的社会影响。然而，很多设计人员开展高边坡排水设计时，只注重单个排水设施的断面选择和水力计算，不注重排水设施之间互相衔接、相互配合。因此，进一步研究山区公路高边坡综合排水意义重大。

1 山区公路高边坡水形式和排水原则

高度大于20 m的土质边坡或高度大于30 m的岩质边坡均可视作高边坡，其水文条件复杂，稳定性受各种地表水和地下水的影响大，需加强排水控制[1]。

1.1 高边坡路段水形式

1.1.1 地下水和坡面流

在連续降雨期间，会有部分雨水入渗至边坡岩土体内部，增加了坡体内的地下水含量。同时，随着植物截留能力和低洼地储蓄能力不断饱和，边坡入渗率减小，在坡面产生径流。地下水入渗量和坡面流大小与降雨强度、植被状况、土壤渗水特性等因素密切相关。

1.1.2 边坡承压水

由于公路高边坡开挖，可能破坏地下不透水层的结构，使承压水出露。而承压水的水头高、渗流速率快，会对边坡稳定性产生较大影响。

1.2 高边坡排水原则

为了提高高边坡排水效率和能力，排水方案制定时应坚持以下原则：一是预防为主。高边坡排水设施要根据坡高、坡长、汇水面积等选择，不能等边坡失稳后再加强排水设施，否则会大幅增加工程费用。二是分级截流、纵横结合。山区公路高边坡坡顶外的雨水径流应通过坡顶截水沟排走，降落在坡面的雨水径流可通过平台截水沟排出。同时，每隔20～50 m设置1道急流槽，将截水沟与急流槽结合，使汇集的雨水尽快排出。三是经济适用。要结合当地情况，就地取材，不能设置过多或过少的排水设施，并对排水沟渠做好加固，以免后期出现损坏，加大排水设施投资。

2 山区公路高边坡排水设施布置方法

2.1 排水设施设计步骤

高边坡排水设计时要先结合实际情况，初步选择合理的排水设施和断面尺寸，并结合设计径流量开展水利和水文计算，确保计算结果满足《公路排水设计规范》（JTGT D33—2012，以下简称《规范》）的要求，具体设计步骤如图1所示[2]。

2.2 水文计算

为了简化山区公路高边坡排水计算，在排水设施设计时以最大径流量为基准。由《规范》可知，高边坡的设计径流量可按式（1）计算[3]：

（1）

（2）

式中，Q——设计径流量（m3/s）；P——降雨重现期（年）；t——降雨历时（min）；b、c、d、n——回归系数，根据高边坡所在区域气象站超过10年的雨量资料进行回归分析；Qp、t——平均降雨强度（mm/min）；F——汇流面积（km2）；ψ——径流系数，取决于地表类型，对于硬质岩石坡面可取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 截水沟设计

截水沟设置在高边坡坡顶外或平台上，以拦截排向边坡的地表径流，减轻雨水径流对边坡坡面的冲刷、侵蚀，以免影响边坡的整体稳定性。

2.3.1 设置条件

高边坡截水沟的设置应考虑公路等级、边坡工程地质条件、坡度及降雨量等因素，具体阐述如下：①公路等级。对于同一地区，高速公路、一级公路，边坡防、排水系统较完善，截水沟设置多，而低等级公路因投资金额限制，设计人员对高边坡排水一般不会开展专项设计，截水沟较少；②边坡工程地质条件。坚硬完整的岩体边坡可不设平台截水沟，土质边坡、松散坡积层边坡在降雨条件下易发生滑坡、崩塌、泥石流，必须设置坡顶截水沟；③边坡坡度。边坡坡度越高，承雨面积越小，地表径流和入渗也越少。一般情况下，边坡坡度陡于1∶0.75，可不设置平台截水沟。

2.3.2 布置要求

截水沟断面常采用矩形或梯形，设置在高边坡坡顶外5～10 m。如果降雨量大，可设置2道或2道以上截水沟。截水沟的断面尺寸要结合水力计算结果确定，沟底纵坡不宜＜0.5%，困难时不宜＜0.3%，走形宜与水流方向相互垂直，以确保地表水顺利进入截水沟。

同时，高边坡截水沟布置要顺应地形，将雨水径流排至所在山坡一侧的自然沟或桥涵出口，不宜直接排入边沟，会增加边沟排水负担，使边沟内地表水溢出路面，威胁行车安全。在汇水量大的区域，可设置涵洞，将截水沟内的水流引去路基另一侧。

2.3.3 水力验算

截水沟的断面尺寸要能满足排泄设计流量的需要，不出现冲刷和淤积，又不致引起冲刷和淤积。因此，截水沟的水力计算包括断面计算和流速检验。

截水沟的泄水能力可按式（3）计算，当Qc＞Q，说明截水沟泄水能力能满足设计要求[4]。

（3）

式中，Qc——截水沟泄水能力（m3/s）；R——水力半径（m）；I——截水沟沟底纵坡（%）；A——过水断面面积（m3）；v——截水沟内水流流速（m/s）。

《规范》中针对不同材料的截水沟给出了不被冲刷的最大流速，比如水泥混凝土沟、浆砌片石沟的最大流速vmax可分别取4 m/s、3 m/s。而截水沟不产生淤积的最小容许流速可根据当地经验公式计算，见式（4）：

（4）

式中，vmax——最小容许流速（m3/s）；a——与土质有关的系数。对于淤积的粗砂、细砂、中砂、极细砂，a可分别取0.65～0.77、0.41～0.45、0.58～0.64、0.37～0.41。

2.4 急流槽设计

在边坡陡、水流速度快的路段，需设置急流槽，将坡顶截水沟或平台截水沟的水流引出坡面。

2.4.1 急流槽断面

急流槽包括进水口、槽身（矩形或梯形）、出水口三部分，进水口部分是宽度逐渐缩小的“喇叭口过渡段”，其长度可取过渡前过水断面水深的2～4倍；槽身可采用矩形肋条、棋盘式方格等适当加糙，以减小急流槽内的水流速度，降低冲刷力；出口与下游衔接可采用跌坎式，并设置混凝土消力池、消力坎等设施，如急流槽长度过长，可设置多级效能设施，防止急流槽底部被掏空。

2.4.2 急流槽设计参数

急流槽纵坡应依地形而定，多取1∶1.5。当地质条件良好时，急流槽坡度可以更陡，但结构要求严格，造价也相对较高。

一般情况下，急流槽间距越小，其汇集坡面水流的能力越强，但工程造价也更高。目前，山区公路高边坡常用的急流槽间距多为30 m、50 m、100 m等，具体应结合汇水面积、降雨强度等计算，并考虑坡面防护类型、坡面地质条件等。如果边坡较稳定，急流槽间距可适当加大，甚至不设置急流槽。

2.4.3 防溜滑措施

大部分急流槽采用浆砌片石，属刚性结构，变形很小。而边坡土体相对于急流槽是柔性的，变形较大。在雨水径流作用下，急流槽槽底和坡面间会形成软弱结构面。在急流槽自身重力作用下，槽身可能沿着软弱结构面下滑。尤其是边坡坡度大或土质松散的路段，急流槽所受的下滑力加大，急流槽更容易溜滑失稳[5]。鉴于此，急流槽设计时槽底要每隔2.5～5 m设置一个凸榫，增加槽身的稳定性，如图2所示。

2.5 仰斜排水孔设计

仰斜排水孔的孔径较小、渗透半径小，故仰斜排水孔主要是用于疏排坡体中的裂隙水、潜水等。仰斜排水孔多采用软式透水管制作，不宜使用或采用硬式透水管制作，不建议采用PVC管或钢管。为了快速排出坡体内部水，仰斜排水孔多采用“梅花形”布置方案，倾角取5 °～10 °，水平向间距取6～9 m。如坡面出现集中渗水点，可针对渗水点对仰斜排水孔加密。同时，仰斜排水孔长度不宜超过15 m，需穿过隔水层2～3 m。此外，仰斜排水孔多采用潜孔钻机成孔，而在地下水丰富的路段，潜孔钻机成孔难度大，可采用螺旋钻成孔。

3 山区公路高边坡综合排水设计实例

3.1 工程概况

研究对象为某公路高边坡，其最大边坡高度为35.9 m，划分为4级边坡，每级边坡平台宽2 m，边坡坡率均为1∶1，1～3级边坡的高度为10 m，分别设置了抗滑挡土墙、预应力锚索、全长黏结锚杆来加固边坡；4级边坡高度为5.9 m，采用拱形骨架植草防护。该边坡所在位置的岩体节理裂隙较发育，完整性差，强度低，以全风化砂岩和强风化砂岩为主。为了保证高边坡在连续降雨天气下的稳定性，需加强排水设计。

3.2 综合排水系统

3.2.1 坡面排水方案

经验算，该高边坡的坡顶外5 m设置1道矩形截水沟，尺寸为0.6 m×0.6 m，采用M7.5浆砌片石砌筑，并在沟壁设置一层防渗土工布；每级边坡平臺设置1道矩形平台截水沟，尺寸为0.3 m×0.5 m，采用M7.5浆砌片石砌筑，并对平台硬化处理，减少雨水入渗；高边坡每隔50 m设置1道急流槽，与截水沟搭配后，将汇集的雨水排至路基外的河沟，如图3所示。

3.2.2 仰斜排水孔方案

为了在保证排水效果的同时节约工程造价，该高边坡共设置两排仰斜排水孔，其中一排设置在坡脚出水点位置，倾角取8 °，水平向间距取6 m，长度20 m；另一排设置在全风化砂岩和中风化砂岩的交界处，倾角取8 °，水平向间距取9 m，长度15 m，如图4所示。

4 结论

该文主要研究了高边坡的排水设计原则、各种排水设施的应用，并针对某山区公路高边坡制定了综合排水方案，研究成果表明：公路高边坡路段主要是排出地下水、坡面流、边坡承压水、暗泉等，在开展排水设计时要坚持“预防为主、分级截流、纵横结合、经济适用”的原则。同时，排水设施设计前，要先开展水文计算，确定设计径流量，再结合工程地质条件、边坡防护类型、降雨强度等因素合理设计急流槽、截水沟、仰斜排水孔的位置、断面尺寸等参数。如有必要，需针对排水设施开展水力验算，确保将高边坡的水流迅速排出至路基外。

参考文献

[1]郭志滨. 高速公路路基排水设施病害类型及处治技术研究[J]. 工程建设与设计， 2023（21）： 89-91.

[2]赵地， 郝枫楠. 黄土高陡边坡水毁生态修复综合治理技术研究与应用[J]. 水利技术监督， 2023（10）： 123-128.

[3]张志超. 路基边坡水毁成因及处治措施分析[J]. 交通世界， 2023（29）： 10-12.

[4]刘红森， 黄倩影， 吴宁. 黄藏寺水利枢纽道路高边坡排水设计论证[J]. 人民黄河， 2019（S2）： 133-135.

[5]牛国良. 赣南山区高速公路高边坡防护技术及工程应用研究[D]. 南昌：南昌大学， 2019.

收稿日期：2023-11-29

作者简介：白晓菲（1990—），男，本科，工程师，从事公路勘察设计工作。