呂宋 魏少偉 劉越然 劉瑞

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京鐵科特種工程技術有限公司， 北京 100081；3.中國鐵路北京局集團有限公司， 北京 100860

路基結構常年暴露在自然環(huán)境中，在降雨、地震、人類活動等外界作用下易發(fā)生邊坡失穩(wěn)。據不完全統計，80%的邊坡失穩(wěn)與降雨有關，因此降雨是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素，一般會誘發(fā)兩種類型的邊坡破壞。第一類是剪切滑動型失穩(wěn)破壞，即邊坡滑坡，原因是降雨入滲使土體含水率增加，造成土體抗剪強度降低，同時下滑力增大，當滑動面下滑力大于抗滑力時發(fā)生破壞。第二類是漸進型侵蝕破壞，即邊坡沖刷，此類破壞一開始發(fā)生在坡面表層，坡面經過長期多次的剝離，出現片蝕、細溝等侵蝕現象，隨著坡面持續(xù)沖刷，侵蝕會進一步向內部發(fā)展，可能引發(fā)溜坍等問題。

針對第一類邊坡滑坡問題，國內外規(guī)范提出了穩(wěn)定性驗算方法。對于邊坡整體深層失穩(wěn)，以圓弧滑動面、平面滑動面、折線滑動面等不同的破壞模式為基礎，形成了一套完整的計算方法。對于因雨水入滲導致的邊坡淺層失穩(wěn)計算方法，規(guī)范涉及較少。日本《鐵道構造物設計標準及解說》［1］中對于標準的路堤斷面，規(guī)定了簡易降雨設計模型的降雨滲透等高線圖，基于土體強度參數的折減，利用圓弧滑動法進行穩(wěn)定性檢算。針對第二類邊坡沖刷問題，德國《鐵路土工建筑物手冊》［2］中提出了與水流速度和土顆粒粒徑有關的水力沖蝕臨界范圍；美國以近30年的土壤侵蝕觀測數據為基礎提出通用水土流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）預測土壤侵蝕量［3］。針對邊坡淺層失穩(wěn)與坡面沖刷，即邊坡淺層破壞問題，現有國內外規(guī)范未提出較完整的計算分析方法。

邊坡淺層破壞會給列車運行帶來極大的安全隱患，因此需采用適宜的坡面防護措施保證邊坡的穩(wěn)定，包括骨架護坡、錨桿（索）框架梁護坡等工程防護形式和噴播植草、植生帶（袋）植草等生態(tài)防護形式。TB 10001—2016《鐵路路基設計規(guī)范》［4］提出了各種路基坡面防護形式，但對各防護形式未作具體要求。2015年原中國鐵路總公司發(fā)布鐵路路基邊坡防護通用參考圖［5］，對各種邊坡防護形式尺寸、材料等進行了具體說明，與國外高速鐵路相比，中國圬工防護比重偏大，存在較大的優(yōu)化空間。

綜上，針對路基邊坡淺層破壞問題，現有國內外規(guī)范均缺少較為全面完善的路基邊坡坡面淺層穩(wěn)定性及沖刷分析方法。邊坡防護方面，通用參考圖在一定程度上反映了中國鐵路路基邊坡防護現狀，坡面防護骨架等多是根據經驗設計的，以至于坡面防護結構中圬工占比偏大，有待于進一步優(yōu)化，在保證安全可靠的前提下增加邊坡防護的生態(tài)性與環(huán)保性。本文針對鐵路路基邊坡淺層穩(wěn)定性分析與坡面防護現狀進行梳理，為鐵路路基邊坡淺層穩(wěn)定性評價與坡面防護結構優(yōu)化奠定基礎。

1 鐵路路基邊坡淺層穩(wěn)定性分析

1.1 邊坡淺層失穩(wěn)

日本《鐵道構造物設計標準及解說》中考慮了降雨對路堤淺層穩(wěn)定性的影響，在滲流分析的基礎上采取圓弧滑動法進行穩(wěn)定性驗算（圖1）。對于標準路堤斷面，規(guī)定了簡易降雨設計模型的降雨滲透等高線圖（即飽和度圖），方便進行路堤淺層穩(wěn)定性驗算。對于特殊路堤形狀、土質條件及降雨條件，需采用有限元法進行浸透流分析。德國針對路堤填料、邊坡高度規(guī)定了鐵路路基邊坡標準坡度，在滿足承載力和變形要求下無需進行穩(wěn)定性驗算，如邊坡是非標準坡度，需采用基于圓弧滑動面的條分法進行整體穩(wěn)定性驗算，但未考慮降雨入滲下的淺層穩(wěn)定性。中國《鐵路路基設計規(guī)范》也未對路基邊坡淺層穩(wěn)定性分析方法進行規(guī)定。

圖1 日本路堤淺層穩(wěn)定性驗算流程

降雨入滲對坡面穩(wěn)定性研究的關鍵在于計算入滲引起的邊坡滲流場，并在此基礎上進行坡面淺層穩(wěn)定性分析。2001年陳善雄等［6］通過數值模擬得到沿坡面法向的含水率分布規(guī)律，為邊坡土體重度的增加及抗剪強度的衰減提供了量化依據，通過非飽和土邊坡穩(wěn)定分析證明了降雨引起的土坡失穩(wěn)通常為淺層破壞。2020年史振寧等［7］以非飽和土抗剪強度理論與極限平衡理論為基礎，綜合考慮邊坡土體初始含水率分布狀態(tài)和降雨后土體含水率變化規(guī)律，建立降雨入滲條件土質邊坡淺層穩(wěn)定性計算方法。鐵路領域，2017年連繼峰［8］針對雨水均勻浸潤軟化和順坡滲流兩種情況，在分析邊坡水分時空分布特征的基礎上研究了路基土質邊坡淺層破壞模式及影響因素。2019年劉振宇［9］以襄渝鐵路溜坍為背景，在室內液塑限試驗、直剪試驗、滲透試驗等基礎上，采用改進后的Green‐Ampt模型分析降雨條件下雨水入滲規(guī)律，采用有限元軟件進行邊坡穩(wěn)定性分析。

1.2 邊坡坡面沖刷

德國《鐵路土工建筑物手冊》認為邊坡表面土顆粒通過雨點撞擊和水流拖曳力可能被沖刷和搬運，具有高泥沙比例的土壤以及細砂沖刷現象最為明顯。根據粒徑和水流速度對沖刷破壞進行評估（圖2），如有沖刷危險應在邊坡表面采取防沖刷措施。

圖2 取決于水流速度和粒徑的水力沖蝕臨界范圍

美國基于10 000多個徑流小區(qū)30年觀測數據提出USLE，用于預測土壤流失量，廣泛應用于侵蝕預測和抗侵蝕措施設計，見式（1）。日本及中國相關規(guī)范中均未提及降雨引起的坡面沖刷計算方法，僅提出了坡面防護措施。

式中：E為單位面積多年平均土壤流失量；R為降雨和徑流侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子，指在標準小區(qū)下，每個R單位的土壤流失量；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物管理因子；P為水土保持措施因子。

路基邊坡坡面沖刷涉及土力學、水力學等多學科，沖刷過程復雜。關于鐵路路基邊坡坡面沖刷研究主要包括坡面沖刷起動機理、坡面沖刷發(fā)展過程、坡面沖刷量計算等方面。1999年羅斌等［10］針對成昆鐵路、京廣鐵路等花崗巖殘積層路塹邊坡坡面沖蝕總結了沖蝕特征，分析了坡面沖蝕影響因素。2009年匡星［11］通過現場試驗、理論分析、數值計算等手段，系統開展鐵路工程邊坡降雨侵蝕影響因素、水力侵蝕過程、侵蝕計算模型及評價方法研究，結合侵蝕規(guī)律與評價標準提出了坡面防護措施與建議。2012年郭增強［12］考慮鐵路路基結構、填料及降雨和匯水特征，分析了無黏性均勻填料和黏性土填料的坡面沖刷起動機理，得出了坡面流速、起動粒徑隨降雨強度的變化規(guī)律，并針對不同類型路基坡面提出沖刷計算模型。2013年路遙［13］分析了山洪沖刷掏蝕作用下的鐵路路基破壞過程及機理，推導出沖刷導致的滑移破壞和崩塌破壞兩種模式下路基穩(wěn)定性的計算公式，構建了路基在山洪沖刷作用下抗沖刷評價指標體系，并驗證了其適用性。2018年杜曉燕等［14］基于鐵路路基邊坡沖刷、溜坍發(fā)展過程及影響因素，分析了邊坡溜坍與降雨之間的內在聯系，為合理制訂雨量警戒值提供了思路。

2 鐵路路基坡面防護現狀

2.1 國外坡面防護

2.1.1 德國

德國的邊坡防護措施包括工程防護、生態(tài)防護和特殊的生物防護。工程防護措施包括：①坡頂、坡面和坡腳排水；②邊坡面壓實；③采用防沖蝕保護層覆蓋坡面；④較陡邊坡采用混凝土預制構件［15-16］、格柵板等覆蓋邊坡坡面。

生態(tài)防護措施包括表土覆蓋層綠化和無表土綠化兩種，生態(tài)防護斷面如圖3所示。表土覆蓋層綠化是指在坡面上覆蓋10～20 cm厚的含有腐殖質的地表土后綠化，在坡面設置凹槽、臺階或采取掛網措施保證覆土穩(wěn)定，防護類型包括草籽撒播、草墊鋪設、草皮移植等。無土綠化即液壓噴播或使用草墊的方式代替表土綠化。

圖3 德國生態(tài)防護斷面圖

特殊生物防護措施是指在坡面上栽植或放置木本植物、灌木枝條、植物籬笆或采用它們的組合形式［17-18］。既可作為綠化初期的坡面保護措施，又可作為長期的植被護坡。編織籬笆和放置灌木枝條是最主要的生物防護措施。編織籬笆可以使用枯萎或能夠重新生長的枝條，在邊坡上編織成簡單的或對角交叉、間距為1.5 ~ 3.0 m的網狀籬笆。無表土時，應在編織籬笆之間的空地上插上木樁，如圖4所示。灌木枝條主要在鐵路路堤上使用，在填方過程中將長度最大為8 m的灌木枝條水平放置在填土層之間。灌木枝條本身以及在后期長出的根系能起到加固邊坡的作用。

圖4 編織籬笆工程

2.1.2 日本

日本《鐵道構造物設計標準及解說》中，分別針對路堤和路塹提出了主要的坡面防護工程，并提出了路堤路塹邊坡坡面工程的選擇標準。路堤、路塹邊坡護坡工程的主要形式及其功能見表1、表2。其中“◎”表示具有較高功能；“○”表示具有功能；“—”表示不具有功能。

表1 路堤邊坡護坡工程的主要形式及其功能

表2 路塹邊坡坡面工程的主要形式及其功能

1）砌塊工程

砌塊工程分為漿砌和干砌。新筑路堤邊坡原則上采用能適應沉降的干砌方法，高度為3 m以上時應與混凝土砌格并用；路塹邊坡采用漿砌，在砌塊之間的結合部插入直徑為6 ~ 9 mm的鋼筋，并使用砂漿勾縫，適用于邊坡緩于1∶1.0且高度低于5 m的路塹邊坡。

砌塊工程有平板砌塊和格框砌塊。平板砌塊多采用漿砌結構，拼砌方法如圖5所示。一般采用堆砌法，當坡面較小或者采用鋼筋加固時也可采用分層砌法；格框砌塊為三角形或者星形塊，拼砌后形成的圓形空間可用卵石鋪砌或植被綠化，如圖6所示。

圖5 采用平板砌塊的工法

圖6 采用格框砌塊的工法

2）格子工程

格子工程包括預制、現澆、噴射格子工程。根據天然地層的土質，一般邊坡坡度緩于1∶1.5時應采用預制格子工程（圖7、圖8），陡于1∶1.5時宜采用現澆格子工程或者噴射格子工程。新筑路堤原則上采用適應沉降的預制格框工程，可采用打入式鋼制格框（圖9）、邊坡面平鋪部件或部件開槽埋設等方法。對于巖石邊坡面，應采用現澆格子工程或者噴射格子工程。為防止格子內的表層侵蝕，應根據坡面的實際狀況選擇設置植被工程、鋪面混凝土工程、砌塊工程、砌石工程等。

圖7 斜格子型預制格子工法

圖8 方格子型預制格子工法

圖9 組裝式鋼制格子工法

3）植被工程

坡面采用的植被工程主要有播種法、鋪席植被法、鋪草皮法、袋裝植被法等，如圖10所示。填料不適合植被工程且有綠化需求時，可采用外運土噴植或者厚層基材噴植等替代方法［19］。此外，還有坡面直接種植或者栽培灌木的方法等。

圖10 主要植被工法

4）鋪面混凝土工程

鋪面混凝土工程（素混凝土和鋼筋混凝土）適用于坡度陡于1∶1.0的軟巖、硬巖邊坡。坡度緩于1∶0.5時可采用素混凝土，陡于1∶0.5時宜采用鋼筋混凝土?；炷恋暮穸纫话銥?50 ~ 200 mm，應以10 m間隔設置伸縮縫。為了充分進行背后排水，以每2 ~ 4 m2設置一處排水孔為宜，如圖11所示。

圖11 鋪面混凝土

5）防草排水薄板

隨著高分子合成制品技術的發(fā)展，相關領域嘗試采用防草排水薄板等方法進行坡面防護。高分子薄板具有輕量、便于施工、排水性高等特點，可有效防止降雨向路堤的滲透和對坡面的侵蝕。但薄板長期受紫外線照射會發(fā)生劣化，導致其排水和防草功能降低，在鐵路上未得到廣泛應用。

歐美、日本等發(fā)達國家在坡面防護中更加注重生態(tài)保護，在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，盡可能采取各種生態(tài)防護措施［20］。法國將工程建設中大量使用混凝土視為“白色污染”，各類工程坡面優(yōu)先采用生態(tài)防護。澳大利亞鐵路建設推崇自然防護，通常采用放緩邊坡創(chuàng)造植物生長的條件。美國要求新建工程必須對坡面綠化，一般采用機械化噴播措施。

2.2 國內坡面防護

2.2.1 工程防護

鐵路路基邊坡工程防護形式主要有實體護坡（墻）、骨架護坡、孔窗式護坡（墻）、錨桿（索）框架梁護坡、噴射混凝土護坡等。實體護坡因施工工藝簡單在20世紀80、90年代大量使用，包括漿砌片石護坡和漿砌片石護面墻兩種方式，如有條件在考慮綠化效果的情況下宜做成窗孔式。1986年皖贛鐵路采用一護到頂的漿砌片石防護結構解決了路基塌方落石的病害［21］。1996年南昆鐵路以及1997年京九鐵路針對膨脹土路基引起的病害采用全坡面漿砌片石防護［22-23］。實體護坡存在形式單一、與環(huán)境協調效果差等問題，在鐵路路基邊坡防護中應用日益減少。

骨架護坡與實體護坡相比，在滿足坡面防護需求的前提下具有節(jié)約材料、降低造價的優(yōu)勢，因此在邊坡防護工程中得到廣泛應用。骨架護坡結構可現澆或預制成多種形式，如矩形、菱形、人字形、拱形等。京九鐵路（1997—2000年）大部分地段采用漿砌片石拱形骨架護坡；秦沈客運專線（2002年）坡面采用4 m × 4 m拱形或3 m × 3 m方格形漿砌片石骨架護坡［24］；青藏鐵路（2002年）部分地段采用了預制拼裝式骨架護坡［25-26］，通過長期試驗監(jiān)測，證明路堤骨架護坡基本完好，沉降變形較小。

錨桿（索）框架結構于20世紀90年代在日本提出并應用。錨桿框架梁利用埋設在坡面中的錨桿，將縱、橫向框架梁與坡面牢固連鎖在一起，依賴錨桿與周圍巖土體的抗剪強度承受框架梁傳遞的拉力，以保證邊坡的穩(wěn)定。西康鐵路采用十字形錨桿框架結構［27］，武廣客運專線路塹采用錨桿框架梁進行邊坡加固［28］，云桂高速鐵路六郎隧洞出口邊坡采用錨桿（索）框架梁、錨固樁等綜合措施，以保持邊坡的穩(wěn)定。

中國鐵路路基邊坡工程防護形式在《鐵路路基邊坡防護》系列通用參考圖中進行了規(guī)定，設計單位針對具體工況和通用參考圖適用范圍選擇相應的工程防護措施。骨架防護等工程防護結構多是基于經驗的構造設計，其截面尺寸、布置疏密程度等有待于結合邊坡淺層穩(wěn)定性分析進一步優(yōu)化。2016年連繼峰等［29-30］研究骨架結構截面尺寸及凈距對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響，提出矩形骨架優(yōu)化設計方案。2018年宣立華［31］對方格骨架防護形式進行研究，認為與加寬骨架寬度相比，減小方格骨架凈距或增加骨架厚度更能提高土質邊坡淺層穩(wěn)定性。

2.2.2 生態(tài)防護

隨著社會發(fā)展，人們環(huán)保意識不斷增強，鐵路路基邊坡生態(tài)防護應用日益增多。早期坡面使用鋪草皮、噴播草籽等較為傳統的生態(tài)防護措施。經過多年的實踐與發(fā)展，中國鐵路形成了較為成熟的路基邊坡生態(tài)防護技術體系。目前，鐵路路基邊坡高度在3 ~5 m以下時一般采用全坡面生態(tài)防護［32-33］；邊坡高度進一步增大時，為保證邊坡穩(wěn)定，采用生態(tài)防護與工程防護相結合的措施。

常規(guī)的生態(tài)防護形式有噴播植草、植生帶（袋）植草、客土植生等多種形式，見表3。近年來在常規(guī)生態(tài)防護技術的基礎上，通過材料研發(fā)與技術改進，形成了基材植生噴播、三維柔性生態(tài)護坡、土工格室生態(tài)防護、錨拉式生態(tài)防護等多種新型生態(tài)防護技術。

表3 路基常用生態(tài)防護類型及適用條件

基材植生噴播技術在京雄城際鐵路固安東站（圖12）路基邊坡應用，反季節(jié)噴播施工2 ~ 3周出苗約10 cm［34］。該技術陸續(xù)在太焦高速鐵路、浦梅鐵路等邊坡進行應用，保證了邊坡生態(tài)防護效果，為鐵路路基邊坡生態(tài)防護提供了新方案。

圖12 京雄城際鐵路固安東站基材植生噴播綠化效果

三維柔性生態(tài)護坡由生態(tài)袋（三維柔性生態(tài)護坡系統的基本組成單元）、扎口帶、三維排水聯結扣和土工格柵（選配）組成，如圖13所示。生態(tài)袋具有透水不透土的特點，既能保證袋內土壤和養(yǎng)分不流失，又能保持水分的自由流動，對植物的生長有利［35］。三維柔性生態(tài)護坡結構適用于坡度緩于1∶1的邊坡，當坡度陡于1∶1時需采用錨固措施。2017年三維柔性生態(tài)護坡技術應用于連鎮(zhèn)鐵路淮安東站，如圖14所示。

圖13 三維柔性生態(tài)護坡（單位：mm）

圖14 連鎮(zhèn)鐵路三維柔性生態(tài)護坡

土工格室生態(tài)防護技術將種植土包裹于格室內，可減少坡面土壤流失，在京張高速鐵路（圖15）、京沈高速鐵路等得到應用。錨拉式生態(tài)防護技術利用錨桿、鐵絲網、生態(tài)袋等為巖質邊坡生態(tài)防護提供了新思路，解決了巖質路塹邊坡綠化難度大的難題。京張高速鐵路采取了錨拉式生態(tài)防護方案［36］，見圖16。

圖15 京張高速鐵路土工格室生態(tài)防護

圖16 京張高速鐵路錨拉式生態(tài)防護

3 結論

1）邊坡淺層穩(wěn)定性分析包括邊坡淺層失穩(wěn)與坡面沖刷兩方面，日本針對邊坡淺層失穩(wěn)提出了基于降雨滲透等高線圖的路堤淺層穩(wěn)定性驗算方法，德國基于粒徑和水流速度對坡面沖刷進行評估并采取坡面防護措施，中國既有規(guī)范針對降雨引起的邊坡淺層穩(wěn)定性及抗沖刷分析尚未提出明確的定量化方法。

2）國外邊坡坡面防護工程包括工程防護、生態(tài)防護、特殊的生物防護等。國外重視生態(tài)防護措施的使用，在各類工程坡面優(yōu)先使用。

3）中國鐵路路基邊坡坡面防護工程包括生態(tài)防護和工程防護。近年來在傳統生態(tài)防護技術的基礎上形成了基材植生噴播、三維柔性生態(tài)護坡等多種生態(tài)防護新技術；工程防護結構圬工體量占比較大，結構設計缺少定量研究，在考慮生態(tài)防護的前提下工程防護結構存在優(yōu)化空間。