由环境岩土工程浅谈人工边坡开挖优化设计

第6卷 第1期 中 国 水 运 Vol.6 No.1 2008年 1月 China Water Transport January 2008
收稿日期：2007-11-29
作者简介：罗 聪 （1985-） 中国地质大学（武汉）研究生院 硕士研究生 （430074） 研究方向：地质工程方面的研究
由环境岩土工程浅谈人工边坡开挖优化设计
罗 聪 徐燕华 王 欢
摘 要：从环境岩土工程的角度，引入环境和生态保护观念，针对高速公路建设，尤其是山区高速公路建设中所遇到的边坡开挖问题，提出了“优先作隧；次在支护；开挖为下”的观点。

在工程费用或施工条件不允许进行隧道建设的情况下，进行人工边坡开挖已成为无法避免的选择时，笔者对如何通过改变传统的施工理念来尽量减少开挖进行了探讨，并引入了环境生态成本的概念，以此对现有的边坡设计模型进行了优化，建立了新的人工边坡优化设计模型。

关键词：环境岩土工程 生态成本 人工边坡 优化设计
中图分类号：TV135 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）12-0074-02
一、引言
环境岩土工程自1981年提出至今，学术界倾注了大量的精力，进行了广泛的研究。

由于各学者的理解不同，对环境岩土工程的定义不一。

袁建新（1996）定义环境岩土工程是一门新兴的综合性交叉学科；龚晓南（2000）指出环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门学科；罗国煜（2000）定义环境岩土工程属于环境地质学范畴，可区分为区域环境岩土工程和城市环境岩土工程。

近20年来高速发展的土木工程建设，大大促进了岩土工程的发展，提高了我国岩土工程理论和实践的水平。

但对于自然环境和生态的干扰和影响也不容忽视。

在今后20年我国的岩土工程者任重道远，改变传统的岩土工程理念，提高科技综合水平和管理水平，实现岩土工程的经济、安全和可持续发展将是迫切而艰巨的任务。

二、高速公路边坡开挖对生态的影响及解决途径探讨 在高速公路建设中经常有大量的开挖，开挖破坏了原有植被，导致严重的水土流失和生态环境失衡。

目前，有关的施工建设部门已开始逐步采用植被护坡的方法来解决该问题。

但是，开挖前的边坡表层具有生物多样性的特点，除了木本植物及草本植物外，还有依赖植物系统生存的诸如蚁群、蚯蚓、爬行动物等多种动物种群。

生物种类越丰富，其生态系统越复杂，自我稳定性便越强。

但是目前所采用的植被护坡方式往往以草本植物为主的绿化方式，不具备生物多样性，单一性草皮植被缺乏自我调节能力，往往会因土壤养分逐渐衰竭以及草坪品种退化等原因造成枯萎、斑秃，甚至出现大面积裸地，引起坡面植被再次迅速退化等等；另外，从植物根系的发达程度看，与木本植物类相比，草本植物的根系要细弱、短小，对土壤的固定能力较差，在持续降雨的季节里，同样会造成坡面坍塌。

目前也有人工进行植物多样性的群落配置的尝试，但是人工设置下的生态系统始终无法完全替代天然生态系统执行其生态功能，大多坡面植被在无人看护的情况下迅速退化，而且有的坡面因群落配置不合理，恶性杂灌草两年后就开始迅速入侵，这些问题目前仍没有较好的解决办法。

针对上述问题，笔者从环境岩土工程及生态学角度，对高速公路边坡问题提出了“优先作隧；次在支护；开挖为下”的观点。

指的是在条件允许的前提下，通过隧道或洞室工程来避免开挖而导致的地表植被破坏，若条件不允许只有选择边坡开挖的话，则尽量多支护少开挖，将开挖所造成的对环境的扰动降至最小。

在许多场合下采用洞室结构代替明挖边坡有很大优越性，例如用公路隧道代替傍山削坡成的公路或引水隧洞代替顺山坡开挖成的明渠，由于线路短、开挖断面小，开挖量会大大减少，除了进、出口地段外，基本上不会破坏地表的土壤和植被。

但是，洞室工程也有它的困难问题，如长隧洞的地质勘探问题、施工技术问题，大断面、高边墙洞室稳定性问题，深埋隧洞高地应力场作用下成洞条件问题等。

由于施工费用及工程难度的问题，使用洞室工程完全代替坡面开挖将受到很大的局限性。

在隧道施工费用过高或者难度过大的情况下，我们将不得已采用边坡工程而进行边坡的开挖及支护，但是，又要考虑到对环境和生态的影响效应，因此，综合考虑到对环境的影响效应的前提下进行边坡的设计成为本文讨论的重点所在。

1．多加固少挖除，充分利用岩体自稳能力和承载力 如果岩体力学性能较差，自稳能力不足，存在地质灾害隐患。

这时，为了保护环境和维持生态平衡，尽量采取加固而不是挖除的办法来解决质量欠佳岩体的问题。

如果遇上风化、软弱岩体或被断层、节理切割的破碎岩体，在开挖扰动、产生新的临空面后容易形成危岩体或不稳定块体，对它们采用加固措施常常比简单地挖除有利。

另一方面可以在安全度允许的范围内将边坡尽量挖陡一些 。

岩石边坡开挖中一个最重要的指标就是选取开挖坡度，当边坡岩体中存在软弱、破碎或不稳定岩体，常常采用减小坡度的办法增加边坡稳定性。

不加区别地普遍放缓坡度不仅会增大开挖量，而且会挖掉地表的覆盖土层、破坏大片植被。

如果工程部门不进行岩石力学研究，不理会采用岩体加固技术的作用和好处，把尽量放缓边坡坡度作为解决滑坡问题的一条普遍
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经验，其结果当然是既不能有效地控制滑坡的发生，又给环境和生态造成难以恢复的破坏。

2．多勘探多研究，加深认识岩体，减小不确定性
应当尽量加深对岩体的认识、减小认识岩体性状和承载能力上的不确定性，不能满足于了解岩体可能具有的最小承载能力，要力求弄清其可能达到的限度，以充分发挥天然岩体的潜力，确定在经济合理的范围内改造加固岩体所能达到的限度，从而在设计中增大可靠度，减小对安全裕度的要求，减少不必要的开挖工程量。

可以从以下两方面着手。

（1）前期工作尽量做细
为了减小岩石工程中的不确定性、减少开挖工程量及其对环境和生态的消极影响，应当对工程前期的地质勘探和岩石力学试验研究工作提出更高的要求，尽量把工作做细一点，给予足够的时间和经费，并以技术法规（规范）的形式固定下来。

（2）采用动态设计方法
增加勘探和试验工作量只能在合理的范围内，数量总很有限，以后遇到未预想到的问题总是免不了的，有的情况下即使想多做些，也难以进行。

施工开挖后，岩体内部情况不断被揭露，超前进行的施工地质勘探和预先埋设的监测仪表可以对岩体在这个过程中发生的性状变化提供宝贵的信息。

及时分析并充分利用这些信息，对工程岩体的稳定状态做出判断和预测，可以在施工阶段对设计和施工方案作必要的调整，从而可以在一定程度上减少设计阶段由于认识岩体上的不确定性而采取的附加工程措施。

3．引入环境生态成本概念，建立综合优化模型
在目前已有的边坡设计优化模型[3]中，是通过保证边坡整体稳定安全的前提下，使开挖工程费、支护工程费及超征地费（加固费）之和达到最小，从而确定最为经济的设计坡度。

对边坡开挖而言，坡度越缓，边坡的稳定系数越大，支护工程量越少，但开挖工程量就越大，反之，坡度越陡，支护工程量就越多，但开挖工程量就越少。

因此存在一个开挖工程量与支护工程量之和即总工程量最少，该坡度即为最优坡度，。

由于坡度直接影响到对原有边坡面揭露量的多少，于是，也将直接决定生态环境的破坏损失，我们将这个开挖活动所造成的直接的及潜在的生态环境的损失所对应的经济价值量定义为环境生态成本，这个所损失的环境生态成本我们将通过在开挖后出现的新鲜坡面上采用科学的植物群落配置及后续的人工维护来进行补偿。

值得一提的是，由于前文所述的人工条件下的群落配置往往不能完全代替原有的天然群落配置，因此，此处的人工补偿只能是
将开挖所造成的生态损失降到最小而并不能完全免除损失。

图1 坡角与总成本的关系图
因此，在保证边坡整体稳定安全的前提下，使开挖工程费、环境生态成本、支护工程费及超征地费（加固费）之和达到最小的边坡角度，视为最优设计坡度。

在此基础上建立了新的边坡开挖设计模型（图1，图2）
，其具体计算公式如下：
图2 开挖优化设计模型参数
()e
m
k G
L
S
Min
f+
+
=（1）
()()
()k
k C
Btg
h
B
ctg
h
S•
−
−
+
=
γ
α
α
γ
γ
γ
sin
2
cos
sin
1
1（2）
()()
()()z
m
t
a
m
m C
M
C
N
T
l
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B
ctg
h
L•
+
•
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
−
−
+
=
γ
α
γ
α
α
γ
γ
sin
sin
2
sin
sin
1
（3）
()()e
e C
Btg
h
Btg
h
G•
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−
−
−
+
=γ
α
γ
α
γ
γ
α
γ
cot
sin
sin
sin
1
1（4）式中：S k-每延米开挖工程费（元/米）；C k-开挖工程综合单价（元）；L m-每延米加固工程费（元）；C m-每延米锚杆（索）对应加固工程综合单价（元）；C z-每平方米超征地综合费（元）；
G e-每延米开挖损失的环境生态成本（元）；C e-每平方米环境生态成本（元），由生态专家根据坡面植被情况给出；h1-中心线开挖深度（m）；B-1/2路面宽度（m）；α-放坡角（°）；β-锚固角（°）；γ-原始坡角（°）；a-潜滑面视倾角（°）；L m-优化内锚固段长（m）；T a-放坡角a状态下的锚固力（kN）；N t-设计单根锚固力（kN）；M-每延米征地宽度（m）。

在具体工程中，应根据工程实际状况，确定开挖坡角范围值（αmin-αmax），然后利用上述优化模型确定出最优设计坡角。

三、结论与展望
（1）为降低高速公路建设对生态环境的影响，提出了“优先作隧；次在支护；开挖为下”的设计施工理念。

（2）在施工条件或施工费用不允许进行隧道建设的情况下，我们只有选择边坡开挖，此时，可以通过预先加强地质勘探及实验，充分认识边坡岩土体性质，并充分利用岩土体的自稳能力来尽量减少边坡的开挖量。

（3）引入环境生态成本的概念，建立一个综合优化设计模型，确定边坡开挖最优坡角，从而将边坡开挖对生态环境的影响降到最小，实现工程建设与自然生态环境的和谐共处。

（4）本文提出的边坡角度优化设计模型在实际运用中尚存在局限与阻碍。

但随着中国经济发展对环境保护将提出更高的要求，以及资源法和环境保护法中对生态补偿机制政策的日益完善，该模型理论将能得到一个更为广阔的发展空间。

参考文献
[1] 党进谦，李永红，李靖.环境岩土工程学研究的发展.铁道
工程学报.2007.
[2] 刘春霞.高速公路裸露坡面植被恢复机理的研究.北京林
业大学.2006.
[3] 胡新丽，唐辉明编著.斜坡工程GIS系统研究与应用54-55.
中国地质大学出版社.2005.。