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

西部交通建设科技项目交通编号：合同号：200131879079单位编号：WCP200102密级：内部分类号：U416公路石质边坡防护与环境保护的研究研究报告（简本）贵州省交通科学研究所重庆交通科研设计院贵州工业大学贵州高速公路开发总公司2004年3月2 中文题名公路石质边坡防护与环境保护的研究英文题名StudyonDefenseandEnvironmentalProtectiononRock-slopesinHighways交通编号项目来源西部交通建设科技项目单位编号WCP200102合同号200131879079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）项目主要参加人郭明（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）吴晓燕（助理工程师）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2 ABSTRACT：Toensurethequalityofdefenseandenvironmentalprotectionofhighways’srock-slopesandcarrythepointofhumancontinuabledevelopment,byNN(ieNEURALNETWORK),westudysyntheticallygeologicalfactors、environmentalfactorsandengineeringfactorsoftherock-slopesandgaintheoptimalwaysofengineeringandenvironmentalprotectiontomakethemdevelopharmoniously.Itiseasytodesign、construct、manage、supervise-control(byDegitalTransportationGIS)thelatestconditionsoftheslopes.Thestudyincludesfourparts:1)thestudyongeologicalfactorsofrock-slopesinhighways;2)thestudyonenvironmentalfactorsofrock-slopesinhighways;and3)thestudyonGISand4)compilationofthemanualofdenfenseandenvironmentalprotectionofrock-slopesinhighways.Afterthe10demonstration-engineerings,theeffectisremarkableandmakeiteasytopopularizetheadvancedtechnologyofslope-protection.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。ii 目录1概论12公路石质边坡地质条件因子的研究33公路石质边坡环境条件因子的研究44地质及环境因子评价方法研究54.1地质条件因子评价64.1.1网络输入向量值确定64.1.2网络输出向量值确定74.1.3网络学习样本84.2环境条件因子评价84.2.1网络输入向量值确定84.2.2网络输出向量值确定94.2.3网络学习样本94.3网络学习效果与分析95公路石质边坡防护与环境保护信息系统106公路石质边坡防护与环境保护技术指南107依托工程实施11结束语14致谢15ii 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概论“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13 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）四个专题：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。13 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公路石质边坡地质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）13 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）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；1）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公路石质边坡环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。13 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）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地质及环境因子评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。13 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）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地质条件因子评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网络输入向量值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（I2）、岩体结构（I3）、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4－1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10.513 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）表4－2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4－3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4－4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4－5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4－6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0.20.40.60.814.1.2网络输出向量值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（O2）、边坡上部采用坡砌石防护（O3）、边坡下部采用坡砌石防护（O4）、边坡下部采用砼砌块防护（O5）、边坡上部采用满面现浇砼护坡（O6）、边坡下部采用满面现浇砼护坡（O7）、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（O11）、浆砌片石护坡（O12）、锚固护坡（O13）、井字梁护坡（O14）。13 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）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、较好、一般、差和很差五类情况，各种防护效果的量化结果如表4－7。表4－7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10.80.60.40.24.1.3网络学习样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环境条件因子评价4.2.1网络输入向量值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（I2）、岩体结构（I3）、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4－8、4－9所示，其余同前。表4－8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0.330.67113 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）表4－9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网络输出向量值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4－10。表4－10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1～0.80.8～0.60.6～0.40.4～0.2<0.2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1～0.750.75～0.50.5～0.25<0.254.2.3网络学习样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网络学习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。13 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公路石质边坡防护与环境保护信息系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公路石质边坡防护与环境保护技术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13 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）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”的原则、“就地取材”的原则、“经济适用”的原则、“保护环境”的原则。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依托工程实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：一、使坡面植被覆盖面积减少；二、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；三、破坏了坡体的地下水流通系统；13 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）一、使新鲜基岩暴露，将加剧基岩风化侵蚀速度；二、松动坡面岩体，产生崩落，增加水土流失；三、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：一、植物防护：如植草、铺草皮、植树等；二、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；三、框格（骨架）防护：浆砌片石骨架护坡、井字梁护坡等；四、锚固防护；五、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，如锚固防护与挂网防护结合、锚固防护＋挂网防护＋植物防护（如现在先进的厚层基材植被护坡即为此类）、锚固防护＋喷射混凝土＋构筑花台植物防护等等。因此依据边坡防护的结合情况，还可将公路石质边坡的防护分为不防护、简单防护、综合防护三种类型。依据本项目的研究成果—“公路石质边坡防护与环境保护技术指南”—13 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）所确定的各项防护评价指标，对边坡的地质条件、环境条件及工程活动进行综合研究，确定边坡的环保防护方法。并对实施环保防护后的防护效果进行了跟踪观察。本次示范工程采用的边坡防护类型有植物防护（如种草、种树—灌木）、封面防护（如局部喷浆及喷射混凝土防护、浆砌片石护坡）、锚固防护、挂网防护等。13 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）结束语本项目针对公路石质边坡防护与环境保护的实际情况，对公路石质边坡防护与环境保护的地质条件、环境条件进行了大量的资料收集，并采用人工神经网络分析方法对影响公路石质边坡防护与环境保护的地质条件因子和环境条件因子进行了分析研究，在此基础上形成了公路石质边坡防护与环境保护技术指南。另外，还针对公路石质边坡防护与环境保护建立了地质条件GIS信息系统、环境条件GIS信息系统，并搭建在贵州数字交通平台上，成为独立的工程应用子系统，为今后公路石质边坡防护与环境保护设计、施工、养护、监控等提供了丰富的数据源，同时进行了全面的试验研究和实体工程论证，取得了大量研究成果。由于研究时间有限，边坡防护与环境保护信息系统仅作了基础性工作，建立了基本数据架构，有待今后更深一步的后续完善。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）致谢本项目的顺利完成，得到有关单位及领导的大力支持和帮助，在此一并表示感谢！主要有：交通部西部交通建设科技项目管理中心、贵州省交通厅、贵州省环境保护局、贵州省水利厅、贵州省气象局、贵州省林业局、贵州省农业局、贵州省交通规划勘察设计研究院、贵州省各地方交通、环保、水利等部门，以及贵州高速公路开发总公司、贵州工业大学、重庆交通科研设计院、贵州省清镇至镇宁高速公路总监办、中交第二公路勘察设计研究院、广东建筑工程施工公司、云南路桥一公司、上海警通公司、中铁三局二公司、中铁四局、中铁五局、中铁十六局三公司等等。15