新型生態邊坡治理支護形式現場試驗研究

崔 恒， 李慎鋒， 張吉慶， 于海峰， 薛久軍， 孫 濤， 張泉成

(1.青島瑞源工程集團有限公司，山東 青島 266555； 2.山東科技大學，山東 青島 266590)

0 引言

邊坡治理工程往往規模大、項目多、涉及面廣。土石填挖工程形成的大量土石裸露邊坡，破壞了既有植被，對現場地表生物影響較大。通常采用單純的工程防護，如噴錨防護等，導致原有植被破壞、水土流失等一系列生態環境和工程問題。護坡面層采用素混凝土或者鋼筋混凝土，耗用建材量大，不經濟。公路邊坡往往還需要環保觀感要求，灰色的混凝土跟周圍環境不協調。生態邊坡既可以永久防護又可以綠化美化環境，普遍應用于礦山復綠、山體治理、公路邊坡工程，發展前景良好。張乾峰等[1]采用CS高次團?；旌侠w維防護工法為邊坡上植物生長提供了良好土壤環境；陳明[2]將CS技術用在高速公路石質邊坡中，實現了一次性永久綠化；沈守云等[3]對CS綠化后土壤養分元素變化及植物群落景觀做了研究分析；李春林等[4]采用FSA技術對山體格構梁植被進行恢復，減少了后期養護和管理；陳守輝等[5]采用“防護網+防水纖維層+客土+無紡布”的形式來保護植物及生長條件；黃晨忱等[6]用實例說明被動防護網在危巖落石治理工程中的應用；孫小杰等[7]采用生態袋護坡系統解決了狹小施工空間高陡邊坡復綠問題。本試驗采用“2層土工格柵+客土噴播+錨桿”的護坡形式，護坡及綠化效果良好。

新型生態邊坡治理支護形式護坡原理：第一層土工格柵與坡面貼合，打錨桿加錨頭固定，防止邊坡坍塌。在第一層土工格柵上噴射第一層客土(約15 cm厚)，鋪設第二層土工格柵，加錨頭固定。然后噴射第二層摻加植物種子的客土(約5 cm厚)，最后養護管理。

1 工程概況

國風藥業新型生態邊坡治理支護形式現場試驗位于青島市黃島區奮進路以北，齊長城路以西。試驗面積約100 m2，高7 m，長14 m。

2 地質條件

地下水主要賦存于第四系松散堆積物素填土中的上層滯水和下臥基巖中的基巖風化裂隙水。兩水體相互聯通，具自由水面，為潛水。大氣降水為主要補給源，以側向徑流排泄和蒸發方式排泄。

3 支護設計

錨桿采用GFRP(玻璃纖維增強塑料)錨桿，角度15°，間距2 m×2 m，孔徑110 mm，水平方向3排錨桿，自上而下長度分別為5、4、2.5 m，如圖1、圖2所示；注漿材料PSA 32.5水泥，水灰比1∶0.5。GFRP錨桿性能參數如表1所示。

圖1 邊坡支護平面布置Fig.1 Layout plane of slope retaining

圖2 邊坡支護剖面Fig.2 Profile of slope retaining表1 GFRP錨桿參數Table 1 Parameters of GFRP anchor rod

直徑/mm橫截面積/mm2螺距/mm抗拉荷載/kN抗拉強度/MPa扭矩/(N·m)剪切強度/MPa彈性模量/GPaGFRP錨具承載力/kN25±0.5490.9710±0.5≥280≥600≥100≥150>40≥11026±0.5530.9310±0.5≥300≥600≥110≥150>40≥11028±0.5615.7510±0.5≥350≥600≥130≥150>40≥110

因?25 mm的GFRP錨桿抗拉強度大于?25 mm的HRB400鋼筋，用理正巖土軟件(6.5PB2版)計算時，GFRP錨桿用1E25鋼筋代替。

3.1 計算簡圖(見圖3)

圖3 計算簡圖Fig.3 Diagram of calculation

3.2 計算結果

3.2.1 土釘承載力驗算(見表2)

表2 土釘承載力驗算Table 2 Capacity checking of soil nailing

3.2.2 整體穩定性驗算

根據《復合土釘墻基坑支護技術規范》(GB 50739-2011)5.3.2條、5.3.5條，驗算基坑整體穩定性：

K1=Ks0+η1Ks1+η2Ks2+η3Ks3+η4Ks4≥Ks

K2=Ks0+Ks1+0.5Ks2≥1.0

式中:Ks——整體穩定性安全系數；Ks0、Ks1、Ks2、Ks3、Ks4——整體穩定性分項抗力系數，分別為土、土釘、預應力錨桿、截水帷幕、微型樁產生的抗滑力矩與土體下滑力矩比；η1、η2、η3、η4——土釘、預應力錨桿、截水帷幕、微型樁組合作用折減數。

3.2.3 土釘驗收抗拔力計算

根據《復合土釘墻基坑支護技術規范》(GB 50739-2011)5.2.6條，土釘的工作系數ψ=1.000，驗收抗拔力Tyj：1號土釘111.526 kN,2號土釘110.584 kN,3號土釘77.754 kN。

3.2.4 抗隆起穩定性驗算

依據《復合土釘墻基坑支護技術規范》(GB 50739-2011)5.1.2條，按如下公式計算:

q1=0.5γm1h+γm2D=74.000 kPa

q2=γm1h+γm2D+q0=163.000 kPa

式中：γm1——地面至坑底土層加權平均重度(多級放坡時，指第一級坡頂至坑底的加權平均重度)，kN/m3；γm2——坑底至抗隆起計算面土層加權平均重度，kN/m3；h——基坑開挖深度，m；D——坑底至抗隆起計算面的距離，m；q0——地面加荷均載(特指滿布荷載)，kPa；c——抗隆起計算面處土體的粘聚力，kPa；b1——斜坡寬度，m；b2——地面均布荷載的計算寬度(可取b2等于h)，m；∑qibi——各局部荷載和放坡等效荷載；Kb——抗隆起安全系數。

Nq=tan2(45+φ/2)eπtanφ=319.057

Nc=(Nq-1)/tanφ=266.882

=86.245≥1.500

式中：φ——抗隆起計算面處土體的內摩擦角，(°)。

抗隆起穩定性計算滿足。

4 所需材料

?25 mm GFRP錨桿約200 m，配套錨頭56個，雙向土工格柵約250 m2，PSA 32.5水泥10 t。

5 施工步驟

5.1 工藝流程

搭設腳手架構建作業平臺→巖質邊坡修整→鉆機成孔→GFRP錨桿制作→錨桿安裝→漿液制備→錨桿注漿→鋪設底層雙向土工格柵→安裝底層成品GFRP錨頭→安裝土工格柵橫隔板→噴射種植基材層→鋪設頂層雙向土工格柵→安裝頂層成品GFRP錨頭→噴播種子基材層→養護驗收。

5.2 具體步驟

(1)搭設腳手架，構建作業平臺。立桿縱距2 m，橫距1.5 m(平鋪3塊腳手架板，每塊腳手架板寬300 mm)，步距1.8 m，腳手架限高取8 m。外排架內側設全封閉密目安全網(每10 cm×10 cm，2300孔)。

(2)按設計要求修整工作面至第一道錨桿施工標高，修坡以人工為主，清除坡面上危險及松動巖石，消除安全隱患。對于土質坡面，如果坡面削切過于平滑，將導致坡面與植物生長發育基礎連接不緊密，甚至造成基礎材料的流失。因而應事先對其進行粗糙處理，不宜過于光滑。對于坡面徑流、滲水等不良狀況進行處理，可考慮設置簡易的排水設施。

(3)采用手持鉆機按照設計要求的位置在邊坡上鉆孔，鉆孔與坡面水平面成15°，錨桿縱向間距2 m，橫向間距2 m；錨桿打孔，孔徑50 mm，孔深2.5～5 m。注漿材料：礦渣硅酸鹽水泥，水灰比1。

(4)制作GFRP錨桿桿體，錨桿桿體上安裝定位支架，錨桿長2.5～5 m。

(5)制備漿液，通過注漿管向鉆孔內注漿。注漿后將錨桿推送到鉆孔內一定深度，距離孔底100 mm，坡面外預留350 mm。

(6)將帶橫隔板的多層結構生態邊坡防護體系中的第一層(底層)雙向土工格柵覆蓋在邊坡上；土工格柵的鋪設應從坡頂向下鋪設，坡頂間隔2 m(與錨桿位置對應)鉆孔設置垂直GFRP注漿錨桿，深度1.5 m，并用錨頭錨固。土工格柵應張緊，搭接長度≮300 mm。當坡面凹凸起伏較大時，土工格柵應盡可能貼近坡面，見圖4。

圖4 鋪設第一層土工格柵Fig.4 Laying first layer geo-grid

(7)安裝底層成品GFRP錨頭。

(8)在錨桿桿體預留段上安裝土工格柵橫隔板。部分土工格柵裁剪為寬25 mm、長2.5 m的模塊，張緊。將GFRP筋上下間隔穿過格柵孔洞并綁扎固定，靠近坡面一側與底層土工格柵綁扎，土工格柵橫隔板鋪設、綁扎。

(9)制備客土和植物種子配比?？屯烈箢w粒均勻，土質肥沃，結構疏松，無明顯雜質、垃圾等廢料摻雜其中。嚴格按照設計要求購買草籽、客土噴播輔料等工程原料，草籽、粘合劑、保水劑等關鍵材料要求在施工前進行相關實驗，并按照園林相關技術規范進行檢驗。對于植物生長必須的主要肥料成分為氮(N)、磷(P)、鉀(K)。施工時使用復合肥料，將之與客土均勻拌合，使純氮量控制在10 g/m2以下。為了防止施工后種子裸露和流失，選用穩定劑作為侵蝕防止劑，用量為15～25 g/m2。為了緩和土壤水分蒸發，防止表面下干燥，采用適量保水劑。

根據該工程客土噴播設計和當地環境條件，假定在正常施工季節，植物種子發芽正常計算得出種子配比。將客土、肥料、保水劑、穩定劑、麥秸等，按設計和試驗要求充分混合拌勻，組成種植基材。

(10)在橫隔板和雙向土工格柵結構上噴射第一層種植基材層。采用高壓濕法噴射，噴播厚度為150 mm。噴射過程中應嚴格控制用水量及攪拌材料的時間，攪拌時間>10 min。噴播前對攪拌好的材料取樣并做試驗，通過試驗數據來檢查材料的物理性能及團粒反應發生程度是否符合設計要求。噴播過程中和噴播后應嚴密觀察團粒反應發生的好壞，并通過技術措施確保發生良好的團粒反應。為了達到均勻的綠化效果，噴播厚度應盡可能均勻。但應有重點，在植物生長條件好的地方可噴得薄一些，在植物生長條件惡劣處噴得厚一些。

(11)在種植基材層上鋪設第二層(頂層)雙向土工格柵，見圖5。

圖5 鋪設第二層土工格柵Fig.5 Laying second layer geo-grid

(12)安裝頂層成品GFRP錨頭，將頂層雙向土工格柵固定在種植基材層上，見圖6。

(13)在頂層成品GFRP錨頭和頂層雙向土工格柵上噴射種子基材層，厚度50 mm。

(14)養護驗收。施工完成后第3 d，種子開始發芽、破土。噴播完成后第10 d，苗木種子生長約5 cm，見圖7。

圖6 安裝頂層錨頭Fig.6 Installing top layer anchor head

圖7 種子破土發芽Fig.7 Seeds are germinating

6 遇到的困難及解決措施

(1)試驗中采用手持鉆機打孔，優點是機械體積小，便于在腳手架施工。但施工完成后塌孔嚴重，并且清孔不徹底，導致鉆孔底部存在殘渣，導致錨桿下放不到位。

解決措施：分段施工，嚴格控制鉆孔成孔后與注漿下放錨桿之間的時間，及時注漿，防止塌孔。注漿時，將注漿管伸到鉆孔底部，利用注漿壓力和水泥漿，將殘渣排出。

(2)第一層土工格柵鋪設、搭接時，第一層錨頭墊板與土工格柵不能完全貼合、張緊。

解決措施：錨頭墊板處挖深度40～50 mm圓形槽，開槽處平整坡面，使其最大程度貼合巖面。錨頭擰緊時，自動使土工格柵張緊。

(3)綁扎帶強度不夠，橫隔板處施加壓力，綁扎帶易崩斷。

解決措施：更換強度更高的綁扎帶，將橫隔板上彎150 mm長度與一層格柵加密搭接。

(4)選用客土粘性較差，格柵與巖面間空隙較小，噴射壓力大，容易造成客土反彈，噴射過程中容易掉落，且格柵緊貼處客土不易粘附。

解決措施：嚴格控制摻水量，使客土具有良好的粘性。將凸出的巖面鑿除，在第一層土工格柵與坡面間加50 mm厚墊塊。

7 養護管理

青島地處北溫帶季風區域內，年平均降雨量為640 mm左右。降雨量相對較少，且大部分月份蒸發量大于降雨量。原則上，由于本施工法噴播后形成的土壤培養基具有良好的團粒結構，水分保持能力極強，苗木成苗后可不澆水養護。但在種子發芽期及幼苗期(大約1～3個月)應澆水養護。養護期限視降雨量情況而定，一般需要養護1～3個月。原則上一周澆水一次，每次應澆足澆透。另外，噴播后植物從發芽、幼苗到成苗需要4個月，所以施工后4個月內應禁止人為踐踏，并應做好病蟲害防治工作。

8 質量驗收

施工3個月后，邊坡綠色覆蓋率占可綠化面積的95%以上，灌木組合中灌木2株/m2以上，總覆蓋率、均勻度、總密度均達到理想效果，見圖8。

圖8 邊坡綠化效果Fig.8 Effect of slope greening

9 結語

(1)采用“錨桿加固+土工格柵護坡+客土噴播綠化”的新型生態邊坡復合支護形式，加強了巖石邊坡穩定性。采用GFRP錨桿，計算時可用1E25鋼筋代替。該護坡設計中土釘承載力驗算、整體穩定性驗算、土釘桿體截面積計算和抗隆起穩定性驗算均滿足設計要求。經歷夏季多次大雨后，邊坡未出現坍塌，護坡效果良好。

(2)該護坡形式，植被選擇可多樣化。灌、藤、花、草的有機結合，可自成良性的生態植被體系，有利于生態系統的快速恢復，綠色環保。噴播的綠色植被長勢良好，植被與周圍自然環境融為一體，美觀自然。

(3)該種“錨桿加固+土工格柵護坡+客土噴播綠化”的新型生態邊坡復合支護形式造價低于傳統土釘墻混凝土面層和格構梁錨桿護坡支護形式，具有施工快捷、經濟適用等優勢。