復合型噴混植生結構在炭質巖邊坡防護中的應用

方愛華

摘要：文章通過研究融水至河池高速公路路塹邊坡炭質巖工程特性及其對植物生長、邊坡穩定性的影響，提出秸稈復合型噴混植生防護設計方案，并進行了炭質巖路塹邊坡實體工程試驗。試驗結果表明，該防護結構能有效降低炭質巖對光、熱、水的敏感性和有害礦物成分、吸熱升溫對植物根系生長的不利影響，有利于邊坡穩定和植物長期旺盛生長。

關鍵詞：炭質巖;路塹邊坡;工程特性;秸稈纖維;噴混植生

0 引言

在中國南方如廣東、廣西、云南、貴州等省區沉積煤系地層中廣泛分布有一類含碳成分較大的泥巖、頁巖、砂巖、灰巖或互層，因呈黑色或灰黑色而被稱為炭質巖，其表層一般由土層及植被所覆蓋，其原狀強度相對較高，現行相關技術規范中也未列為特殊性巖土[1，2]。但是，在公路工程建設大量開挖揭露和形成路塹邊坡過程中，發現炭質巖對光、熱、水等自然營力作用極度敏感，具有風化快、遇水易軟化、崩解嚴重、強度急劇下降、邊坡破壞嚴重和坡面客土噴播植被恢復困難等特征，工程界進行了大量研究和處治工程實踐[3-5]，在工程地質特性與邊坡防護加固方面取得了較好的成果，錨固、錨噴、護面墻、抗滑樁等工程處治措施廣泛應用。特別是近20年來，巖石邊坡生態修復技術研發成功，在巖石路塹邊坡防護方面大量推廣應用，改善路域生態條件，主要有植被混凝土、客土噴播技術、三維植被網噴播、噴射厚層基材噴播和植生袋生態重建等技術，形成了相關技術規范，其基本原理是針對巖質邊坡缺乏植被生長的土壤和養分條件，通過工程措施構建植物生長的基本條件，實現植被快速恢復和長期生長。在實際工程應用中發現，同一種技術應用于不同類別巖體邊坡防護中，植物生長效果存在明顯差異性，特別是在炭質巖中應用時，植物初期生長較快，但是后期植物枯死、邊坡淺層碎裂、坍塌問題比較突出。主要是因為這些技術未考慮巖石工程特性和其對植物生長條件、邊坡穩定性的影響。

本文結合廣西融水至河池高速公路炭質泥巖路塹邊坡工程，在對其物質成分、力學特性及其對植物生長適宜性、邊坡穩定性的影響進行分析的基礎上，提出秸稈復合型噴混植生防護技術，通過實體工程試驗，植被生長效果和邊坡穩定性較好。

1 炭質巖工程特性

1.1 宏觀地質特征

在建融水至河池高速公路位于廣西北部，主線全長約108km，雙向四車道，設計車速為100km/h，路基寬度為26m，列為交通運輸部創建品質示范工程之一。主要跨越巖溶峰林谷地、丘陵地貌單元，生態環境比較脆弱，其中K55～K75段穿羅城煤田，煤巖主要為海陸交互相沉積大塘階寺門段頁巖、炭質頁巖夾薄層粉砂巖、硅質頁巖及煤層。公路建設揭露連片炭質巖，形成大量路塹邊坡，邊坡巖體一般分為兩種類型：（1）上部多為第四系殘坡積碎石土所覆蓋，厚度為3.0～8.0m，土體密實，植被茂密;（2）覆蓋層很薄或基本無覆蓋層，植物稀疏。巖體多呈黑色、灰黑色，自然斜坡整體穩定性較好，少見崩塌、滑坡地質災害，但邊坡開挖巖體暴露后，較完整的炭質泥巖都會在極短的時間內（幾天到十幾天）風化變質成碎裂狀巖體，強度急劇下降，邊坡發生剝落、淺層滑塌或沿軟弱層滑坡。另外，邊坡顏色與周邊自然景色協調性差，嚴重影響路域景觀。

1.2 巖礦物成分

采取融河高速公路路塹邊坡工點的炭質泥巖試驗樣本進行礦物成分偏光顯微鏡測試，測試結果如表1所示。測試結果表明，含軟弱、親水、崩解性和吸熱性能較好的礦物成分如高嶺石、絹云母、不透明礦物和炭質，對自然環境光、熱、水等具有較高的敏感性。另外，適合于植物生長的礦物成分少，對邊坡穩定性和植物生長均影響較大。

1.3 物理力學特性

邊坡的穩定性主要取決于巖體結構和巖土體物理力學特性，由其礦物成分所決定，是邊坡外在表現和指導邊坡穩定性評價、處治的依據。巖體結構可通過現場調繪宏觀確定巖體厚度和有無軟弱、順層結構面，而物理力學強度則需要進行原位和取樣室內測試。融河路開挖揭露的炭質泥巖邊坡巖層大多數為呈薄層-厚層狀，傾向與坡向斜交或正交，有利于邊坡整體穩定。

根據現場取樣室內試驗，結合工程類比及相關技術規范，確定此類邊坡天然物理力學參數，如表2所示。

2 炭質巖邊坡生態防護難點與解決思路

2.1 炭質巖路塹邊坡特點

根據炭質巖工程特性分析，結合現場調查，炭質巖路塹邊坡存在容易失穩和生態修復兩大問題，主要表現在以下幾方面：

（1）巖體天然強度總體較高，開挖暴露后易風化，對光、熱、水較敏感，節理裂隙擴展，在較短時間內演變為碎塊狀，強度急劇下降，導致邊坡失穩，出現淺層滑塌、碎落現象。

（2）遇水易軟化崩解。炭質巖含膨脹性黏土礦物成分高嶺石，表現出較強的親水敏感性，邊坡開挖后，將在極短的時間崩解、膨脹，變質成液限較高的泥炭土，出現圓弧滑動破壞。

（3）植物難以長效生長。一方面，炭質巖中植物生長所需氮、磷、鉀成分含量極少，即使是強風化炭質泥巖呈泥土狀，一般草灌植物也很難生長;另一方面，炭質巖含碳成分大，吸收熱能強，坡面吸熱升溫，易形成“燒烤”現象。

2.2 炭質路塹邊坡生態防護對策

錨噴混凝土雖然是比較理想的防護技術，能有效隔離炭質巖與外界產生熵交換，保持邊坡穩定，但是坡面失去了植物生長的自然條件，帶來公路視角污染。如在錨噴混凝土防護的基礎上，增加生態型護坡，種植攀援植物，則存在熱島效應，植物生長緩慢，再覆蓋率也不高;如選擇客土噴播、植被混凝土等技術，混凝土噴附面層的隔離作用，也難以達到理想的綠化效果，并存在造價高的問題。針對炭質巖路塹邊坡破壞機理和實施生態防護遇到的技術問題，提出如下解決方案：

（1）在噴混植生技術基礎上進行改進，保證坡面營造出足夠厚度的具有耐沖蝕、蓄水、保肥、透氣等性能的基材結構層，確保坡面具備植物長期生長的基本條件。

（2）針對植物根系穿透基材后，炭質巖營養成分貧乏的問題，注重改善基質層的土壤結構和抗剪強度，使其有更好的抗沖刷性能和保水保肥性能，實現養分持續供應。

（3）針對炭質巖坡面更容易吸熱“燒烤”植物的問題，在基層中增加秸稈纖維層，使其具有隔熱、散熱等功能。

（4）優化植物配比。將草灌、冷暖型、先鋒型與長期型植物相結合，營造自然更替的植物生態系統。

2.3 復合型噴混植生結構

根據上述思路，提出復合型噴混植生防護結構（見圖1）。主要原理是在噴混植生技術基礎上，增加一層厚度約為3cm的稻草秸稈纖維，改善基質層的土壤結構、強度，降低炭質巖高溫熱效應;在噴播基材中增加水泥用量，提高基材的粘結性，同時添加pH緩沖劑如草酸等，使混合基質的pH值適合植物生長，并根據當地氣候條件，選擇容易形成坡面植物群落、粗放型管理的植物種子。

3 施工工藝及質量控制要點

3.1 施工工藝

為了驗證設計方案的合理性，選擇一個工點進行試驗。坡高度約為15.0m，主要巖性為厚層狀強-中風化炭質泥巖與灰巖互層，坡度為1∶0.5～1∶0.75，整體穩定性好。由于涉及高空作業，在施工前需根據《公路工程施工安全技術規范》（JTGF90-2015）要求編制專項施工方案。施工工藝流程見圖2。

3.2 質量控制要點

3.2.1 施工準備

要進行邊坡周邊環境、施工條件、水電、交通、材料堆放、臨時設施布置與施工要素配置，主要材料質量指標檢驗，植物種子發芽率測定。完成專項施工方案編制與審批。

3.2.2 坡面清理

清除開挖坡頂外側1m范圍內和坡面的危巖、浮石和雜物，自上而下分段施工，不可交叉作業，確認邊坡整體穩定方可實施噴混植生，對存在匯水的坡面修建排水溝。

3.2.3 鋪設稻草毯

用竹篾編制好干燥柔性稻草毯，厚度約為3.0cm，用量為250g/m2，毯片規格視坡面平整程度，以方便鋪設為宜。將其自上而下進行鋪設，貼緊坡面，用錨釘臨時固定。

3.2.4 鋪設鐵絲網

網片采用2.2mm@50×50mm鍍鋅鐵絲網，從坡頂向下張開鋪設金屬網，橫向搭接寬度≥15cm，豎向可采用連接方式，網片之間應用18鐵絲綁扎牢固;錨桿采用HPB335鋼筋制作，根據設計錨桿規格，鉆孔注M30水泥漿后插入，外露彎鉤長度為10.0cm，在不夠穩固和有縫隙的位置用更多的錨桿或錨釘來增加穩定性。金屬網片緊貼稻草毯。

3.2.5 噴射基質

基材配合比按照表3所示。種植土宜選擇耕表土，含水量≤20%，經粉碎和過1cm孔徑的篩，滿足噴槍孔徑的要求，風干過篩后的種植土應采取防水措施。采用濕式專用客土噴播機進行噴射，加水在料倉內攪拌均勻，形成泥漿狀，自上而下均勻地噴附到坡面上。物料宜隨拌隨噴，防止水泥結塊，做好厚度標志，確保噴射厚度，如有流失、剝落，應補噴。

3.2.6 噴播植草

選擇耐貧瘠、粗放管理、繁殖與固坡能力強的冷暖型、速慢生長、草灌組合混合草種如糖蜜草、狗牙根、黑麥草、胡枝子、小葉女貞等，配比見表4。嚴禁使用外來入侵植物。基層噴射干結后，將經催芽處理后的混合種子與基材混合，加水在料倉內攪拌均勻，形成泥漿狀，噴射到坡面上，噴射厚度為2.0cm。噴射結束后要立即覆蓋無紡布，防雨水沖刷和降低水分蒸發，改善種子的發芽、早期生長環境。

3.2.7 養護管理

處于分苗期、生長期養護的苗期一般為60d，主要工作包括灑水、病蟲害防治、補植和局部修補等。灑水以噴水為主并呈霧狀，保證基材充分吸水又不流失。病蟲害防治需選擇高效、低毒、對天敵較安全的化學藥劑。局部缺陷可選擇人工補植或二次噴植，使覆蓋率達到90%，草本植物生長高度達到5～8cm后就可以清理無紡布。生長期一般為兩年，即至公路竣工驗收為止，靠自然雨水養護，主要是病蟲害防治、缺陷修復。

4 試驗效果

根據試驗和跟蹤觀測，噴播草種后5～7d后開始出苗，60d覆蓋率達到95%以上，高度為7～10cm，形成良好的植物生態群落，生長旺盛。

5 結語

炭質巖為分布于煤系地層中對路塹邊坡穩定性和路域景觀影響較大的特殊性巖體。其原狀強度一般比較高，自然條件下穩定性較好，但是含有對水、熱、溫差作用較敏感的礦物成分，開挖暴露后，存在吸熱干裂、遇水膨脹軟化和邊坡失穩的問題。

（1）炭質巖吸熱能力強，養分貧瘠，植物難以生長，一般選擇混凝土封閉防護，景觀效果差。在炭質巖中應用常規的巖質邊坡生態修復技術，后期容易出現高溫、植物缺水枯死現象。

（2）本文提出秸稈復合型噴混植生防護技術，增加水泥用量，提高基材強度，可有效降低炭質巖坡面高溫熱效應，同時纖維加筋，改善基質層的土壤結構、強度和提高抗沖刷能力，起到保水追肥作用，更好地為植物創造一個良好的長期生長環境。該設計理念先進，達到邊坡防護和生態修復目的，能改善路域景觀。

（3）實體工程試驗表明，植被恢復效果良好，適用于坡度緩于1∶0.75、整體穩定性好但容易發生淺層破壞的炭質巖路塹邊坡，較傳統的錨噴混凝土防護造價降低10%～15%，目前正在推廣應用中。

參考文獻：

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