植生袋在巖質(zhì)邊坡防護(hù)中的固定方式研究

明道軒，王 濤，熊 彪，劉海濤

(武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430023)

巖質(zhì)邊坡進(jìn)行植被防護(hù)已成當(dāng)今工程界的共識(shí)，植生袋防護(hù)是其中一種效果良好的復(fù)綠工程技術(shù)，其核心是在坡面上營造一個(gè)既讓植物生長發(fā)育，又不易被沖刷的表層，實(shí)際工程中采用人工鋪設(shè)生態(tài)袋的辦法形成基質(zhì)層，經(jīng)過后期養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)生態(tài)植被的目標(biāo)。目前既有研究主要集中于如何提升植生袋坡面的生態(tài)效應(yīng)問題，而本文研究側(cè)重如何解決在較陡巖質(zhì)邊坡中固定植生袋坡體的問題。

1 巖質(zhì)邊坡防護(hù)特點(diǎn)

1.1 邊坡防護(hù)類型

根據(jù)防護(hù)所使用的材料不同，巖質(zhì)邊坡防護(hù)可分為硬質(zhì)防護(hù)和柔性防護(hù)。硬質(zhì)防護(hù)也稱為工程防護(hù)，分為圬工防護(hù)和鋼筋混凝土防護(hù)，具體形式有漿砌片石護(hù)坡、護(hù)面墻、擋土墻防護(hù)，噴射混凝土防護(hù)，錨桿鐵絲網(wǎng)噴射混凝土防護(hù)等，主要適用于風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育的巖石邊坡，注重強(qiáng)度功效，在修建初期對減輕坡面不穩(wěn)定性效果顯著。隨著對自然環(huán)境和景觀需求的提高，尤其是“綠水青山”理念的深入人心，單一的硬質(zhì)防護(hù)已逐漸不符合時(shí)代發(fā)展的要求。而柔性防護(hù)技術(shù)以其良好的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性得到不斷研發(fā)，逐漸成為當(dāng)下邊坡防護(hù)方法中的主流。

柔性防護(hù)技術(shù)是一種生態(tài)護(hù)坡方式，也稱為植被護(hù)坡、生物護(hù)坡，是指“單獨(dú)用活的植物，或者植物與土木工程材料、非生命植物材料相結(jié)合，達(dá)到涵水固土、減輕坡面不穩(wěn)定性和侵蝕的目的，在坡面形成與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng)”[1]，是集合巖土力學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)、水土保持學(xué)等多學(xué)科的復(fù)合型工程技術(shù)[2]。張家明等[3]總結(jié)指出，目前中國巖質(zhì)邊坡柔性防護(hù)技術(shù)主要有液壓噴播技術(shù)、客土噴播技術(shù)、噴混植生技術(shù)、植被混凝土護(hù)坡技術(shù)和厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)。實(shí)際上除此之外，植生袋護(hù)坡作為柔性護(hù)坡的一種，應(yīng)用也較為廣泛，早在2002年就已應(yīng)用于湖南臨長高速公路第3、第4標(biāo)段以及岳陽聯(lián)絡(luò)線的石質(zhì)邊坡防護(hù)，并獲得成功[4]；在山西五陽煤礦矸石山應(yīng)用于邊坡生態(tài)恢復(fù)，短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出良好的景觀效果[5]。

1.2 植生袋防護(hù)難點(diǎn)分析

植生袋防護(hù)也稱為“草包技術(shù)”，常規(guī)做法是：通過生產(chǎn)線將植物種子按一定比例，均勻地播撒在2層布質(zhì)或紙質(zhì)無紡布中間，然后通過行縫、針刺及膠粘等工藝，制成草包，裝土。將其壘積坡面，就能形成草坪。操作方法是：坡面平整后壘積草包，將草包緊挨坡面整齊地壘積上去，需有一定的傾斜度，以防坍塌。然后澆水，草包壘積完畢后，立刻灌一次透水，保證種子發(fā)芽需求，平時(shí)注意定期噴水[6]。

由于巖質(zhì)邊坡特點(diǎn)是沒有土層覆蓋坡面，巖石裸露，而且通常坡度較陡，坡面凹凸不平，有的坡面甚至伴隨出現(xiàn)反坡或是魚鱗坑[7]，當(dāng)植生袋防護(hù)應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡防護(hù)時(shí)，植生袋順坡面壘砌容易出現(xiàn)坍塌情況，因此，如何將植生袋固定于巖質(zhì)坡面是該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)。

2 植生袋固定方式

植生袋在巖質(zhì)邊坡中的固定方式分為依靠自身咬合擠壓形成的坡體與邊坡摩阻固定和借力工程設(shè)施實(shí)現(xiàn)固定2大類，筆者在分析原理、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，嘗試研究第2類中的一種輕型柔性固定方式。

2.1 通過咬合擠壓摩阻自穩(wěn)

在巖質(zhì)邊坡自身穩(wěn)定的前提下，植生袋壘砌按照錯(cuò)縫堆疊，上下層之間因咬合擠壓形成整體，從而與巖面產(chǎn)生摩阻作用。理論模型中，植生袋坡面體與巖體之間的接觸面可近似視為巖體間的軟弱結(jié)構(gòu)面，此時(shí)坡面體穩(wěn)定性分析計(jì)算可采用平面滑動(dòng)法，計(jì)算公式按照規(guī)范[8]附錄A中的相關(guān)公式(A.0.2-1～A.0.2-3)：

(1)

式中：FS為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；U為滑面單位寬度總水壓力，kN/m；V為后緣陡傾裂隙面上的單位寬度總水壓力，kN/m；Q為滑體單位寬度水平荷載，kN/m；Gb為滑體單位寬度豎向附加荷載，kN/m;G為壘砌的含土植生袋單位寬度重量，kN/m；L為滑面長度，一般可視為坡面長度，m；θ為滑面傾角，即邊坡坡度，(°)；φ為滑面內(nèi)摩擦角，(°)，即植生袋坡面體與巖體之間的結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角；c為滑面粘聚力，kPa，即植生袋坡面體與巖體之間的結(jié)構(gòu)面粘聚力。

根據(jù)公路或山體巖質(zhì)邊坡實(shí)際情況，不計(jì)水壓力，故U=0，V=0；滑體即植生袋組成的坡面體，視作整體分析，無外力作用，不計(jì)水平荷載和豎向附加荷載，故Q=0，Gb=0；因此公式(1)簡化為公式(2)：

(2)

袋子重量可忽略，將G=γ·hL代入公式(2)，可進(jìn)一步簡化為公式(3)：

(3)

式中：γ為植生袋內(nèi)土體重度，kN/m3；h為植生袋壘砌的坡面厚度，一般介于30 cm～60 cm。

通常，巖質(zhì)路塹邊坡坡率一般介于1∶1～1∶0.1[8]，即邊坡坡度θ介于45°～82.3°。滑面內(nèi)摩擦角φ值及粘聚力c值隨結(jié)構(gòu)面類型和結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度的不同變化較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)面為軟弱結(jié)構(gòu)面且結(jié)合極差時(shí)，φ<12°，c<20 kPa；當(dāng)結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面且結(jié)合程度好時(shí)，φ>35°，c>130 kPa[8]。植生袋中裝土一般為壤土、泥炭土與砂性土及營養(yǎng)基質(zhì)混合而成，γ值介于14 kN/m3～18 kN/m3，可取16 kN/m3。

綜上分析，植生袋壘砌的坡體若要依靠自身咬合擠壓并與巖面形成一定摩阻力，就要求邊坡坡度極緩、植生袋坡面厚度盡量減薄，但邊坡過緩則工程上不經(jīng)濟(jì)，坡面過薄則難以提供有效的土壤厚度，會(huì)削弱防風(fēng)化、防水土流失的功能，最終影響整體生態(tài)景觀。

2.2 通過錨桿框架梁承重固定

單純依靠咬合擠壓作用直接將植生袋壘砌于巖質(zhì)坡面的防護(hù)方式，工程上成功應(yīng)用案例很少，多需要結(jié)合其他工程措施配套使用，其中借助框架梁來承載植生袋的下滑力而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固是較為常見的一種。

框架梁護(hù)坡是利用現(xiàn)澆或預(yù)制成條柱狀的混凝土構(gòu)件，按照矩形或菱形網(wǎng)格鑲嵌在坡面上，對土質(zhì)坡面、軟弱巖面或裂隙較多易破碎松散的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖面進(jìn)行加固的技術(shù)方法，通常結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索在框格的井字形結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加強(qiáng)連接，形成復(fù)合錨固體系。其原理[11]是通過在錨桿、錨索中施加預(yù)應(yīng)力，將力通過錨頭傳至錨桿自由段，再由錨桿周邊砂漿的握裹力傳遞至水泥砂漿中，然后再通過錨固體周邊地層的摩擦力傳遞至錨固區(qū)的穩(wěn)定地層中，使坡體受壓，產(chǎn)生抗滑力；另外，貼于坡面的混凝土框架梁由于土拱效應(yīng)，對邊坡體表層巖土起到框箍作用，限制表層巖土體變形。由此，框架梁與錨桿構(gòu)成空間格構(gòu)梁，共同承擔(dān)山體側(cè)壓力，抵抗巖土體破壞形變，從而穩(wěn)定邊坡。

植生袋與錨桿框架梁組合成的護(hù)坡結(jié)構(gòu)中，框架梁將高陡邊坡分隔成尺寸為3 m～4 m的若干網(wǎng)格，植生袋壘砌在這種相對較小的網(wǎng)格中，主要是起著綠化坡面、美化環(huán)境、減少?zèng)_刷的作用，其自重引起的表面坡體滑動(dòng)力由網(wǎng)格橫梁、錨桿傳遞至穩(wěn)定地層中，從而實(shí)現(xiàn)原始邊坡的穩(wěn)定和植生袋坡體的穩(wěn)固。

植生袋結(jié)合框架梁進(jìn)行邊坡防護(hù)，有時(shí)還輔之以其他一些手段，如珠海長隆南路邊坡采用錨桿框架梁結(jié)合植生袋+掛網(wǎng)客土噴播進(jìn)行防護(hù)[12]、商漫高速公路K105+715～K105+900段滑坡治理采用錨索框架梁內(nèi)碼砌植生袋并栽植小樹的防護(hù)方案[13]等。

2.3 通過錨桿和網(wǎng)罩聯(lián)合作用固定

植生袋與框格梁之間取長補(bǔ)短，組成的護(hù)坡結(jié)構(gòu)可以有效穩(wěn)定邊坡、綠化坡面并在一定程度上改善了生態(tài)環(huán)境，但大體量地運(yùn)用混凝土結(jié)構(gòu)其實(shí)并不經(jīng)濟(jì)，而且不可避免地留下明顯的人工痕跡，不利于自然景觀的協(xié)調(diào)。因此，對于能夠自穩(wěn)的巖質(zhì)邊坡，在以植生袋作為坡面綠化的基礎(chǔ)上，探索一種輕型柔性固定方式非常必要。

仍舊考慮采用錨桿作為提供抗力的骨架載體結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼筋和高強(qiáng)度土工格柵形成的網(wǎng)罩對植生袋坡體進(jìn)行固定。具體做法為：錨桿采用Φ25～Φ40預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋間隔2 m按梅花樁打入邊坡山體，植生袋沿邊坡每壘砌4 m高則采用高強(qiáng)度大孔眼的土工格柵包裹并固定在錨桿上，在格柵之外設(shè)置X形Φ16鋼筋與錨桿鋼筋焊接，形成網(wǎng)罩，從而對植生袋坡體實(shí)現(xiàn)固定。坡面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 立面

(b) 橫斷面

通過錨桿和網(wǎng)罩施加的主動(dòng)側(cè)壓力，植生袋坡體可貼合原邊坡坡面，保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著植生袋內(nèi)草籽萌發(fā)生長和植生袋的逐漸降解，植生袋坡面將逐漸融合，當(dāng)土壤成片連接時(shí)，坡面會(huì)形成更大的植物群落，植物根系虬結(jié)交錯(cuò)進(jìn)一步促進(jìn)坡面的穩(wěn)定，同時(shí)錨桿鋼筋、網(wǎng)罩鋼筋隱伏于綠化之下，整個(gè)坡面景觀與自然景觀融為一體。

3 工程實(shí)例

雙喜大道是荊門市漳河新區(qū)一條城市主干路，路線穿越西寶山余脈時(shí)設(shè)置上馬墩隧道，隧道東出口洞門外的路基邊坡為石質(zhì)挖方邊坡，南側(cè)邊坡高18 m～29 m，北側(cè)邊坡高4 m～16 m，地質(zhì)勘察報(bào)告顯示該處山體表層覆蓋耕植土及殘積土，下伏灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖和砂巖，巖體類型為Ⅲ類，風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化。

設(shè)計(jì)從下往上按8 m一級(jí)分臺(tái)階放坡，中、下層坡率為1∶0.5，上層坡率為1∶0.75，采用前述植生袋結(jié)合錨桿和網(wǎng)罩的護(hù)坡方案，另外在坡頂選擇合適位置設(shè)置蓄水池(由市政給水管引水)，在坡面上配備滴灌系統(tǒng)。邊坡平面設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

該邊坡防護(hù)工程于2019年2月開工，2019年4月完工。目前坡面體穩(wěn)定狀況良好，生態(tài)效果除上層局部坡面外，其余坡面已基本被草本綠化覆蓋，錨桿鋼筋和網(wǎng)罩鋼筋已基本隱藏。南側(cè)邊坡綠植前后對比如圖3所示。

圖2 上馬墩隧道東出口巖質(zhì)路塹邊坡平面設(shè)計(jì)示意

(a) 坡面防護(hù)實(shí)施前(b) 坡面防護(hù)完成一年半后(c) 坡頂近景可見滴灌水管和網(wǎng)罩

4 結(jié)束語

1) 植生袋是巖質(zhì)邊坡常見的綠化護(hù)面結(jié)構(gòu)，植生袋結(jié)合錨桿和網(wǎng)罩進(jìn)行固定的輕型柔性新方式在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好效果。

2) 對于錨桿和網(wǎng)罩組合的固定方式，當(dāng)前主要根據(jù)規(guī)范范圍值結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定鋼筋直徑、間距及長度，先取小塊邊坡試驗(yàn)成功后再全坡面實(shí)施。后續(xù)可研究建立錨桿、網(wǎng)罩鋼筋用量及規(guī)模與邊坡巖體性質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系式，研究土工格柵所起到的網(wǎng)兜作用的量化表達(dá)式。

3) 本文工程實(shí)例中，上層植生袋坡面綠化的生長發(fā)育狀態(tài)滯后于中下層坡面，分析其原因是上層坡面的滴灌系統(tǒng)水頭壓力小，滴水量偏少，導(dǎo)致草籽萌發(fā)生長緩慢，補(bǔ)救措施可增加有壓管道或增建高位蓄水池。后續(xù)工程應(yīng)汲取經(jīng)驗(yàn)，注重邊坡配套管養(yǎng)設(shè)施的優(yōu)化，盡可能完善周詳，不留遺憾。