高速公路不同結構巖石邊坡生態防護對策與植被恢復技術選擇

王英宇，宋桂龍，韓烈保，孟 強

(1.北京市京石園林綠化有限公司，北京 102600;2.北京林業大學草坪研究所，北京 100083;3.交通部 公路科學研究院，北京 100088)

高速公路不同結構巖石邊坡生態防護對策與植被恢復技術選擇

王英宇1，宋桂龍2，韓烈保2，孟 強3

(1.北京市京石園林綠化有限公司，北京 102600;2.北京林業大學草坪研究所，北京 100083;3.交通部 公路科學研究院，北京 100088)

高速公路;巖石邊坡;生態防護;植被恢復技術

巖石邊坡按照巖體結構分為5種類型，即整體結構、塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構。在分析每一類巖石邊坡特點的基礎上，針對性地提出了5類巖石邊坡生態防護對策與植被恢復技術選擇方案。其中，整體結構巖石邊坡、塊狀結構巖石邊坡及反向斜向層狀結構巖石邊坡屬于整體穩定性較好的邊坡類型，防護重點視是否有軟弱結構面存在而定，若不存在，應采用植物防護為主、局部加固為輔的防護策略，對于＞75°的急陡邊坡植物防護以垂直綠化技術為主或不進行防護，對于坡度＜75°的邊坡植物防護可選擇厚層基材噴播技術及生態袋技術等;對于同向層狀結構，因存在整體滑動的可能，須采用深層防護為主的工程防護;對于碎裂結構、散體結構應以控制坡率削方減載為主，防護措施上視具體情況采用植物防護與工程防護相結合，做好排水設計。

不同類型邊坡的綜合防護應首先確定邊坡的類型，特別是要確定是土質邊坡還是巖質邊坡，如果是巖質邊坡應確定其巖體結構類型，其次是確定邊坡的高度、坡率等。一般而言，土質邊坡較巖質邊坡容易恢復植被，但有些土質邊坡耕植土少，肥力不足，屬于貧瘠土坡，對于這類土質邊坡直接在其坡面種植植物也是困難的，應采用工程的方法在坡面移植客土。對于巖質邊坡，按照巖體結構進行分類，國標《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)中將巖體結構類型劃分為整體狀結構、塊狀結構、層狀結構、碎裂狀結構和散體狀結構五大類［1］:整體結構、層狀和大塊狀結構的硬質巖邊坡，由于巖體完整性好、節理裂隙不發育，其坡面完全沒有耕植土，植物根系難以扎根，因此只能采取工程措施在其表面移植并固定客土;而對于完整性差、節理發育、風化嚴重的碎裂結構和散體結構，則要先對邊坡進行加固防護措施，再進行植被恢復工程，如采用掛網噴播、人工栽植等，也可采用客土噴播。總之，不同類型的邊坡，要先確定其類型及穩定性，在實施必要的加固工程實現邊坡的穩定后，再實施植被恢復工程。下面就高速公路不同類型巖石邊坡生態防護設計對策與技術選擇進行分析。

1 整體結構邊坡類型

整體結構邊坡巖體結構呈完整狀態或巨型塊體，主要由輕微的厚層沉積巖(即水平及緩傾斜巖層)、大型巖漿巖體以及火山巖組成。巖體的結構面以原生構造節理為主，結構面一般呈閉合狀，很少張開，無泥質充填，結構面很少相互交切，無危險結構面組成的危險掉塊。一般巖石堅硬，巖性單一或由強度相近的巖石所組合，巖體完整，整體強度高，巖體穩定，由于遭受構造變動的作用輕微，巖層的變形與破裂不明顯，因此可視為均質彈性各向同性體。巖層呈水平或緩傾，節理不發育，以大角度的X型剪切節理為主，節理組數少，貫通性差，同時發育有層面、層理和隱微裂隙［2］。

基于以上特征，此類結構的邊坡巖體可以認為是均質的、連續的介質，巖體的整體強度高，變形特征接近于各向同性的均質彈性體，變形模量、承載能力與抗滑能力均較高，抗風化能力一般也較強，所以這類巖體具有良好的工程地質性質。對于穩定性好的整體結構邊坡一般可不做工程防護，同時還可作為原始地貌特征加以保留，在景觀效果上更加突出生態環保;對于有失穩可能的局部一般可做局部錨固處理，同時做好邊坡排水。整體結構邊坡的植物防護可選用藤本植物下爬上垂(見圖1、圖2)，或選用厚層基材噴播防護技術。

圖1 高速公路邊坡復綠工程垂直綠化施工斷面示意

2 塊狀結構邊坡類型

圖2 整體結構巖石邊坡垂直綠化

塊狀結構巖石邊坡一般是由塊狀巖漿巖或巨厚層沉積巖組成的邊坡，巖體呈塊狀、厚層狀，結構面不發育，多為剛性結構面，貫穿性軟弱結構面少見。巖體一般弱風化較完整，結構面輕度發育，以原生構造節理為主，發育少量貫穿性較好的節理裂隙，結構面多呈閉合狀，膠結程度高。邊坡穩定條件好，易形成高陡邊坡，巖石強度高，完整性好，巖體的不均一性和各向異性不太突出。影響該類邊坡穩定性的主要因素包括軟弱結構面的發育及其組合特征、節理裂隙發育特征、巖體風化特征。堅硬巖體在軟弱結構面切割下形成塊狀結構巖體，其基本破壞方式為塊狀體沿一組軟弱結構面或兩組軟弱結構面構成的交線滑移，其運動嚴格受軟弱結構面及其組合特征控制，其力學作用也主要受軟弱結構面控制［2］，這些軟弱結構面往往對工程邊坡的穩定性起到控制作用。因此，在巖體穩定分析時，重點應放在軟弱結構面的特性及其空間分布的研究上。邊坡主要變形破壞模式為受結構面組合控制的崩塌或塊體失穩。

若邊坡存在由軟弱結構面組合形成的規模較大的潛在不穩定塊體，則應采用深層防護方案;不存在不利結構面組合，邊坡穩定性較好時，可采用淺層防護或以坡面防護為主的支護方案;若塊體數量多且失穩后果嚴重，應采用錨桿框架進行防護或采用柔性防護網防止淺表層局部小塊楔形體掉塊。邊坡穩定后的植被恢復以厚層基材噴播技術為主，也可以選擇預應力錨索框架或混凝土框格結合客土噴播或生態袋技術等進行植物綠化(見圖3—5)。對于高陡邊坡可選用垂直綠化技術。

3 層狀結構邊坡類型

層狀結構巖體主要由沉積巖及變質巖中具片理、板理的板裂狀巖組構成，巖性與組合都十分復雜，構成的邊坡也因巖性差異、組合的不同以及產狀與邊坡的相互關系而呈多種類型，既形成高陡邊坡，也形成低丘緩坡。層狀巖體最本質的特征是有一組平行發育、連續性好的結構面。邊坡穩定性受層狀結構面的發育程度、強度、結構面傾向和傾角與邊坡坡面傾向和坡角之間的相互關系控制。根據層狀結構面與坡面相互關系，層狀結構邊坡又分為層狀同向結構邊坡、層狀反向結構邊坡、層狀斜向結構邊坡3種［3］。

3.1 層狀同向結構邊坡

層狀同向結構邊坡其結構面傾向與邊坡傾向夾角小于30°，當層狀結構面特別是其中的軟弱結構面由于工程活動而被切腳出露在坡面時，即構成潛在滑動面，易形成滑動;如層狀結構面傾角大于坡角而插入坡內，其穩定性一般較好，但在特定條件下，如邊坡過高而層狀結構面十分發育且層間結合力較差時，可形成滑移拉裂和滑移彎曲變形。此類邊坡必須采取深層防護措施才能保證邊坡的穩定。

3.2 層狀反向結構邊坡

層狀反向結構邊坡的巖層走向與邊坡走向夾角小于30°，傾向與坡向相反(或二者夾角為150°～180°)。常見的破壞類型為彎曲—拉裂，多發生于巖性軟弱、易風化的薄層狀巖體，以及軟硬相間或層間軟弱結構面發育的巖體。陡傾的層狀巖體在自重應力作用下，前緣開始向臨空方向錯動彎曲，并逐漸向坡內發展，隨著彎曲的持續，在彎曲體后緣伴隨有拉裂縫的出現。

對于已經產生傾倒變形的工程邊坡，開挖時應防止傾倒后碎裂巖體產生破壞，可采取預加固的方法，即開挖前采用鋼筋樁、錨桿、注漿錨管等進行預處理。由于傾倒變形巖體多為碎裂巖體，所以在地形條件允許的情況下，可放緩邊坡至碎裂巖體自穩坡率，采用坡面防護方案;若不能放緩邊坡，則必須查明傾倒變形體的分布范圍，確定變形范圍，在此基礎上采用深層防護措施，如采用錨固、注漿、坡面防護、排水等措施進行綜合處理，若邊坡坡度較大可在邊坡中部采用預應力錨索加固起到“強腰”的作用。對未變形邊坡，若坡腳部位發育具有一定厚度的軟弱夾層，邊坡防治的重點為底部軟巖的壓縮變形，可采用置換、注漿加固法對軟巖進行處理，或采用深層防護措施限制上部邊坡的變形，以此保證邊坡穩定;在不存在軟巖夾層時，應查明巖體中結構面特別是軟弱結構面的分布及相互組合關系，研究結構面組合形成的塊體穩定性，采用“淺層防護+局部強支護”方案進行防護。

3.3 層狀斜向結構邊坡

層狀斜向結構邊坡的巖層傾向與坡向夾角在30°～150°之間。邊坡的穩定性隨夾角大小而變，當夾角接近90°時，穩定性最好，夾角在30°～90°之間時，穩定性隨夾角變小而變差。影響該類邊坡穩定性的因素主要有地形、巖性、結構面發育特征。該類邊坡穩定性一般較好，可能產生的變形破壞模式主要為受結構面控制的局部塊體失穩。

在存在一定規模的局部塊體時，可采用錨桿或錨索措施;若不存在局部塊體，可采用坡面防護為主的方案。無論何種層狀結構巖石邊坡，穩定性防控是首要任務，邊坡穩定后，由于缺乏植物生長基礎，所以厚層基材噴播技術是此類邊坡植被恢復的首選，基質厚度不宜小于6 cm，此外預應力錨索地梁結合植生袋或客土噴播技術等也較為常用(見圖5、6)。

4 碎裂結構邊坡類型

碎裂結構巖體主要為構造變動強烈—劇烈地區的斷層影響帶、壓碎巖帶、節理密集帶的破碎巖體等，巖體中節理裂隙密集、方向零亂，難以劃分出巖體的層狀結構，巖體結構面十分發育，巖體顯得支離破碎。可視此類結構為散體結構，但巖塊間尚存在一定的咬合力。影響此類邊坡穩定的因素主要是節理裂隙的切割密度、裂隙的充填物特性以及坡體的含水條件。

這類邊坡的穩定性差，邊坡存在滑坡的可能，防護措施上應采用主動加固措施，可采用抗滑樁+錨固+植物防護+排水的綜合治理措施;若邊坡為未變形的高陡邊坡，可采用長錨桿(或注漿錨桿)+局部錨索+植物防護+排水的綜合治理措施。對于穩定性較好、坡面存在生長空間的碎裂巖石邊坡而言，坡面植被恢復技術可選用人工栽植、三維網植被技術、客土噴播技術、厚層基材噴播技術、植生袋技術等，或是框格骨架技術與上述植物護坡技術相結合(見圖7、8)。

5 散體結構邊坡類型

散體結構巖體是指各種不同成因類型的松散堆積物及區域性斷層破碎帶等，巖體極度破碎，邊坡結構面非常密集、復雜，方向散亂且不規則，并且結構面表面比較粗糙，許多是張開裂隙，其中通常夾雜有黏土、碎屑等充填物。結構體呈顆粒狀、鱗片狀、碎屑粉狀、角礫狀以及塊狀。結構面的形成往往是在原生節理或構造節理的基礎上發生和發展起來的，結構體在力學屬性上可被視為連續介質。這類結構巖體是工程巖體中最薄弱的部位，近松散介質具有明顯的塑性或流變特征，在邊坡下部由于上覆荷載作用可使其鼓出，變形破壞類似于土質邊坡的性質，在長期經受降雨作用下，邊坡可能產生整體變形破壞，沿最大剪應力面產生圓弧形滑面形成滑坡。

對于坡體松散的邊坡，削方減載是首選。首先，應盡量降低其坡高，選擇合理坡高和坡率，以最大程度地降低發生危害的可能性。一般高邊坡要設計為臺階形，對于散體結構邊坡類型而言，每級坡高以6～8 m為宜，每級邊坡之間設2～3 m寬的卸荷平臺［4］。削坡減載是處理崩塌地質災害中經常用到的一種簡單方法，當路塹邊坡的坡度較大不利于邊坡穩定時，或邊坡風化層厚度較大，為了有效地設置防護措施，需剝除表層風化體，在堅硬的或完整的巖體上修筑整治措施時，需進行削坡處理。其次，當開挖坡率及坡高無法達到要求，坡率較陡或內部存在不穩定軟弱結構面時，坡體存在坍塌或滑坡的可能，應采用重力式擋土墻或抗滑樁+錨固+坡面排水+植物防護的組合或長錨桿(或注漿錨桿)+局部錨索+植物防護+排水。不穩定結構面的下推力較大時，應選用抗滑樁或預應力錨索樁;當下推力較小時，可選用擋土墻。坡面排水很關鍵，可截流并改變強降雨形成的水壓力，尤其是散體結構和土質結構。由于散體結構巖體松散，中等—強風化，存在植物生長條件，因此植物防護相對容易，控制好邊坡穩定性后，植物恢復技術可根據邊坡景觀恢復要求及植物特點等進行選擇，常見植物恢復技術均可應用(見圖9—12)。邊坡生態防護對策及技術的選擇在很大程度上取決于邊坡巖體結構特征、邊坡變形破壞模式和邊坡穩定性狀況，其中邊坡穩定性狀況、巖體結構特征、邊坡變形破壞模式、潛在破壞邊界特征決定了工程防護措施的選擇及工程量大小。邊坡工程防護的難易與工程量大小在一定程度上也影響到后期植被恢復的技術選型與對策，邊坡的防護對策見表1。

6 結語

高速公路巖石邊坡防護設計和技術選擇在很大程度上取決于邊坡巖體結構特征、邊坡變形破壞模式和邊坡穩定性狀況，其中邊坡穩定性狀況和潛在破壞的規模決定了工程防護的工程量大小，邊坡巖體結構特征、邊坡變形破壞模式、潛在破壞邊界特征決定了具體技術措施的種類。其中整體結構巖石邊坡、塊狀結構巖石邊坡及反向斜向層狀結構巖石邊坡，屬于整體穩定性較好的邊坡類型，防護重點視是否有軟弱結構面存在而定，若不存在，應采用植物防護為主、局部加固為輔的防護策略，對于＞75°的急陡邊坡植物防護以垂直綠化技術為主或不進行防護，對于坡度＜75°的邊坡植物防護可選擇厚層基材噴播技術及植生袋技術等;對于同向層狀結構，因結構存在整體滑動的可能，須采用深層防護為主的工程防護;對于碎裂結構、散體結構和土質邊坡以控制坡率削方減載為主，防護措施上視具體情況采用植物防護與工程防護相結合，做好排水設計。

表1 巖質邊坡的生態防護對策

研究認為，邊坡防護綜合技術應建立在邊坡穩定與環保雙重因素的基礎上，即邊坡綜合防護技術方案應包括兩個階段:第一階段為穩定性防護，主要指邊坡深層穩定性綜合防護，當然這是在邊坡存在深層穩定性問題的前提下。從主要次要矛盾的角度講，穩定是此類邊坡治理的主要目標。防護設計主要參考的技術指標多為地質學特征，如巖性、坡體結構、變形特征等，必要時需要進行坡體穩定性量化計算。此階段主要采用的防護對策為“以工程措施為主，植物防護為輔”，常見的深層防護技術有支擋技術(如擋土墻、錨桿擋墻、抗滑樁等)、錨固技術(如錨桿、錨索框架、土釘、錨索樁與立體排水結合等)、壓力注漿等。第二階段是生態防護。其實在深層防護的基礎上，邊坡穩定性問題依然存在，即淺層不穩定及坡面不穩定問題，但這兩種不穩定性大多在植物防護的可控范圍，植被對坡面的水文和機械保護效應所產生的深根錨固、淺根加筋、降低孔壓、削弱濺蝕、控制徑流的生態作用使其具備了抗蝕護坡的工程性能，因此對于淺層及坡面不穩定性，往往歸到第二階段考慮。此階段的防護重點是生態恢復問題，即如何最大程度地恢復或重建生態環境，如原有生態群落的重建、水土流失的控制、景觀植被的恢復等等。此階段主要采用的防護對策為“植物防護為主，工程防護為輔”，盡量不采用工程量大、景觀破壞程度高的一些工程防護技術，如抹面捶面、錨噴、漿砌片石等。對于巖石邊坡，由于缺乏植物生長的基礎，因此其植被恢復的重點就是人工營造一層可供植物生長且穩定性高的人工土壤層，故多采用厚層基材噴播技術。對于坡度大于75°的高陡巖石邊坡，由于坡度較大，表層土體在自重及外界因素作用下多難以在坡面固定，即使采用厚層基材噴播技術，也容易導致基材剝落或淺層失穩問題，因此對于坡度較大的巖石邊坡，僅僅采用厚層基材噴播技術后期表層失穩問題依然嚴重，可結合工程措施綜合防護，如框格技術、植生袋技術、錨噴技術等。

［1］JTG D30—2004，公路路基設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］黃潤秋，許模，胡卸文，等.復雜巖體結構精細描述及其工程應用［M］.北京:科學出版社，2004.

［3］GB 50218—94，工程巖體分級標準［S］.北京:中國計劃出版社，1994.

［4］宋桂龍，裴大偉，孟強.邊坡分類體系及其與穩定性關系探討［J］.中國水土保持科學，2010，8(z1):105 －111.

S731.8;U417.1

A

1000－0941(2012)10－0029－04

北京市首都公路發展集團科技項目“北京市高速公路巖石邊坡綠化養護技術指南實施效果評測與完善”;交通運輸部科技項目(2009353311050);國家林業局林業科學技術推廣項目(201131)

王英宇(1963—)，男，河北秦皇島市人，高級工程師，研究方向為園林景觀建造;通信作者宋桂龍(1976—)，男，河北滄州市人，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為草坪科學與管理、植被恢復理論與技術。

2012－04－15

(責任編輯 徐素霞)