炭質巖邊坡植被混凝土護坡技術分析

徐龍旺 管東銀 駱俊暉

炭質巖具有軟化性、膨脹性、環境敏感性、崩解性等工程特性。文章以河池至百色高速公路工程為例，闡述了炭質巖邊坡破壞模式，提出了植被混凝土護坡綠化技術，并采用有限元強度折減法分析了該炭質巖生態護坡加固前后的穩定性。

炭質巖;破壞模式;穩定性;植被混凝土;邊坡綠化

U416.1+4-A-01-001-3

0?引言

炭質巖是一種含大量分散炭化有機質的巖石，具有軟化性、膨脹性、環境敏感性、崩解性等特殊工程特性，因此炭質巖邊坡的破壞模式與傳統邊坡不盡相同[1]。

邊坡生態護坡技術需要同時兼顧“穩定”及“綠化”兩個方面，同時還要考慮經濟性與合理性。傳統邊坡生態護坡方式有[2]：噴錨+客土噴播、格構梁+生態袋等。然而，炭質巖邊坡開挖暴露后，巖體具有強烈的風化崩解、遇水軟化的特征，需要及時對炭質巖邊坡進行封閉，以防止雨水沖刷及濕空氣入侵，同時，炭質巖具有pH酸性物質，應選取合適的耐酸性植被進行綠化。

炭質巖屬于軟弱巖，具有蠕變特性。由于炭質巖有較強烈的風化崩解性、遇水軟化性，因此炭質巖邊坡穩定性差，易導致滑坡崩塌等地質災害。由于炭質巖含有酸性物質，較難種植草木，采用傳統的噴射混凝土支護不能取得綠化的效果。對此，采用一定摻量的水泥、基質土與黃花槐種子（即植被混凝土）均勻混合噴射到工程坡面上，形成一層10 cm的人工基質，穩定地附著在坡面上，植物能在此基質正常生長，可以3個月內出芽，6個月覆蓋率達80%，不僅能綠化，還能對邊坡起到固坡作用[3]。

1?依托工程

河池至百色高速公路是《國家高速公路網規劃》中的“第十七條橫線”汕頭至昆明高速公路中重要的一段，同時也是《廣西高速公路網規劃》中規劃的“四縱六橫”高速公路主骨架網中的“賀州（靈峰）至隆林（板壩）高速公路（橫3）”中的一段。

1.1?炭質巖邊坡工程地質背景及巖性

河百路地處云貴高原臺地東部邊緣，總體地勢西北高、東南低。路線大致呈北東～南西走向，沿線地形起伏較大，地形復雜，沿線最高點海拔高程為912.0 m（岜翁隧道K27+400左側山頂），最低點海拔高程約為279.0 m（刁江河漫灘）。主要地貌類型有剝蝕低山丘陵地貌、巖溶峰叢洼地地貌兩種，部分地段為河流峽谷及河流階地堆積地貌。

1.2?炭質巖邊坡地質構造

河百路路基位于岜向屯下部的山坡山腳沖溝位置，屬剝蝕低山丘陵地貌。覆蓋層為黃、褐、灰色粉質黏土，軟～可塑狀，土質不均勻，干強度及韌性中等，局部含礫石、碎石，厚度為3.00～5.50 m;以下為石炭系下統（C1）強-中風化頁巖，黑灰色，泥質結構，頁理狀構造，巖質軟，遇水易軟化，裂隙發育，巖芯呈碎塊狀、砂狀，局部夾中風化灰巖。巖層整體產狀為46°∠23°，屬切層順向，對邊坡穩定不利。邊坡目前自然穩定，若受外界開挖擾動，則極易誘發覆蓋層順巖土界面的淺層滑動，對邊坡頂部造成安全威脅，同時炭質巖邊坡植被覆蓋不均勻，含炭質巖處的邊坡寸草不生，綠化效果極差。

2?炭質巖邊坡綠化護坡技術

邊坡綠化護坡技術首先需要考慮邊坡穩定性，根據巖體特點以及邊坡破壞模式采取相應支護形式，隨后是植物選型、基質配比及綠化效果分析。

2.1?炭質巖邊坡的破壞模式

炭質巖邊坡破壞模式主要分為沿巖土界面順向滑動以及巖體崩解引起的塌方兩種。其機理主要都是由炭質巖自身的物理力學性質引起的[4]。

順向滑動主要是邊坡開挖后上部松散覆蓋層沿巖土界面產生的滑動變形，這是因為邊坡開挖過程中，地下水在徑流過程中，由于巖土層透水性差和炭質巖遇水崩解、軟化的特點，在交界面形成軟弱夾層，在自身荷載和外力作用下沿巖土界面向下滑動。這種類型的破壞，滑動影響范圍往往很大，遠者可達數百米。

塌方多發生坡面表層巖體破壞，多為邊坡開挖后坡面巖體因自身遇水崩解、軟化，支撐結構變化而產生巖體剝落、塌方等災害，影響現場施工和運營。

為了使炭質巖邊坡安全穩定，必須對邊坡進行護坡作業。

2.2?炭質巖邊坡綠化

項目開始時邊坡采用噴射混凝土護坡，但由于噴射混凝土之前，炭質巖表面發生崩解，泥化使其產生一層薄薄的泥膜，混凝土與巖體不能充分結合成整體，使混凝土層產生裂縫，整體位移，支護效果不佳[5]。

邊坡綠化技術通過植被種植的方式，來達到對邊坡的有效防護，起到穩定邊坡的作用。植物根系深入到巖土中，形成錨固作用，固土護坡，減輕降雨和地面徑流對坡面的侵蝕，隨著時間增長，根系進一步生長，錨固作用還會加強。大量的植被覆蓋可以有效地攔截雨水，降低雨水對邊坡的沖擊力，保持水土，降低滑坡、泥石流等次生災害的發生。邊坡的綠化技術還可以有效地緊縛周圍巖體以提高邊坡的穩定性[6]。

炭質巖風化崩解快，早期需要進行支護防止其塌方。炭質巖pH值較低，呈酸性，植物難于生長，必須覆蓋一層客土。傳統的客土噴播或格構梁+生態袋均有其局限性，根系不能很好地深入巖體中，而只是懸在巖石的上面，施工覆蓋層將隨著養分的消失而逐漸枯死、剝落，后期需要大量養護投入。

通過基質+適量的混凝土+鄉土草灌喬種配置的植被混凝土在巖質邊坡和支護中能夠為植物提供良好的生存環境，從而解決巖石邊坡植物無法生長的問題。為了確保炭質巖邊坡四季常綠，采用草灌喬種子按一定比例配置，主要有耐酸性的黃花槐、狗牙根等。不同時期靠不同植被綠化支護，前期靠草綠化并起錨固作用，而后隨著灌喬生長最終形成喬灌草多種植物生長的生態群落。

2.3?植被混凝土

噴射植被混凝土是一項新型的混合材料，在為植被提供生長的自然條件的同時起到一定的護坡作用。其是由多種功能材料組成的植物生長基質，是植物出苗的載體，也是植物生長發育的肥源和水分的直接供體。將膠結材料、植生基材、添加劑與植物種子均勻混合噴射到邊坡坡面，會形成植物生長的基層，該基層需要有一定強度、不龜裂、抗沖刷、能穩定附著在坡面上，為植物生長提供附著點，不阻礙植被生長，同時對邊坡起到一定的支護作用。其綠化施工流程如圖1所示[7]。

修整坡面：對坡面進行平整，清掃坡面的碎石和雜物，對于施工機械留下的油污要清理干凈。

修砌排水溝：根據現場實際情況，合理修砌排水溝，保證大降雨時排水的順暢。

打錨桿、掛網：鋪設坡面結構網與在巖體上打入錨桿結合成整體，可以保證在植物生長前的坡體穩定。

噴射植被混凝土：在炭質巖表面覆蓋一定厚度的植被混凝土（將膠結材料、植生基材、添加劑與植物種子均勻混合），可以減輕炭質巖的崩解，對坡面起護坡作用，并為植物生長提供附著點和養分。

養護：蓋上無紡布，維持濕度，適當進行澆水，防止缺水，避免植物不能生長。

通過在炭質巖表面覆蓋植被混凝土，邊坡綠化取得良好的效果，1年綠，2年密，3年林，有效固結水土，錨固巖體。

3?炭質巖生態護坡穩定性研究

3.1?強度折減法

有限元強度折減法在邊坡工程中已經得到了較為廣泛的應用，大量算例證明該方法能夠簡單、有效地確定邊坡安全系數和滑動面。強度折減法通過不斷降低邊坡巖土體抗剪切強度使其達到極限破壞狀態，從而得到邊坡的強度儲備安全系數FOS。極限平衡法中給出的穩定安全系數在概念上是一致的。強度折減法的優點在于不需要事先假定滑動面，就可以通過計算獲得邊坡的抗滑穩定系數和邊坡各單元的應力和位移情況[8-9]。

折減后的抗減強度參數可分別表達為：

c′=cF（1）

tanφ′=tanφF （2）

式中，c和c′為巖土體折減前后的粘聚力;φ 和φ′是巖土體折減前后的內摩擦角;F是強度折減系數[10]。

在計算過程中，當達到臨界破環時的強度折減系數就是邊坡穩定安全系數。目前判斷邊坡達到臨界破環的標準主要有以下有幾種：

（1）以坡頂、坡腳特征點的位移的變化作為邊坡失穩的依據;

（2）把廣義塑性應變或者等效塑性應變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標志;

（3）把有限元計算不收斂作為邊坡失穩判據。

這里筆者選擇第3種，通過Midas軟件計算，當計算不收斂時，即為失穩狀態[11]。

3.2?炭質巖生態護坡加固前后穩定性分析

采用Midas gts[1]有限元軟件對河池至百色高速公路K16+300炭質巖邊坡建立天然路塹邊坡三維模型（見圖2），模型長200 m，寬80 m，高124 m。邊坡兩側為水平約束邊界，底部約束為底部支撐約束。

其中巖體參數如表1所示。

混凝土[11-12]的水泥摻入量應適合植物根系生長，混凝土厚度為10 cm，根系為50 cm。在植被生長過程中邊坡表面巖體強度逐漸提高，能夠抵御雨水沖刷，根系錨固巖體，巖體參數發生改變，如表2和圖3所示。

圖3結果表明：對天然炭質巖邊坡進行植被混凝土綠化防護，邊坡穩定系數大幅提高，還可以抗沖刷，防止雨水滲入，保持水土平衡，起到加筋加固邊坡穩定性以及護坡的作用[13]。

4?結語

（1）炭質巖具有軟化性、膨脹性、環境敏感性、崩解性等工程特性，同時pH偏低，呈酸性，植物較難生長。

（2）按照有無殘積土覆蓋層，炭質巖邊坡破壞模式可分為兩類：沿巖土界面順向滑動和巖體剝落崩解引起的塌方。

（3）植被混凝土護坡綠化是將一定摻量的水泥、生植土、混凝土添加劑、腐殖質等與植綠種子均勻混合噴射到工程坡面，形成一層人工基質。

（4）建立路塹邊坡三維模型，考慮水影響，可知植被混凝土護坡技術能在一定程度上防止滑坡，用根系發達的偏酸性植被能對炭質巖邊坡起到加固作用。

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