一種硬質巖石邊坡生態防護裝置及應用初探

王幸，彭帥

（1．中鐵十二局集團有限公司勘測設計分公司，山西 太原 030000；2．山西路橋建設集團有限公司太原設計咨詢分公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建設中，山嶺區經常會出現大規模的路塹挖方段，隨之產生大量裸露的巖石邊坡，為了保護自然環境，同時保障行駛車輛的安全，需要對巖石邊坡進行生態防護。常用的巖石邊坡生態防護措施有主動（或被動）防護網、三維植被網、窗孔式護面墻、有機基材噴混植生和客土噴播等[1]。

然而實踐表明，當邊坡為硬質巖石時，設計坡率較陡，通常采用1:0．1～1:0．3[2]，在這種坡率下，采用現有的防護措施對巖石邊坡進行防護時，存在以下問題：一是主動（或被動）防護網只能對邊坡大塊落石進行防護，無法覆蓋裸露坡面，并不能從根本上解決巖石邊坡風化和雨水侵蝕的問題，坡面較陡時無法生長植物，生態防護效果不好；二是三維植被網施工工藝較復雜，施工速度慢[3]，且養護成本較高[4]，適用于較陡峭巖石邊坡時，聚乙烯網容易脫落，固土率明顯下降[3]；三是窗孔式護面墻與植草或植生袋防護結合一般可適用于坡率不陡于1:0．5的易風化巖石邊坡[2]，適用范圍有限，所需圬工量較大導致生態效果差，且存在需要較多人工、施工工期長、造價高的問題；四是有機基材噴混植生和客土噴播一般要求邊坡坡率不陡于1:0．75[2]，在較陡峭邊坡布置時容易造成植材的脫落，且噴播的基材厚度有限，導致基材中所種植的植物壽命短[3]。而巖石邊坡放緩不僅會增加開挖工程量、占地和不必要的費用，對周邊自然生態也會造成更大的破壞。

為了改進現有防護措施對陡坡率硬質巖石邊坡進行防護時存在的問題，本文提出了一種拼裝式生態防護裝置結構。

1 拼裝式生態防護裝置結構設計

1.1 技術方案

1．1．1 結構組成

本結構由兩部分組成即拼裝式生態防護裝置和噴灌裝置。

①拼裝式生態防護裝置

防護板單組構件由防護板主板、錨桿、綠化槽主板、綠化槽底板及支撐板構成。綠化槽主板底部固定于防護板主板的外側；綠化槽底板水平固定于綠化槽主板與防護板主板之間；支撐板固定于綠化槽主板和防護板主板之間，且支撐板的頂面與綠化槽主板頂面齊平。綠化槽主板中部設排水孔，用于排出種植營養土中多余的水分，防止水分過多影響植物的生長，同時起到透氣的作用。防護板主板下端布設排水孔，用于排出巖體邊坡坡面上的積水以及巖體自身裂隙的滲水。防護板構件由拼接件與拼接槽拼接為條狀防護板組，條狀防護板組沿巖體坡面上下拼接，用錨桿固定于巖體坡面，形成一個整體的防護裝置。結構立面示意圖見圖1，結構平面示意圖見圖2，防護板本體邊板和中板結構示意圖分別見圖3 和圖4。

圖1 結構立面示意圖

圖2 結構平面示意圖

圖3 邊板結構示意圖

圖4 中板結構示意圖

拼接件與拼接槽的結構設計便于對防護板本體采用按壓卡接的方式進行連接，安裝方便快捷，節約了安裝的人工成本與時間成本。防護板本體為不銹鋼預制件。采用不銹鋼預制構件，既方便運輸，又極大地縮短了生態防護裝置的施工工期。

②噴灌裝置

噴灌裝置包括水平設置于巖體邊坡底部的第一水管和與第一水管連通的水泵，第一水管的側壁設置有若干與其連通且沿巖體坡面傾斜放置的第二水管，每個第二水管的頂部設置有與其連通的第三水管，第三水管固定于巖體頂部的平臺處，且沿垂直于防護板主板的方向放置，第三水管的頂端設置有噴頭、底部側壁設置有閥門。

該設計方案方便對生態防護裝置內的植物進行養護，省去了人工養護的工序，降低了綠化養護所需要的人工成本。綠化槽底板的上端面設置有稻草墊，稻草墊能夠起到保護綠化槽底板的作用，同時能夠有效防止排水孔淤堵，進而增加生態防護裝置的使用年限。

1．1．2 施工工序

首先清理巖體坡面，測量放線定位錨桿鉆孔位置，根據錨桿長度及位置在巖體上沿垂直方向定點鉆孔，接著在巖體上沿坡面方向逐個拼接防護板主板，然后在鉆孔內安裝錨桿，同時注入水泥砂漿封孔。錨桿安裝完成后，在綠化槽底板上填充種植營養土，最后在種植營養土內種植適宜當地種植的植物，完成生態防護裝置的安裝。

結構圖中各序號分別代表1-巖體，2-防護板主板，3-錨桿，4-綠化槽主板，5-綠化槽底板，6-支撐板，7-排水孔，8-排水孔I，9-第三水管，10-噴頭，11-拼接件，12-拼接槽，13-錨桿孔。

1.2 拼裝式生態防護裝置設計計算

根據邊坡地質條件勘察報告，評估拼裝式生態防護裝置的適用性。本文論述的結構形式可適用于設計坡率較陡的硬質巖石邊坡。通過計算錨桿的軸向抗拉承載力與錨桿軸向拉力設計值并做比較?？估χ饕怯慑^固體與巖石孔壁間粘結力、砂漿與鋼筋間粘結力及鋼筋自身的抗拉強度提供，錨桿軸向拉力主要是由防護裝置自重引起。

1．2．1 錨桿軸向拉力設計值計算

單根錨桿軸向拉力設計值為T，單塊防護板的重力為G，邊坡與水平面的的夾角為θ。可以按照下式（1）計算求得單根錨桿軸向拉力設計值：

1．2．2 錨桿抗拉力計算[2]

錨桿采用高強度精軋螺紋鋼筋，錨固體與巖石孔壁間的粘結強度設計值見表1，鋼筋與砂漿間的粘結強度設計值見表2。度也大于錨固體與巖石間的粘結強度。由此，錨桿的破壞或拔出主要是錨固體與巖石之間的強度破壞產生的拔出[5]。由于錨桿抗拉承載力Nt大于錨桿軸向拉力設計值T，因此防護板穩定。

表1 巖石與錨固體極限粘結強度設計值

表2 鋼筋與砂漿之間粘結強度設計值

2 拼裝式生態防護裝置結構設計的工程實例

按照下式計算錨桿抗拉承載力：

式中：Nr為錨固體與巖石孔壁間粘結力，kN；Nb為砂漿與鋼筋間粘結力，kN；Ng為鋼筋自身的抗拉強度，kN；Nt為錨桿軸向抗拉承載力，kN；la為錨固段長度，mm；K為安全系數，考慮到防護板對邊坡進行整體防護以及群錨作用，選取安全系數為1．8；D 為錨固體直徑，mm；d為單根鋼筋直徑，mm；fr為錨固體與巖石孔壁間的粘結強度設計值；fb為砂漿與鋼筋間的粘結強度設計值。

本次計算邊坡巖體按照堅硬巖考慮，錨固體與孔壁間的粘結強度設計值取1800kPa。錨固體與鋼筋間的粘結強度設計值取2．4MPa。

通過計算表明，水泥砂漿與鋼筋之間的粘結強度設計值遠大于錨固體與巖石間的粘結強度，且鋼筋的自身抗拉強

某山區旅游公路工程項目是該地區人文自然風光旅游園區的快速通道，路線全長8．6km。項目全線采用三級公路技術標準，設計速度為40km/h，路基寬度為8．5m。項目所處山嶺重丘區，地形復雜，地勢陡峭，植被茂密，沿線均為完整性較好的硬質石灰巖。由于傍山臨崖路段較多，因此路基多為挖方，導致出現大段落的路塹邊坡，破壞了原有植被，產生大量裸露的巖石邊坡。而旅游景區要求所有裸露的邊坡都應有綠化覆蓋，因此在初步設計階段，考慮路塹邊坡植物生長需求，設計采用1:0．5的挖方邊坡坡率和三維植被網結合的防護方案。而1:0．5 的坡率無疑會增加大量的挖方工程數量和林地占用數量，會對景區造成大規模的生態破壞。因此在施工圖設計階段，按照“綠色公路”理念，對邊坡防護方案進行了優化設計，結合地勘報告中地質特點，征求景區意見并經專家論證同意后，采用1:0．3的挖方邊坡坡率和拼裝式生態防護裝置結合，將此裝置應用到該項目的邊坡防護工程和綠化工程設計中。

本工程K2+317～K3+860 段右側挖方邊坡，設計坡率為1：0．3，在該段采用了該拼裝式生態防護裝置進行綠化防護。在工程設計時，計算出防護板尺寸及錨桿尺寸，項目開工后根據圖紙提前預制。預制構件主要尺寸如下：錨桿采用Φ20mm 螺紋鋼筋，長1000mm；防護板主板尺寸為2000mm×2000mm；綠化槽深400mm，底寬250mm，其主板與防護板主板夾角為40°，尺寸為2000mm×1600mm，底板尺寸為2000mm×500mm，支撐板尺寸為1600mm×1090mm×1526mm；不銹鋼板厚度均為10mm。排水孔直徑為30mm。第一水管采用內徑為40mm 的鍍鋅管，第二水管采用內徑為35cm 的PVC 管，第三水管采用內徑為20mm 的PVC 水管。拼接件中圓板部分的半徑為20mm，條形板部分的長度為40mm，寬度為20mm。在邊坡成型清理巖體坡面后，根據錨桿長度及位置在巖體上沿垂直方向定點鉆孔，接著在巖體上沿坡面方向逐個拼接防護板主板，然后在鉆孔內安裝錨桿，錨桿安裝同時注入水泥砂漿封孔，然后在綠化槽底板上填充種植營養土，種植冬青衛矛和紫穗槐植物。安裝噴灌裝置后進行預噴水實驗，確保噴灑面均勻無死角，并對無法使用的構件及時更換，最終完成生態防護裝置的安裝。

該邊坡防護設計和施工過程井然有序，施工進度滿足施工組織設計要求，綠化效果滿足綠化系統設計要求，綠化和防護工程費用較初步設計減少41%，工期縮短25%，對比如表3所示。

表3 施工圖設計與初步設計坡面防護工程數量及費用對比表

3 結語

從我國基礎建設發展規劃來看，綠色環保、高速高效、保質節約是公路工程建設的發展趨勢。本文通過總結以往巖石邊坡生態防護設計、施工及運營過程中存在的問題，提出了一種拼裝式生態防護裝置。該裝置實現了較陡峭巖石邊坡既能綠色美觀，又能防止裸露巖體被風化侵蝕的目的，具有生態防護效果好、使用壽命長、安裝方便快捷和經濟節能等優點。通過工程實踐證明本邊坡防護結構設計及施工工藝切實可行，為陡坡率硬質巖石邊坡生態防護設計提供一種新思路、新方法。