三维排水柔性生态边坡工程系统在高铁中的应用

摘要：介绍了三维排水柔性生态边坡工程系统的组成以及在高速铁路高路堤边坡中的施工技术，进而说明三维排水生态边坡工程系统在保护生态环境、提高劳动效率等方面有良好的应用前景。

关键词：三维排水柔性生态边坡工程系统，高铁，边坡

中图分类号：S891+.5 文献标识码：A 文章编号：

在节约资源、保护环境的前提下促进国民经济的快速发展，已经成为党和国家及各级政府的最新课题。近年来，新工艺，新材料的出现为水土保持工程的建设提供了好的建设机遇，如土工合成材料的运用是工程界的一次新的技术革命。三维排水柔性生态边坡工程系统（以下简称三维生态护坡）是目前世界上唯一在边坡、挡土墙建设等领域采用软体环保材料取代高能耗、高污染的钢筋、水泥、石块等硬体材料建造边坡的工程系统，并可在施工前、中或后期根据需要进行生态植被修复，所以又被称之为集生态、环保、节能、柔性结构四位一体的工程防护系统。

1 何谓边坡生态防护

边坡生态防护即边坡植被，主要是靠植物根茎与土壤间的附着力以及根茎问的互相缠绕来达到加固边坡、提高坡表抗冲刷的能力。以往铁路路基边坡防护通常采用单纯的工程防护，如浆(干)砌片石、喷锚防护等，这些工程措施都将导致原有植被破坏、水土流失、滑坡、边坡失稳等一系列生态环境和工程问题。选用边坡生态防护不仅可以涵养水源，减少水土流失，而且还可以净化空气，保护生态，美化环境，保证行车安全。

2 三维生态护坡的系统组成

三维生态护坡是采用环保软体材料取代高耗能、高污染的钢筋、水泥、石块等传统硬体材料来建造边坡。其结构是采用“三角内摩擦紧锁结构+三维排水+植被根系”构建的复合稳定的生态边坡。时间越长，植物的根系同既有边坡变得越牢固，从而构筑永久稳定性边坡。

2.1生态袋

生态袋是三维生态护坡工程系统的重要组成部分，具有目标性透水不透土的过滤功能，既能防止生态袋内填充物的流失，又可以实现水分在土壤中的正常交流，生态袋本身设有垂直孔洞和通道凹槽能使边坡体内的渗水迅速排泄从而减小边坡的静水压力，消除渗水对边坡的破坏，为绿色植被提供一种理想的种植块。生态袋具有过滤功能，在允许水通过时，可以防止颗粒渗透，透水不透土，是水土保持的关键特性。生态袋同时具有抗紫外线、抗老化、无毒、不助燃、裂口不延伸的特点，不会因袋体开裂等给日常的养护维修工作带来不便。

2.2三维排水连接扣

三维排水连接扣将同一力学数学模型下设计的抗紫外线生态袋相互连接，形成稳定的三角内摩擦紧锁结构，优化设计的倒钩棘爪结构，最大限度的将生态袋问紧密相连。其上下面棘爪数量的分配和位置使集中应力合理分散。双向通道凹槽和垂直孔洞组合成相互交错的非流线形凸肋，加大了三维排水连接扣表面与生态袋之问的摩擦力，其网孔状结构使得连接部位刚柔并济，倒钩棘爪始终与袋体保持垂直紧贴，充分发挥其柔性结构的受力特点。三维排水连接扣的特殊功能设计是柔性边坡结构稳定的必需条件。

2.3扎口带

扎口带在施工中起到将已装满填充物的生态袋扎紧袋口的作用。扎带小巧，使用方便快捷，更重要的是它具有抗紫外线及抗拉性强的特点。其强度、长度、宽度、结头尺寸扣等参数还充分考虑了袋口的缩紧拉力和人体工程学中人的发力特点和握拔力的大小，所以在使用当中，其施工时拉断、使用后自断的可能性很小，从而保证每个填充袋体的完整性和有效性。对保证工程的安全稳定性起到了绝对不容忽视的作用。

2.4土工格栅

在回填土边坡时，排水连接扣把土工格栅和生态袋进行连接，对工程的坚固和稳定起到重要作用。

3 三维生态护坡的优势

三维生态护坡具有施工技术简单、工期短、造价低、工程量小、防护效果好等特点，不仅解决了传统刚结构无法解决的工程难题，而且满足人们保护生态环境的要求。

3.1环境景观效果好

三维排水柔性生态边坡施工时不会产生建筑垃圾和施工噪声，并且选择多种植被，有利于将边坡环境迅速还原到自然状态。有些铁路工程需要穿越人群密集区，选用三维生态护坡不仅不会因施工对周围居民的生活造成干扰，而且自然植被能够吸收汽车排放的尾气，净化空气，美化城市环境。

3．2 施工简单，便于维修养护

三维排水柔性生态边坡施工在施工技术指南和技术人员的指导下，没有任何边坡建设技术经验的男女劳动力均可参加施工，解决了大量剩余劳动力就业的问题。施工跨界方便，不需要进行“三通一平”，材料搬运轻便。随着铁路“天窗”维修时间的缩短和大型机械的使用，人工养护维修的时间越来越少，三维排水柔性生态边坡可大量减少建成后的人工养护工作。

3．3 工程效果好

三维排水柔性生态边坡采用三角内摩擦紧缩机构，整体受力具有科学的稳定性，对外界冲击力有吸能缓冲作用，抗震性能也是传统护坡无法比拟的。施工过程中不需要对基础进行工程处理，对不均匀坡体的适应性是本系统的特点之一，同时结构不会产生温度应力，无需设置温度缝。另外结构面通过植被发达的根系与坡体结合成一个同质整体，使人工护坡和原自然边坡间不会产生分离、坍塌等现象，并且随着时间的延续，日趋强壮的植物根系使边坡结构的稳定性及牢固性更强，因此它是自然的，有生命的永久生态工程。

4.工程实例

4.1 工程概况

中交一公局湘桂铁路扩改工程柳南段Ⅱ标第二项目部位于广西壮族自治区来宾市境内，第二项目部施工正线里程范围为DK610+126～DK637+100，全长26.974km。由于沿线地形比较复杂，设计中不可避免地采取了大量的高路堤边坡，需要采取一定的工程措施加强高路堤边坡防护。

工程范围DK629+540～DK630+250、DK630+340～DK630+800路基右侧（邻柳南高速公路一侧），共长1170米。面积约13547平方米。

4.2 施工过程准备

4.2.1主要材料

三维排水柔性生态边坡的主要材料是生态袋、扎口带及满足多向排水功能与强度要求的网肋型三维排水联结扣等。材料进场前进行原材料的品质试验，均合格。

每平米所需材料如下表：

还有阻水膜、上半部带孔的PVC排水管、土工布。

4.2．2 施工设备

夯实机械、铁铲、洋镐、卷尺、水平管、标线、夯锤、槽钢拍板等工具。

4.2．3 施工场地

对边坡测量放线，检查坡脚基础状况：基础承载力要求不应低于140 kPa，对不满足地基承载力要求的应进行碎石砂土换填处理。

1)清除坡面杂物，石块，表面松散土层进行人工配合机械夯实，对边坡凸起不平顺处可进行削坡处理。

2)进行起坡边线和高程的放样，做到放样准确，打好边线桩。

3)根据设计边坡制作木制可移动坡架，随时进行校核。

4.3 施工注意事项及质量要求

4.3.1原材料要求

（1）生态袋：以聚丙烯（PP纤维）为主要原料，采用无纺针刺、经单面点状烧结和表面起绒工艺制成。袋体材料需满足以下条件:不含对环境有危害性影响的联苯胺等23种禁用的可分解芳香胺成分；具有抗紫外线、抗酸碱、透水保土等功能；且为有利于生态袋布界面上的草和其他植物的生长，植物根茎能自由穿透袋体，生态袋布的单位质量不得大于130g/m2，等效孔径O95>0.16mm，其力学参数：纵向断裂强度≥4.5kN/m、横向断裂强度≥4.5kN/m、CBR顶破强力≥800N；生态袋布应有足够的抗冲刷强度，袋体装满砂在水槽水流速大于3.8米/秒连续冲刷24小时后，生态袋布的拉伸强度（即断裂强度）不得降低。生态袋

（2）三维排水联结扣

A、三维排水联结扣的外形尺寸（mm）：长306、宽83、高56,质量为47±3g。

B、三维排水联结扣基板上下面必须有具备倒钩特性的棘爪尖锥，尖锥高度不小于25mm，单个尖锥抗剪切力≥360N，单个尖锥抗剪切力和联结扣的质量之比≥7N/g，尖锥总数不少于12个，按力学要求科学合理分布，任意两个尖锥均不在同一剪切破坏轨迹上，基板上下面的尖锥其棘爪方向互为垂直，最大限度的发挥每个棘爪尖锥的力学功能。 三维排水联接扣

C、满足多向排水及植物根系生长的要求。基板上的垂直孔洞不少于33个，每个孔洞直径大于φ16mm，且孔洞透水面积大于基板面积的1/3。三维排水联结扣的双向凹槽和垂直孔洞组合成相互交错的非线性凸肋结构，与科学合理分布的带棘爪的尖锥形成内磨擦紧锁结构，以满足结构安全稳定的要求。三维排水联结扣基板上下面与生态袋（袋内装中粗砂时）表面间的静摩擦系数≥1.3。

D、三维排水联结扣沿长向弯曲成"○"形、停留10分钟不得出现破损；联结扣绕长向轴扭转90°，停留10分钟不得出现破损。

（3）生态袋的缝袋线、扎口带必须是黑色且具有抗紫外线性能。扎口带具有单向自锁结构功能。

4.3.2后边坡与生态袋之间回填土的要求

回填土一般应采用基槽中挖出的土，但不得含有有机杂质。若含有机杂质过多，使用前应过筛，其粒径不大于50mm，含水率应符合规定（一般为16%左右）。夯实一般靠近生态环境工程系统部分采用人工夯实的方法，一般采用木夯，每层夯实厚度不大于20cm，夯实度应达到85%。如果后侧回填土较宽，距生态环境工程系统30cm以外的部分可以采用机械夯实，单层夯实厚度应不大于30cm，夯实系数应达到94%。

4.3.3生态袋表面种植要求

生态袋安装完成后，应进快对生态袋表面进行种植，使植物尽快覆盖在生态袋表面，减少因为紫外线照射而影响生态袋的工程强度和寿命。当绿化施工受限，生态袋暴露时间不应大于10天，否则应使用覆盖物或撒土对生态袋表面进行覆盖。

4.3.4生态袋应错缝垒砌。

（1）码放时生态袋间留出3-5cm空隙，以保证压实后的生态袋袋尾与袋头相接，但不产生搭接；并应保证码放后的生态袋外侧平顺、圆滑；

（2）生态袋长边轧线一侧向内码放；

（3）每层码放后的生态袋，要进行人工夯实并控制生态袋厚度为14-15cm；

4.3.5生态袋内应填装种植土，土质不好时应加入化肥（最下一层装填碎石）。

4.3.6喷播植草

植被种类 草本：草熟禾、黑麦草、狗牙根；木本：银合欢、山毛豆采用喷播。

4.3.7生态袋封口要求

（1）生态袋的封装有两种基本形式：手提缝纫机封口和绑扎封口。生态袋封口应距离袋口3～5cm处。

（2）推荐用手提缝纫机封口，因为使用手提缝纫机封口的生态袋形状及尺寸比较平整规则，能最大限度的保证施工效果及节约生态袋用量，封口要求整齐紧密，外露线头不小于5cm。

亦可采用绑扎封口，须使用专用的扎扣，应集中袋口后绑扎并尽力拉紧扎带扣，扎带封口后应距袋口10cm处。

4.4 施工工艺方法

4.4.1施工工艺控制

三维排水生态护坡施工程序严格按施工工艺流程图控制，确保施工质量。

施工工艺流程图

4.4.2施工过程控制

（1）路堤分段成型后，安排人工按照设计边坡坡率挂线清刷修整边坡、拍实，使坡面平整。

（2）边坡清理完成后对其进行放线，底部一层在脚墙背后清土垫一层袋体。

（3）边坡刷完后，报监理工程师检查合格后，方可进行垒砌施工。

（4）路基上的种植土晚上用帐篷覆盖，以免突降雨水浸泡。

（5）肥料即用即拌，拌合均匀后，装袋备用。

（6）对边坡不实之处，垒砌前先进行人工夯实。以免雨水渗入，边坡整体下滑，边坡整体下拉坍塌。

（7）施工中可选取50 m每段，分段施工，避免人工刷坡完后未及时垒砌，雨水冲毁边坡。

（8）设置渗水管，梅花形布置，单根管长0．8 m，路肩处在袋体上铺设一层防渗膜，防止雨水渗入。在坡顶设置混凝土刚性压脚，保证整体边坡稳定。

（9）三维柔性护坡，不设置沉降缝，施工完后，将袋上土体清理，整体效果保证平顺，路基弯曲处，保证圆滑过渡。

4.5 施工质量控制

（1）装袋要求。满：袋体填充饱满，这是保证质量的关键，切实抓实。袋体外标签为装土标准。实：装袋填充土料要装的密实，装袋时每装三分之一要墩实。紧：扎口要紧，确保在现场搬运和垒砌时不松扎口。

（2）原材料质量：材料从正规厂家购买，附有质量合格证，并抽检做试验，合格后方可使用。对于种植土，要保证沙土效果最好。

（3）垒砌过程中要保证连接扣的连接效果，每个连接扣连接相邻两个袋体和上层袋体中央。切忌为省时省力，将连接扣埋入袋后土中。

（4）垒砌过程中要控制袋与袋之间的挤密效果，保证袋与袋中间不得留有间隙，并夯实，有棱有角。

正在施工中的三维排水柔性生态边坡系统

5 结语

三维生态护坡工程系统是建立在成熟的科学理论基础上的一种高级形态的结构体系。材料组件的选用和设计是在同一力学、数学模型下进行的，其间充分考虑了环境特点与工程特点，组件间彼此契合为有机稳定的整体系统，成为严谨的、独特的工程结构体系。组件的参数与系统的系数是根据柔性工程理论科学选配的结果，组件内在的严谨性和特有的彼此对应性远远超出其他构造体与类似柔性材料构件体。

本项目通过对已经完成的三维生态护坡工点的观测，发现加固后的路基边坡不仅质量稳定，而且风景景观效果良好。通过施工工期比较发现进度较快，具有不错的工程质量效果和经济效益。

参考文献

[1] 铁建设[2010]241号，高速铁路路基工程施工技术指南

[2] 铁建设[2005]140号，新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定

[3] 胡正清．包西铁路滑坡治理[J]．山西建筑，2010，36(6)

作者简介：

张毅 男1982.8学士助理工程师