高速公路不同结构岩石边坡生态防护对策与植被恢复技术选择

王英宇，宋桂龙，韩烈保，孟 强

(1.北京市京石园林绿化有限公司，北京 102600;2.北京林业大学草坪研究所，北京 100083;3.交通部 公路科学研究院，北京 100088)

高速公路不同结构岩石边坡生态防护对策与植被恢复技术选择

王英宇1，宋桂龙2，韩烈保2，孟 强3

(1.北京市京石园林绿化有限公司，北京 102600;2.北京林业大学草坪研究所，北京 100083;3.交通部 公路科学研究院，北京 100088)

高速公路;岩石边坡;生态防护;植被恢复技术

岩石边坡按照岩体结构分为5种类型，即整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。在分析每一类岩石边坡特点的基础上，针对性地提出了5类岩石边坡生态防护对策与植被恢复技术选择方案。其中，整体结构岩石边坡、块状结构岩石边坡及反向斜向层状结构岩石边坡属于整体稳定性较好的边坡类型，防护重点视是否有软弱结构面存在而定，若不存在，应采用植物防护为主、局部加固为辅的防护策略，对于＞75°的急陡边坡植物防护以垂直绿化技术为主或不进行防护，对于坡度＜75°的边坡植物防护可选择厚层基材喷播技术及生态袋技术等;对于同向层状结构，因存在整体滑动的可能，须采用深层防护为主的工程防护;对于碎裂结构、散体结构应以控制坡率削方减载为主，防护措施上视具体情况采用植物防护与工程防护相结合，做好排水设计。

不同类型边坡的综合防护应首先确定边坡的类型，特别是要确定是土质边坡还是岩质边坡，如果是岩质边坡应确定其岩体结构类型，其次是确定边坡的高度、坡率等。一般而言，土质边坡较岩质边坡容易恢复植被，但有些土质边坡耕植土少，肥力不足，属于贫瘠土坡，对于这类土质边坡直接在其坡面种植植物也是困难的，应采用工程的方法在坡面移植客土。对于岩质边坡，按照岩体结构进行分类，国标《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)中将岩体结构类型划分为整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构和散体状结构五大类［1］:整体结构、层状和大块状结构的硬质岩边坡，由于岩体完整性好、节理裂隙不发育，其坡面完全没有耕植土，植物根系难以扎根，因此只能采取工程措施在其表面移植并固定客土;而对于完整性差、节理发育、风化严重的碎裂结构和散体结构，则要先对边坡进行加固防护措施，再进行植被恢复工程，如采用挂网喷播、人工栽植等，也可采用客土喷播。总之，不同类型的边坡，要先确定其类型及稳定性，在实施必要的加固工程实现边坡的稳定后，再实施植被恢复工程。下面就高速公路不同类型岩石边坡生态防护设计对策与技术选择进行分析。

1 整体结构边坡类型

整体结构边坡岩体结构呈完整状态或巨型块体，主要由轻微的厚层沉积岩(即水平及缓倾斜岩层)、大型岩浆岩体以及火山岩组成。岩体的结构面以原生构造节理为主，结构面一般呈闭合状，很少张开，无泥质充填，结构面很少相互交切，无危险结构面组成的危险掉块。一般岩石坚硬，岩性单一或由强度相近的岩石所组合，岩体完整，整体强度高，岩体稳定，由于遭受构造变动的作用轻微，岩层的变形与破裂不明显，因此可视为均质弹性各向同性体。岩层呈水平或缓倾，节理不发育，以大角度的X型剪切节理为主，节理组数少，贯通性差，同时发育有层面、层理和隐微裂隙［2］。

基于以上特征，此类结构的边坡岩体可以认为是均质的、连续的介质，岩体的整体强度高，变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，所以这类岩体具有良好的工程地质性质。对于稳定性好的整体结构边坡一般可不做工程防护，同时还可作为原始地貌特征加以保留，在景观效果上更加突出生态环保;对于有失稳可能的局部一般可做局部锚固处理，同时做好边坡排水。整体结构边坡的植物防护可选用藤本植物下爬上垂(见图1、图2)，或选用厚层基材喷播防护技术。

图1 高速公路边坡复绿工程垂直绿化施工断面示意

2 块状结构边坡类型

图2 整体结构岩石边坡垂直绿化

块状结构岩石边坡一般是由块状岩浆岩或巨厚层沉积岩组成的边坡，岩体呈块状、厚层状，结构面不发育，多为刚性结构面，贯穿性软弱结构面少见。岩体一般弱风化较完整，结构面轻度发育，以原生构造节理为主，发育少量贯穿性较好的节理裂隙，结构面多呈闭合状，胶结程度高。边坡稳定条件好，易形成高陡边坡，岩石强度高，完整性好，岩体的不均一性和各向异性不太突出。影响该类边坡稳定性的主要因素包括软弱结构面的发育及其组合特征、节理裂隙发育特征、岩体风化特征。坚硬岩体在软弱结构面切割下形成块状结构岩体，其基本破坏方式为块状体沿一组软弱结构面或两组软弱结构面构成的交线滑移，其运动严格受软弱结构面及其组合特征控制，其力学作用也主要受软弱结构面控制［2］，这些软弱结构面往往对工程边坡的稳定性起到控制作用。因此，在岩体稳定分析时，重点应放在软弱结构面的特性及其空间分布的研究上。边坡主要变形破坏模式为受结构面组合控制的崩塌或块体失稳。

若边坡存在由软弱结构面组合形成的规模较大的潜在不稳定块体，则应采用深层防护方案;不存在不利结构面组合，边坡稳定性较好时，可采用浅层防护或以坡面防护为主的支护方案;若块体数量多且失稳后果严重，应采用锚杆框架进行防护或采用柔性防护网防止浅表层局部小块楔形体掉块。边坡稳定后的植被恢复以厚层基材喷播技术为主，也可以选择预应力锚索框架或混凝土框格结合客土喷播或生态袋技术等进行植物绿化(见图3—5)。对于高陡边坡可选用垂直绿化技术。

3 层状结构边坡类型

层状结构岩体主要由沉积岩及变质岩中具片理、板理的板裂状岩组构成，岩性与组合都十分复杂，构成的边坡也因岩性差异、组合的不同以及产状与边坡的相互关系而呈多种类型，既形成高陡边坡，也形成低丘缓坡。层状岩体最本质的特征是有一组平行发育、连续性好的结构面。边坡稳定性受层状结构面的发育程度、强度、结构面倾向和倾角与边坡坡面倾向和坡角之间的相互关系控制。根据层状结构面与坡面相互关系，层状结构边坡又分为层状同向结构边坡、层状反向结构边坡、层状斜向结构边坡3种［3］。

3.1 层状同向结构边坡

层状同向结构边坡其结构面倾向与边坡倾向夹角小于30°，当层状结构面特别是其中的软弱结构面由于工程活动而被切脚出露在坡面时，即构成潜在滑动面，易形成滑动;如层状结构面倾角大于坡角而插入坡内，其稳定性一般较好，但在特定条件下，如边坡过高而层状结构面十分发育且层间结合力较差时，可形成滑移拉裂和滑移弯曲变形。此类边坡必须采取深层防护措施才能保证边坡的稳定。

3.2 层状反向结构边坡

层状反向结构边坡的岩层走向与边坡走向夹角小于30°，倾向与坡向相反(或二者夹角为150°～180°)。常见的破坏类型为弯曲—拉裂，多发生于岩性软弱、易风化的薄层状岩体，以及软硬相间或层间软弱结构面发育的岩体。陡倾的层状岩体在自重应力作用下，前缘开始向临空方向错动弯曲，并逐渐向坡内发展，随着弯曲的持续，在弯曲体后缘伴随有拉裂缝的出现。

对于已经产生倾倒变形的工程边坡，开挖时应防止倾倒后碎裂岩体产生破坏，可采取预加固的方法，即开挖前采用钢筋桩、锚杆、注浆锚管等进行预处理。由于倾倒变形岩体多为碎裂岩体，所以在地形条件允许的情况下，可放缓边坡至碎裂岩体自稳坡率，采用坡面防护方案;若不能放缓边坡，则必须查明倾倒变形体的分布范围，确定变形范围，在此基础上采用深层防护措施，如采用锚固、注浆、坡面防护、排水等措施进行综合处理，若边坡坡度较大可在边坡中部采用预应力锚索加固起到“强腰”的作用。对未变形边坡，若坡脚部位发育具有一定厚度的软弱夹层，边坡防治的重点为底部软岩的压缩变形，可采用置换、注浆加固法对软岩进行处理，或采用深层防护措施限制上部边坡的变形，以此保证边坡稳定;在不存在软岩夹层时，应查明岩体中结构面特别是软弱结构面的分布及相互组合关系，研究结构面组合形成的块体稳定性，采用“浅层防护+局部强支护”方案进行防护。

3.3 层状斜向结构边坡

层状斜向结构边坡的岩层倾向与坡向夹角在30°～150°之间。边坡的稳定性随夹角大小而变，当夹角接近90°时，稳定性最好，夹角在30°～90°之间时，稳定性随夹角变小而变差。影响该类边坡稳定性的因素主要有地形、岩性、结构面发育特征。该类边坡稳定性一般较好，可能产生的变形破坏模式主要为受结构面控制的局部块体失稳。

在存在一定规模的局部块体时，可采用锚杆或锚索措施;若不存在局部块体，可采用坡面防护为主的方案。无论何种层状结构岩石边坡，稳定性防控是首要任务，边坡稳定后，由于缺乏植物生长基础，所以厚层基材喷播技术是此类边坡植被恢复的首选，基质厚度不宜小于6 cm，此外预应力锚索地梁结合植生袋或客土喷播技术等也较为常用(见图5、6)。

4 碎裂结构边坡类型

碎裂结构岩体主要为构造变动强烈—剧烈地区的断层影响带、压碎岩带、节理密集带的破碎岩体等，岩体中节理裂隙密集、方向零乱，难以划分出岩体的层状结构，岩体结构面十分发育，岩体显得支离破碎。可视此类结构为散体结构，但岩块间尚存在一定的咬合力。影响此类边坡稳定的因素主要是节理裂隙的切割密度、裂隙的充填物特性以及坡体的含水条件。

这类边坡的稳定性差，边坡存在滑坡的可能，防护措施上应采用主动加固措施，可采用抗滑桩+锚固+植物防护+排水的综合治理措施;若边坡为未变形的高陡边坡，可采用长锚杆(或注浆锚杆)+局部锚索+植物防护+排水的综合治理措施。对于稳定性较好、坡面存在生长空间的碎裂岩石边坡而言，坡面植被恢复技术可选用人工栽植、三维网植被技术、客土喷播技术、厚层基材喷播技术、植生袋技术等，或是框格骨架技术与上述植物护坡技术相结合(见图7、8)。

5 散体结构边坡类型

散体结构岩体是指各种不同成因类型的松散堆积物及区域性断层破碎带等，岩体极度破碎，边坡结构面非常密集、复杂，方向散乱且不规则，并且结构面表面比较粗糙，许多是张开裂隙，其中通常夹杂有黏土、碎屑等充填物。结构体呈颗粒状、鳞片状、碎屑粉状、角砾状以及块状。结构面的形成往往是在原生节理或构造节理的基础上发生和发展起来的，结构体在力学属性上可被视为连续介质。这类结构岩体是工程岩体中最薄弱的部位，近松散介质具有明显的塑性或流变特征，在边坡下部由于上覆荷载作用可使其鼓出，变形破坏类似于土质边坡的性质，在长期经受降雨作用下，边坡可能产生整体变形破坏，沿最大剪应力面产生圆弧形滑面形成滑坡。

对于坡体松散的边坡，削方减载是首选。首先，应尽量降低其坡高，选择合理坡高和坡率，以最大程度地降低发生危害的可能性。一般高边坡要设计为台阶形，对于散体结构边坡类型而言，每级坡高以6～8 m为宜，每级边坡之间设2～3 m宽的卸荷平台［4］。削坡减载是处理崩塌地质灾害中经常用到的一种简单方法，当路堑边坡的坡度较大不利于边坡稳定时，或边坡风化层厚度较大，为了有效地设置防护措施，需剥除表层风化体，在坚硬的或完整的岩体上修筑整治措施时，需进行削坡处理。其次，当开挖坡率及坡高无法达到要求，坡率较陡或内部存在不稳定软弱结构面时，坡体存在坍塌或滑坡的可能，应采用重力式挡土墙或抗滑桩+锚固+坡面排水+植物防护的组合或长锚杆(或注浆锚杆)+局部锚索+植物防护+排水。不稳定结构面的下推力较大时，应选用抗滑桩或预应力锚索桩;当下推力较小时，可选用挡土墙。坡面排水很关键，可截流并改变强降雨形成的水压力，尤其是散体结构和土质结构。由于散体结构岩体松散，中等—强风化，存在植物生长条件，因此植物防护相对容易，控制好边坡稳定性后，植物恢复技术可根据边坡景观恢复要求及植物特点等进行选择，常见植物恢复技术均可应用(见图9—12)。边坡生态防护对策及技术的选择在很大程度上取决于边坡岩体结构特征、边坡变形破坏模式和边坡稳定性状况，其中边坡稳定性状况、岩体结构特征、边坡变形破坏模式、潜在破坏边界特征决定了工程防护措施的选择及工程量大小。边坡工程防护的难易与工程量大小在一定程度上也影响到后期植被恢复的技术选型与对策，边坡的防护对策见表1。

6 结语

高速公路岩石边坡防护设计和技术选择在很大程度上取决于边坡岩体结构特征、边坡变形破坏模式和边坡稳定性状况，其中边坡稳定性状况和潜在破坏的规模决定了工程防护的工程量大小，边坡岩体结构特征、边坡变形破坏模式、潜在破坏边界特征决定了具体技术措施的种类。其中整体结构岩石边坡、块状结构岩石边坡及反向斜向层状结构岩石边坡，属于整体稳定性较好的边坡类型，防护重点视是否有软弱结构面存在而定，若不存在，应采用植物防护为主、局部加固为辅的防护策略，对于＞75°的急陡边坡植物防护以垂直绿化技术为主或不进行防护，对于坡度＜75°的边坡植物防护可选择厚层基材喷播技术及植生袋技术等;对于同向层状结构，因结构存在整体滑动的可能，须采用深层防护为主的工程防护;对于碎裂结构、散体结构和土质边坡以控制坡率削方减载为主，防护措施上视具体情况采用植物防护与工程防护相结合，做好排水设计。

表1 岩质边坡的生态防护对策

研究认为，边坡防护综合技术应建立在边坡稳定与环保双重因素的基础上，即边坡综合防护技术方案应包括两个阶段:第一阶段为稳定性防护，主要指边坡深层稳定性综合防护，当然这是在边坡存在深层稳定性问题的前提下。从主要次要矛盾的角度讲，稳定是此类边坡治理的主要目标。防护设计主要参考的技术指标多为地质学特征，如岩性、坡体结构、变形特征等，必要时需要进行坡体稳定性量化计算。此阶段主要采用的防护对策为“以工程措施为主，植物防护为辅”，常见的深层防护技术有支挡技术(如挡土墙、锚杆挡墙、抗滑桩等)、锚固技术(如锚杆、锚索框架、土钉、锚索桩与立体排水结合等)、压力注浆等。第二阶段是生态防护。其实在深层防护的基础上，边坡稳定性问题依然存在，即浅层不稳定及坡面不稳定问题，但这两种不稳定性大多在植物防护的可控范围，植被对坡面的水文和机械保护效应所产生的深根锚固、浅根加筋、降低孔压、削弱溅蚀、控制径流的生态作用使其具备了抗蚀护坡的工程性能，因此对于浅层及坡面不稳定性，往往归到第二阶段考虑。此阶段的防护重点是生态恢复问题，即如何最大程度地恢复或重建生态环境，如原有生态群落的重建、水土流失的控制、景观植被的恢复等等。此阶段主要采用的防护对策为“植物防护为主，工程防护为辅”，尽量不采用工程量大、景观破坏程度高的一些工程防护技术，如抹面捶面、锚喷、浆砌片石等。对于岩石边坡，由于缺乏植物生长的基础，因此其植被恢复的重点就是人工营造一层可供植物生长且稳定性高的人工土壤层，故多采用厚层基材喷播技术。对于坡度大于75°的高陡岩石边坡，由于坡度较大，表层土体在自重及外界因素作用下多难以在坡面固定，即使采用厚层基材喷播技术，也容易导致基材剥落或浅层失稳问题，因此对于坡度较大的岩石边坡，仅仅采用厚层基材喷播技术后期表层失稳问题依然严重，可结合工程措施综合防护，如框格技术、植生袋技术、锚喷技术等。

［1］JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］黄润秋，许模，胡卸文，等.复杂岩体结构精细描述及其工程应用［M］.北京:科学出版社，2004.

［3］GB 50218—94，工程岩体分级标准［S］.北京:中国计划出版社，1994.

［4］宋桂龙，裴大伟，孟强.边坡分类体系及其与稳定性关系探讨［J］.中国水土保持科学，2010，8(z1):105 －111.

S731.8;U417.1

A

1000－0941(2012)10－0029－04

北京市首都公路发展集团科技项目“北京市高速公路岩石边坡绿化养护技术指南实施效果评测与完善”;交通运输部科技项目(2009353311050);国家林业局林业科学技术推广项目(201131)

王英宇(1963—)，男，河北秦皇岛市人，高级工程师，研究方向为园林景观建造;通信作者宋桂龙(1976—)，男，河北沧州市人，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为草坪科学与管理、植被恢复理论与技术。

2012－04－15

(责任编辑 徐素霞)