岩体表面粗糙度对边坡生态防护中基材稳定性影响分析

杨 奇 ，鄢煜川，朱代强 ，黄 勇

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

在水利、公路、铁路、矿山等建筑工程建设中，经常有大量的施工开挖，开挖破坏了原有植被，造成大量的裸露土坡和岩石边坡，导致严重的水土流失和生态环境失衡，如水土流失、滑坡、泥石流、局部小气候的恶化、光声污染及生物链的破坏等[1]。

传统的工程护坡措施主要考虑边坡的稳定加固，采用水泥、石料、混凝土等硬性材料对边坡加以防护。工程护坡措施虽然能够对边坡起到稳定加固、有效降低水土流失、滑坡、泥石流等地质灾害的作用，但对边坡造成的局部小气候恶化、光声污染及生物链的破坏等却起不到改善的作用。另外，对边坡与周围生态景观及环境的协调性考虑较少，不具备美学效果，容易产生视觉疲劳。而且长期暴露在风吹日晒或冰雪冻融的自然环境下，工程加固措施所采用的硬性材料会随着时间的推移逐渐老化，导致防护效果减弱。由于工程防护措施存在上述不足，又随着人们对生存环境要求和环保意识的提高，生态防护技术已成为边坡治理的主流。

1 岩石边坡生态防护技术现状

岩石边坡不同于土质边坡，由于其较强的异质性，不能提供植被生长所需要的土壤环境[2]。因此要对岩石边坡进行生态修复，就必须在边坡岩体表面营造适合植被生长的环境。营造植被生长环境，就是在岩石坡面上喷射一层具有一定厚度的特定植生基材。为保证植被在岩体坡面上正常生长，此植生基材必须牢固稳定的附着在坡面上，不产生剥落、冲刷流失等。

目前对岩石边坡进行生态防护技术方法比较多，根据基材中所用粘合剂材料的使用情况，大致可分成3类。第一类是在基材中不加任何粘合剂，如客土喷播技术；第二类是在基材中加入高分子胶作为粘合剂，如厚层基材喷射技术；第三类是在基材中加入水泥作为粘合剂，如植被混凝土生态防护技术。针对岩土边坡进行生态防护比较成熟且常用的技术也主要为客土喷播技术[3]、厚层基材喷射技术[4～5]、植被混凝土生态防护技术[6～7]等。

1.1 客土喷播技术

客土喷播技术护坡是在边坡坡面上挂网、机械喷填(或人工铺设)一定厚度适宜植物生长的土壤或基质 (客土)和种子的边坡植物防护措施[8]。

客土喷播技术基材组成主要是土，或外加一些成分，如泥炭土、保水剂、复合肥等。由于基材主要由适合植被生长的土壤组成，没有加入粘合剂等对植被生长有害的物质，有利于基材中种子萌发和植被生长。采用客土喷播技术进行生态修复的坡面成坪时间快，基本不需要经过特别的养护植物便能正常生长。但没有加入粘合剂，导致基材强度低、抗雨水冲刷性能弱、与坡面岩体之

间粘聚力小。因此，客土喷播技术一般用于坡度较缓的强风化岩石边坡、土夹石边坡和劣质土边坡等。

1.2 厚层基材喷射技术

喷射厚层基材植被护坡技术，是指在边坡上喷射一定厚度的含粘结剂、泥土、有机肥、保水剂、消毒剂和植物种子的混合材料，并结合锚杆和护网等传统的支护材料，使基材得以在岩石边坡上被固定、植物种子得以发芽生根生长发育，通过植物的发达根系固土与护网的协同固定作用，从而起到护坡效果的环保技术[5]。该技术是以高分子胶作为基材中的粘合剂，高分子胶的加入使基材粘聚力和强度得到提高。所以在基材喷射后不久，基材就能与坡面岩体较牢固的粘结在一起并且能够抵抗一定的冲刷。但在太阳紫外线及高温环境下高分子胶易老化，粘结能力逐渐降低。所以采用厚层基材喷射技术对岩石边坡进行防护，基材中粘合剂一般在数月以内便失去粘结效果。厚层基材喷射技术主要用于坡比小于1∶0.3的各类岩土边坡[9]。

1.3 植被混凝土生态防护技术

植被混凝土生态防护技术是采用特殊的混凝土配方和种子配方，对岩石边坡进行防护和绿化的新技术。它是集岩石工程力学、生物学、土壤学、肥料学、硅酸盐化学、园艺学和恢复生态学等学科于一体的综合护坡技术[10]。

植被混凝土基材主要由水泥、土、腐殖质、保水剂、植被混凝土添加剂等组成。该技术以水泥作粘合剂制备成有一定强度的植被混凝土基材，再将混有植物种子的基材喷射到坡面岩体上。如果只考虑基材强度及与坡面岩体的粘结能力，基材中水泥加入量越多，对基材稳定是越有利的。但植被混凝土生态防护技术还受到植物生态学等诸多方面因素的影响，水泥含量的提高会使基材pH值增大呈碱性，碱性环境会影响植被混凝土中种子萌发及植被生长，而且水泥含量过高易导致基材土壤板结石化，不利于植被生长[11]。植被混凝土技术之所以能够在基材中加入满足要求的水泥用量，是因为加入了植被混凝土添加剂。添加剂改善了基材的营养条件，而且能有效调节基材的pH值，大大降低了水泥对植被的毒性。这也是其它技术虽然在基材中加入了水泥，但因加入量极少，不足以起到粘结和提高基材达到足够强度的原因。以水泥作为粘合剂，基材能够比较牢固的粘附坡面岩体上，基材强度和粘结效果会随着水泥龄期的增长而提高。基于植被混凝土生态防护技术的这些特性，该技术主要用于坡比在1∶1～1∶0.15的高陡岩石边坡和混凝土边坡[8]。

上述3种岩石边坡常用的生态防护技术，施工所用的机械设备及工序都大同小异，都要经过前期坡面处理、中期打锚杆、挂网、喷射基材以及后期的养护3大阶段。从应用层面来看，每种生态防护技术都有自己的适用范围，并没有优劣之分。根据不同的边坡特性采取不同的生态护坡方式，制定既经济又合理的方案。

2 粗糙度的描述

基材在岩石边坡表面的稳定性受多方面因素的影响，基材的物质组成直接影响基材自身的强度与粘结特性，是影响基材稳定性的一个重要因素，而坡面岩体表面粗糙度则是影响其稳定性的另外一个重要因素。无论是天然岩质边坡还是人工开挖的边坡，其结构表面都是凹凸不平的，从坡面断面上看表现为一起伏轮廓线，不同的轮廓起伏线其粗糙度是不同的，而不同的粗糙度亦会影响到基材与岩体接触面的抗剪强度，因此如何用某一参数描述结构面的粗糙度是相关领域学者十分关注的问题。

目前结构面粗糙度的描述大多采用Barton[12]提出的接触面抗剪强度公式中的JRC值，而JRC值却又是十分难确定的，学者对粗糙度系数JRC的研究大致经历了试验、探索和理论研究3个阶段[13-19]。在试验阶段仅有Barton等少数学者对其进行了研究，其主要方法是先通过接触面抗剪试验得出接触面抗剪强度值，然后根据Barton提出的经验公式反推粗糙度系数JRC值。因为是先通过试验得出了接触面的抗剪强度值，然后反推到粗糙度系数，因此这种方法没有太多的工程意义。探索阶段主要是通过大量标准剖面的统计分析得出了10条标准的剖面线及其粗糙度系数。在具体应用时主要是通过与标准剖面曲线的对比分析按经验确定岩体的粗糙度系数，然后通过JCS-JRC模型估算接触面的抗剪强度。因岩体粗糙度系数是通过与标准曲线对比而得出，所以其取值具有一定的经验性，不同的应用者可以得出不同的结论。理论研究阶段对于粗糙度系数JRC值的研究主要集中在建立粗糙度系数与岩体剖面起伏线曲线粗糙度参数及分形维数之间的回归分析，主要有表面粗糙度参数法、直线长度与轨迹长度比值法、分形理论法、直边法及修正直边法、Motif法、最小二乘多项式拟合法等。

3 粗糙度对基材稳定性影响分析

粗糙度是对表面形貌的评定，而边坡岩体表面形貌对基材稳定性的影响主要体现在基材-坡面粘结力和力学行为改变两个方面。

3.1 粗糙度对基材-坡面粘结力的影响

粗糙起伏的表面增加了基材与坡面岩体的接触面积，不管基材中是否加入粘合剂或者加入何种粘合剂，基材都具有一定粘结能力。基材与坡面的粘结力随粘结面积的增加而增大，从而进一步加强了基材在坡面上的稳定性。在边坡长度方向取一微段ds，则在该微段基材与坡面的接触面积可表示为dA=L×ds（L为该微段坡面轮廓线长），可见在该微段基材-坡面之间粘结面积与坡面轮廓线长成正比（见图1），粘结力与粘结面积可认为成正比关系，那么粘结力与坡面轮廓线长成正比。

图1 坡面轮廓线

下面就Barton[12]提出的几种典型粗糙轮廓线与以直线为轮廓线的坡面，做一个理论对比分析。

表1 几种典型Barton轮廓线

3.2 粗糙度对基材-坡面力学行为的影响

粗糙的坡体表面增加了基材与坡面的机械咬合力，改变了基材与坡面岩体间的力学行为。为方便计算，下面以折线型轮廓线为例，对基材的受力情况进行分析。在不考虑铁丝网和锚杆对基材影响的情况下，基材受力有重力G、坡面岩体对基材的法向支持力Fn、坡面岩体对基材的切向摩擦力Ff以及坡面岩体对基材的粘结力Fc。

对基材混合物体系，由静力平衡条件，可得

图2 基材混合物受力分析

从坡面切向平衡式（1）可以看出，由于坡面凹凸起伏改变了基材部分受力的作用方向，使得基材所受的有些力可能转变为抗滑力（如式（1）中项），因此基材抗滑力有所增加。从抗滑桩的角度来考虑，在坡面凹陷处，基材向下嵌入岩体，可看作是以基材为材料的微型抗滑桩作用于坡体。在坡面凸出处，坡面岩体向上嵌入基材，可看作是以坡面岩体为材料的微型抗滑桩作用于基材。因此，在对边坡进行生态防护时，坡面粗糙度对基材稳定性有着重要影响。

照片1隔河岩水电站边坡生态防护防护整体效果

3.3 工程实例

隔河岩水电站大坝附近左岸岩石边坡坡度陡，接近垂直状态。在对该边坡实施生态防护工程后，经过长期的取样和跟踪调查发现，该边坡岩体上植被长势良好，物种多样性丰富，整体生态防护效果优良（见照片1），但也存在生态防护基材局部脱落情况（见照片2）。

照片2坡面岩土相对平整区域基材局部脱落情况

通过对局部基材脱落区域的对比分析，可以看到基材脱落区域大多数处于坡面岩体相对较为平整的区域。这从实际工程中也说明了坡体过于平整，不利于基材的稳定。保持坡面一定的粗糙度，既增加了基材与坡面之间的粘结力，也使坡面-基材之间形成大量微型抗滑桩，进一步地提高了基材在坡面上的稳定性。

4 结论与建议

基材稳定性是影响边坡生态防护效果的重要因素，不同的生态防护技术，基材组成成分不同，导致强度与特性也不一样，因此基材组成是影响其稳定性的一个内在因素。基材稳定性除了受基材本身特性影响外，与边坡表面的粗糙度也有着重要关系。凹凸起伏的岩体表面，增加了基材与坡面岩体的粘结面积，使基材与坡面间的粘结力得到提高，有利于基材在坡面的稳定。另一方面，基材-岩体接触面的凹凸起伏，形成了大量的“微型桩”，使基材的抗滑力得到显著提高，进一步提高了基材在坡面岩体表面的稳定性。

工程应用时，应根据边坡特性选择既能保证基材稳定又经济的生态防护措施。对混凝土边坡以及表面岩体比较平整的坡面进行生态防护时，为提高基材的稳定性，在满足施工条件的要求下可对坡面进行凿毛处理。在边坡较陡的情况下，可以采取坡面凿毛和增加一定数量锚杆的措施相结合，以此达到基材在坡面长久稳定的目的。

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