复合型喷混植生结构在炭质岩边坡防护中的应用

方爱华

摘要：文章通过研究融水至河池高速公路路堑边坡炭质岩工程特性及其对植物生长、边坡稳定性的影响，提出秸秆复合型喷混植生防护设计方案，并进行了炭质岩路堑边坡实体工程试验。试验结果表明，该防护结构能有效降低炭质岩对光、热、水的敏感性和有害矿物成分、吸热升温对植物根系生长的不利影响，有利于边坡稳定和植物长期旺盛生长。

关键词：炭质岩;路堑边坡;工程特性;秸秆纤维;喷混植生

0 引言

在中国南方如广东、广西、云南、贵州等省区沉积煤系地层中广泛分布有一类含碳成分较大的泥岩、页岩、砂岩、灰岩或互层，因呈黑色或灰黑色而被称为炭质岩，其表层一般由土层及植被所覆盖，其原状强度相对较高，现行相关技术规范中也未列为特殊性岩土[1，2]。但是，在公路工程建设大量开挖揭露和形成路堑边坡过程中，发现炭质岩对光、热、水等自然营力作用极度敏感，具有风化快、遇水易软化、崩解严重、强度急剧下降、边坡破坏严重和坡面客土喷播植被恢复困难等特征，工程界进行了大量研究和处治工程实践[3-5]，在工程地质特性与边坡防护加固方面取得了较好的成果，锚固、锚喷、护面墙、抗滑桩等工程处治措施广泛应用。特别是近20年来，岩石边坡生态修复技术研发成功，在岩石路堑边坡防护方面大量推广应用，改善路域生态条件，主要有植被混凝土、客土喷播技术、三维植被网喷播、喷射厚层基材喷播和植生袋生态重建等技术，形成了相关技术规范，其基本原理是针对岩质边坡缺乏植被生长的土壤和养分条件，通过工程措施构建植物生长的基本条件，实现植被快速恢复和长期生长。在实际工程应用中发现，同一种技术应用于不同类别岩体边坡防护中，植物生长效果存在明显差异性，特别是在炭质岩中应用时，植物初期生长较快，但是后期植物枯死、边坡浅层碎裂、坍塌问题比较突出。主要是因为这些技术未考虑岩石工程特性和其对植物生长条件、边坡稳定性的影响。

本文结合广西融水至河池高速公路炭质泥岩路堑边坡工程，在对其物质成分、力学特性及其对植物生长适宜性、边坡稳定性的影响进行分析的基础上，提出秸秆复合型喷混植生防护技术，通过实体工程试验，植被生长效果和边坡稳定性较好。

1 炭质岩工程特性

1.1 宏观地质特征

在建融水至河池高速公路位于广西北部，主线全长约108km，双向四车道，设计车速为100km/h，路基宽度为26m，列为交通运输部创建品质示范工程之一。主要跨越岩溶峰林谷地、丘陵地貌单元，生态环境比较脆弱，其中K55～K75段穿罗城煤田，煤岩主要为海陆交互相沉积大塘阶寺门段页岩、炭质页岩夹薄层粉砂岩、硅质页岩及煤层。公路建设揭露连片炭质岩，形成大量路堑边坡，边坡岩体一般分为两种类型：（1）上部多为第四系残坡积碎石土所覆盖，厚度为3.0～8.0m，土体密实，植被茂密;（2）覆盖层很薄或基本无覆盖层，植物稀疏。岩体多呈黑色、灰黑色，自然斜坡整体稳定性较好，少见崩塌、滑坡地质灾害，但边坡开挖岩体暴露后，较完整的炭质泥岩都会在极短的时间内（几天到十几天）风化变质成碎裂状岩体，强度急剧下降，边坡发生剥落、浅层滑塌或沿软弱层滑坡。另外，边坡颜色与周边自然景色协调性差，严重影响路域景观。

1.2 岩矿物成分

采取融河高速公路路堑边坡工点的炭质泥岩试验样本进行矿物成分偏光显微镜测试，测试结果如表1所示。测试结果表明，含软弱、亲水、崩解性和吸热性能较好的矿物成分如高岭石、绢云母、不透明矿物和炭质，对自然环境光、热、水等具有较高的敏感性。另外，适合于植物生长的矿物成分少，对边坡稳定性和植物生长均影响较大。

1.3 物理力学特性

边坡的稳定性主要取决于岩体结构和岩土体物理力学特性，由其矿物成分所决定，是边坡外在表现和指导边坡稳定性评价、处治的依据。岩体结构可通过现场调绘宏观确定岩体厚度和有无软弱、顺层结构面，而物理力学强度则需要进行原位和取样室内测试。融河路开挖揭露的炭质泥岩边坡岩层大多数为呈薄层-厚层状，倾向与坡向斜交或正交，有利于边坡整体稳定。

根据现场取样室内试验，结合工程类比及相关技术规范，确定此类边坡天然物理力学参数，如表2所示。

2 炭质岩边坡生态防护难点与解决思路

2.1 炭质岩路堑边坡特点

根据炭质岩工程特性分析，结合现场调查，炭质岩路堑边坡存在容易失稳和生态修复两大问题，主要表现在以下几方面：

（1）岩体天然强度总体较高，开挖暴露后易风化，对光、热、水较敏感，节理裂隙扩展，在较短时间内演变为碎块状，强度急剧下降，导致边坡失稳，出现浅层滑塌、碎落现象。

（2）遇水易软化崩解。炭质岩含膨胀性黏土矿物成分高岭石，表现出较强的亲水敏感性，边坡开挖后，将在极短的时间崩解、膨胀，变质成液限较高的泥炭土，出現圆弧滑动破坏。

（3）植物难以长效生长。一方面，炭质岩中植物生长所需氮、磷、钾成分含量极少，即使是强风化炭质泥岩呈泥土状，一般草灌植物也很难生长;另一方面，炭质岩含碳成分大，吸收热能强，坡面吸热升温，易形成“烧烤”现象。

2.2 炭质路堑边坡生态防护对策

锚喷混凝土虽然是比较理想的防护技术，能有效隔离炭质岩与外界产生熵交换，保持边坡稳定，但是坡面失去了植物生长的自然条件，带来公路视角污染。如在锚喷混凝土防护的基础上，增加生态型护坡，种植攀援植物，则存在热岛效应，植物生长缓慢，再覆盖率也不高;如选择客土喷播、植被混凝土等技术，混凝土喷附面层的隔离作用，也难以达到理想的绿化效果，并存在造价高的问题。针对炭质岩路堑边坡破坏机理和实施生态防护遇到的技术问题，提出如下解决方案：

（1）在喷混植生技术基础上进行改进，保证坡面营造出足够厚度的具有耐冲蚀、蓄水、保肥、透气等性能的基材结构层，确保坡面具备植物长期生长的基本条件。

（2）针对植物根系穿透基材后，炭质岩营养成分贫乏的问题，注重改善基质层的土壤结构和抗剪强度，使其有更好的抗冲刷性能和保水保肥性能，实现养分持续供应。

（3）针对炭质岩坡面更容易吸热“烧烤”植物的问题，在基层中增加秸秆纤维层，使其具有隔热、散热等功能。

（4）优化植物配比。将草灌、冷暖型、先锋型与长期型植物相结合，营造自然更替的植物生态系统。

2.3 复合型喷混植生结构

根据上述思路，提出复合型喷混植生防护结构（见图1）。主要原理是在喷混植生技术基础上，增加一层厚度约为3cm的稻草秸秆纤维，改善基质层的土壤结构、强度，降低炭质岩高温热效应;在喷播基材中增加水泥用量，提高基材的粘结性，同时添加pH缓冲剂如草酸等，使混合基质的pH值适合植物生长，并根据当地气候条件，选择容易形成坡面植物群落、粗放型管理的植物种子。

3 施工工艺及质量控制要点

3.1 施工工艺

为了验证设计方案的合理性，选择一个工点进行试验。坡高度约为15.0m，主要岩性为厚层状强-中风化炭质泥岩与灰岩互层，坡度为1∶0.5～1∶0.75，整体稳定性好。由于涉及高空作业，在施工前需根据《公路工程施工安全技术规范》（JTGF90-2015）要求编制专项施工方案。施工工艺流程见图2。

3.2 质量控制要点

3.2.1 施工准备

要进行边坡周边环境、施工条件、水电、交通、材料堆放、临时设施布置与施工要素配置，主要材料质量指标检验，植物种子发芽率测定。完成专项施工方案编制与审批。

3.2.2 坡面清理

清除开挖坡顶外侧1m范围内和坡面的危岩、浮石和杂物，自上而下分段施工，不可交叉作业，确认边坡整体稳定方可实施喷混植生，对存在汇水的坡面修建排水沟。

3.2.3 铺设稻草毯

用竹篾编制好干燥柔性稻草毯，厚度约为3.0cm，用量为250g/m2，毯片规格视坡面平整程度，以方便铺设为宜。将其自上而下进行铺设，贴紧坡面，用锚钉临时固定。

3.2.4 铺设铁丝网

网片采用2.2mm@50×50mm镀锌铁丝网，从坡顶向下张开铺设金属网，横向搭接宽度≥15cm，竖向可采用连接方式，网片之间应用18铁丝绑扎牢固;锚杆采用HPB335钢筋制作，根据设计锚杆规格，钻孔注M30水泥浆后插入，外露弯钩长度为10.0cm，在不够稳固和有缝隙的位置用更多的锚杆或锚钉来增加稳定性。金属网片紧贴稻草毯。

3.2.5 喷射基质

基材配合比按照表3所示。种植土宜选择耕表土，含水量≤20%，经粉碎和过1cm孔径的筛，满足喷枪孔径的要求，风干过筛后的种植土应采取防水措施。采用湿式专用客土喷播机进行喷射，加水在料仓内搅拌均匀，形成泥浆状，自上而下均匀地喷附到坡面上。物料宜随拌随喷，防止水泥结块，做好厚度标志，確保喷射厚度，如有流失、剥落，应补喷。

3.2.6 喷播植草

选择耐贫瘠、粗放管理、繁殖与固坡能力强的冷暖型、速慢生长、草灌组合混合草种如糖蜜草、狗牙根、黑麦草、胡枝子、小叶女贞等，配比见表4。严禁使用外来入侵植物。基层喷射干结后，将经催芽处理后的混合种子与基材混合，加水在料仓内搅拌均匀，形成泥浆状，喷射到坡面上，喷射厚度为2.0cm。喷射结束后要立即覆盖无纺布，防雨水冲刷和降低水分蒸发，改善种子的发芽、早期生长环境。

3.2.7 养护管理

处于分苗期、生长期养护的苗期一般为60d，主要工作包括洒水、病虫害防治、补植和局部修补等。洒水以喷水为主并呈雾状，保证基材充分吸水又不流失。病虫害防治需选择高效、低毒、对天敌较安全的化学药剂。局部缺陷可选择人工补植或二次喷植，使覆盖率达到90%，草本植物生长高度达到5～8cm后就可以清理无纺布。生长期一般为两年，即至公路竣工验收为止，靠自然雨水养护，主要是病虫害防治、缺陷修复。

4 试验效果

根据试验和跟踪观测，喷播草种后5～7d后开始出苗，60d覆盖率达到95%以上，高度为7～10cm，形成良好的植物生态群落，生长旺盛。

5 结语

炭质岩为分布于煤系地层中对路堑边坡稳定性和路域景观影响较大的特殊性岩体。其原状强度一般比较高，自然条件下稳定性较好，但是含有对水、热、温差作用较敏感的矿物成分，开挖暴露后，存在吸热干裂、遇水膨胀软化和边坡失稳的问题。

（1）炭质岩吸热能力强，养分贫瘠，植物难以生长，一般选择混凝土封闭防护，景观效果差。在炭质岩中应用常规的岩质边坡生态修复技术，后期容易出现高温、植物缺水枯死现象。

（2）本文提出秸秆复合型喷混植生防护技术，增加水泥用量，提高基材强度，可有效降低炭质岩坡面高温热效应，同时纤维加筋，改善基质层的土壤结构、强度和提高抗冲刷能力，起到保水追肥作用，更好地为植物创造一个良好的长期生长环境。该设计理念先进，达到边坡防护和生态修复目的，能改善路域景观。

（3）实体工程试验表明，植被恢复效果良好，适用于坡度缓于1∶0.75、整体稳定性好但容易发生浅层破坏的炭质岩路堑边坡，较传统的锚喷混凝土防护造价降低10%～15%，目前正在推广应用中。

参考文献：

[1]王淑英，周富华，钟守宾.寨任路炭质泥岩边坡稳定性研究及防治措施[J].广西交通科技，2003（2）：42-45.

[2]周德培，张骏云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]汪 群，徐忠诚，周建文.喷混植生技术在岩石边坡护坡绿化中的应用[J].公路，2007（11）：210-212.

[4]李 灿，周海清，赵尚毅，等.岩质边坡生态防护研究现状及发展趋势[J].重庆建筑，2019，18（4）：43-45.

[5]广西交通科学研究院有限公司.广西融水至河池高速公路两阶段施工图设计文件[R].2018.