植生袋在岩质边坡防护中的固定方式研究

2021-05-08明道轩刘海涛

公路交通技术 2021年2期

明道轩，王涛，熊彪，刘海涛

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430023)

岩质边坡进行植被防护已成当今工程界的共识，植生袋防护是其中一种效果良好的复绿工程技术，其核心是在坡面上营造一个既让植物生长发育，又不易被冲刷的表层，实际工程中采用人工铺设生态袋的办法形成基质层，经过后期养护实现恢复生态植被的目标。目前既有研究主要集中于如何提升植生袋坡面的生态效应问题，而本文研究侧重如何解决在较陡岩质边坡中固定植生袋坡体的问题。

1 岩质边坡防护特点

1.1 边坡防护类型

根据防护所使用的材料不同，岩质边坡防护可分为硬质防护和柔性防护。硬质防护也称为工程防护，分为圬工防护和钢筋混凝土防护，具体形式有浆砌片石护坡、护面墙、挡土墙防护，喷射混凝土防护，锚杆铁丝网喷射混凝土防护等，主要适用于风化严重、节理发育的岩石边坡，注重强度功效，在修建初期对减轻坡面不稳定性效果显著。随着对自然环境和景观需求的提高，尤其是“绿水青山”理念的深入人心，单一的硬质防护已逐渐不符合时代发展的要求。而柔性防护技术以其良好的生态环境适应性得到不断研发，逐渐成为当下边坡防护方法中的主流。

柔性防护技术是一种生态护坡方式，也称为植被护坡、生物护坡，是指“单独用活的植物，或者植物与土木工程材料、非生命植物材料相结合，达到涵水固土、减轻坡面不稳定性和侵蚀的目的，在坡面形成与周边环境相协调的生态系统”[1]，是集合岩土力学、恢复生态学、植物学、土壤学、水土保持学等多学科的复合型工程技术[2]。张家明等[3]总结指出，目前中国岩质边坡柔性防护技术主要有液压喷播技术、客土喷播技术、喷混植生技术、植被混凝土护坡技术和厚层基材喷射护坡技术。实际上除此之外，植生袋护坡作为柔性护坡的一种，应用也较为广泛，早在2002年就已应用于湖南临长高速公路第3、第4标段以及岳阳联络线的石质边坡防护，并获得成功[4]；在山西五阳煤矿矸石山应用于边坡生态恢复，短时间内呈现出良好的景观效果[5]。

1.2 植生袋防护难点分析

植生袋防护也称为“草包技术”，常规做法是：通过生产线将植物种子按一定比例，均匀地播撒在2层布质或纸质无纺布中间，然后通过行缝、针刺及胶粘等工艺，制成草包，装土。将其垒积坡面，就能形成草坪。操作方法是：坡面平整后垒积草包，将草包紧挨坡面整齐地垒积上去，需有一定的倾斜度，以防坍塌。然后浇水，草包垒积完毕后，立刻灌一次透水，保证种子发芽需求，平时注意定期喷水[6]。

由于岩质边坡特点是没有土层覆盖坡面，岩石裸露，而且通常坡度较陡，坡面凹凸不平，有的坡面甚至伴随出现反坡或是鱼鳞坑[7]，当植生袋防护应用于岩质边坡防护时，植生袋顺坡面垒砌容易出现坍塌情况，因此，如何将植生袋固定于岩质坡面是该项技术的难点。

2 植生袋固定方式

植生袋在岩质边坡中的固定方式分为依靠自身咬合挤压形成的坡体与边坡摩阻固定和借力工程设施实现固定2大类，笔者在分析原理、总结经验的基础上，尝试研究第2类中的一种轻型柔性固定方式。

2.1 通过咬合挤压摩阻自稳

在岩质边坡自身稳定的前提下，植生袋垒砌按照错缝堆叠，上下层之间因咬合挤压形成整体，从而与岩面产生摩阻作用。理论模型中，植生袋坡面体与岩体之间的接触面可近似视为岩体间的软弱结构面，此时坡面体稳定性分析计算可采用平面滑动法，计算公式按照规范[8]附录A中的相关公式(A.0.2-1～A.0.2-3)：

(1)

式中：FS为边坡稳定性系数；U为滑面单位宽度总水压力，kN/m；V为后缘陡倾裂隙面上的单位宽度总水压力，kN/m；Q为滑体单位宽度水平荷载，kN/m；Gb为滑体单位宽度竖向附加荷载，kN/m;G为垒砌的含土植生袋单位宽度重量，kN/m；L为滑面长度，一般可视为坡面长度，m；θ为滑面倾角，即边坡坡度，(°)；φ为滑面内摩擦角，(°)，即植生袋坡面体与岩体之间的结构面内摩擦角；c为滑面粘聚力，kPa，即植生袋坡面体与岩体之间的结构面粘聚力。

根据公路或山体岩质边坡实际情况，不计水压力，故U=0，V=0；滑体即植生袋组成的坡面体，视作整体分析，无外力作用，不计水平荷载和竖向附加荷载，故Q=0，Gb=0；因此公式(1)简化为公式(2)：

(2)

袋子重量可忽略，将G=γ·hL代入公式(2)，可进一步简化为公式(3)：

(3)

式中：γ为植生袋内土体重度，kN/m3；h为植生袋垒砌的坡面厚度，一般介于30 cm～60 cm。

通常，岩质路堑边坡坡率一般介于1∶1～1∶0.1[8]，即边坡坡度θ介于45°～82.3°。滑面内摩擦角φ值及粘聚力c值随结构面类型和结构面结合程度的不同变化较大，当结构面为软弱结构面且结合极差时，φ<12°，c<20 kPa；当结构面为硬性结构面且结合程度好时，φ>35°，c>130 kPa[8]。植生袋中装土一般为壤土、泥炭土与砂性土及营养基质混合而成，γ值介于14 kN/m3～18 kN/m3，可取16 kN/m3。

综上分析，植生袋垒砌的坡体若要依靠自身咬合挤压并与岩面形成一定摩阻力，就要求边坡坡度极缓、植生袋坡面厚度尽量减薄，但边坡过缓则工程上不经济，坡面过薄则难以提供有效的土壤厚度，会削弱防风化、防水土流失的功能，最终影响整体生态景观。

2.2 通过锚杆框架梁承重固定

单纯依靠咬合挤压作用直接将植生袋垒砌于岩质坡面的防护方式，工程上成功应用案例很少，多需要结合其他工程措施配套使用，其中借助框架梁来承载植生袋的下滑力而实现稳固是较为常见的一种。

框架梁护坡是利用现浇或预制成条柱状的混凝土构件，按照矩形或菱形网格镶嵌在坡面上，对土质坡面、软弱岩面或裂隙较多易破碎松散的全风化、强风化岩面进行加固的技术方法，通常结合预应力锚杆、锚索在框格的井字形结点处进行加强连接，形成复合锚固体系。其原理[11]是通过在锚杆、锚索中施加预应力，将力通过锚头传至锚杆自由段，再由锚杆周边砂浆的握裹力传递至水泥砂浆中，然后再通过锚固体周边地层的摩擦力传递至锚固区的稳定地层中，使坡体受压，产生抗滑力；另外，贴于坡面的混凝土框架梁由于土拱效应，对边坡体表层岩土起到框箍作用，限制表层岩土体变形。由此，框架梁与锚杆构成空间格构梁，共同承担山体侧压力，抵抗岩土体破坏形变，从而稳定边坡。

植生袋与锚杆框架梁组合成的护坡结构中，框架梁将高陡边坡分隔成尺寸为3 m～4 m的若干网格，植生袋垒砌在这种相对较小的网格中，主要是起着绿化坡面、美化环境、减少冲刷的作用，其自重引起的表面坡体滑动力由网格横梁、锚杆传递至稳定地层中，从而实现原始边坡的稳定和植生袋坡体的稳固。

植生袋结合框架梁进行边坡防护，有时还辅之以其他一些手段，如珠海长隆南路边坡采用锚杆框架梁结合植生袋+挂网客土喷播进行防护[12]、商漫高速公路K105+715～K105+900段滑坡治理采用锚索框架梁内码砌植生袋并栽植小树的防护方案[13]等。

2.3 通过锚杆和网罩联合作用固定

植生袋与框格梁之间取长补短，组成的护坡结构可以有效稳定边坡、绿化坡面并在一定程度上改善了生态环境，但大体量地运用混凝土结构其实并不经济，而且不可避免地留下明显的人工痕迹，不利于自然景观的协调。因此，对于能够自稳的岩质边坡，在以植生袋作为坡面绿化的基础上，探索一种轻型柔性固定方式非常必要。

仍旧考虑采用锚杆作为提供抗力的骨架载体结构，结合钢筋和高强度土工格栅形成的网罩对植生袋坡体进行固定。具体做法为：锚杆采用Φ25～Φ40预应力螺纹钢筋间隔2 m按梅花桩打入边坡山体，植生袋沿边坡每垒砌4 m高则采用高强度大孔眼的土工格栅包裹并固定在锚杆上，在格栅之外设置X形Φ16钢筋与锚杆钢筋焊接，形成网罩，从而对植生袋坡体实现固定。坡面结构如图1所示。