热带地区深厚土质高边坡生态修复设计

裴海瑜 湛杰 王政平

摘要：为了研究热带多雨地区超深厚土质高边坡生态修复设计，以海南省迈湾水利枢纽工程主坝左岸220 m土质边坡为例，结合当地水文地质条件和特点，反演分析了地质参数。基于生态修复目的，提出了地表排水、锚索和排水洞等治理措施，分析了各治理措施的安全敏感性。选择了“坡面排水+9排锚索”的治理方案，实现了深厚土质高边坡治理和生态修复，且具有经济合理性。研究成果可为中国热带地区土质超高边坡的治理和生态设计提供借鉴。

关键词：土质高边坡;边坡支护;生态修复;热带地区; 迈湾水利枢纽工程;海南省

中图分类号：X171.4文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.017

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0093 - 05

0引 言

在超高边坡的常规设计中，一般采用喷锚挂网封闭的支护形式，治理后坡面多为喷混凝土护面。随着时代的发展，工程理念更强调环境属性，要求实现生态环保[1]。因此，采用传统边坡治理方式不能满足环境保护的需求，应寻找更合适的边坡治理方式[2-4]。

中国海南省属于热带气候，山体土层深厚，植被茂密，降雨量极大。开挖超高边坡存在较大安全风险，处理不当极易发生山体滑坡。进行大范围的喷锚封闭支护不仅成本高昂，且与“绿水青山”的理念不符。应结合该地区降雨量大、植被生长迅速的特点，考虑采用边坡生态修复技术治理超高土质边坡。

海南地区目前已有的工程边坡高度大多在100 m以下，且坡面保护措施多以喷混凝土挂网封闭为主。迈湾大坝左岸边坡高220 m，水文地质条件复杂，工程规模大，是中国热带地区深厚超高土质边坡的典型和代表。该工程土层深厚，不宜修建陡坡。现以迈湾主坝左岸边坡为例，探索深厚土质高边坡治理和生态修复技术。修复技术应确保工程安全，同时达到复绿环保的目的，可为中国热带地区土质超高土质边坡设计提供一条新的思路。

1 工程概况

迈湾水利枢纽工程位于海南省南渡江干流中游河段，坝址位于澄迈与屯昌两县交界处宝岭附近。主坝为碾压混凝土重力坝，坝长476 m，坝顶高程113.0 m，最大坝高75 m，正常蓄水位为108 m，总库容6.05亿m3，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。迈湾大坝两岸坝肩边坡等级为2级，均挖至山顶。

大坝左岸坡顶高程266 m，坡脚高程46 m，总高度220 m，其中坝顶以上边坡高度153 m。迈湾主坝左岸边坡是中国最高的土质边坡之一。热带地区200 m级边坡十分罕见，由于多雨，降雨成为影响边坡稳定最重要的因素之一，因此，治理难度增大。堆积体范围广，厚度深、方量大，坡脚分布大量崩积土石，说明自然边坡地质条件较差，历史上已多次出现崩塌滑动破坏。全强风化层深厚，左岸强风化上部厚度最深55 m。强风化上带夹层风化明显，上部强风化下部全风化，形成上硬下软的地质结构。降雨量大且集中，天然边坡植被十分茂密，开挖会破坏植被固土护坡与雨水截渗功能，雨水下渗后地下水位可能显著抬升，对边坡安全不利。

开挖边坡区属侵蚀剥蚀低山-丘陵区，地形坡度约16°～45°，局部陡峭。坝肩山体主要地层为石炭系石岭群下亚群变质岩;第四系残积层以及崩塌堆积层。其中，残坡积层成分主要为灰黄色碎石土，厚2.0～5.5 m，分布在山坡表层。崩坍堆积层主要为滚石、碎石土、粉质黏土等，平均厚度约为10.0 m，主要分布在高程54.0～135.0 m之间。 石炭系石岭群下亚群（C2sha）强风化上部原岩已风化成土夹碎石状，局部已风化成粉质黏土状，局部呈全风化状。强风化上部层厚2.3～54.6 m。强风化下部已风化成碎石夹土状，层厚4.2～26.0 m。弱风化岩以浅变质砂岩、炭质粉砂岩等硬质岩为主。上部岩体较破碎，基岩面以下10 m内岩层风化裂隙发育，大量渲染褐黄色铁质，特别是炭质粉砂岩，由于层厚较薄，加上节理裂隙发育，钻孔取芯破碎，岩石质量指标（RQD）基本为0。地下水位较高，均为基岩裂隙水，地下水位随埋深为4.1～67.0 m，相应高程51.95～168.60 m。

2 边坡治理方案

2.1 治理思路

边坡强风化層深厚，建基面基本布置在弱风化层，坝肩边坡开挖后垂直深度可达60～70 m。以强风化上带为主的边坡预计可超过100 m。同时，为了达到复绿环保的目的，边坡坡面均不采用挂网喷锚支护的方式，使用客土喷播挂网支护[5-6]。

坡面草种选取了成活率高、生长迅速、喜水耐虫的本地草种狗牙根。坡面复绿后，与传统挂网封闭的不同在于雨水入渗量增加。当地气候多雨，要做好坡面降雨的截流与引流工作。在设置常规截水沟、马道排水沟之外，均设置长排水孔排水，还应考虑布设排水洞。

综合上述思路，坝肩边坡生态修复设计按照以下原则进行：①腰部强支护：上部高程113～188 m范围内为强风化边坡，为增强边坡稳定性，该范围内共3级边坡布设预应力锚索（100 t）。②强排水系统：布设10～15 m深排水管，此外设置2排深层排水隧洞，降低山体地下水位。③坡面绿化：选择草种狗牙根，客土喷播草种结合挂网支护。

2.2 边坡加固

2.2.1 地质参数与反演

强风化上部是工程边坡稳定分析的主要地层。采用参数反演、实验分析等手段综合确定计算常数[7-9]。

（1）参数反演。两岸边坡岩层风化后崩落坡脚形成崩积区，因此，反演分析时边坡稳定安全系数不宜选取过高。由于两岸边坡自然状态下不存在整体失稳问题，参数反演时选定边坡稳定安全系数略小于1.05，计算工况为降雨饱和工况。计算断面见图1，计算结果见表1。

（2）实验及工程类比。边坡稳定计算采用的岩土体及结构面物理力学参数见表2。根据《岩土工程关键技术研究与实践》关于滑带土或滑面处于饱和状态下强度参数中折减系数的规定，滑带土为黏土时，内摩擦角降低10%～20%，黏聚力降低40%～60%;滑面为结构面（岩坡）时，砂岩抗剪强度降幅为10%～20%。

边坡山体强风化层深厚，内含部分全风化（黏性土）夹层。土体饱和时左岸强风化层黏聚力折减40%，内摩擦角折减20%。根据地质分析，迈湾山体右岸岩体质量优于左岸，因此右岸强风化层黏聚力值折减30%，内摩擦角折减20%。参数折减计算公式：

[c=c0（1-k）]

[φ=arctan [tanφ01-k]]

式中：c，φ分别为折减后黏聚力和内摩擦角;c0，φ0为折减前黏聚力和内摩擦角，k为折减百分比。确定的岩土体主要计算参数见表2。

2.2.2 边坡稳定性及控制工况

土质边坡抗滑稳定计算采用摩根斯顿-普赖斯（Morgenstem-Price）法，计算软件采用Stab土质边坡稳定分析软件（中国水科院）。对边坡的主要工况分别进行分析，超高土质边坡坡面植草绿化后，降雨入渗大大增加。模拟降雨工况时假定土层饱和，对强度参数进行折减。边坡抗滑稳定的安全系数见表3。

计算表明，非常运用条件Ⅰ（降雨情况）的边坡稳定安全系数最小，为边坡控制工况。最小抗滑稳定安全系数为1.13，小于设计标准的1.20，不满足规范要求，表明边坡必须加固。

2.2.3 边坡稳定及支护措施布置

高边坡治理常用的措施有：坡面排水孔、预应力锚索、排水洞、抗滑桩和锚筋桩等。该工程考虑多种措施组合。根据工程经验，治理组合包括：①仅采用坡面排水措施，排水孔深10 m，仰角5°;②坡面排水+6排锚索，锚索预应力1 000 kN，间排距6 m，布置在128～158 m高程;③坡面排水+9排锚索，锚索预应力1 000 kN，间排距6 m，布置在128～173 m高程;④坡面排水+排水洞，排水洞共2条，分别布置在113 m高程和158 m高程;⑤坡面排水+9排锚索+排水洞，布置同上。各方案布置及计算结果见图2。

2.2.4 加固措施分析与优化

采用生态修复的方式处理边坡坡面，降雨渗水会成为影响边坡安全的重要因素。不仅要考虑坡内土体吸水饱和后强度的降低，还要考虑地下水位的抬高影响。因此，计算时除强风化上带土体按饱和情况进行强度折减外，地下水位设定抬升5～10 m。上述6种情况下的边坡抗滑稳定安全系数见表4。

根据上述分析，采用坡面排水（10 m深排水孔）、预应力锚索和排水隧洞结合的形式可显著提升大坝蓄水后边坡遭遇暴雨时的稳定性。其中：①采用“坡面排水+9排锚索”组合时边坡稳定安全系数为1.190;②采用“坡面排水+排水洞”组合时边坡稳定安全系数为1.246;③采用“坡面排水+排水洞+锚索”组合时边坡稳定安全系数为1.268。

由此可见，排水洞的作用比预应力锚索更为显著，排水在边坡安全中的作用显著高于锚索等强支护手段。同时，考虑方案的经济合理性，在投资有限的情况下，确定选用“坡面排水+排水洞”组合，边坡稳定安全系数为1.246。此外，为了提高局部边坡的稳定性，在下部边坡局部區域2级边坡共增设4排锚索。

2.3 生态修复

大坝两岸边坡开挖面积约24万m2，开挖面积大。为了避免坡面裸露造成水土流失和生态环境破坏，拟采用喷播草种植被复绿的生态修复技术。客土喷播设计方案见图3。

喷播草种植被复绿造价低，施工方便，施工速度快。当地气候适宜，有利于草皮的生长和维持。草皮生长后，可有效防止雨水的直接冲刷，也可避免坡面流汇集造成的坡面冲刷。复绿后的边坡可对雨水起到一定调蓄作用，为其他动、植物的生长提供了条件，有利于生态环境的修复，最大限度减小了工程对自然环境的破坏。

3 结 语

海南省迈湾主坝左岸边坡为220 m的土质边坡，是中国热带地区最高土质边坡之一。结合当地水文地质条件和特点，反演和分析地质参数，在对常规支护措施的组合和敏感性分析的基础上，优化并确定治理方案，以保证边坡稳定。在不封闭坡面的情况下，对于土质、类土质边坡选择相对较缓的坡比，并采用喷播草种植被复绿，可较好地实现土质高边坡的生态修复，为热带地区土质超高边坡的治理和生态设计提供借鉴。

参考文献：

[1] 刘海朋. 客土喷播绿化技术及其在边坡生态修复与防护中的应用[J]. 江西建材，2021（1）：118-120.

[2] 王耀建，王永喜，夏兵，等. 基于喷混植生的高陡岩质边坡生态修复新思路——以梧桐山道立交边坡为例[J]. 中国水土保持，2019（1）：29-31.

[3] 田华兵. 某泥质粉砂岩类土质高边坡的滑坡治理研究[J]. 路基工程，2020（6）：202-205.

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[9] 雷用，郝江南，肖强. 高边坡设计中的几个问题探讨[J]. 岩土工程学报，2010，32（增2）：598-602.

（编辑：李 慧）

Analysis on ecological restoration design of deep thick and high soil slope in tropical area

PEI Haiyu1， ZHAN Jie1， WANG Zhengping2

（1. Hainan Provincial Water Conservancy and Hydropower Group Co.， Ltd. ， Haikou 571126， China;  2. Zhongshui Zhujiang planning， Surveying & Designing Co.， Ltd.， Guangzhou 510610， China）

Abstract：  To explore the ecological restoration design of deep thick and high soil slope in rainy tropical area， taking the 220 m slope at the left bank of the main dam of Maiwan Hydraulic Project in Hainan Province as an example， on the basis of the local hydrogeological conditions and characteristics，the inverse analysis of the geological parameters was conducted. By considering the ecological restoration， the treatment measures such as surface drainage， anchor cable reinforcement and drainage tunnel etc. were put forward. The safety sensitivity of each treatment measure was analyzed. The economic and feasible scheme of surface drainaging and 9 rows of anchor cable was designed to realize the ecological restoration of deep thick and high soil slope. It can provide reference for the treatment and ecological design of super-high soil slope in tropical areas.

Key words： high thick and soil slope;slope support; ecological restoration; tropical area; Maiwan Hydraulic Project; Hainan Province