一种硬质岩石边坡生态防护装置及应用初探

王幸，彭帅

（1．中铁十二局集团有限公司勘测设计分公司，山西 太原 030000；2．山西路桥建设集团有限公司太原设计咨询分公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路建设中，山岭区经常会出现大规模的路堑挖方段，随之产生大量裸露的岩石边坡，为了保护自然环境，同时保障行驶车辆的安全，需要对岩石边坡进行生态防护。常用的岩石边坡生态防护措施有主动（或被动）防护网、三维植被网、窗孔式护面墙、有机基材喷混植生和客土喷播等[1]。

然而实践表明，当边坡为硬质岩石时，设计坡率较陡，通常采用1:0．1～1:0．3[2]，在这种坡率下，采用现有的防护措施对岩石边坡进行防护时，存在以下问题：一是主动（或被动）防护网只能对边坡大块落石进行防护，无法覆盖裸露坡面，并不能从根本上解决岩石边坡风化和雨水侵蚀的问题，坡面较陡时无法生长植物，生态防护效果不好；二是三维植被网施工工艺较复杂，施工速度慢[3]，且养护成本较高[4]，适用于较陡峭岩石边坡时，聚乙烯网容易脱落，固土率明显下降[3]；三是窗孔式护面墙与植草或植生袋防护结合一般可适用于坡率不陡于1:0．5的易风化岩石边坡[2]，适用范围有限，所需圬工量较大导致生态效果差，且存在需要较多人工、施工工期长、造价高的问题；四是有机基材喷混植生和客土喷播一般要求边坡坡率不陡于1:0．75[2]，在较陡峭边坡布置时容易造成植材的脱落，且喷播的基材厚度有限，导致基材中所种植的植物寿命短[3]。而岩石边坡放缓不仅会增加开挖工程量、占地和不必要的费用，对周边自然生态也会造成更大的破坏。

为了改进现有防护措施对陡坡率硬质岩石边坡进行防护时存在的问题，本文提出了一种拼装式生态防护装置结构。

1 拼装式生态防护装置结构设计

1.1 技术方案

1．1．1 结构组成

本结构由两部分组成即拼装式生态防护装置和喷灌装置。

①拼装式生态防护装置

防护板单组构件由防护板主板、锚杆、绿化槽主板、绿化槽底板及支撑板构成。绿化槽主板底部固定于防护板主板的外侧；绿化槽底板水平固定于绿化槽主板与防护板主板之间；支撑板固定于绿化槽主板和防护板主板之间，且支撑板的顶面与绿化槽主板顶面齐平。绿化槽主板中部设排水孔，用于排出种植营养土中多余的水分，防止水分过多影响植物的生长，同时起到透气的作用。防护板主板下端布设排水孔，用于排出岩体边坡坡面上的积水以及岩体自身裂隙的渗水。防护板构件由拼接件与拼接槽拼接为条状防护板组，条状防护板组沿岩体坡面上下拼接，用锚杆固定于岩体坡面，形成一个整体的防护装置。结构立面示意图见图1，结构平面示意图见图2，防护板本体边板和中板结构示意图分别见图3 和图4。

图1 结构立面示意图

图2 结构平面示意图

图3 边板结构示意图

图4 中板结构示意图

拼接件与拼接槽的结构设计便于对防护板本体采用按压卡接的方式进行连接，安装方便快捷，节约了安装的人工成本与时间成本。防护板本体为不锈钢预制件。采用不锈钢预制构件，既方便运输，又极大地缩短了生态防护装置的施工工期。

②喷灌装置

喷灌装置包括水平设置于岩体边坡底部的第一水管和与第一水管连通的水泵，第一水管的侧壁设置有若干与其连通且沿岩体坡面倾斜放置的第二水管，每个第二水管的顶部设置有与其连通的第三水管，第三水管固定于岩体顶部的平台处，且沿垂直于防护板主板的方向放置，第三水管的顶端设置有喷头、底部侧壁设置有阀门。

该设计方案方便对生态防护装置内的植物进行养护，省去了人工养护的工序，降低了绿化养护所需要的人工成本。绿化槽底板的上端面设置有稻草垫，稻草垫能够起到保护绿化槽底板的作用，同时能够有效防止排水孔淤堵，进而增加生态防护装置的使用年限。

1．1．2 施工工序

首先清理岩体坡面，测量放线定位锚杆钻孔位置，根据锚杆长度及位置在岩体上沿垂直方向定点钻孔，接着在岩体上沿坡面方向逐个拼接防护板主板，然后在钻孔内安装锚杆，同时注入水泥砂浆封孔。锚杆安装完成后，在绿化槽底板上填充种植营养土，最后在种植营养土内种植适宜当地种植的植物，完成生态防护装置的安装。

结构图中各序号分别代表1-岩体，2-防护板主板，3-锚杆，4-绿化槽主板，5-绿化槽底板，6-支撑板，7-排水孔，8-排水孔I，9-第三水管，10-喷头，11-拼接件，12-拼接槽，13-锚杆孔。

1.2 拼装式生态防护装置设计计算

根据边坡地质条件勘察报告，评估拼装式生态防护装置的适用性。本文论述的结构形式可适用于设计坡率较陡的硬质岩石边坡。通过计算锚杆的轴向抗拉承载力与锚杆轴向拉力设计值并做比较。抗拉力主要是由锚固体与岩石孔壁间粘结力、砂浆与钢筋间粘结力及钢筋自身的抗拉强度提供，锚杆轴向拉力主要是由防护装置自重引起。

1．2．1 锚杆轴向拉力设计值计算

单根锚杆轴向拉力设计值为T，单块防护板的重力为G，边坡与水平面的的夹角为θ。可以按照下式（1）计算求得单根锚杆轴向拉力设计值：

1．2．2 锚杆抗拉力计算[2]

锚杆采用高强度精轧螺纹钢筋，锚固体与岩石孔壁间的粘结强度设计值见表1，钢筋与砂浆间的粘结强度设计值见表2。度也大于锚固体与岩石间的粘结强度。由此，锚杆的破坏或拔出主要是锚固体与岩石之间的强度破坏产生的拔出[5]。由于锚杆抗拉承载力Nt大于锚杆轴向拉力设计值T，因此防护板稳定。

表1 岩石与锚固体极限粘结强度设计值

表2 钢筋与砂浆之间粘结强度设计值

2 拼装式生态防护装置结构设计的工程实例

按照下式计算锚杆抗拉承载力：

式中：Nr为锚固体与岩石孔壁间粘结力，kN；Nb为砂浆与钢筋间粘结力，kN；Ng为钢筋自身的抗拉强度，kN；Nt为锚杆轴向抗拉承载力，kN；la为锚固段长度，mm；K为安全系数，考虑到防护板对边坡进行整体防护以及群锚作用，选取安全系数为1．8；D 为锚固体直径，mm；d为单根钢筋直径，mm；fr为锚固体与岩石孔壁间的粘结强度设计值；fb为砂浆与钢筋间的粘结强度设计值。

本次计算边坡岩体按照坚硬岩考虑，锚固体与孔壁间的粘结强度设计值取1800kPa。锚固体与钢筋间的粘结强度设计值取2．4MPa。

通过计算表明，水泥砂浆与钢筋之间的粘结强度设计值远大于锚固体与岩石间的粘结强度，且钢筋的自身抗拉强

某山区旅游公路工程项目是该地区人文自然风光旅游园区的快速通道，路线全长8．6km。项目全线采用三级公路技术标准，设计速度为40km/h，路基宽度为8．5m。项目所处山岭重丘区，地形复杂，地势陡峭，植被茂密，沿线均为完整性较好的硬质石灰岩。由于傍山临崖路段较多，因此路基多为挖方，导致出现大段落的路堑边坡，破坏了原有植被，产生大量裸露的岩石边坡。而旅游景区要求所有裸露的边坡都应有绿化覆盖，因此在初步设计阶段，考虑路堑边坡植物生长需求，设计采用1:0．5的挖方边坡坡率和三维植被网结合的防护方案。而1:0．5 的坡率无疑会增加大量的挖方工程数量和林地占用数量，会对景区造成大规模的生态破坏。因此在施工图设计阶段，按照“绿色公路”理念，对边坡防护方案进行了优化设计，结合地勘报告中地质特点，征求景区意见并经专家论证同意后，采用1:0．3的挖方边坡坡率和拼装式生态防护装置结合，将此装置应用到该项目的边坡防护工程和绿化工程设计中。

本工程K2+317～K3+860 段右侧挖方边坡，设计坡率为1：0．3，在该段采用了该拼装式生态防护装置进行绿化防护。在工程设计时，计算出防护板尺寸及锚杆尺寸，项目开工后根据图纸提前预制。预制构件主要尺寸如下：锚杆采用Φ20mm 螺纹钢筋，长1000mm；防护板主板尺寸为2000mm×2000mm；绿化槽深400mm，底宽250mm，其主板与防护板主板夹角为40°，尺寸为2000mm×1600mm，底板尺寸为2000mm×500mm，支撑板尺寸为1600mm×1090mm×1526mm；不锈钢板厚度均为10mm。排水孔直径为30mm。第一水管采用内径为40mm 的镀锌管，第二水管采用内径为35cm 的PVC 管，第三水管采用内径为20mm 的PVC 水管。拼接件中圆板部分的半径为20mm，条形板部分的长度为40mm，宽度为20mm。在边坡成型清理岩体坡面后，根据锚杆长度及位置在岩体上沿垂直方向定点钻孔，接着在岩体上沿坡面方向逐个拼接防护板主板，然后在钻孔内安装锚杆，锚杆安装同时注入水泥砂浆封孔，然后在绿化槽底板上填充种植营养土，种植冬青卫矛和紫穗槐植物。安装喷灌装置后进行预喷水实验，确保喷洒面均匀无死角，并对无法使用的构件及时更换，最终完成生态防护装置的安装。

该边坡防护设计和施工过程井然有序，施工进度满足施工组织设计要求，绿化效果满足绿化系统设计要求，绿化和防护工程费用较初步设计减少41%，工期缩短25%，对比如表3所示。

表3 施工图设计与初步设计坡面防护工程数量及费用对比表

3 结语

从我国基础建设发展规划来看，绿色环保、高速高效、保质节约是公路工程建设的发展趋势。本文通过总结以往岩石边坡生态防护设计、施工及运营过程中存在的问题，提出了一种拼装式生态防护装置。该装置实现了较陡峭岩石边坡既能绿色美观，又能防止裸露岩体被风化侵蚀的目的，具有生态防护效果好、使用寿命长、安装方便快捷和经济节能等优点。通过工程实践证明本边坡防护结构设计及施工工艺切实可行，为陡坡率硬质岩石边坡生态防护设计提供一种新思路、新方法。