张 萌

1 工程概况

某边坡位于一住宅区后山,长约200 m,宽约41 m。根据对现场开挖的地质情况所做的勘测结果来看,土质结构良好,边坡1 m以下为坚韧的黏土,1 m以上为中等及强风化岩石及次坚石,坡体已经稳定。边坡靠近民居,最接近的地方只有10 m。按照设计要求,完工后要在边坡底与民居地之间建一条6 m宽的公路,因此边坡开挖高度较高(约40 m),坡度设计为1∶1。考虑到边坡坡度大,在边坡上设置了三级台阶,第一级和第二级台阶高均为12 m,第三级台阶高13.5 m。每级台阶之间做出2 m碎落平台,在每级台面上设排水沟,并且在坡顶较高处离顶5 m～6 m设置截水沟,在坡角设排水边沟。由于边坡处于人口较密集的居民区,需建立观赏型的植物群落,且在坡面上设置踏步,以便人们休憩观赏。

2 可行性分析

2.1 中等及强风化花岗岩植物防护需要解决的关键问题

1)以强风化花岗岩为母质形成的赤红壤,呈酸性,不利于大多数常用绿化草种的生长。赤红壤所含的有机质、氮、磷也较低,而且随着深层的增加,有机质含量越低,无法给植物提供生长所需的养分。另外第四纪红土上的赤红壤,土壤质地粘重,不利于植物的生长[1]。因此,风化花岗岩形成的土壤必须进行合理的土质改良。土质改良主要从pH值、养分和土壤结构三方面进行。

2)强风化花岗岩边坡岩土体的土质是非常贫瘠的,需要提供植物在初期生长的养分。在基材中施加的肥料可以采用速效肥、长效缓释肥及有机肥多种类型的组合。在形成稳定的植物群落以后,除了施加的肥料,植物还可以通过以下方式获得养分:a.植物枯枝、落叶残体的分解、矿化;b.豆科植物根系的固氮;c.岩石的生物风化;d.降水的带入。

2.2 喷播植物的选择

运用层次分析法对固坡植物进行选择。喷播绿化中使用的植物种子主要是草种,很少用乔、灌木种子,生长的植被主要也是草被。虽然草皮生态系统的恢复启动快,但是草本植物群落单一,容易衰退,生态系统很难持续恢复下去。根据植物种类的多样性和生态位原理,参考日本多年的绿化喷播经验[2],混播植物中通常豆科植物的种子为25%～30%,禾本科及其他科的植物种子为70%～75%。为使喷播产生的植被增强固坡效果,在草被覆盖后需在碎落平台上采用坑穴栽种乡土乔木和灌木,如:我国台湾相思、灌木夹竹桃和桃金娘等。

3 方案设计与工程应用

3.1 植物根系生长前边坡稳定性分析

对于采用土工网和植被防护的岩土边坡,若在地质勘察中发现岩质边坡本身稳定,则只需进行边坡浅层稳定性分析。进行边坡绿化时往往在坡面均匀地喷播一层基材,这层基材的抗滑稳定性可按平面滑动计算,但考虑到岩质边坡坡面比较粗糙,在计算时应把基材的粘聚力考虑进去[3]。可采用改进的圆弧滑动法进行稳定性计算,没有考虑边坡土体中水的作用,假设土工网施加在土条上的作用力平行于锚杆的轴向,滑动面呈圆弧状,典型单元块的受力分析示意图如图1所示。

取i条块进行受力分析,该条块的自重力为:

其中,γ为土体的比重;vi为i条块的体积;zi-1,zi分别为i条块左、右侧边的长度;b为两锚杆之间的间距;β为边坡坡角。

垂直于Ni方向的作用力包括土条的自重下滑分力和土工网的作用力,根据如图1所示的几何关系,下滑力Fxi可用下式计算:

其中,αi为i条块底边与水平面的夹角;T,θ分别为土工网的作用力及其与重力方向的夹角。

抗滑力Fri可用下式计算:

其中,c′,φ′分别为滑面处基材的有效粘聚力和有效内摩擦角。

考虑所有滑动土条的综合作用,则边坡表面抗滑安全系数Fs为:

取最陡的一段进行稳定性分析,根据现场试验,喷播基材的饱和容重为2.12 g/cm3,粘聚力为 3.25 kPa,内摩擦角为27.8°,基层厚度按7 cm设计,U形钉长度为45 cm时的最小锚固力为1 000 N,根据上述计算公式,可计算出土层的抗滑安全系数为2.87,满足稳定性要求。

3.2 喷播基材的材料

喷播绿化的喷浆混合物中包括:种子、有机复合肥、土壤改良剂(腐殖质)、纤维(或纸浆)、着色剂、保水剂、粘合剂和水。其用量配比根据草种、坡度和土质条件等而定[4]。基材的具体做法[5]:首先把黏性土做成泥浆,然后一边加入团粒剂,与空气一起进行混合反应,一边使具有粘着性的植物纤维交织在一起,依靠土壤粒子和团粒剂的离子结合,形成具有耐侵蚀性的团粒结构。

4 施工技术

4.1 施工准备及施工计划

1)锚杆与网的设计。根据坡面岩土体的不同类型,锚杆与网的使用期限和要求也不一样。边坡可用φ 12的钢筋,长45 cm～50 cm,可以直接钉入或钻孔,采用玻璃纤维格栅挂网,玻璃格栅网要求有较好的耐腐蚀性,耐温性能在-50℃～150℃之间,各向抗拉强度大于50 kN/m,各向伸长率小于4%,网孔的大小为50 mm×50 mm。

2)施工准备计划。在充分调查工程现场的情况后,可以根据施工的顺序编制好设计说明书和设计图。对现场情况进行详细地研究,制定好具体的施工组织计划。具体的施工准备工作包括:a.客土的供给;b.施工用电、水、材料、机械;c.防雨的准备。

4.2 施工组织及工序

施工组织应该精心组织、合理安排,避免长时间造成居民生活不方便,确保施工过程的连续性,提高工作效率。施工工序设计如下:1)清理、平整坡面;2)安装锚杆;3)铺设、固定网;4)拌和基材混合物;5)喷射基材混合物。

5 养护管理

5.1 前期养护管理

1)编制前期养护组织措施,落实人员、水源及器具。2)用高压喷雾器使养护水呈雾状均匀地湿润坡面基材混合物。3)前期养护时间约为45 d,每天养护两次,早晚各一次,避免在强烈的阳光下作业。4)以单层无纺布覆盖在喷播完成的坡面上,使其免遭强暴风雨的冲刷而破坏。

5.2 后期养护管理

后期养护管理是植物固坡工程技术的重要环节。一般地,后期养护管理包括浇水、追肥、病害和虫害防治、杂草防治等。

5.3 建议验收标准

检验指标见表1。

表1 建议坡面植被的检验指标 %

6 结语

本工程实例中,各草种子均能正常出苗,从混播中各草的生长状况看:前1个月多年生黑麦草生长较快,9个月后覆盖率已经接近100%,地上生物量为345.8 g/m2,地下生物量为753.6 g/m2,而且固坡能力最强的不大于1 mm的细根占到58.6%。6个月后对边坡防护效果进行测试:径流量比未喷播前减少了42.5%,泥砂冲刷量减少了83.2%。植物生长后对固坡、护坡和水土保持起到了积极的作用。

本文根据具体的工程实例,将理论紧密结合实践进行了全面分析,提出了用于实际工程中植物固坡的工程设计、施工方法和验收方法的建议。这对相关的实际工程具有重要的指导意义,同时对《公路养护技术规范》的修订也有一定的参考价值。

[1]周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]程胜高.高速公路环境评价与发展[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

[3]张在明.对于发展环境岩土工程的初步探讨[J].土木工程学报,2001,34(2):658-663.

[4]蔡志洲.论公路建设的生态影响[J].公路交通科技,1995,12(1):253-255.

[5]龚晓南.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报,2000,22(2):578-583.

[6]周 跃.土壤植被系统及其坡面生态工程意义[J].山地学报,1999,17(3):224-229.