符亦強(qiáng)

(湖南省交通科學(xué)研究院,湖南長沙 410015)

大規(guī)模公路建設(shè)產(chǎn)生了大量的邊坡。邊坡開挖帶來了兩方面的問題,一是對原有的植被產(chǎn)生破壞,導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失,加劇生態(tài)系統(tǒng)的退化,破壞了原有的景觀;二是工程開挖以及建成后的風(fēng)蝕和雨蝕作用往往威脅到邊坡的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的工程治理對于潛在的深層滑動面,常采用擋土墻、抗滑樁、錨索等支護(hù)措施,對于表層的不穩(wěn)定問題,常常采取漿砌片石護(hù)坡、干砌片石護(hù)坡、噴射混凝土、灰漿抹面、錨噴護(hù)面等支護(hù)措施。隨著公眾環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng),在工程建設(shè)同時(shí),如何既能保證邊坡穩(wěn)定性,又能快速恢復(fù)因邊坡開挖而破壞的植被就成了亟待解決的問題[1]。植被護(hù)坡技術(shù)由于既能起到傳統(tǒng)支護(hù)措施的邊坡防護(hù)功能,又能恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境,受到了廣泛的關(guān)注。

1 植被護(hù)坡介紹

開挖邊坡形成以后,在其上通過種植植物,利用植物與巖土體的相互作用對邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固,使之既能滿足設(shè)計(jì)對邊坡穩(wěn)定性的要求,又能恢復(fù)因工程建設(shè)而破壞的自然生態(tài)環(huán)境,這種護(hù)坡方式為植被護(hù)坡。植被防護(hù)主要利用植物根系的加固作用提高土壤的抗剪強(qiáng)度,從而增加路基邊坡的穩(wěn)定性,增強(qiáng)邊坡土壤抗侵蝕的能力,提高道路邊坡的景觀效果及提高道路的行車舒適性。

表1 植被護(hù)坡技術(shù)分類表

2 植被護(hù)坡的機(jī)理

草本植物與木本植物的水平根屬淺根類型,淺根與邊坡表層土中分布厚度一般為0～30 cm。木本植物的垂直根系為深根,其錨固深度可達(dá)3～5m[3]。在有植被的邊坡上,一方面,表層土體中植物根系互相纏繞,把土體顆粒集聚緊緊包裹在一起,可以有效防止坡面的沖刷破壞;另一方面,植物根系在地下盤繞交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),形成由根系和土體組成的復(fù)合材料,對其分布范圍內(nèi)的邊坡淺層巖土體起到一定程度的增強(qiáng)與增韌效果,從而能有效防止淺層滑坡,增加邊坡的穩(wěn)定性。植被護(hù)坡是通過其本身的機(jī)械力學(xué)作用和水文作用來實(shí)現(xiàn)的。如圖1[4]。

圖1 植被護(hù)坡機(jī)理框圖

2.1 植被根系與邊坡土體的力學(xué)作用機(jī)理

2.1.1 淺根的加筋作用

淺根在邊坡表層土中錯(cuò)綜盤結(jié),形成厚度約為30 cm厚的土與植物根的加筋復(fù)合材料,根據(jù)摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,淺根系的加筋作用提高了土體的內(nèi)聚力;另一方面,根與土體間的摩擦力限制了土體的側(cè)向變形。因此,淺根的存在提高了土體的抗剪強(qiáng)度。見圖2。

圖2 加筋作用機(jī)理

由圖2可計(jì)算出粘聚力的增加量[5]為:

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),草本植物的根系能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度,但對其內(nèi)摩擦角的影響不大[6]。因此根據(jù)摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,此時(shí)有:

2.1.2 深根的錨固作用(圖3)

要實(shí)現(xiàn)變電站各控制層局域網(wǎng)的管理功能，智能變電站技術(shù)中，引入光纖技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在一次設(shè)備與二次設(shè)備再到控制中心之間的信息可以無障礙自由傳播。另外，還能實(shí)現(xiàn)各級之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定化、可靠化。通過計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的智能化，更加集成化了變電站的電能監(jiān)測和管理，不僅能節(jié)約設(shè)備占地，進(jìn)一步縮短工期，還能降低電網(wǎng)安裝成本并保證設(shè)備是在預(yù)定時(shí)間投入工作狀態(tài)。

植物的深粗根本身具備一定的強(qiáng)度和剛度,木本植物的垂直根系深入土層,能夠錨固到邊坡深處較穩(wěn)定的巖土層上,起到了預(yù)應(yīng)力錨固的作用[7]。另外,在植被覆蓋的斜坡上,植物間相互纏繞的側(cè)向根系將邊坡聯(lián)系成為一個(gè)整體,通過深根的錨固作用將淺層土體錨固在深處較穩(wěn)定的土層處,增加了邊坡的整體穩(wěn)定性。木本植物根系最大錨固力為[8]:

式中,T為木本植物根系的最大錨固力;μ為根土間的最大靜摩擦因數(shù);γ為土體的天然容重;P(z)為根系的平均半徑沿深度z方向的分布函數(shù);Q(z)為根系數(shù)目沿深度z方向的分布函數(shù)。

樹木根系的錨固力很大,例如,15 a生油松在1 000 cm2面積上分布的根系錨固力可達(dá)470 kN,同時(shí)根的直徑越細(xì),則抗拉強(qiáng)度越高[9],試驗(yàn)結(jié)果表明,對于直徑為2～5 mm的各種類型的樹根,其抗拉強(qiáng)度為8～80MPa。

圖3 深根錨固作用模型

2.2 植被護(hù)坡的水文效應(yīng)機(jī)理

2.2.1 降雨截留,削弱濺蝕

裸露邊坡的表土在雨滴擊濺的力量打擊下,土壤結(jié)構(gòu)即遭破壞,發(fā)生分離、破裂、位移并濺起。雨滴的動能是造成邊坡侵蝕的主要能量來源[9]。當(dāng)有植被存在時(shí),一部分降雨在到達(dá)坡面之前被截留,以后重新蒸發(fā)到大氣或下落到坡面。另外,植被的莖葉能攔截高速下落的雨滴,分散雨滴,使其以很小的速度落到坡面上,從而減少滴濺能量及飛濺的土粒。植物的截留雨量E同降雨量P有如下關(guān)系[10]:

式中:λ為截留系數(shù),是降雨量P的函數(shù)。對于給定的植物類型及其葉面指數(shù)LAI,存在一個(gè)臨界降雨量P*,當(dāng)P＜P*時(shí),截留量隨降雨量線性增加;當(dāng)P≥P*時(shí),E保持在最大值E*不再變化。見圖4。

圖4 截留量與降雨量關(guān)系

在雨滴擊濺作用下,土粒能被濺至60 cm高、1.6 m遠(yuǎn)。一場暴雨能將裸露地的土壤濺蝕達(dá)240 hm2之多[9]。可假設(shè)一質(zhì)量為m的雨滴從距地表H高度下落,忽略空氣阻力,直接到達(dá)地面時(shí),雨滴動能為E1=mgH。若地表有植被,植被葉片距地表高度為h。則經(jīng)過植物的緩沖作用,雨滴速度可認(rèn)為減小到0,假定雨滴被分散為n個(gè)質(zhì)量相等的小雨滴,則每個(gè)小雨滴達(dá)到地面時(shí)具有的動能為E2=mgh/n,對比發(fā)現(xiàn)E2要遠(yuǎn)小于E1。植被的削弱濺蝕作用相當(dāng)明顯。

2.2.2 抑制地表徑流,控制土粒流失

地表徑流帶走已被滴濺分離的土粒,進(jìn)一步可引起片蝕、溝蝕。草本植物的根莖連接處形成天然的微型攔土柵,當(dāng)水流夾帶的土顆粒粒徑大于攔土柵的孔隙時(shí),土粒被擋住而形成一個(gè)薄的粗粒層;后來的土粒,若大于該粗粒層土的孔隙,則又會被擋住而沉積在該粗粒層的前面,從而形成另一個(gè)土粒較細(xì)的細(xì)粒層。依此規(guī)律,土粒在根莖連接處形成了微型土堆,攔阻徑流,減緩流速,使其土粒搬運(yùn)能力減小,從而控制土粒流失,通常土體的流失量隨植被覆蓋率的增加而銳減。表2顯示了某高速公路邊坡在雨季植草邊坡和未植草邊坡在抑制地表徑流和土粒損失方面的差距[11]。

另外,植物蒸騰作用能夠起到排水效應(yīng),從而降低了邊坡巖土體中的孔隙水壓力。尤其是降雨之后,通過植被的吸收和蒸發(fā)邊坡內(nèi)的水分,有效地降低了巖土體中孔隙水壓力,提高了土體的抗剪強(qiáng)度,避免了降水作用引發(fā)的滑坡災(zāi)害。

表2 邊坡植草影響分析

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某高速公路邊坡部分路段沖溝較發(fā)育,土質(zhì)以低液限粉質(zhì)粘土為主,粘聚力低,水穩(wěn)性較差,最大坡腳為40°。該地區(qū)降雨集中,連續(xù)降雨量大,邊坡有沖刷,滑坍病害隱患,且局部有小滑坡,采用簡化Bishop法計(jì)算后,安全系數(shù)為1.1,需采取防護(hù)措施進(jìn)行處治。

3.2 治理措施

采用錨桿+三維植被網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。在坡面設(shè)置錨桿,錨桿間排距各為2.5m,錨桿長度為4～6m,采用梅花型布置,用鋼筋混凝土骨架將錨桿連接成整體,并對坡面進(jìn)行加固。植被采用宿根黑麥草、百喜草、狗牙根、假儉草和勾葉畫眉草按比例配植。活性營養(yǎng)土覆土厚度20～25 cm。坡頂設(shè)截水溝,坡面布排水盲溝進(jìn)行排水。利用耐特龍高強(qiáng)土工網(wǎng),采用U型釘固定于坡面上并覆土,然后覆蓋地膜保水?？紤]植被根系深度為0.5m左右,經(jīng)重新計(jì)算安全系數(shù)為1.89。

3.3 施工步驟

施工工序?yàn)?坡面平整→選取植物種子→錨桿施工→安裝植生袋→安裝格網(wǎng)→種植植被→養(yǎng)護(hù)。

1)施工準(zhǔn)備。測定土壤并改造不良土壤,對邊坡進(jìn)行削坡整形,準(zhǔn)備植物種子及材料。要盡量選取根系發(fā)達(dá)、枝葉繁茂、生長快的多年生植物,這樣才能夠起到長久有效地防護(hù)邊坡。

2)施工錨桿,安裝錨筋。根據(jù)錨筋時(shí)效性,安裝短效錨固的竹筋和長效錨固的錨桿,當(dāng)竹筋腐蝕后,植被根系及錨桿可繼續(xù)提供錨固力。

3)安裝植生袋。將植生袋儲存于保水保肥等生長基材,并與鋼絲網(wǎng)或土工格柵等捆扎。基材由腐質(zhì)有機(jī)物、混合肥、粗纖維、保水劑、本地土等組成。對基材要求要必須適合所選植物生長,有一定孔隙和強(qiáng)度,pH要適合植物的生長發(fā)育。

4)安裝格網(wǎng)并種植植被。采用土工格柵和三維生態(tài)網(wǎng),網(wǎng)間搭接寬度不小于10 cm,每隔30 cm用鐵絲扎結(jié)。用U型釘固定格網(wǎng)。采用墊塊使網(wǎng)與坡面保持2/3覆土厚度的距離。然后開始播撒種子,創(chuàng)造草灌混合生態(tài)。

5)對植被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。采用地膜保溫防雨,避免基材混合物在沒有一定勃聚力的情況下流失。用高壓噴霧器將養(yǎng)護(hù)水成霧狀濕潤坡面基材,杜絕高壓水頭直接噴射,發(fā)芽期濕潤深度控制在2～5 cm,出芽期早晚各養(yǎng)護(hù)1次,并注意防治植物病蟲害。

3.4 工程總結(jié)

通過現(xiàn)場觀測,狗牙根等草種6 d左右開始發(fā)芽,10 d后灌木種子開始發(fā)芽。由于基材土配比合理,植物生長快,長勢旺。播種35 d后坡面植被覆蓋率達(dá)75%以上,2個(gè)月后即達(dá)95%,高度平均可達(dá)23 cm,最大根深35 cm,施工3.5個(gè)月后,覆蓋率即達(dá)100%。長期觀測發(fā)現(xiàn),由于植物根系淺根的加筋作用、深根以及錨桿的錨固作用,邊坡穩(wěn)定性較好,起到了對邊坡的加固防護(hù)作用。邊坡雖然經(jīng)過多次暴雨,仍然完好無損。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)護(hù)坡支護(hù)方式只考慮了邊坡的力學(xué)穩(wěn)定,植被護(hù)坡既能夠考慮到邊坡的安全穩(wěn)定性,又能顧及邊坡的生態(tài)、環(huán)境及景觀功能。但是由于植物根系的深度有一定局限性,對于有潛在深層滑動面的邊坡可采用植被護(hù)坡和傳統(tǒng)護(hù)坡相結(jié)合的方式,保證邊坡的穩(wěn)定性和生態(tài)性。另外,護(hù)坡植物應(yīng)以本地生的灌木為主,草本植物為輔,兼顧短期和長期效果。

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