楊 奇 ，鄢煜川，朱代強(qiáng) ，黃 勇

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

在水利、公路、鐵路、礦山等建筑工程建設(shè)中，經(jīng)常有大量的施工開挖，開挖破壞了原有植被，造成大量的裸露土坡和巖石邊坡，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失和生態(tài)環(huán)境失衡，如水土流失、滑坡、泥石流、局部小氣候的惡化、光聲污染及生物鏈的破壞等[1]。

傳統(tǒng)的工程護(hù)坡措施主要考慮邊坡的穩(wěn)定加固，采用水泥、石料、混凝土等硬性材料對(duì)邊坡加以防護(hù)。工程護(hù)坡措施雖然能夠?qū)吰缕鸬椒€(wěn)定加固、有效降低水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的作用，但對(duì)邊坡造成的局部小氣候惡化、光聲污染及生物鏈的破壞等卻起不到改善的作用。另外，對(duì)邊坡與周圍生態(tài)景觀及環(huán)境的協(xié)調(diào)性考慮較少，不具備美學(xué)效果，容易產(chǎn)生視覺疲勞。而且長(zhǎng)期暴露在風(fēng)吹日曬或冰雪凍融的自然環(huán)境下，工程加固措施所采用的硬性材料會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸老化，導(dǎo)致防護(hù)效果減弱。由于工程防護(hù)措施存在上述不足，又隨著人們對(duì)生存環(huán)境要求和環(huán)保意識(shí)的提高，生態(tài)防護(hù)技術(shù)已成為邊坡治理的主流。

1 巖石邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

巖石邊坡不同于土質(zhì)邊坡，由于其較強(qiáng)的異質(zhì)性，不能提供植被生長(zhǎng)所需要的土壤環(huán)境[2]。因此要對(duì)巖石邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，就必須在邊坡巖體表面營(yíng)造適合植被生長(zhǎng)的環(huán)境。營(yíng)造植被生長(zhǎng)環(huán)境，就是在巖石坡面上噴射一層具有一定厚度的特定植生基材。為保證植被在巖體坡面上正常生長(zhǎng)，此植生基材必須牢固穩(wěn)定的附著在坡面上，不產(chǎn)生剝落、沖刷流失等。

目前對(duì)巖石邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)技術(shù)方法比較多，根據(jù)基材中所用粘合劑材料的使用情況，大致可分成3類。第一類是在基材中不加任何粘合劑，如客土噴播技術(shù)；第二類是在基材中加入高分子膠作為粘合劑，如厚層基材噴射技術(shù)；第三類是在基材中加入水泥作為粘合劑，如植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)。針對(duì)巖土邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)比較成熟且常用的技術(shù)也主要為客土噴播技術(shù)[3]、厚層基材噴射技術(shù)[4～5]、植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)[6～7]等。

1.1 客土噴播技術(shù)

客土噴播技術(shù)護(hù)坡是在邊坡坡面上掛網(wǎng)、機(jī)械噴填(或人工鋪設(shè))一定厚度適宜植物生長(zhǎng)的土壤或基質(zhì) (客土)和種子的邊坡植物防護(hù)措施[8]。

客土噴播技術(shù)基材組成主要是土，或外加一些成分，如泥炭土、保水劑、復(fù)合肥等。由于基材主要由適合植被生長(zhǎng)的土壤組成，沒有加入粘合劑等對(duì)植被生長(zhǎng)有害的物質(zhì)，有利于基材中種子萌發(fā)和植被生長(zhǎng)。采用客土噴播技術(shù)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的坡面成坪時(shí)間快，基本不需要經(jīng)過特別的養(yǎng)護(hù)植物便能正常生長(zhǎng)。但沒有加入粘合劑，導(dǎo)致基材強(qiáng)度低、抗雨水沖刷性能弱、與坡面巖體之

間粘聚力小。因此，客土噴播技術(shù)一般用于坡度較緩的強(qiáng)風(fēng)化巖石邊坡、土夾石邊坡和劣質(zhì)土邊坡等。

1.2 厚層基材噴射技術(shù)

噴射厚層基材植被護(hù)坡技術(shù)，是指在邊坡上噴射一定厚度的含粘結(jié)劑、泥土、有機(jī)肥、保水劑、消毒劑和植物種子的混合材料，并結(jié)合錨桿和護(hù)網(wǎng)等傳統(tǒng)的支護(hù)材料，使基材得以在巖石邊坡上被固定、植物種子得以發(fā)芽生根生長(zhǎng)發(fā)育，通過植物的發(fā)達(dá)根系固土與護(hù)網(wǎng)的協(xié)同固定作用，從而起到護(hù)坡效果的環(huán)保技術(shù)[5]。該技術(shù)是以高分子膠作為基材中的粘合劑，高分子膠的加入使基材粘聚力和強(qiáng)度得到提高。所以在基材噴射后不久，基材就能與坡面巖體較牢固的粘結(jié)在一起并且能夠抵抗一定的沖刷。但在太陽(yáng)紫外線及高溫環(huán)境下高分子膠易老化，粘結(jié)能力逐漸降低。所以采用厚層基材噴射技術(shù)對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)，基材中粘合劑一般在數(shù)月以內(nèi)便失去粘結(jié)效果。厚層基材噴射技術(shù)主要用于坡比小于1∶0.3的各類巖土邊坡[9]。

1.3 植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)

植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)是采用特殊的混凝土配方和種子配方，對(duì)巖石邊坡進(jìn)行防護(hù)和綠化的新技術(shù)。它是集巖石工程力學(xué)、生物學(xué)、土壤學(xué)、肥料學(xué)、硅酸鹽化學(xué)、園藝學(xué)和恢復(fù)生態(tài)學(xué)等學(xué)科于一體的綜合護(hù)坡技術(shù)[10]。

植被混凝土基材主要由水泥、土、腐殖質(zhì)、保水劑、植被混凝土添加劑等組成。該技術(shù)以水泥作粘合劑制備成有一定強(qiáng)度的植被混凝土基材，再將混有植物種子的基材噴射到坡面巖體上。如果只考慮基材強(qiáng)度及與坡面巖體的粘結(jié)能力，基材中水泥加入量越多，對(duì)基材穩(wěn)定是越有利的。但植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)還受到植物生態(tài)學(xué)等諸多方面因素的影響，水泥含量的提高會(huì)使基材pH值增大呈堿性，堿性環(huán)境會(huì)影響植被混凝土中種子萌發(fā)及植被生長(zhǎng)，而且水泥含量過高易導(dǎo)致基材土壤板結(jié)石化，不利于植被生長(zhǎng)[11]。植被混凝土技術(shù)之所以能夠在基材中加入滿足要求的水泥用量，是因?yàn)榧尤肓酥脖换炷撂砑觿Ｌ砑觿└纳屏嘶牡臓I(yíng)養(yǎng)條件，而且能有效調(diào)節(jié)基材的pH值，大大降低了水泥對(duì)植被的毒性。這也是其它技術(shù)雖然在基材中加入了水泥，但因加入量極少，不足以起到粘結(jié)和提高基材達(dá)到足夠強(qiáng)度的原因。以水泥作為粘合劑，基材能夠比較牢固的粘附坡面巖體上，基材強(qiáng)度和粘結(jié)效果會(huì)隨著水泥齡期的增長(zhǎng)而提高?；谥脖换炷辽鷳B(tài)防護(hù)技術(shù)的這些特性，該技術(shù)主要用于坡比在1∶1～1∶0.15的高陡巖石邊坡和混凝土邊坡[8]。

上述3種巖石邊坡常用的生態(tài)防護(hù)技術(shù)，施工所用的機(jī)械設(shè)備及工序都大同小異，都要經(jīng)過前期坡面處理、中期打錨桿、掛網(wǎng)、噴射基材以及后期的養(yǎng)護(hù)3大階段。從應(yīng)用層面來看，每種生態(tài)防護(hù)技術(shù)都有自己的適用范圍，并沒有優(yōu)劣之分。根據(jù)不同的邊坡特性采取不同的生態(tài)護(hù)坡方式，制定既經(jīng)濟(jì)又合理的方案。

2 粗糙度的描述

基材在巖石邊坡表面的穩(wěn)定性受多方面因素的影響，基材的物質(zhì)組成直接影響基材自身的強(qiáng)度與粘結(jié)特性，是影響基材穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，而坡面巖體表面粗糙度則是影響其穩(wěn)定性的另外一個(gè)重要因素。無(wú)論是天然巖質(zhì)邊坡還是人工開挖的邊坡，其結(jié)構(gòu)表面都是凹凸不平的，從坡面斷面上看表現(xiàn)為一起伏輪廓線，不同的輪廓起伏線其粗糙度是不同的，而不同的粗糙度亦會(huì)影響到基材與巖體接觸面的抗剪強(qiáng)度，因此如何用某一參數(shù)描述結(jié)構(gòu)面的粗糙度是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者十分關(guān)注的問題。

目前結(jié)構(gòu)面粗糙度的描述大多采用Barton[12]提出的接觸面抗剪強(qiáng)度公式中的JRC值，而JRC值卻又是十分難確定的，學(xué)者對(duì)粗糙度系數(shù)JRC的研究大致經(jīng)歷了試驗(yàn)、探索和理論研究3個(gè)階段[13-19]。在試驗(yàn)階段僅有Barton等少數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，其主要方法是先通過接觸面抗剪試驗(yàn)得出接觸面抗剪強(qiáng)度值，然后根據(jù)Barton提出的經(jīng)驗(yàn)公式反推粗糙度系數(shù)JRC值。因?yàn)槭窍韧ㄟ^試驗(yàn)得出了接觸面的抗剪強(qiáng)度值，然后反推到粗糙度系數(shù)，因此這種方法沒有太多的工程意義。探索階段主要是通過大量標(biāo)準(zhǔn)剖面的統(tǒng)計(jì)分析得出了10條標(biāo)準(zhǔn)的剖面線及其粗糙度系數(shù)。在具體應(yīng)用時(shí)主要是通過與標(biāo)準(zhǔn)剖面曲線的對(duì)比分析按經(jīng)驗(yàn)確定巖體的粗糙度系數(shù)，然后通過JCS-JRC模型估算接觸面的抗剪強(qiáng)度。因巖體粗糙度系數(shù)是通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比而得出，所以其取值具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，不同的應(yīng)用者可以得出不同的結(jié)論。理論研究階段對(duì)于粗糙度系數(shù)JRC值的研究主要集中在建立粗糙度系數(shù)與巖體剖面起伏線曲線粗糙度參數(shù)及分形維數(shù)之間的回歸分析，主要有表面粗糙度參數(shù)法、直線長(zhǎng)度與軌跡長(zhǎng)度比值法、分形理論法、直邊法及修正直邊法、Motif法、最小二乘多項(xiàng)式擬合法等。

3 粗糙度對(duì)基材穩(wěn)定性影響分析

粗糙度是對(duì)表面形貌的評(píng)定，而邊坡巖體表面形貌對(duì)基材穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在基材-坡面粘結(jié)力和力學(xué)行為改變兩個(gè)方面。

3.1 粗糙度對(duì)基材-坡面粘結(jié)力的影響

粗糙起伏的表面增加了基材與坡面巖體的接觸面積，不管基材中是否加入粘合劑或者加入何種粘合劑，基材都具有一定粘結(jié)能力?；呐c坡面的粘結(jié)力隨粘結(jié)面積的增加而增大，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了基材在坡面上的穩(wěn)定性。在邊坡長(zhǎng)度方向取一微段ds，則在該微段基材與坡面的接觸面積可表示為dA=L×ds（L為該微段坡面輪廓線長(zhǎng)），可見在該微段基材-坡面之間粘結(jié)面積與坡面輪廓線長(zhǎng)成正比（見圖1），粘結(jié)力與粘結(jié)面積可認(rèn)為成正比關(guān)系，那么粘結(jié)力與坡面輪廓線長(zhǎng)成正比。

圖1 坡面輪廓線

下面就Barton[12]提出的幾種典型粗糙輪廓線與以直線為輪廓線的坡面，做一個(gè)理論對(duì)比分析。

表1 幾種典型Barton輪廓線

3.2 粗糙度對(duì)基材-坡面力學(xué)行為的影響

粗糙的坡體表面增加了基材與坡面的機(jī)械咬合力，改變了基材與坡面巖體間的力學(xué)行為。為方便計(jì)算，下面以折線型輪廓線為例，對(duì)基材的受力情況進(jìn)行分析。在不考慮鐵絲網(wǎng)和錨桿對(duì)基材影響的情況下，基材受力有重力G、坡面巖體對(duì)基材的法向支持力Fn、坡面巖體對(duì)基材的切向摩擦力Ff以及坡面巖體對(duì)基材的粘結(jié)力Fc。

對(duì)基材混合物體系，由靜力平衡條件，可得

圖2 基材混合物受力分析

從坡面切向平衡式（1）可以看出，由于坡面凹凸起伏改變了基材部分受力的作用方向，使得基材所受的有些力可能轉(zhuǎn)變?yōu)榭够Γㄈ缡剑?）中項(xiàng)），因此基材抗滑力有所增加。從抗滑樁的角度來考慮，在坡面凹陷處，基材向下嵌入巖體，可看作是以基材為材料的微型抗滑樁作用于坡體。在坡面凸出處，坡面巖體向上嵌入基材，可看作是以坡面巖體為材料的微型抗滑樁作用于基材。因此，在對(duì)邊坡進(jìn)行生態(tài)防護(hù)時(shí)，坡面粗糙度對(duì)基材穩(wěn)定性有著重要影響。

照片1隔河巖水電站邊坡生態(tài)防護(hù)防護(hù)整體效果

3.3 工程實(shí)例

隔河巖水電站大壩附近左岸巖石邊坡坡度陡，接近垂直狀態(tài)。在對(duì)該邊坡實(shí)施生態(tài)防護(hù)工程后，經(jīng)過長(zhǎng)期的取樣和跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該邊坡巖體上植被長(zhǎng)勢(shì)良好，物種多樣性豐富，整體生態(tài)防護(hù)效果優(yōu)良（見照片1），但也存在生態(tài)防護(hù)基材局部脫落情況（見照片2）。

照片2坡面巖土相對(duì)平整區(qū)域基材局部脫落情況

通過對(duì)局部基材脫落區(qū)域的對(duì)比分析，可以看到基材脫落區(qū)域大多數(shù)處于坡面巖體相對(duì)較為平整的區(qū)域。這從實(shí)際工程中也說明了坡體過于平整，不利于基材的穩(wěn)定。保持坡面一定的粗糙度，既增加了基材與坡面之間的粘結(jié)力，也使坡面-基材之間形成大量微型抗滑樁，進(jìn)一步地提高了基材在坡面上的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

基材穩(wěn)定性是影響邊坡生態(tài)防護(hù)效果的重要因素，不同的生態(tài)防護(hù)技術(shù)，基材組成成分不同，導(dǎo)致強(qiáng)度與特性也不一樣，因此基材組成是影響其穩(wěn)定性的一個(gè)內(nèi)在因素?；姆€(wěn)定性除了受基材本身特性影響外，與邊坡表面的粗糙度也有著重要關(guān)系。凹凸起伏的巖體表面，增加了基材與坡面巖體的粘結(jié)面積，使基材與坡面間的粘結(jié)力得到提高，有利于基材在坡面的穩(wěn)定。另一方面，基材-巖體接觸面的凹凸起伏，形成了大量的“微型樁”，使基材的抗滑力得到顯著提高，進(jìn)一步提高了基材在坡面巖體表面的穩(wěn)定性。

工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊坡特性選擇既能保證基材穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)的生態(tài)防護(hù)措施。對(duì)混凝土邊坡以及表面巖體比較平整的坡面進(jìn)行生態(tài)防護(hù)時(shí)，為提高基材的穩(wěn)定性，在滿足施工條件的要求下可對(duì)坡面進(jìn)行鑿毛處理。在邊坡較陡的情況下，可以采取坡面鑿毛和增加一定數(shù)量錨桿的措施相結(jié)合，以此達(dá)到基材在坡面長(zhǎng)久穩(wěn)定的目的。

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