方愛華

摘要：文章通過研究融水至河池高速公路路塹邊坡炭質(zhì)巖工程特性及其對植物生長、邊坡穩(wěn)定性的影響，提出秸稈復(fù)合型噴混植生防護(hù)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了炭質(zhì)巖路塹邊坡實(shí)體工程試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效降低炭質(zhì)巖對光、熱、水的敏感性和有害礦物成分、吸熱升溫對植物根系生長的不利影響，有利于邊坡穩(wěn)定和植物長期旺盛生長。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)巖;路塹邊坡;工程特性;秸稈纖維;噴混植生

0 引言

在中國南方如廣東、廣西、云南、貴州等省區(qū)沉積煤系地層中廣泛分布有一類含碳成分較大的泥巖、頁巖、砂巖、灰?guī)r或互層，因呈黑色或灰黑色而被稱為炭質(zhì)巖，其表層一般由土層及植被所覆蓋，其原狀強(qiáng)度相對較高，現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范中也未列為特殊性巖土[1，2]。但是，在公路工程建設(shè)大量開挖揭露和形成路塹邊坡過程中，發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)巖對光、熱、水等自然營力作用極度敏感，具有風(fēng)化快、遇水易軟化、崩解嚴(yán)重、強(qiáng)度急劇下降、邊坡破壞嚴(yán)重和坡面客土噴播植被恢復(fù)困難等特征，工程界進(jìn)行了大量研究和處治工程實(shí)踐[3-5]，在工程地質(zhì)特性與邊坡防護(hù)加固方面取得了較好的成果，錨固、錨噴、護(hù)面墻、抗滑樁等工程處治措施廣泛應(yīng)用。特別是近20年來，巖石邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)研發(fā)成功，在巖石路塹邊坡防護(hù)方面大量推廣應(yīng)用，改善路域生態(tài)條件，主要有植被混凝土、客土噴播技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播、噴射厚層基材噴播和植生袋生態(tài)重建等技術(shù)，形成了相關(guān)技術(shù)規(guī)范，其基本原理是針對巖質(zhì)邊坡缺乏植被生長的土壤和養(yǎng)分條件，通過工程措施構(gòu)建植物生長的基本條件，實(shí)現(xiàn)植被快速恢復(fù)和長期生長。在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，同一種技術(shù)應(yīng)用于不同類別巖體邊坡防護(hù)中，植物生長效果存在明顯差異性，特別是在炭質(zhì)巖中應(yīng)用時(shí)，植物初期生長較快，但是后期植物枯死、邊坡淺層碎裂、坍塌問題比較突出。主要是因?yàn)檫@些技術(shù)未考慮巖石工程特性和其對植物生長條件、邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文結(jié)合廣西融水至河池高速公路炭質(zhì)泥巖路塹邊坡工程，在對其物質(zhì)成分、力學(xué)特性及其對植物生長適宜性、邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出秸稈復(fù)合型噴混植生防護(hù)技術(shù)，通過實(shí)體工程試驗(yàn)，植被生長效果和邊坡穩(wěn)定性較好。

1 炭質(zhì)巖工程特性

1.1 宏觀地質(zhì)特征

在建融水至河池高速公路位于廣西北部，主線全長約108km，雙向四車道，設(shè)計(jì)車速為100km/h，路基寬度為26m，列為交通運(yùn)輸部創(chuàng)建品質(zhì)示范工程之一。主要跨越巖溶峰林谷地、丘陵地貌單元，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，其中K55～K75段穿羅城煤田，煤巖主要為海陸交互相沉積大塘階寺門段頁巖、炭質(zhì)頁巖夾薄層粉砂巖、硅質(zhì)頁巖及煤層。公路建設(shè)揭露連片炭質(zhì)巖，形成大量路塹邊坡，邊坡巖體一般分為兩種類型：（1）上部多為第四系殘坡積碎石土所覆蓋，厚度為3.0～8.0m，土體密實(shí)，植被茂密;（2）覆蓋層很薄或基本無覆蓋層，植物稀疏。巖體多呈黑色、灰黑色，自然斜坡整體穩(wěn)定性較好，少見崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害，但邊坡開挖巖體暴露后，較完整的炭質(zhì)泥巖都會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（幾天到十幾天）風(fēng)化變質(zhì)成碎裂狀巖體，強(qiáng)度急劇下降，邊坡發(fā)生剝落、淺層滑塌或沿軟弱層滑坡。另外，邊坡顏色與周邊自然景色協(xié)調(diào)性差，嚴(yán)重影響路域景觀。

1.2 巖礦物成分

采取融河高速公路路塹邊坡工點(diǎn)的炭質(zhì)泥巖試驗(yàn)樣本進(jìn)行礦物成分偏光顯微鏡測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，含軟弱、親水、崩解性和吸熱性能較好的礦物成分如高嶺石、絹云母、不透明礦物和炭質(zhì)，對自然環(huán)境光、熱、水等具有較高的敏感性。另外，適合于植物生長的礦物成分少，對邊坡穩(wěn)定性和植物生長均影響較大。

1.3 物理力學(xué)特性

邊坡的穩(wěn)定性主要取決于巖體結(jié)構(gòu)和巖土體物理力學(xué)特性，由其礦物成分所決定，是邊坡外在表現(xiàn)和指導(dǎo)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)、處治的依據(jù)。巖體結(jié)構(gòu)可通過現(xiàn)場調(diào)繪宏觀確定巖體厚度和有無軟弱、順層結(jié)構(gòu)面，而物理力學(xué)強(qiáng)度則需要進(jìn)行原位和取樣室內(nèi)測試。融河路開挖揭露的炭質(zhì)泥巖邊坡巖層大多數(shù)為呈薄層-厚層狀，傾向與坡向斜交或正交，有利于邊坡整體穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場取樣室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合工程類比及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，確定此類邊坡天然物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

2 炭質(zhì)巖邊坡生態(tài)防護(hù)難點(diǎn)與解決思路

2.1 炭質(zhì)巖路塹邊坡特點(diǎn)

根據(jù)炭質(zhì)巖工程特性分析，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，炭質(zhì)巖路塹邊坡存在容易失穩(wěn)和生態(tài)修復(fù)兩大問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）巖體天然強(qiáng)度總體較高，開挖暴露后易風(fēng)化，對光、熱、水較敏感，節(jié)理裂隙擴(kuò)展，在較短時(shí)間內(nèi)演變?yōu)樗閴K狀，強(qiáng)度急劇下降，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，出現(xiàn)淺層滑塌、碎落現(xiàn)象。

（2）遇水易軟化崩解。炭質(zhì)巖含膨脹性黏土礦物成分高嶺石，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水敏感性，邊坡開挖后，將在極短的時(shí)間崩解、膨脹，變質(zhì)成液限較高的泥炭土，出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)破壞。

（3）植物難以長效生長。一方面，炭質(zhì)巖中植物生長所需氮、磷、鉀成分含量極少，即使是強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖呈泥土狀，一般草灌植物也很難生長;另一方面，炭質(zhì)巖含碳成分大，吸收熱能強(qiáng)，坡面吸熱升溫，易形成“燒烤”現(xiàn)象。

2.2 炭質(zhì)路塹邊坡生態(tài)防護(hù)對策

錨噴混凝土雖然是比較理想的防護(hù)技術(shù)，能有效隔離炭質(zhì)巖與外界產(chǎn)生熵交換，保持邊坡穩(wěn)定，但是坡面失去了植物生長的自然條件，帶來公路視角污染。如在錨噴混凝土防護(hù)的基礎(chǔ)上，增加生態(tài)型護(hù)坡，種植攀援植物，則存在熱島效應(yīng)，植物生長緩慢，再覆蓋率也不高;如選擇客土噴播、植被混凝土等技術(shù)，混凝土噴附面層的隔離作用，也難以達(dá)到理想的綠化效果，并存在造價(jià)高的問題。針對炭質(zhì)巖路塹邊坡破壞機(jī)理和實(shí)施生態(tài)防護(hù)遇到的技術(shù)問題，提出如下解決方案：

（1）在噴混植生技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，保證坡面營造出足夠厚度的具有耐沖蝕、蓄水、保肥、透氣等性能的基材結(jié)構(gòu)層，確保坡面具備植物長期生長的基本條件。

（2）針對植物根系穿透基材后，炭質(zhì)巖營養(yǎng)成分貧乏的問題，注重改善基質(zhì)層的土壤結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度，使其有更好的抗沖刷性能和保水保肥性能，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)。

（3）針對炭質(zhì)巖坡面更容易吸熱“燒烤”植物的問題，在基層中增加秸稈纖維層，使其具有隔熱、散熱等功能。

（4）優(yōu)化植物配比。將草灌、冷暖型、先鋒型與長期型植物相結(jié)合，營造自然更替的植物生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 復(fù)合型噴混植生結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述思路，提出復(fù)合型噴混植生防護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖1）。主要原理是在噴混植生技術(shù)基礎(chǔ)上，增加一層厚度約為3cm的稻草秸稈纖維，改善基質(zhì)層的土壤結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度，降低炭質(zhì)巖高溫?zé)嵝?yīng);在噴播基材中增加水泥用量，提高基材的粘結(jié)性，同時(shí)添加pH緩沖劑如草酸等，使混合基質(zhì)的pH值適合植物生長，并根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，選擇容易形成坡面植物群落、粗放型管理的植物種子。

3 施工工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 施工工藝

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，選擇一個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。坡高度約為15.0m，主要巖性為厚層狀強(qiáng)-中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖與灰?guī)r互層，坡度為1∶0.5～1∶0.75，整體穩(wěn)定性好。由于涉及高空作業(yè)，在施工前需根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JTGF90-2015）要求編制專項(xiàng)施工方案。施工工藝流程見圖2。

3.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

要進(jìn)行邊坡周邊環(huán)境、施工條件、水電、交通、材料堆放、臨時(shí)設(shè)施布置與施工要素配置，主要材料質(zhì)量指標(biāo)檢驗(yàn)，植物種子發(fā)芽率測定。完成專項(xiàng)施工方案編制與審批。

3.2.2 坡面清理

清除開挖坡頂外側(cè)1m范圍內(nèi)和坡面的危巖、浮石和雜物，自上而下分段施工，不可交叉作業(yè)，確認(rèn)邊坡整體穩(wěn)定方可實(shí)施噴混植生，對存在匯水的坡面修建排水溝。

3.2.3 鋪設(shè)稻草毯

用竹篾編制好干燥柔性稻草毯，厚度約為3.0cm，用量為250g/m2，毯片規(guī)格視坡面平整程度，以方便鋪設(shè)為宜。將其自上而下進(jìn)行鋪設(shè)，貼緊坡面，用錨釘臨時(shí)固定。

3.2.4 鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)

網(wǎng)片采用2.2mm@50×50mm鍍鋅鐵絲網(wǎng)，從坡頂向下張開鋪設(shè)金屬網(wǎng)，橫向搭接寬度≥15cm，豎向可采用連接方式，網(wǎng)片之間應(yīng)用18鐵絲綁扎牢固;錨桿采用HPB335鋼筋制作，根據(jù)設(shè)計(jì)錨桿規(guī)格，鉆孔注M30水泥漿后插入，外露彎鉤長度為10.0cm，在不夠穩(wěn)固和有縫隙的位置用更多的錨桿或錨釘來增加穩(wěn)定性。金屬網(wǎng)片緊貼稻草毯。

3.2.5 噴射基質(zhì)

基材配合比按照表3所示。種植土宜選擇耕表土，含水量≤20%，經(jīng)粉碎和過1cm孔徑的篩，滿足噴槍孔徑的要求，風(fēng)干過篩后的種植土應(yīng)采取防水措施。采用濕式專用客土噴播機(jī)進(jìn)行噴射，加水在料倉內(nèi)攪拌均勻，形成泥漿狀，自上而下均勻地噴附到坡面上。物料宜隨拌隨噴，防止水泥結(jié)塊，做好厚度標(biāo)志，確保噴射厚度，如有流失、剝落，應(yīng)補(bǔ)噴。

3.2.6 噴播植草

選擇耐貧瘠、粗放管理、繁殖與固坡能力強(qiáng)的冷暖型、速慢生長、草灌組合混合草種如糖蜜草、狗牙根、黑麥草、胡枝子、小葉女貞等，配比見表4。嚴(yán)禁使用外來入侵植物。基層噴射干結(jié)后，將經(jīng)催芽處理后的混合種子與基材混合，加水在料倉內(nèi)攪拌均勻，形成泥漿狀，噴射到坡面上，噴射厚度為2.0cm。噴射結(jié)束后要立即覆蓋無紡布，防雨水沖刷和降低水分蒸發(fā)，改善種子的發(fā)芽、早期生長環(huán)境。

3.2.7 養(yǎng)護(hù)管理

處于分苗期、生長期養(yǎng)護(hù)的苗期一般為60d，主要工作包括灑水、病蟲害防治、補(bǔ)植和局部修補(bǔ)等。灑水以噴水為主并呈霧狀，保證基材充分吸水又不流失。病蟲害防治需選擇高效、低毒、對天敵較安全的化學(xué)藥劑。局部缺陷可選擇人工補(bǔ)植或二次噴植，使覆蓋率達(dá)到90%，草本植物生長高度達(dá)到5～8cm后就可以清理無紡布。生長期一般為兩年，即至公路竣工驗(yàn)收為止，靠自然雨水養(yǎng)護(hù)，主要是病蟲害防治、缺陷修復(fù)。

4 試驗(yàn)效果

根據(jù)試驗(yàn)和跟蹤觀測，噴播草種后5～7d后開始出苗，60d覆蓋率達(dá)到95%以上，高度為7～10cm，形成良好的植物生態(tài)群落，生長旺盛。

5 結(jié)語

炭質(zhì)巖為分布于煤系地層中對路塹邊坡穩(wěn)定性和路域景觀影響較大的特殊性巖體。其原狀強(qiáng)度一般比較高，自然條件下穩(wěn)定性較好，但是含有對水、熱、溫差作用較敏感的礦物成分，開挖暴露后，存在吸熱干裂、遇水膨脹軟化和邊坡失穩(wěn)的問題。

（1）炭質(zhì)巖吸熱能力強(qiáng)，養(yǎng)分貧瘠，植物難以生長，一般選擇混凝土封閉防護(hù)，景觀效果差。在炭質(zhì)巖中應(yīng)用常規(guī)的巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)，后期容易出現(xiàn)高溫、植物缺水枯死現(xiàn)象。

（2）本文提出秸稈復(fù)合型噴混植生防護(hù)技術(shù)，增加水泥用量，提高基材強(qiáng)度，可有效降低炭質(zhì)巖坡面高溫?zé)嵝?yīng)，同時(shí)纖維加筋，改善基質(zhì)層的土壤結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和提高抗沖刷能力，起到保水追肥作用，更好地為植物創(chuàng)造一個(gè)良好的長期生長環(huán)境。該設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，達(dá)到邊坡防護(hù)和生態(tài)修復(fù)目的，能改善路域景觀。

（3）實(shí)體工程試驗(yàn)表明，植被恢復(fù)效果良好，適用于坡度緩于1∶0.75、整體穩(wěn)定性好但容易發(fā)生淺層破壞的炭質(zhì)巖路塹邊坡，較傳統(tǒng)的錨噴混凝土防護(hù)造價(jià)降低10%～15%，目前正在推廣應(yīng)用中。

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