炭质岩边坡植被混凝土护坡技术分析

徐龙旺 管东银 骆俊晖

炭质岩具有软化性、膨胀性、环境敏感性、崩解性等工程特性。文章以河池至百色高速公路工程为例，阐述了炭质岩边坡破坏模式，提出了植被混凝土护坡绿化技术，并采用有限元强度折减法分析了该炭质岩生态护坡加固前后的稳定性。

炭质岩;破坏模式;稳定性;植被混凝土;边坡绿化

U416.1+4-A-01-001-3

0 引言

炭质岩是一种含大量分散炭化有机质的岩石，具有软化性、膨胀性、环境敏感性、崩解性等特殊工程特性，因此炭质岩边坡的破坏模式与传统边坡不尽相同[1]。

边坡生态护坡技术需要同时兼顾“稳定”及“绿化”两个方面，同时还要考虑经济性与合理性。传统边坡生态护坡方式有[2]：喷锚+客土喷播、格构梁+生态袋等。然而，炭质岩边坡开挖暴露后，岩体具有强烈的风化崩解、遇水软化的特征，需要及时对炭质岩边坡进行封闭，以防止雨水冲刷及湿空气入侵，同时，炭质岩具有pH酸性物质，应选取合适的耐酸性植被进行绿化。

炭质岩属于软弱岩，具有蠕变特性。由于炭质岩有较强烈的风化崩解性、遇水软化性，因此炭质岩边坡稳定性差，易导致滑坡崩塌等地质灾害。由于炭质岩含有酸性物质，较难种植草木，采用传统的喷射混凝土支护不能取得绿化的效果。对此，采用一定掺量的水泥、基质土与黄花槐种子（即植被混凝土）均匀混合喷射到工程坡面上，形成一层10 cm的人工基质，稳定地附着在坡面上，植物能在此基质正常生长，可以3个月内出芽，6个月覆盖率达80%，不仅能绿化，还能对边坡起到固坡作用[3]。

1 依托工程

河池至百色高速公路是《国家高速公路网规划》中的“第十七条横线”汕头至昆明高速公路中重要的一段，同时也是《广西高速公路网规划》中规划的“四纵六横”高速公路主骨架网中的“贺州（灵峰）至隆林（板坝）高速公路（横3）”中的一段。

1.1 炭质岩边坡工程地质背景及岩性

河百路地处云贵高原台地东部边缘，总体地势西北高、东南低。路线大致呈北东～南西走向，沿线地形起伏较大，地形复杂，沿线最高点海拔高程为912.0 m（岜翁隧道K27+400左侧山顶），最低点海拔高程约为279.0 m（刁江河漫滩）。主要地貌类型有剥蚀低山丘陵地貌、岩溶峰丛洼地地貌两种，部分地段为河流峡谷及河流阶地堆积地貌。

1.2 炭质岩边坡地质构造

河百路路基位于岜向屯下部的山坡山脚冲沟位置，属剥蚀低山丘陵地貌。覆盖层为黄、褐、灰色粉质黏土，软～可塑状，土质不均匀，干强度及韧性中等，局部含砾石、碎石，厚度为3.00～5.50 m;以下为石炭系下统（C1）强-中风化页岩，黑灰色，泥质结构，页理状构造，岩质软，遇水易软化，裂隙发育，岩芯呈碎块状、砂状，局部夹中风化灰岩。岩层整体产状为46°∠23°，属切层顺向，对边坡稳定不利。边坡目前自然稳定，若受外界开挖扰动，则极易诱发覆盖层顺岩土界面的浅层滑动，对边坡顶部造成安全威胁，同时炭质岩边坡植被覆盖不均匀，含炭质岩处的边坡寸草不生，绿化效果极差。

2 炭质岩边坡绿化护坡技术

边坡绿化护坡技术首先需要考虑边坡稳定性，根据岩体特点以及边坡破坏模式采取相应支护形式，隨后是植物选型、基质配比及绿化效果分析。

2.1 炭质岩边坡的破坏模式

炭质岩边坡破坏模式主要分为沿岩土界面顺向滑动以及岩体崩解引起的塌方两种。其机理主要都是由炭质岩自身的物理力学性质引起的[4]。

顺向滑动主要是边坡开挖后上部松散覆盖层沿岩土界面产生的滑动变形，这是因为边坡开挖过程中，地下水在径流过程中，由于岩土层透水性差和炭质岩遇水崩解、软化的特点，在交界面形成软弱夹层，在自身荷载和外力作用下沿岩土界面向下滑动。这种类型的破坏，滑动影响范围往往很大，远者可达数百米。

塌方多发生坡面表层岩体破坏，多为边坡开挖后坡面岩体因自身遇水崩解、软化，支撑结构变化而产生岩体剥落、塌方等灾害，影响现场施工和运营。

为了使炭质岩边坡安全稳定，必须对边坡进行护坡作业。

2.2 炭质岩边坡绿化

项目开始时边坡采用喷射混凝土护坡，但由于喷射混凝土之前，炭质岩表面发生崩解，泥化使其产生一层薄薄的泥膜，混凝土与岩体不能充分结合成整体，使混凝土层产生裂缝，整体位移，支护效果不佳[5]。

边坡绿化技术通过植被种植的方式，来达到对边坡的有效防护，起到稳定边坡的作用。植物根系深入到岩土中，形成锚固作用，固土护坡，减轻降雨和地面径流对坡面的侵蚀，随着时间增长，根系进一步生长，锚固作用还会加强。大量的植被覆盖可以有效地拦截雨水，降低雨水对边坡的冲击力，保持水土，降低滑坡、泥石流等次生灾害的发生。边坡的绿化技术还可以有效地紧缚周围岩体以提高边坡的稳定性[6]。

炭质岩风化崩解快，早期需要进行支护防止其塌方。炭质岩pH值较低，呈酸性，植物难于生长，必须覆盖一层客土。传统的客土喷播或格构梁+生态袋均有其局限性，根系不能很好地深入岩体中，而只是悬在岩石的上面，施工覆盖层将随着养分的消失而逐渐枯死、剥落，后期需要大量养护投入。

通过基质+适量的混凝土+乡土草灌乔种配置的植被混凝土在岩质边坡和支护中能够为植物提供良好的生存环境，从而解决岩石边坡植物无法生长的问题。为了确保炭质岩边坡四季常绿，采用草灌乔种子按一定比例配置，主要有耐酸性的黄花槐、狗牙根等。不同时期靠不同植被绿化支护，前期靠草绿化并起锚固作用，而后随着灌乔生长最终形成乔灌草多种植物生长的生态群落。

2.3 植被混凝土

喷射植被混凝土是一项新型的混合材料，在为植被提供生长的自然条件的同时起到一定的护坡作用。其是由多种功能材料组成的植物生长基质，是植物出苗的载体，也是植物生长发育的肥源和水分的直接供体。将胶结材料、植生基材、添加剂与植物种子均匀混合喷射到边坡坡面，会形成植物生长的基层，该基层需要有一定强度、不龟裂、抗冲刷、能稳定附着在坡面上，为植物生长提供附着点，不阻碍植被生长，同时对边坡起到一定的支护作用。其绿化施工流程如图1所示[7]。

修整坡面：对坡面进行平整，清扫坡面的碎石和杂物，对于施工机械留下的油污要清理干净。

修砌排水沟：根据现场实际情况，合理修砌排水沟，保证大降雨时排水的顺畅。

打锚杆、挂网：铺设坡面结构网与在岩体上打入锚杆结合成整体，可以保证在植物生长前的坡体稳定。

喷射植被混凝土：在炭质岩表面覆盖一定厚度的植被混凝土（将胶结材料、植生基材、添加剂与植物种子均匀混合），可以减轻炭质岩的崩解，对坡面起护坡作用，并为植物生长提供附着点和养分。

养护：盖上无纺布，维持湿度，适当进行浇水，防止缺水，避免植物不能生长。

通过在炭质岩表面覆盖植被混凝土，边坡绿化取得良好的效果，1年绿，2年密，3年林，有效固结水土，锚固岩体。

3 炭质岩生态护坡稳定性研究

3.1 强度折减法

有限元强度折减法在边坡工程中已经得到了较为广泛的应用，大量算例证明该方法能够简单、有效地确定边坡安全系数和滑动面。强度折减法通过不断降低边坡岩土体抗剪切强度使其达到极限破坏状态，从而得到边坡的强度储备安全系数FOS。极限平衡法中给出的稳定安全系数在概念上是一致的。强度折减法的优点在于不需要事先假定滑动面，就可以通过计算获得边坡的抗滑稳定系数和边坡各单元的应力和位移情况[8-9]。

折减后的抗减强度参数可分别表达为：

c′=cF（1）

tanφ′=tanφF （2）

式中，c和c′为岩土体折减前后的粘聚力;φ 和φ′是岩土体折减前后的内摩擦角;F是强度折减系数[10]。

在计算过程中，当达到临界破环时的强度折减系数就是边坡稳定安全系数。目前判断边坡达到临界破环的标准主要有以下有几种：

（1）以坡顶、坡脚特征点的位移的变化作为边坡失稳的依据;

（2）把广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志;

（3）把有限元计算不收敛作为边坡失稳判据。

这里笔者选择第3种，通过Midas软件计算，当计算不收敛时，即为失稳状态[11]。

3.2 炭质岩生态护坡加固前后稳定性分析

采用Midas gts[1]有限元软件对河池至百色高速公路K16+300炭质岩边坡建立天然路堑边坡三维模型（见图2），模型长200 m，宽80 m，高124 m。边坡两侧为水平约束边界，底部约束为底部支撑约束。

其中岩体参数如表1所示。

混凝土[11-12]的水泥掺入量应适合植物根系生长，混凝土厚度为10 cm，根系为50 cm。在植被生长过程中边坡表面岩体强度逐渐提高，能够抵御雨水冲刷，根系锚固岩体，岩体参数发生改变，如表2和图3所示。

图3结果表明：对天然炭质岩边坡进行植被混凝土绿化防护，边坡稳定系数大幅提高，还可以抗冲刷，防止雨水渗入，保持水土平衡，起到加筋加固边坡稳定性以及护坡的作用[13]。

4 结语

（1）炭质岩具有软化性、膨胀性、环境敏感性、崩解性等工程特性，同时pH偏低，呈酸性，植物较难生长。

（2）按照有无残积土覆盖层，炭质岩边坡破坏模式可分为两类：沿岩土界面顺向滑动和岩体剥落崩解引起的塌方。

（3）植被混凝土护坡绿化是将一定掺量的水泥、生植土、混凝土添加剂、腐殖质等与植绿种子均匀混合喷射到工程坡面，形成一层人工基质。

（4）建立路堑边坡三维模型，考虑水影响，可知植被混凝土护坡技术能在一定程度上防止滑坡，用根系发达的偏酸性植被能对炭质岩边坡起到加固作用。

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