新型生态边坡治理支护形式现场试验研究
孙涛1，张吉庆2，孟宪伟2，张泉成2，邵海波2
（1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.青岛瑞源工程集团有限公司，山东青岛 266555）
[摘 要]:边坡治理工程常用到喷锚支护形式，面层采用素混凝土或者钢筋混凝土，耗用建材量大，不经济。公路边坡往往还需要环保观感要求，灰色的混凝土往往跟周围环境不协调。该文提出一种“2层土工格栅+客土喷播+锚杆”的护坡形式，即可用来加固边坡又具备绿色环保功能。该文进行一段100m2面积的试验段进行研究，结果发现该种支护形式施工快捷，经济适用等优势，植物生长良好。
[关键词]：土工格栅; GFRP锚杆;生态边坡
0 引言
边坡治理工程往往规模大、项目多、涉及面广。土石填挖工程形成的大量土石裸露边坡，破坏了既有植被，对现场地表生物影响较大。通常采用单纯的工程防护，如喷锚防护等，导致原有植被破坏、水土流失、滑坡、边坡失稳等一系列生态环境和工程问题。生态边坡既可以永久防护又可以绿化美化环境，发展前景良好。张乾峰1等采用CS高次团粒混合纤维防护工法为边坡上植物生长提供了良好土壤环境；陈明2将CS技术用在高速公路石质边坡中，实现了一次性永久绿化；沈守云3等对CS绿化后土壤养分元素变化及植物群落景观做了研究分析；李春林4等采用FSA技术对山体格构梁植被进行恢复，减少了后期养护和管理；陈守辉5等采用“防护网+防水纤维层+客土+无纺布”的形式来保护植物及生长条件。本试验采用“2层土工格栅+客土喷播+锚杆”的护坡形式，护坡及绿化效果良好。
该形式护坡原理：第一层土工格栅与坡面贴合，打锚杆加锚头固定，防止边坡坍塌。在第一层土工格栅上喷射第一层客土（约15cm厚），铺设第二层土工格栅，加锚头固定。然后喷射第二层掺加植物种子的客土（约5cm厚），最后养护管理。
1 工程概况
国风药业新型生态边坡治理支护形式现场试验位于青岛市黄岛区奋进路以北，齐长城路以西。试验面积约100m2，高7m，长14m。
2 地质条件
根据地表调查和钻探揭露，场地地层主要有第四系全新统填土层、残积层及燕山晚期侵入岩层。岩土特征自上而下分述如下：
① 素填土（Q4ml）：黄褐～肉红～灰黑色，稍湿～饱和，松散～稍密，主要由花岗岩类风化岩屑、碎石组成。
② 残积土（Q4el）：黄褐色～灰绿色，湿～饱和，中密～密实。原岩为花岗岩，组织结构全部破坏，风化物未搬运，次生矿物发育，已风化成粉土状、砂土状，干钻易钻进，粘粒含量较高，稍具可塑性。
③ Ⅰ强风化花岗岩上亚带（γ53）：黄褐色～灰褐色，稍湿～饱和，密实。中粗粒花岗结构，块状构造，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育。
③ Ⅲ强风化花岗岩下亚带（γ53）：黄褐色～浅肉红色，稍湿～饱和，密实。中粗粒花岗结构，块状构造，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育。
③ 1-Ⅰ强风化花岗闪长岩上亚带（r53）：浅灰绿色，稍湿～饱和，密实，岩芯手搓呈粉砂状。该层在勘察深度范围内未穿透，最大揭露厚度11.50m。
④ 中风化花岗岩（γ53）：浅肉红色～黄褐色～灰白色，中粗粒花岗结构，块状构造，结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，主要矿物为长石、石英，次要矿物为云母。该层场区内部分勘探点（10个）有揭露，层顶标高15.83～25.95m最大揭露厚度为12.20m。
地下水主要赋存于第四系松散堆积物素填土中的上层滞水和下卧基岩中的基岩风化裂隙水。两水体相互联通，具自由水面，为潜水。①层素填土、②残积土、③层强风化基岩为主要含水层，④层中风化基岩为相对隔水层。大气降水为主要补给源，以侧向径流排泄和蒸发方式排泄。
试验边坡为岩质边坡，岩层主要为Ⅰ强风化花岗岩上亚带（γ53）和Ⅲ强风化花岗岩下亚带（γ53）。
3 支护设计
表1 坡线参数
Fig.1 The parameters of slope line
序号 | 水平投影(m) | 竖向投影(m) | 倾角(°) |
1 | 2.548 | 7.00 | 70.0 |
表2 土层参数
Fig.2 The parameters of soil
层号 | 土类名称 | 层厚(m) | 重度(kN/m^3) | 浮重度 (kN/m^3) | 粘聚力(kPa) | 内摩擦角(度) | 与锚固体摩阻力 (kPa) | 与土钉摩阻力 (kPa) | 水土 | |
1 | 强风化岩 | 3.0 | 21.0 | ---- | 30.0 | 42.0 | 120.0 | 60.0 | ---- | |
2 | 强风化岩 | 3.0 | 21.0 | ---- | 30.0 | 45.0 | 120.0 | 80.0 | ---- | |
3 | 中风化岩 | 4.5 | 22.0 | 8.0 | 45.0 | 50.0 | 120.0 | 80.0 | 分算
| |
表3 土钉参数
Fig.3 The parameters of soil nailing
序号 | 水平间距(m) | 垂直间距(m) | 入射角度(度) | 钻孔直径(mm) |
1 | 2.000 | 2.000 | 15.0 | 50
|
2 | 2.000 | 2.000 | 15.0 | 50
|
3 | 2.000 | 2.000 | 15.0 | 50
|
钻孔与坡面水平面成15°，锚杆纵向间距2m，横向间距2m；锚杆孔径50mm，孔深2.5~5m。注浆材料：矿渣硅酸盐水泥，水灰比：1：1。GFRP锚杆：直径25mm。
图1 支护立面图
Fig.1 The elevation of supporting
图2 支护剖面图
Fig.2 The profile of supporting
经理正深基坑软件计算，抗拔承载力设计、整体稳定设计、土钉选筋计算结果、抗隆起验算、抗承压水(突涌)验算满足设计要求。
4 所需材料
Φ25 GFRP约200 m，配套锚头56个，双向土工格栅约250 m2，PSA32.5水泥10t。
5 施工步骤
新型生态边坡治理支护形式现场试验采用多层土工格栅和锚杆结构支护形式，其工艺流程包括搭设脚手架构建作业平台、岩质边坡修整、钻机成孔、GFRP锚杆制作、锚杆安装、浆液制备、锚杆注浆、铺设底层双向土工格栅、安装底层成品GFRP锚头、安装土工格栅横隔板、喷射种植基材层、铺设顶层双向土工格栅、安装顶层成品GFRP锚头、喷播种子基材层，养护验收。
具体步骤包括：
（1）搭设脚手架，构建作业平台。立杆纵距2m，横距1.5m（平铺三块脚手架板，每块脚手架板宽300mm），步距1.8m，脚手架限高取8m。外排架内侧设全封闭密目安全网（每250px×250px，2300孔）。
（2）按设计要求修整工作面至第一道锚杆施工标高，修坡以人工为主，清除坡面上危险及松动岩石，消除安全隐患。对于土质坡面，如果坡面削切过于平滑，将导致坡面与植物生长发育基础连接不紧密，甚至造成基础材料的流失。因而应事先对其进行粗糙处理，不宜过于光滑。对于坡面径流、渗水等不良状况进行处理，可考虑设置简易的排水设施。
（3）采用手持钻机按照设计要求的位置在边坡上钻孔，钻孔与坡面水平面成15°，锚杆纵向间距2m，横向间距2m；锚杆打孔，孔径50mm，孔深2.5~5m。注浆材料：矿渣硅酸盐水泥，水灰比：1：1。GFRP锚杆：φ25。
（4）制作GFRP锚杆杆体，锚杆杆体上安装定位支架，锚杆长2.5~5m。
（5）制备浆液，通过注浆管向钻孔内注浆。注浆后将锚杆推送到钻孔内一定深度，距离孔底100mm，坡面外预留350mm。
（6）将带横隔板的多层结构生态边坡防护体系中的都一层（底层）双向土工格栅覆盖在边坡上；土工格栅的铺设应从坡顶向下铺设，坡顶间隔2m（与锚杆位置对应）钻孔设置垂直GFRP注浆锚杆，深度1.5m，并用锚头锚固。土工格栅应张紧，搭接长度应不小于300mm。当坡面凹凸起伏较大时，土工格栅应尽可能贴近坡面。
（7）安装底层成品GFRP锚头；
（8）在锚杆杆体预留段上安装土工格栅横隔板。部分土工格栅裁剪为宽25mm，长2.5m的模块，张紧。将GFRP筋上下间隔穿过格栅孔洞并绑扎固定，靠近坡面一侧与底层土工格栅绑扎，土工格栅横隔板铺设、绑扎。
（9）客土要求：客土要求颗粒均匀，土质肥沃，结构疏松，无明显杂质、垃圾等废料掺杂其中。严格按照设计要求购买草籽、客土喷播辅料等工程原料，草籽、粘合剂、保水剂等关键材料要求在施工前进行相关实验，并在施工前3天向监理工程师提供上述产品质量保证书以保证其产品品质。其检验步骤与方法可参见有关园林技术规范。
植物种子配比：根据该工程客土喷播设计和当地环境条件，假定在正常施工季节，植物种子发芽正常计算得出种子配比，见表4。因此，在客土喷播前一定要对批量种子发芽率进行测定，并根据实际测定的面积，计算实际种子用量。
表4 植物种子配比
Fig.4 The proportion of plant seed
序号 | 单位（g/m2） | 备注 |
1 | 15-20 |
|
2 | 15-20 |
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3 | 15-20 |
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肥料的成分与用量：对于植物生长必须的主要肥料成分为氮（N）、磷（P）、钾（K）。施工时使用复合肥料，将之与客土均匀拌合，使纯氮量控制在10g/ m2以下。
保水、稳定剂：为了防止施工后种子裸露和流失，选用稳定剂作为侵蚀防止剂，用量为15—25g/m2。为了缓和土壤水分蒸发，防止表面下干燥，采用适量保水剂。
将客土、肥料、保水剂、稳定剂、麦秸等，按设计和试验要求充分混合拌匀，组成种植基材。
（10）在横隔板和双向土工格栅结构上喷射第一层种植基材层。采用高压湿法喷射，喷播厚度为150 mm。喷射过程中应严格控制用水量及搅拌材料的时间，搅拌时间应大于10分钟。喷播前对搅拌好的材料取样并做试验，通过试验数据来检查材料的物理性能及团粒反应发生程度是否符合设计要求。喷播过程中和喷播后应严密观察团粒反应发生的好坏，并通过技术措施确保发生良好的团粒反应。为了达到均匀的绿化效果，喷播厚度应尽可能均匀。但应有重点，在植物生长条件好的地方可喷得薄一些，在植物生长条件恶劣处喷得厚一些。
（11）在种植基材层上铺设第二层（顶层）双向土工格栅；
（12）安装顶层成品GFRP锚头，将顶层双向土工格栅固定在种植基材层上；
（13）在顶层成品GFRP锚头和顶层双向土工格栅上喷射种子基材层，厚度50mm；
（14）养护验收。施工完成后第三天，种子开始发芽、破土。喷播完成后第10天，苗木种子生长约125px。
图3 铺设第一层土工格栅 图4 铺设第二层土工格栅
Fig.3 The first layer of geotechnical grid Fig.4 The second layer of geotechnical grid
图5 安装顶层锚头 图6 种子破土发芽
Fig.5 Installment top layer anchorage Fig.6 Breaking seed germination
6 遇到的困难及解决措施
（1）试验中采用手持钻机打孔，优点是机械体积小，便于在脚手架施工。但施工完成后塌孔严重，并且清孔不彻底，导致钻孔底部存在残渣，导致锚杆下放不到位。
解决措施：分段施工，严格控制钻孔成孔后与注浆下放锚杆之间的时间，及时注浆，防止塌孔。注浆时，将注浆管伸到钻孔底部，利用注浆压力和水泥浆，将残渣排出。
（2）第一层土工格栅铺设、搭接时，第一层锚头垫板与土工格栅不能完全贴合、张紧。
解决措施：锚头垫板处挖深度40~50mm圆形槽，开槽处平整坡面，使其最大程度贴合岩面。锚头拧紧时，自动使土工格栅张紧。
（3）绑扎带强度不够，横隔板处施加压力，绑扎带易崩断。
解决措施：更换强度更高的绑扎带，将横隔板上弯150mm长度与一层格栅加密搭接。
（4）选用客土站粘性较差，格栅与岩面间空隙较小，喷射压力大，容易造成客土反弹，喷射过程中容易掉落，且格栅紧贴处客土不易粘附。
解决措施：严格控制掺水量，使客土具有良好的粘性。将凸出的岩面凿除，在第一层土工格栅与坡面间加50mm垫块。
7 养护管理
青岛地处北温带季风区域内，年平均降雨量为640mm左右。降雨量相对较少，且大部分月份蒸发量大于降雨量。原则上，由于本施工法喷播后形成的土壤培养基具有良好的团粒结构，水分保持能力极强，苗木成苗后可不浇水养护。但在种子发芽期及幼苗期(大约1-3个月)应浇水养护。养护期限视降雨量情况而定，一般需要养护1-3个月。原则上一周浇水一次，每次应浇足浇透。另外，喷播后植物从发芽、幼苗到成苗需要4个月，所以施工后4个月内应禁止人为践踏，并应做好病虫害防治工作。
8 质量验收
施工3个月后，边坡绿色覆盖率占可绿化面积的95%以上，灌木组合中灌木 2株/m2以上，总覆盖率、均匀度、总密度均达到理想效果。
图7 边坡绿化效果
Fig.7 The effect of slope greenings
（1）采用“2层土工格栅+客土喷播+锚杆”的护坡形式，加强了岩石边坡稳定性。经历夏季多次大雨后，边坡未出现坍塌，护坡效果良好。
（2）该护坡形式，植被选择可多样化。灌、藤、花、草的有机结合，可自成良性的态植被体系，有利于生态系统的快速恢复，绿色环保。
（3）喷播的绿色植被长势良好，植被与周围自然环境融为一体，美观自然。
参考文献：
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