坡面綠化在高陡邊坡工程中的應(yīng)用

坡面綠化在高陡邊坡工程中的應(yīng)用

由于環(huán)境越來越受到重視，綠色與景觀工程的研究正在逐步增加。由于存在地質(zhì)情況復(fù)雜、對(duì)坡體穩(wěn)定性要求高、坡面不利于植物生長等因素,巖質(zhì)高邊坡的綠化難度相對(duì)較大。近來厚層基材噴射綠化方案由于能適應(yīng)各種巖質(zhì)邊坡、適用坡率范圍廣、植草成坪快和綠化效果好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用(張俊云等,2002)。目前國內(nèi)對(duì)于厚層基材噴射綠化的研究多集中在種植基的生物指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)(張俊云等,2001;董健偉等,2002)和植物配置選擇(馬海天才等,2004;張華君等,2004),從邊坡穩(wěn)定性角度出發(fā)的設(shè)計(jì)研究還較薄弱。尤其對(duì)于坡率大于1∶0.75,坡高大于15m的高陡巖質(zhì)邊坡,在運(yùn)用厚層基材噴射綠化時(shí),可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性不足的成果較少。針對(duì)此問題,本文以浙南地區(qū)某巖質(zhì)邊坡工程為例,計(jì)算了坡面綠化中鍍鋅鐵絲網(wǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用,并針對(duì)出現(xiàn)的支護(hù)體系整體性不夠的問題,設(shè)置格構(gòu)梁,從而實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性和綠化之間的協(xié)調(diào)。1巖體結(jié)構(gòu)面某電廠邊坡位于浙江省南部,溫黃平原東北端。邊坡地段上部地層主要由第四系坡洪積、坡殘積土層,厚度0~10m,下覆基巖為侏羅系凝灰?guī)r,是強(qiáng)度較高的堅(jiān)硬巖石。巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主,局部節(jié)理發(fā)育地段呈碎裂結(jié)構(gòu),沒有大型結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面大部分平直、無充填物,少量結(jié)構(gòu)面波狀起伏,也有一些結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)充填,偶見結(jié)構(gòu)面粗糙、蝕變。結(jié)構(gòu)面隙寬大都在0~5mm之間,極少見隙寬大于10mm的結(jié)構(gòu)面,因而屬硬性結(jié)構(gòu)面,結(jié)合程度差。地下水主要為基巖裂隙水,水量較小,大多為包氣帶水,偶見沿裂隙面滲水,滲水裂隙主要以平緩裂隙為主,主要接受大氣降水補(bǔ)給。2邊坡支護(hù)方案工程邊坡長約250m,最高達(dá)71.7m,根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計(jì)資料,用赤平投影法,得出結(jié)構(gòu)面等密中心,確定主要結(jié)構(gòu)面,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定性分析和錨桿支護(hù)計(jì)算。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2002),本工程邊坡屬一級(jí)邊坡,安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.35以上。支護(hù)方案為:采用階梯狀坡形,總體坡率為1∶0.63。第一梯段高程為10.3~25.3m,在10.3~15.3m間,坡率為1∶0.1,在15.3~25.3m間,坡率為1∶0.3;第二梯段高程為25.3~40.3m,坡率為1∶0.3;第三梯段高程為40.3~55.3m,坡率為1∶0.4;第四梯段高程為55.3~70.3m,坡率為1∶0.5;第五梯段高程為70.3~82m,邊坡率為1∶1;各個(gè)馬道均3.0m寬。為提高坡體穩(wěn)定性,對(duì)各級(jí)邊坡采用錨桿加固。錨桿布置見表1。3高陡巖質(zhì)邊坡的植物綠化厚層基材噴射綠化是利用混凝土噴射機(jī)械將綠化基材、纖維、植壤土及植被種子的混合物依據(jù)設(shè)計(jì)厚度均勻噴射到需防護(hù)坡面的植被工程護(hù)坡技術(shù)。在巖質(zhì)邊坡上,通常的施工順序?yàn)?平整并清理坡面→布置錨桿→鋪設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)(與錨桿連接,并可視需要設(shè)置一定數(shù)量錨釘)→噴射基材混合物→養(yǎng)護(hù)。在上述方法中,邊坡的加固和支護(hù)主要由錨桿承擔(dān)。鍍鋅鐵絲網(wǎng)主要起到穩(wěn)定基材混合物的作用,形成加筋植被土,使綠化基材不但能夠附著在坡面上,而且能承受一定的降水沖刷;另外,鐵絲網(wǎng)通過與錨桿的連接,可以阻擋松散巖石,并作為一個(gè)網(wǎng)幕控制崩落巖石,即預(yù)防松散巖石從巖面上崩落或崩出。綠化基材在坡面上形成適宜植物生長的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),提供和保障植被生長期所需的水分及養(yǎng)分;基材自身也有一定的穩(wěn)定性,應(yīng)用于高陡巖質(zhì)邊坡的綠化基材的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別可以達(dá)到55kPa和22°以上(張俊云等,2001)。邊坡植被在減少坡體沖蝕、降低水的滲透、降低風(fēng)速和增加邊坡巖土體強(qiáng)度等方面已經(jīng)有了定量估算方法(Morganetal.,1994),并且詳細(xì)的研究結(jié)果表明,植被的有利作用主要是根部對(duì)巖土的加固作用(Grayetal.,1996)。在巖質(zhì)高邊坡的支護(hù)中,坡面植被的作用主要在于提高坡面節(jié)理和小裂隙間的粘聚力,封閉坡面防止風(fēng)化脫落。巖質(zhì)邊坡坡面的常規(guī)處理措施是:錨桿布置完成后,在坡面上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),最后噴射混凝土覆蓋坡面。而厚層基材噴射綠化法,代之以鍍鋅鐵絲網(wǎng)和綠化基材覆蓋坡面。這種處理方法應(yīng)用在高陡巖質(zhì)邊坡上,是否能夠滿足邊坡穩(wěn)定性的要求,需要作進(jìn)一步計(jì)算。3.1錨桿間抗滑力的計(jì)算常規(guī)坡面處理方法中,鋼筋網(wǎng)與錨桿焊接,并輔以一定數(shù)量的短錨釘固定在坡面上,在阻擋松散巖石崩落上可以起到很好的作用,同時(shí)也能夠預(yù)防錨桿之間的小坡體失穩(wěn)。噴射綠化中的鍍鋅鐵絲網(wǎng)固定方法相同。取最有可能發(fā)生錨桿間坡體失穩(wěn)的坡面計(jì)算鍍鋅鐵絲網(wǎng)的支護(hù)作用。計(jì)算剖面如圖1所示。植被護(hù)坡中通常采用機(jī)編鍍鋅鐵絲網(wǎng)。一般規(guī)格為:采用直徑2.2mm的14#鍍鋅鐵絲,編織網(wǎng)目為50mm×50mm或52mm×52mm。按網(wǎng)目50mm×50mm計(jì)算,每米寬度布置的鐵絲為20根;按14#鍍鋅鐵絲計(jì)算,每米寬度內(nèi)的鐵絲總截面積為75.99mm2;14#鍍鋅鐵絲的抗拉強(qiáng)度取400N/mm2,則每米寬度內(nèi)鐵絲網(wǎng)的抗拉力為30.3952kN。計(jì)算參數(shù)見表2。分別按平面和楔形滑動(dòng)模式進(jìn)行計(jì)算錨桿間小范圍坡體在無支護(hù)措施時(shí)的穩(wěn)定性。平面滑動(dòng)的安全系數(shù)計(jì)算如下式:Fs=W1+K2H√?COS(α+θ)tgφ+C?LW1+K2H√?Sin(α+θ)Fs=W1+ΚΗ2?CΟS(α+θ)tgφ+C?LW1+ΚΗ2?Sin(α+θ)式中:Fs,安全系數(shù);W,滑塊重量;KH,水平地震影響系數(shù);α,滑面傾角;L,滑面長度;C,粘聚力;φ,內(nèi)摩擦角。楔形滑動(dòng)的計(jì)算圖示如圖2所示,其安全系數(shù)按下式計(jì)算:Fs=RAtgφA+RBtgφB+CASACBSBW1+K2H√?Sin(α+θ)Fs=RAtgφA+RBtgφB+CASACBSBW1+ΚΗ2?Sin(α+θ)式中:Fs,安全系數(shù);RA,RB,結(jié)構(gòu)面A,B的正壓力;SA,SB,結(jié)構(gòu)面A,B的面積;W,滑塊重量;KH,水平地震影響系數(shù);α,組合交線傾角;CA,CB,結(jié)構(gòu)面A,B的粘聚力;φA、φB,結(jié)構(gòu)面A,B的內(nèi)摩擦角。計(jì)算結(jié)果見表3,4,表中安全系數(shù)值即為每米寬度抗滑力與每米寬度下滑力的比值,這里只列出了安全系數(shù)小于1.35的結(jié)果。可以看到,按平面滑動(dòng)計(jì)算時(shí),安全系數(shù)最小為0.9812,坡體有失穩(wěn)的可能。坡面布置鍍鋅鐵絲網(wǎng)后,鐵絲網(wǎng)可以提供一定的抗滑力,按鐵絲網(wǎng)達(dá)到極限變形狀態(tài)計(jì)算,即抗拉力全部提供為抗滑力,則每米寬度內(nèi)可提供的抗滑力為30.3952kN。在無支護(hù)時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上,加上鐵絲網(wǎng)提供的抗滑力,計(jì)算出鐵絲網(wǎng)支護(hù)后的錨桿間坡體的安全系數(shù),結(jié)果列于表5?？梢?支護(hù)后,按平面滑動(dòng)計(jì)算出的安全系數(shù)均在1.35以上,按楔形滑動(dòng)計(jì)算出的安全系數(shù)均在1.1以上,對(duì)于錨桿間的小范圍坡體來說,安全系數(shù)能夠達(dá)到要求。因此,鍍鋅鐵絲網(wǎng)所提供的抗滑力可以阻止錨桿之間坡體的小范圍失穩(wěn)。3.2格構(gòu)梁的建立噴射混凝土處理坡面,可以加固表面巖石,加強(qiáng)坡面上暴露的不連續(xù)面周圍強(qiáng)度,預(yù)防巖石風(fēng)化。鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的結(jié)合,能提高噴射混凝土的整體性。鋼筋網(wǎng)與噴射混凝土依靠自身強(qiáng)度使下滑力得到分解并擴(kuò)散到整個(gè)坡面防護(hù)體中,使巖體內(nèi)應(yīng)力重新分配,將錨桿聯(lián)系為一個(gè)系統(tǒng),形成巖土體、錨桿與混凝土共同受力,達(dá)到整坡穩(wěn)定。坡面植被可起到防止坡面風(fēng)化脫落的作用,而在提高坡體整體性上作用有限。若直接在坡面上實(shí)施綠化措施,坡體的穩(wěn)定性將得不到保證。為提高支護(hù)系統(tǒng)的整體性,本工程中采用布置格構(gòu)梁的方法。格構(gòu)梁平行于坡面布置,連接坡面上所有錨桿,平面布置圖見圖3。格構(gòu)內(nèi)力根據(jù)錨桿的設(shè)計(jì)錨固力計(jì)算,將兩個(gè)錨固點(diǎn)之間的格構(gòu)梁簡化為一個(gè)簡支梁(趙明階等,2003),簡化模型如圖4所示。計(jì)算出格構(gòu)梁的荷載后,求出最大彎矩Mmax,計(jì)算出格構(gòu)梁的配筋。梁采用雙面對(duì)稱配筋,具體配置見表6。4在邊坡中建立邊坡植物工程邊坡位于浙江省南部沿海,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,受海洋性氣候影響明顯。通過對(duì)當(dāng)?shù)刂脖徽{(diào)查發(fā)現(xiàn),森林植被的主體是針葉林和針闊混交林,以黑松林、白茅草叢和各種農(nóng)作物群落為主,種類組成簡單、外貌低矮、結(jié)構(gòu)單一;地帶性植被以青岡、紅楠為代表;灌叢以柃木芙蓉菊等為典型。根據(jù)生態(tài)學(xué)理論,一般,選用當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土類植物建立起來的植物群落更易于向穩(wěn)定的植物群落發(fā)展,因?yàn)猷l(xiāng)土植物通過不同類間競爭已適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐纳姝h(huán)境,他們比外來植物種對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蜻m應(yīng)能力更強(qiáng)。但是,鄉(xiāng)土植物種子不易大量采集,不利于坡面綠化的大量應(yīng)用。因此,可以采用與鄉(xiāng)土植物的生理、生態(tài)等特性相近的且易于大量獲得的外來牧草類、草坪類植物種作為先鋒型植物,先在坡面營造外來先鋒植物群落,然后再演替為鄉(xiāng)土植物群落,達(dá)到坡面生態(tài)恢復(fù)的目的。根據(jù)植物種多樣性理論,多樣性是生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)狀食物鏈結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,從而也更加穩(wěn)定,因而坡面綠化植物采用多種種子混播更易于形成穩(wěn)定的植物群落?；觳ツ敛莸难芯砍晒腿毡径嗄昶旅婢G化經(jīng)驗(yàn)表明,合理選擇4~8種植物種就可以滿足建立坡面植物群落的要求。另外,植物的選擇一般應(yīng)包括禾本科和豆科的植物種,應(yīng)注意生態(tài)型的互相搭配,發(fā)芽天數(shù)盡可能相近等。坡面綠化植物采用草本型,基于當(dāng)?shù)氐闹脖磺闆r和生態(tài)學(xué)原理,采用白三葉、狗牙根、高羊茅和多年生黑麥草為坡面綠化植物?？紤]到本邊坡的具體情況,即屬于高陡的大型巖質(zhì)邊坡,從保證邊坡穩(wěn)定性角度出發(fā),對(duì)常規(guī)的厚層基材噴射綠化法進(jìn)行改進(jìn),方案如下:1)坡面布置鋼筋混凝土格構(gòu)梁,格構(gòu)梁平行于坡面,連接所有錨桿;2)在格構(gòu)內(nèi)鋪設(shè)機(jī)編鍍鋅鐵絲網(wǎng),網(wǎng)采用14#鐵絲,網(wǎng)目50mm×50mm,用一定數(shù)量的短錨釘固定;3)噴射綠化基材。分兩層噴射,第一層不含植物種子,厚度8cm;第二層混合植物種子,厚度2cm;4)護(hù)坡植物采用白三葉、狗牙根、高羊茅和多年生黑麥草,其種子的配比為3∶3∶2∶2。5格構(gòu)梁的設(shè)置和作用(1)邊坡的穩(wěn)定是邊坡處治的首要目標(biāo),坡面綠化應(yīng)在保證邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行?？紤]到邊坡的具體情況,在本工程中采用了不同常規(guī)坡面處理方法