坡面綠化在高陡邊坡工程中的應用

坡面綠化在高陡邊坡工程中的應用

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)情況復雜、對坡體穩(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較大。近來厚層基材噴射綠化方案由于能適應各種巖質(zhì)邊坡、適用坡率范圍廣、植草成坪快和綠化效果好等優(yōu)點被廣泛應用(張俊云等,2002)。目前國內(nèi)對于厚層基材噴射綠化的研究多集中在種植基的生物指標和強度指標(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)的設計研究還較薄弱。尤其對于坡率大于1∶0.75,坡高大于15m的高陡巖質(zhì)邊坡,在運用厚層基材噴射綠化時,可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性不足的成果較少。針對此問題,本文以浙南地區(qū)某巖質(zhì)邊坡工程為例,計算了坡面綠化中鍍鋅鐵絲網(wǎng)對邊坡穩(wěn)定性的作用,并針對出現(xiàn)的支護體系整體性不夠的問題,設置格構梁,從而實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性和綠化之間的協(xié)調(diào)。1巖體結構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,是強度較高的堅硬巖石。巖體以塊狀結構為主,局部節(jié)理發(fā)育地段呈碎裂結構,沒有大型結構面。結構面大部分平直、無充填物,少量結構面波狀起伏,也有一些結構面泥質(zhì)充填,偶見結構面粗糙、蝕變。結構面隙寬大都在0~5mm之間,極少見隙寬大于10mm的結構面,因而屬硬性結構面,結合程度差。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給。2邊坡支護方案工程邊坡長約250m,最高達71.7m,根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計資料,用赤平投影法,得出結構面等密中心,確定主要結構面,在此基礎上進行穩(wěn)定性分析和錨桿支護計算。根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330-2002),本工程邊坡屬一級邊坡,安全系數(shù)應達到1.35以上。支護方案為: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;各個馬道均3.0m寬。為提高坡體穩(wěn)定性,對各級邊坡采用錨桿加固。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械將綠化基材、纖維、植壤土及植被種子的混合物依據(jù)設計厚度均勻噴射到需防護坡面的植被工程護坡技術。在巖質(zhì)邊坡上,通常的施工順序為:平整并清理坡面→布置錨桿→鋪設鍍鋅鐵絲網(wǎng)(與錨桿連接,并可視需要設置一定數(shù)量錨釘)→噴射基材混合物→養(yǎng)護。在上述方法中,邊坡的加固和支護主要由錨桿承擔。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,并作為一個網(wǎng)幕控制崩落巖石,即預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粒結構,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、降低風速和增加邊坡巖土體強度等方面已經(jīng)有了定量估算方法(Morganetal.,1994),并且詳細的研究結果表明,植被的有利作用主要是根部對巖土的加固作用(Grayetal.,1996)。在巖質(zhì)高邊坡的支護中,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,需要作進一步計算。3.1錨桿間抗滑力的計算常規(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,同時也能夠預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)的坡面計算鍍鋅鐵絲網(wǎng)的支護作用。計算剖面如圖1所示。植被護坡中通常采用機編鍍鋅鐵絲網(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計算,每米寬度布置的鐵絲為20根;按14#鍍鋅鐵絲計算,每米寬度內(nèi)的鐵絲總截面積為75.99mm2;14#鍍鋅鐵絲的抗拉強度取400N/mm2,則每米寬度內(nèi)鐵絲網(wǎng)的抗拉力為30.3952kN。計算參數(shù)見表2。分別按平面和楔形滑動模式進行計算錨桿間小范圍坡體在無支護措施時的穩(wěn)定性。平面滑動的安全系數(shù)計算如下式: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。楔形滑動的計算圖示如圖2所示,其安全系數(shù)按下式計算: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,結構面A,B的正壓力;SA,SB,結構面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,結構面A,B的粘聚力;φA、φB,結構面A,B的內(nèi)摩擦角。計算結果見表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的結果?？梢钥吹?按平面滑動計算時,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)達到極限變形狀態(tài)計算,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。在無支護時穩(wěn)定性計算的基礎上,加上鐵絲網(wǎng)提供的抗滑力,計算出鐵絲網(wǎng)支護后的錨桿間坡體的安全系數(shù),結果列于表5?？梢?支護后,按平面滑動計算出的安全系數(shù)均在1.35以上,按楔形滑動計算出的安全系數(shù)均在1.1以上,對于錨桿間的小范圍坡體來說,安全系數(shù)能夠達到要求。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格構梁的建立噴射混凝土處理坡面,可以加固表面巖石,加強坡面上暴露的不連續(xù)面周圍強度,預防巖石風化。鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土的結合,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度使下滑力得到分解并擴散到整個坡面防護體中,使巖體內(nèi)應力重新分配,將錨桿聯(lián)系為一個系統(tǒng),形成巖土體、錨桿與混凝土共同受力,達到整坡穩(wěn)定。坡面植被可起到防止坡面風化脫落的作用,而在提高坡體整體性上作用有限。若直接在坡面上實施綠化措施,坡體的穩(wěn)定性將得不到保證。為提高支護系統(tǒng)的整體性,本工程中采用布置格構梁的方法。格構梁平行于坡面布置,連接坡面上所有錨桿,平面布置圖見圖3。格構內(nèi)力根據(jù)錨桿的設計錨固力計算,將兩個錨固點之間的格構梁簡化為一個簡支梁(趙明階等,2003),簡化模型如圖4所示。計算出格構梁的荷載后,求出最大彎矩Mmax,計算出格構梁的配筋。梁采用雙面對稱配筋,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,屬中亞熱帶季風氣候,受海洋性氣候影響明顯。通過對當?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、結構單一;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)學理論,一般,選用當?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,因為鄉(xiāng)土植物通過不同類間競爭已適應了當?shù)氐纳姝h(huán)境,他們比外來植物種對當?shù)氐臍夂蜻m應能力更強。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,達到坡面生態(tài)恢復的目的。根據(jù)植物種多樣性理論,多樣性是生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)狀食物鏈結構更加復雜,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,植物的選擇一般應包括禾本科和豆科的植物種,應注意生態(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?shù)氐闹脖磺闆r和生態(tài)學原理,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),對常規(guī)的厚層基材噴射綠化法進行改進,方案如下:1)坡面布置鋼筋混凝土格構梁,格構梁平行于坡面,連接所有錨桿;2)在格構內(nèi)鋪設機編鍍鋅鐵絲網(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格構梁的設置和作用(1)邊坡的穩(wěn)定是邊坡處治的首要目標,坡面綠化應在保證邊坡穩(wěn)定性的基礎上進行?？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