巖體表面粗糙度對邊坡生態(tài)防護中基材穩(wěn)定性影響分析

楊 奇 ，鄢煜川，朱代強 ，黃 勇

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

在水利、公路、鐵路、礦山等建筑工程建設中，經(jīng)常有大量的施工開挖，開挖破壞了原有植被，造成大量的裸露土坡和巖石邊坡，導致嚴重的水土流失和生態(tài)環(huán)境失衡，如水土流失、滑坡、泥石流、局部小氣候的惡化、光聲污染及生物鏈的破壞等[1]。

傳統(tǒng)的工程護坡措施主要考慮邊坡的穩(wěn)定加固，采用水泥、石料、混凝土等硬性材料對邊坡加以防護。工程護坡措施雖然能夠?qū)吰缕鸬椒€(wěn)定加固、有效降低水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害的作用，但對邊坡造成的局部小氣候惡化、光聲污染及生物鏈的破壞等卻起不到改善的作用。另外，對邊坡與周圍生態(tài)景觀及環(huán)境的協(xié)調(diào)性考慮較少，不具備美學效果，容易產(chǎn)生視覺疲勞。而且長期暴露在風吹日曬或冰雪凍融的自然環(huán)境下，工程加固措施所采用的硬性材料會隨著時間的推移逐漸老化，導致防護效果減弱。由于工程防護措施存在上述不足，又隨著人們對生存環(huán)境要求和環(huán)保意識的提高，生態(tài)防護技術已成為邊坡治理的主流。

1 巖石邊坡生態(tài)防護技術現(xiàn)狀

巖石邊坡不同于土質(zhì)邊坡，由于其較強的異質(zhì)性，不能提供植被生長所需要的土壤環(huán)境[2]。因此要對巖石邊坡進行生態(tài)修復，就必須在邊坡巖體表面營造適合植被生長的環(huán)境。營造植被生長環(huán)境，就是在巖石坡面上噴射一層具有一定厚度的特定植生基材。為保證植被在巖體坡面上正常生長，此植生基材必須牢固穩(wěn)定的附著在坡面上，不產(chǎn)生剝落、沖刷流失等。

目前對巖石邊坡進行生態(tài)防護技術方法比較多，根據(jù)基材中所用粘合劑材料的使用情況，大致可分成3類。第一類是在基材中不加任何粘合劑，如客土噴播技術；第二類是在基材中加入高分子膠作為粘合劑，如厚層基材噴射技術；第三類是在基材中加入水泥作為粘合劑，如植被混凝土生態(tài)防護技術。針對巖土邊坡進行生態(tài)防護比較成熟且常用的技術也主要為客土噴播技術[3]、厚層基材噴射技術[4～5]、植被混凝土生態(tài)防護技術[6～7]等。

1.1 客土噴播技術

客土噴播技術護坡是在邊坡坡面上掛網(wǎng)、機械噴填(或人工鋪設)一定厚度適宜植物生長的土壤或基質(zhì) (客土)和種子的邊坡植物防護措施[8]。

客土噴播技術基材組成主要是土，或外加一些成分，如泥炭土、保水劑、復合肥等。由于基材主要由適合植被生長的土壤組成，沒有加入粘合劑等對植被生長有害的物質(zhì)，有利于基材中種子萌發(fā)和植被生長。采用客土噴播技術進行生態(tài)修復的坡面成坪時間快，基本不需要經(jīng)過特別的養(yǎng)護植物便能正常生長。但沒有加入粘合劑，導致基材強度低、抗雨水沖刷性能弱、與坡面巖體之

間粘聚力小。因此，客土噴播技術一般用于坡度較緩的強風化巖石邊坡、土夾石邊坡和劣質(zhì)土邊坡等。

1.2 厚層基材噴射技術

噴射厚層基材植被護坡技術，是指在邊坡上噴射一定厚度的含粘結劑、泥土、有機肥、保水劑、消毒劑和植物種子的混合材料，并結合錨桿和護網(wǎng)等傳統(tǒng)的支護材料，使基材得以在巖石邊坡上被固定、植物種子得以發(fā)芽生根生長發(fā)育，通過植物的發(fā)達根系固土與護網(wǎng)的協(xié)同固定作用，從而起到護坡效果的環(huán)保技術[5]。該技術是以高分子膠作為基材中的粘合劑，高分子膠的加入使基材粘聚力和強度得到提高。所以在基材噴射后不久，基材就能與坡面巖體較牢固的粘結在一起并且能夠抵抗一定的沖刷。但在太陽紫外線及高溫環(huán)境下高分子膠易老化，粘結能力逐漸降低。所以采用厚層基材噴射技術對巖石邊坡進行防護，基材中粘合劑一般在數(shù)月以內(nèi)便失去粘結效果。厚層基材噴射技術主要用于坡比小于1∶0.3的各類巖土邊坡[9]。

1.3 植被混凝土生態(tài)防護技術

植被混凝土生態(tài)防護技術是采用特殊的混凝土配方和種子配方，對巖石邊坡進行防護和綠化的新技術。它是集巖石工程力學、生物學、土壤學、肥料學、硅酸鹽化學、園藝學和恢復生態(tài)學等學科于一體的綜合護坡技術[10]。

植被混凝土基材主要由水泥、土、腐殖質(zhì)、保水劑、植被混凝土添加劑等組成。該技術以水泥作粘合劑制備成有一定強度的植被混凝土基材，再將混有植物種子的基材噴射到坡面巖體上。如果只考慮基材強度及與坡面巖體的粘結能力，基材中水泥加入量越多，對基材穩(wěn)定是越有利的。但植被混凝土生態(tài)防護技術還受到植物生態(tài)學等諸多方面因素的影響，水泥含量的提高會使基材pH值增大呈堿性，堿性環(huán)境會影響植被混凝土中種子萌發(fā)及植被生長，而且水泥含量過高易導致基材土壤板結石化，不利于植被生長[11]。植被混凝土技術之所以能夠在基材中加入滿足要求的水泥用量，是因為加入了植被混凝土添加劑。添加劑改善了基材的營養(yǎng)條件，而且能有效調(diào)節(jié)基材的pH值，大大降低了水泥對植被的毒性。這也是其它技術雖然在基材中加入了水泥，但因加入量極少，不足以起到粘結和提高基材達到足夠強度的原因。以水泥作為粘合劑，基材能夠比較牢固的粘附坡面巖體上，基材強度和粘結效果會隨著水泥齡期的增長而提高?；谥脖换炷辽鷳B(tài)防護技術的這些特性，該技術主要用于坡比在1∶1～1∶0.15的高陡巖石邊坡和混凝土邊坡[8]。

上述3種巖石邊坡常用的生態(tài)防護技術，施工所用的機械設備及工序都大同小異，都要經(jīng)過前期坡面處理、中期打錨桿、掛網(wǎng)、噴射基材以及后期的養(yǎng)護3大階段。從應用層面來看，每種生態(tài)防護技術都有自己的適用范圍，并沒有優(yōu)劣之分。根據(jù)不同的邊坡特性采取不同的生態(tài)護坡方式，制定既經(jīng)濟又合理的方案。

2 粗糙度的描述

基材在巖石邊坡表面的穩(wěn)定性受多方面因素的影響，基材的物質(zhì)組成直接影響基材自身的強度與粘結特性，是影響基材穩(wěn)定性的一個重要因素，而坡面巖體表面粗糙度則是影響其穩(wěn)定性的另外一個重要因素。無論是天然巖質(zhì)邊坡還是人工開挖的邊坡，其結構表面都是凹凸不平的，從坡面斷面上看表現(xiàn)為一起伏輪廓線，不同的輪廓起伏線其粗糙度是不同的，而不同的粗糙度亦會影響到基材與巖體接觸面的抗剪強度，因此如何用某一參數(shù)描述結構面的粗糙度是相關領域?qū)W者十分關注的問題。

目前結構面粗糙度的描述大多采用Barton[12]提出的接觸面抗剪強度公式中的JRC值，而JRC值卻又是十分難確定的，學者對粗糙度系數(shù)JRC的研究大致經(jīng)歷了試驗、探索和理論研究3個階段[13-19]。在試驗階段僅有Barton等少數(shù)學者對其進行了研究，其主要方法是先通過接觸面抗剪試驗得出接觸面抗剪強度值，然后根據(jù)Barton提出的經(jīng)驗公式反推粗糙度系數(shù)JRC值。因為是先通過試驗得出了接觸面的抗剪強度值，然后反推到粗糙度系數(shù)，因此這種方法沒有太多的工程意義。探索階段主要是通過大量標準剖面的統(tǒng)計分析得出了10條標準的剖面線及其粗糙度系數(shù)。在具體應用時主要是通過與標準剖面曲線的對比分析按經(jīng)驗確定巖體的粗糙度系數(shù)，然后通過JCS-JRC模型估算接觸面的抗剪強度。因巖體粗糙度系數(shù)是通過與標準曲線對比而得出，所以其取值具有一定的經(jīng)驗性，不同的應用者可以得出不同的結論。理論研究階段對于粗糙度系數(shù)JRC值的研究主要集中在建立粗糙度系數(shù)與巖體剖面起伏線曲線粗糙度參數(shù)及分形維數(shù)之間的回歸分析，主要有表面粗糙度參數(shù)法、直線長度與軌跡長度比值法、分形理論法、直邊法及修正直邊法、Motif法、最小二乘多項式擬合法等。

3 粗糙度對基材穩(wěn)定性影響分析

粗糙度是對表面形貌的評定，而邊坡巖體表面形貌對基材穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在基材-坡面粘結力和力學行為改變兩個方面。

3.1 粗糙度對基材-坡面粘結力的影響

粗糙起伏的表面增加了基材與坡面巖體的接觸面積，不管基材中是否加入粘合劑或者加入何種粘合劑，基材都具有一定粘結能力?；呐c坡面的粘結力隨粘結面積的增加而增大，從而進一步加強了基材在坡面上的穩(wěn)定性。在邊坡長度方向取一微段ds，則在該微段基材與坡面的接觸面積可表示為dA=L×ds（L為該微段坡面輪廓線長），可見在該微段基材-坡面之間粘結面積與坡面輪廓線長成正比（見圖1），粘結力與粘結面積可認為成正比關系，那么粘結力與坡面輪廓線長成正比。

圖1 坡面輪廓線

下面就Barton[12]提出的幾種典型粗糙輪廓線與以直線為輪廓線的坡面，做一個理論對比分析。

表1 幾種典型Barton輪廓線

3.2 粗糙度對基材-坡面力學行為的影響

粗糙的坡體表面增加了基材與坡面的機械咬合力，改變了基材與坡面巖體間的力學行為。為方便計算，下面以折線型輪廓線為例，對基材的受力情況進行分析。在不考慮鐵絲網(wǎng)和錨桿對基材影響的情況下，基材受力有重力G、坡面巖體對基材的法向支持力Fn、坡面巖體對基材的切向摩擦力Ff以及坡面巖體對基材的粘結力Fc。

對基材混合物體系，由靜力平衡條件，可得

圖2 基材混合物受力分析

從坡面切向平衡式（1）可以看出，由于坡面凹凸起伏改變了基材部分受力的作用方向，使得基材所受的有些力可能轉變?yōu)榭够Γㄈ缡剑?）中項），因此基材抗滑力有所增加。從抗滑樁的角度來考慮，在坡面凹陷處，基材向下嵌入巖體，可看作是以基材為材料的微型抗滑樁作用于坡體。在坡面凸出處，坡面巖體向上嵌入基材，可看作是以坡面巖體為材料的微型抗滑樁作用于基材。因此，在對邊坡進行生態(tài)防護時，坡面粗糙度對基材穩(wěn)定性有著重要影響。

照片1隔河巖水電站邊坡生態(tài)防護防護整體效果

3.3 工程實例

隔河巖水電站大壩附近左岸巖石邊坡坡度陡，接近垂直狀態(tài)。在對該邊坡實施生態(tài)防護工程后，經(jīng)過長期的取樣和跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該邊坡巖體上植被長勢良好，物種多樣性豐富，整體生態(tài)防護效果優(yōu)良（見照片1），但也存在生態(tài)防護基材局部脫落情況（見照片2）。

照片2坡面巖土相對平整區(qū)域基材局部脫落情況

通過對局部基材脫落區(qū)域的對比分析，可以看到基材脫落區(qū)域大多數(shù)處于坡面巖體相對較為平整的區(qū)域。這從實際工程中也說明了坡體過于平整，不利于基材的穩(wěn)定。保持坡面一定的粗糙度，既增加了基材與坡面之間的粘結力，也使坡面-基材之間形成大量微型抗滑樁，進一步地提高了基材在坡面上的穩(wěn)定性。

4 結論與建議

基材穩(wěn)定性是影響邊坡生態(tài)防護效果的重要因素，不同的生態(tài)防護技術，基材組成成分不同，導致強度與特性也不一樣，因此基材組成是影響其穩(wěn)定性的一個內(nèi)在因素。基材穩(wěn)定性除了受基材本身特性影響外，與邊坡表面的粗糙度也有著重要關系。凹凸起伏的巖體表面，增加了基材與坡面巖體的粘結面積，使基材與坡面間的粘結力得到提高，有利于基材在坡面的穩(wěn)定。另一方面，基材-巖體接觸面的凹凸起伏，形成了大量的“微型樁”，使基材的抗滑力得到顯著提高，進一步提高了基材在坡面巖體表面的穩(wěn)定性。

工程應用時，應根據(jù)邊坡特性選擇既能保證基材穩(wěn)定又經(jīng)濟的生態(tài)防護措施。對混凝土邊坡以及表面巖體比較平整的坡面進行生態(tài)防護時，為提高基材的穩(wěn)定性，在滿足施工條件的要求下可對坡面進行鑿毛處理。在邊坡較陡的情況下，可以采取坡面鑿毛和增加一定數(shù)量錨桿的措施相結合，以此達到基材在坡面長久穩(wěn)定的目的。

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