熱帶地區(qū)深厚土質(zhì)高邊坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)

裴海瑜 湛杰 王政平

摘要：為了研究熱帶多雨地區(qū)超深厚土質(zhì)高邊坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)，以海南省邁灣水利樞紐工程主壩左岸220 m土質(zhì)邊坡為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和特點(diǎn)，反演分析了地質(zhì)參數(shù)?；谏鷳B(tài)修復(fù)目的，提出了地表排水、錨索和排水洞等治理措施，分析了各治理措施的安全敏感性。選擇了“坡面排水+9排錨索”的治理方案，實(shí)現(xiàn)了深厚土質(zhì)高邊坡治理和生態(tài)修復(fù)，且具有經(jīng)濟(jì)合理性。研究成果可為中國熱帶地區(qū)土質(zhì)超高邊坡的治理和生態(tài)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)高邊坡;邊坡支護(hù);生態(tài)修復(fù);熱帶地區(qū); 邁灣水利樞紐工程;海南省

中圖分類號(hào)：X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.017

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）10 - 0093 - 05

0引 言

在超高邊坡的常規(guī)設(shè)計(jì)中，一般采用噴錨掛網(wǎng)封閉的支護(hù)形式，治理后坡面多為噴混凝土護(hù)面。隨著時(shí)代的發(fā)展，工程理念更強(qiáng)調(diào)環(huán)境屬性，要求實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保[1]。因此，采用傳統(tǒng)邊坡治理方式不能滿足環(huán)境保護(hù)的需求，應(yīng)尋找更合適的邊坡治理方式[2-4]。

中國海南省屬于熱帶氣候，山體土層深厚，植被茂密，降雨量極大。開挖超高邊坡存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，處理不當(dāng)極易發(fā)生山體滑坡。進(jìn)行大范圍的噴錨封閉支護(hù)不僅成本高昂，且與“綠水青山”的理念不符。應(yīng)結(jié)合該地區(qū)降雨量大、植被生長迅速的特點(diǎn)，考慮采用邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)治理超高土質(zhì)邊坡。

海南地區(qū)目前已有的工程邊坡高度大多在100 m以下，且坡面保護(hù)措施多以噴混凝土掛網(wǎng)封閉為主。邁灣大壩左岸邊坡高220 m，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，工程規(guī)模大，是中國熱帶地區(qū)深厚超高土質(zhì)邊坡的典型和代表。該工程土層深厚，不宜修建陡坡。現(xiàn)以邁灣主壩左岸邊坡為例，探索深厚土質(zhì)高邊坡治理和生態(tài)修復(fù)技術(shù)。修復(fù)技術(shù)應(yīng)確保工程安全，同時(shí)達(dá)到復(fù)綠環(huán)保的目的，可為中國熱帶地區(qū)土質(zhì)超高土質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)提供一條新的思路。

1 工程概況

邁灣水利樞紐工程位于海南省南渡江干流中游河段，壩址位于澄邁與屯昌兩縣交界處寶嶺附近。主壩為碾壓混凝土重力壩，壩長476 m，壩頂高程113.0 m，最大壩高75 m，正常蓄水位為108 m，總庫容6.05億m3，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。邁灣大壩兩岸壩肩邊坡等級(jí)為2級(jí)，均挖至山頂。

大壩左岸坡頂高程266 m，坡腳高程46 m，總高度220 m，其中壩頂以上邊坡高度153 m。邁灣主壩左岸邊坡是中國最高的土質(zhì)邊坡之一。熱帶地區(qū)200 m級(jí)邊坡十分罕見，由于多雨，降雨成為影響邊坡穩(wěn)定最重要的因素之一，因此，治理難度增大。堆積體范圍廣，厚度深、方量大，坡腳分布大量崩積土石，說明自然邊坡地質(zhì)條件較差，歷史上已多次出現(xiàn)崩塌滑動(dòng)破壞。全強(qiáng)風(fēng)化層深厚，左岸強(qiáng)風(fēng)化上部厚度最深55 m。強(qiáng)風(fēng)化上帶夾層風(fēng)化明顯，上部強(qiáng)風(fēng)化下部全風(fēng)化，形成上硬下軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。降雨量大且集中，天然邊坡植被十分茂密，開挖會(huì)破壞植被固土護(hù)坡與雨水截滲功能，雨水下滲后地下水位可能顯著抬升，對(duì)邊坡安全不利。

開挖邊坡區(qū)屬侵蝕剝蝕低山-丘陵區(qū)，地形坡度約16°～45°，局部陡峭。壩肩山體主要地層為石炭系石嶺群下亞群變質(zhì)巖;第四系殘積層以及崩塌堆積層。其中，殘坡積層成分主要為灰黃色碎石土，厚2.0～5.5 m，分布在山坡表層。崩坍堆積層主要為滾石、碎石土、粉質(zhì)黏土等，平均厚度約為10.0 m，主要分布在高程54.0～135.0 m之間。 石炭系石嶺群下亞群（C2sha）強(qiáng)風(fēng)化上部原巖已風(fēng)化成土夾碎石狀，局部已風(fēng)化成粉質(zhì)黏土狀，局部呈全風(fēng)化狀。強(qiáng)風(fēng)化上部層厚2.3～54.6 m。強(qiáng)風(fēng)化下部已風(fēng)化成碎石夾土狀，層厚4.2～26.0 m。弱風(fēng)化巖以淺變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)粉砂巖等硬質(zhì)巖為主。上部巖體較破碎，基巖面以下10 m內(nèi)巖層風(fēng)化裂隙發(fā)育，大量渲染褐黃色鐵質(zhì)，特別是炭質(zhì)粉砂巖，由于層厚較薄，加上節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆孔取芯破碎，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）基本為0。地下水位較高，均為基巖裂隙水，地下水位隨埋深為4.1～67.0 m，相應(yīng)高程51.95～168.60 m。

2 邊坡治理方案

2.1 治理思路

邊坡強(qiáng)風(fēng)化層深厚，建基面基本布置在弱風(fēng)化層，壩肩邊坡開挖后垂直深度可達(dá)60～70 m。以強(qiáng)風(fēng)化上帶為主的邊坡預(yù)計(jì)可超過100 m。同時(shí)，為了達(dá)到復(fù)綠環(huán)保的目的，邊坡坡面均不采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)的方式，使用客土噴播掛網(wǎng)支護(hù)[5-6]。

坡面草種選取了成活率高、生長迅速、喜水耐蟲的本地草種狗牙根。坡面復(fù)綠后，與傳統(tǒng)掛網(wǎng)封閉的不同在于雨水入滲量增加。當(dāng)?shù)貧夂蚨嘤?，要做好坡面降雨的截流與引流工作。在設(shè)置常規(guī)截水溝、馬道排水溝之外，均設(shè)置長排水孔排水，還應(yīng)考慮布設(shè)排水洞。

綜合上述思路，壩肩邊坡生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)按照以下原則進(jìn)行：①腰部強(qiáng)支護(hù)：上部高程113～188 m范圍內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化邊坡，為增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，該范圍內(nèi)共3級(jí)邊坡布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索（100 t）。②強(qiáng)排水系統(tǒng)：布設(shè)10～15 m深排水管，此外設(shè)置2排深層排水隧洞，降低山體地下水位。③坡面綠化：選擇草種狗牙根，客土噴播草種結(jié)合掛網(wǎng)支護(hù)。

2.2 邊坡加固

2.2.1 地質(zhì)參數(shù)與反演

強(qiáng)風(fēng)化上部是工程邊坡穩(wěn)定分析的主要地層。采用參數(shù)反演、實(shí)驗(yàn)分析等手段綜合確定計(jì)算常數(shù)[7-9]。

（1）參數(shù)反演。兩岸邊坡巖層風(fēng)化后崩落坡腳形成崩積區(qū)，因此，反演分析時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不宜選取過高。由于兩岸邊坡自然狀態(tài)下不存在整體失穩(wěn)問題，參數(shù)反演時(shí)選定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)略小于1.05，計(jì)算工況為降雨飽和工況。計(jì)算斷面見圖1，計(jì)算結(jié)果見表1。

（2）實(shí)驗(yàn)及工程類比。邊坡穩(wěn)定計(jì)算采用的巖土體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)《巖土工程關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐》關(guān)于滑帶土或滑面處于飽和狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)中折減系數(shù)的規(guī)定，滑帶土為黏土?xí)r，內(nèi)摩擦角降低10%～20%，黏聚力降低40%～60%;滑面為結(jié)構(gòu)面（巖坡）時(shí)，砂巖抗剪強(qiáng)度降幅為10%～20%。

邊坡山體強(qiáng)風(fēng)化層深厚，內(nèi)含部分全風(fēng)化（黏性土）夾層。土體飽和時(shí)左岸強(qiáng)風(fēng)化層黏聚力折減40%，內(nèi)摩擦角折減20%。根據(jù)地質(zhì)分析，邁灣山體右岸巖體質(zhì)量優(yōu)于左岸，因此右岸強(qiáng)風(fēng)化層黏聚力值折減30%，內(nèi)摩擦角折減20%。參數(shù)折減計(jì)算公式：

[c=c0（1-k）]

[φ=arctan [tanφ01-k]]

式中：c，φ分別為折減后黏聚力和內(nèi)摩擦角;c0，φ0為折減前黏聚力和內(nèi)摩擦角，k為折減百分比。確定的巖土體主要計(jì)算參數(shù)見表2。

2.2.2 邊坡穩(wěn)定性及控制工況

土質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用摩根斯頓-普賴斯（Morgenstem-Price）法，計(jì)算軟件采用Stab土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件（中國水科院）。對(duì)邊坡的主要工況分別進(jìn)行分析，超高土質(zhì)邊坡坡面植草綠化后，降雨入滲大大增加。模擬降雨工況時(shí)假定土層飽和，對(duì)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減。邊坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)見表3。

計(jì)算表明，非常運(yùn)用條件Ⅰ（降雨情況）的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為邊坡控制工況。最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.20，不滿足規(guī)范要求，表明邊坡必須加固。

2.2.3 邊坡穩(wěn)定及支護(hù)措施布置

高邊坡治理常用的措施有：坡面排水孔、預(yù)應(yīng)力錨索、排水洞、抗滑樁和錨筋樁等。該工程考慮多種措施組合。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，治理組合包括：①僅采用坡面排水措施，排水孔深10 m，仰角5°;②坡面排水+6排錨索，錨索預(yù)應(yīng)力1 000 kN，間排距6 m，布置在128～158 m高程;③坡面排水+9排錨索，錨索預(yù)應(yīng)力1 000 kN，間排距6 m，布置在128～173 m高程;④坡面排水+排水洞，排水洞共2條，分別布置在113 m高程和158 m高程;⑤坡面排水+9排錨索+排水洞，布置同上。各方案布置及計(jì)算結(jié)果見圖2。

2.2.4 加固措施分析與優(yōu)化

采用生態(tài)修復(fù)的方式處理邊坡坡面，降雨滲水會(huì)成為影響邊坡安全的重要因素。不僅要考慮坡內(nèi)土體吸水飽和后強(qiáng)度的降低，還要考慮地下水位的抬高影響。因此，計(jì)算時(shí)除強(qiáng)風(fēng)化上帶土體按飽和情況進(jìn)行強(qiáng)度折減外，地下水位設(shè)定抬升5～10 m。上述6種情況下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

根據(jù)上述分析，采用坡面排水（10 m深排水孔）、預(yù)應(yīng)力錨索和排水隧洞結(jié)合的形式可顯著提升大壩蓄水后邊坡遭遇暴雨時(shí)的穩(wěn)定性。其中：①采用“坡面排水+9排錨索”組合時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.190;②采用“坡面排水+排水洞”組合時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.246;③采用“坡面排水+排水洞+錨索”組合時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.268。

由此可見，排水洞的作用比預(yù)應(yīng)力錨索更為顯著，排水在邊坡安全中的作用顯著高于錨索等強(qiáng)支護(hù)手段。同時(shí)，考慮方案的經(jīng)濟(jì)合理性，在投資有限的情況下，確定選用“坡面排水+排水洞”組合，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.246。此外，為了提高局部邊坡的穩(wěn)定性，在下部邊坡局部區(qū)域2級(jí)邊坡共增設(shè)4排錨索。

2.3 生態(tài)修復(fù)

大壩兩岸邊坡開挖面積約24萬m2，開挖面積大。為了避免坡面裸露造成水土流失和生態(tài)環(huán)境破壞，擬采用噴播草種植被復(fù)綠的生態(tài)修復(fù)技術(shù)?？屯羾姴ピO(shè)計(jì)方案見圖3。

噴播草種植被復(fù)綠造價(jià)低，施工方便，施工速度快。當(dāng)?shù)貧夂蜻m宜，有利于草皮的生長和維持。草皮生長后，可有效防止雨水的直接沖刷，也可避免坡面流匯集造成的坡面沖刷。復(fù)綠后的邊坡可對(duì)雨水起到一定調(diào)蓄作用，為其他動(dòng)、植物的生長提供了條件，有利于生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，最大限度減小了工程對(duì)自然環(huán)境的破壞。

3 結(jié) 語

海南省邁灣主壩左岸邊坡為220 m的土質(zhì)邊坡，是中國熱帶地區(qū)最高土質(zhì)邊坡之一。結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和特點(diǎn)，反演和分析地質(zhì)參數(shù)，在對(duì)常規(guī)支護(hù)措施的組合和敏感性分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化并確定治理方案，以保證邊坡穩(wěn)定。在不封閉坡面的情況下，對(duì)于土質(zhì)、類土質(zhì)邊坡選擇相對(duì)較緩的坡比，并采用噴播草種植被復(fù)綠，可較好地實(shí)現(xiàn)土質(zhì)高邊坡的生態(tài)修復(fù)，為熱帶地區(qū)土質(zhì)超高邊坡的治理和生態(tài)設(shè)計(jì)提供借鑒。

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（編輯：李 慧）

Analysis on ecological restoration design of deep thick and high soil slope in tropical area

PEI Haiyu1， ZHAN Jie1， WANG Zhengping2

（1. Hainan Provincial Water Conservancy and Hydropower Group Co.， Ltd. ， Haikou 571126， China;? 2. Zhongshui Zhujiang planning， Surveying & Designing Co.， Ltd.， Guangzhou 510610， China）

Abstract：? To explore the ecological restoration design of deep thick and high soil slope in rainy tropical area， taking the 220 m slope at the left bank of the main dam of Maiwan Hydraulic Project in Hainan Province as an example， on the basis of the local hydrogeological conditions and characteristics，the inverse analysis of the geological parameters was conducted. By considering the ecological restoration， the treatment measures such as surface drainage， anchor cable reinforcement and drainage tunnel etc. were put forward. The safety sensitivity of each treatment measure was analyzed. The economic and feasible scheme of surface drainaging and 9 rows of anchor cable was designed to realize the ecological restoration of deep thick and high soil slope. It can provide reference for the treatment and ecological design of super-high soil slope in tropical areas.

Key words： high thick and soil slope;slope support; ecological restoration; tropical area; Maiwan Hydraulic Project; Hainan Province