黃土高陡邊坡水毀生態(tài)修復綜合治理技術研究與應用

趙 地，郝楓楠

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

黃河中游是我國黃土發(fā)育最好的地區(qū)，年平均蒸發(fā)量大于降雨量。但是近年來極端天氣頻現(xiàn)，導致北方黃土地區(qū)多次出現(xiàn)地質災害且災害強度呈上升趨勢，我們要改變北方地區(qū)干旱少雨，地質災害少、危害程度低的觀點。

極端天氣導致汛前暴雨、特大暴雨明顯增多，長時間大雨量降雨極易對黃土地區(qū)各類工程已建邊坡造成水毀破壞，出現(xiàn)不同程度的塌陷、滑坡。如何在黃土高陡邊坡水毀后，對其進行生態(tài)修復，提升抗災能力和生態(tài)綜合效益，具有重要的研究意義。盧浩[3]等較為推崇通過麥稈纖維加筋土提升黃土邊坡的抗沖刷能力，米拓[4]認為打孔點穴綠化法較適宜應用在高陡邊坡生態(tài)修復中，章夢濤[5]等提倡有機植生基材在巖質坡面進行綠化。以上方法都只關注了生態(tài)或安全的其中一個方面，對暴雨沖刷防護和邊坡生態(tài)性修復的綜合考慮不夠全面。本文以南水北調中線穿黃工程“7·20”特大暴雨后水毀邊坡生態(tài)修復為研究方向，從水毀類型、坍塌成因兩個方面進行介紹分析，并采用新的技術方案進行結構修復和植被重構，兼顧了邊坡的安全性與生態(tài)性。

1 概述

南水北調中線穿黃工程位于黃河中下游交界段，此地黃土發(fā)育良好，屬于黃土丘陵區(qū)。穿黃隧洞兩端為明渠，其中南岸為深開挖明渠，長5km，單級設計邊坡坡比為1∶0.7或1∶1，綜合邊坡平均高度為36m；北岸為填方明渠，全長6.13km，最大填方高度9.7m。

2021年工程境內遭遇“7·20”特大暴雨，降雨量為工程運行以來的最大值，超強降雨造成黃河南岸深挖方渠段暴雨后各級邊坡表面產生沖溝、雨淋溝，馬道出現(xiàn)多處局部塌陷，馬道頂部和邊坡坡面之間產生貫通式洞穴并有泥漿冒出，北岸填方渠道外坡面出現(xiàn)滑塌。暴雨過后經(jīng)統(tǒng)計，受損部位達400余處，且部分缺陷已對各級邊坡穩(wěn)定產生影響，尤其是馬道邊緣漿砌石壓頂周邊產生的坑洞，較大較深，處于懸空狀態(tài)，再有一場暴雨將隨時面臨垮塌風險。

2 邊坡水毀特征及成因分析

穿黃南岸為挖方渠道，單級坡陡且坡級較多，特大暴雨對南岸的破壞相對北岸較大，確定本次研究對象為南岸邊坡。南岸邊坡水毀，按照破壞部位可分為4類，分別為植草護坡滑塌、拱圈護坡淘刷、排水溝破損塌陷、防洪堤錯臺及滑塌。本文研究重點為植草護坡滑塌生態(tài)修復。

2.1 邊坡水毀特征

植草護坡滑塌主要出現(xiàn)在馬道頂部、邊坡中部，在表現(xiàn)形式上主要有馬道頂部塌坑、壓頂懸空、坡面土體滑塌出現(xiàn)沖溝雨淋溝、馬道頂部與邊坡表面產生貫通式洞穴，具體形式如圖1—4所示。

圖1 馬道頂部塌坑

2.2 成因分析

本次降雨過程持續(xù)時間長、累計雨量大、強降雨范圍廣、降雨時段集中，具有極端性。結合現(xiàn)場水毀情況，南岸邊坡水毀原因經(jīng)分析有4方面因素。

2.2.1地層結構

根據(jù)《南水北調中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲控措施及邊坡穩(wěn)定研究》成果，南岸地表以下60m范圍內，上層土體主要為黃土、粉質壤土，中下層土體主要為粉質壤土呈黃土狀，此處地層具有濕陷性、流變性、抗沖性、垂直節(jié)理發(fā)育、崩解性等黃土特性[1]。

濕陷性：南岸邊坡部分區(qū)域上層土體為黃土，呈弱濕陷性，其濕陷性表現(xiàn)為先隨壓力正向增大，一定壓力后持續(xù)減小。

流變性：上部黃土的起始流變應力較中下部黃土狀粉質壤土低，易產生流動變形。且黃土浸水，其流變參數(shù)降低較多，含水量對其瞬時力學性質和流變性影響較大。

抗沖性差：邊坡土體不均勻系數(shù)Cu<5，級配均勻且粘粒含量整體較小，不足20%，具有粘粒含量上層小下層大、滲透性差、孔隙大、粘滯系數(shù)低的特點，抗沖能力弱。

垂直節(jié)理發(fā)育：本地區(qū)上層黃土沉積時間較晚，密實度不足，具有垂直節(jié)理，微裂隙較發(fā)育，垂直滲透能力較強。

崩解性：黃土及黃土狀粉質壤土浸水易崩解。浸水后，黃土崩解時間一般出現(xiàn)在1分鐘半～2分鐘半之間，黃土狀粉質壤土浸水崩解時間出現(xiàn)在2～3分鐘之間，說明上層黃土的崩解速度比中下層黃土狀粉質壤土更快且兩類土崩解速度極快。

2.2.2積水滲透

邊坡地層具有黃土的特性，短時強降雨會導致馬道積水，特別是馬道邊緣位置，雨水沿垂直節(jié)理或微裂隙快速下滲，黃土浸水飽和，出現(xiàn)崩解、濕陷，產生管涌通道或者流塑變形。管涌通道是產生塌坑和貫穿洞的主要原因。當流塑變形超過其自穩(wěn)時，表層土體會逐漸蠕滑拉裂，最終連帶土體上的植被一起滑落。通過圖2—3可以看出，邊坡土體滑塌拉裂面上有明顯的侵蝕剝落痕跡，坡體中部呈現(xiàn)內凹狀。

圖4 邊坡沖溝

2.2.3土體卸荷回彈變形

南岸挖方渠道在建設過程中，需要進行大量開挖和基底平整，開挖后的裸露土體由于頂部卸荷會產生一定的回彈變形?，F(xiàn)場實勘發(fā)現(xiàn)，排水溝出現(xiàn)塌陷變形的位置均位于寬馬道的外坡角附近，其變形大小呈現(xiàn)出原狀土埋深越大變形越明顯，外坡腳卸荷回彈變形大于內坡腳的特點。

2.2.4平臺排水不暢

由于各級平臺上漿砌石排水溝局部損毀、塌陷或淤堵，造成排水不暢，形成局部匯流。匯集而來的積水順著坡頂漿砌石壓頂處直接翻下，對邊坡表面進行沖刷、侵蝕。

3 邊坡生態(tài)修復方案

3.1 原渠道邊坡設計方案

南岸明渠邊坡為黃土邊坡，結合本工程地質條件，南岸連接明渠高程120.00m以上的邊坡按寬馬道、多級邊坡的體形設計，120.00m高程以上每10.0m高差設置一級馬道，設坡體坡面雙重排水系統(tǒng)，坡面120.00～130.00m高程范圍單級坡全坡面采用漿砌石保護，對130.00m高程以上各級坡段，自坡腳以上3m范圍內采用漿砌石護腳，對漿砌石保護以外的坡面，采用草皮護坡。邊坡開挖示意圖如圖5所示。

圖5 南岸渠道開挖邊坡示意圖

3.2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定分析

南岸深挖方渠道各級邊坡附近原狀土體經(jīng)過擾動后土體結構由密實變松散，孔隙比增大，相應物理力學指標降低，對邊坡穩(wěn)定造成不利影響。本次按照原設計邊坡開挖形式來復核局部滑塌后的邊坡穩(wěn)定，主要復核運行期、檢修期、運行期加地震工況下的邊坡穩(wěn)定。浸潤線為原設計運行期的浸潤線。計算使用HH-Slope穩(wěn)定計算軟件，采用簡化畢肖普法進行計算。

由于滑塌擾動其物理力學參數(shù)有所降低[6-8]，根據(jù)黃土區(qū)類似項目經(jīng)驗及影響范圍內土體物理力學指標的取值參考按20%進行折算，計算參數(shù)采用《南水北調中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲控措施及邊坡穩(wěn)定研究》各土層計算采用抗剪強度指標表成果。單級邊坡安全系數(shù)按照運行期1.25、檢修期1.20、地震工況1.10進行驗證。

經(jīng)計算，各級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求，計算結果如圖6—8所示。由此，我們可以確定邊坡修復的一個基本原則：修復后不宜增加坡體荷載。

圖6 運行期各級邊坡穩(wěn)定計算結果

圖7 檢修期各級邊坡穩(wěn)定計算結果

圖8 運行期地震工況各級邊坡穩(wěn)定計算結果

3.3 修復方案

根據(jù)穩(wěn)定性計算，我們確定了修復后不宜增加坡體荷載的原則，因此我們在設計邊坡的修復形式和固坡材料的選取上需要格外慎重。邊坡生態(tài)修復根據(jù)水毀特征主要分為塌陷修復、馬道頂與坡面貫穿洞修復、坡體滑塌修復。

3.3.1塌陷修復

塌陷主要集中在馬道頂部，表現(xiàn)形式為內陷塌坑。針對此類塌陷采用整體開挖、分層回填的方式。具體修復如圖9所示。

圖9 塌陷修復開挖回填

整修開挖：根據(jù)塌坑邊緣距離坡腳、馬道邊緣的位置及本地區(qū)地質報告中關于臨時邊坡穩(wěn)定開挖建議，選取1∶0.7或1∶1作為臨時邊坡開挖的坡比進行塌坑擴挖，擴挖范圍不應小于30cm，較大塌坑的工作空間應滿足采用蛙式夯對回填料振動壓實要求。

回填：上層30cm采用種植土回填，種植土以下采用水泥改性土回填?；靥盍蠎韵露希謱踊靥?，分層碾壓或夯實(較小塌坑可采用振搗)。

3.3.2貫穿洞修復

馬道頂部和邊坡表面之間的貫穿洞修復，首先要確定現(xiàn)狀在施工期的穩(wěn)定性，土層參數(shù)參照《南水北調中線一期穿黃工程南岸渠道高邊坡滲控措施及邊坡穩(wěn)定研究》成果[1]，安全系數(shù)按1.20進行計算。

經(jīng)計算，安全系數(shù)為1.19，小于1.20，沖坑導致邊坡安全系數(shù)降低，沖坑位置邊坡安全系數(shù)不滿足要求。在現(xiàn)狀持續(xù)降水和無大量地表水下滲的情況下，整體邊坡處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。沖坑區(qū)原狀土體經(jīng)過流土擾動后土體結構由密實變松散，孔隙比增大。上部土體在自重作用下逐漸沉陷；同時由于地面沖坑和地下裂隙的影響，導致該區(qū)域及其附近的土體滲透性有所增加，加速了地下水的徑流。如不及時處理，將影響到邊坡安全，對工程正常運行構成威脅。

對貫穿洞可采用拆除恢復和粘土灌漿兩種方式，由于拆除恢復工程量較大，建議采用粘土灌漿來處理。對臨坡面處采取措施進行封堵，從頂部洞穴進行粘土灌漿。粘土灌漿處理流程如下：

(1)對馬道頂部洞口按照塌坑的整修開挖辦法進行開挖。

(2)對坡面孔洞進行封堵，從馬道頂部洞進行充填灌漿，注漿壓力應小于4.9×104Pa[2]，注漿漿液、漿料的物理力學指標見表1。

表1 漿料的物理力學指標表

表2 漿液的物理力學指標表

3.3.3坡體滑塌修復

(1)退坡液壓噴播植草方案

坡體滑塌修復常用的處理方案有退坡液壓噴播植草、漿砌石護坡、骨架護坡、雷諾護墊、土工生態(tài)袋、水工連鎖塊、混凝土預制塊護坡、植被混凝土護坡等方式。根據(jù)穩(wěn)定性分析確定的修復后不宜增加坡體荷載的原則，只有退坡可降低單級坡和整體破的荷載，針對坡面沖溝、雨淋溝淘刷不深的區(qū)域選擇退坡修整方案較為適宜。設計方案如圖10所示。

(2)“泡沫混凝土+玻璃鋼角鋼+麥克加筋墊+高性能基材+土壤增活有機基質護坡”方案

由于邊坡受損位置不連續(xù)，修復完成后整體坡面將呈現(xiàn)凹凸不平的景象，從與周邊環(huán)境協(xié)調一致的角度考慮，坡面破損連續(xù)性低的區(qū)域，需要一種新型的修復方式，在保障坡體荷載不增加的情況下，又能保證坡體的穩(wěn)固并兼顧坡面的美觀?；诖?，本次結合新材料應用設計了“泡沫混凝土+玻璃角鋼+麥克加筋墊+高性能基材+土壤增活有機基質護坡”的新型邊坡生態(tài)修復方案。

具體實施流程：首先清理被沖刷邊坡殘余植物根系等障礙物，并將邊坡開挖成階梯狀以便與回填材料更好的結合。然后針對被沖刷部位采用泡沫混凝土進行回填?；靥詈笃旅婢€與原有坡面線一致。待泡沫混凝土凝固后，在坡體表面固定玻璃角鋼用以承載基質土，然后再其上部通過液力噴射一層土壤增活有機基質并鋪設麥克加筋墊，最后噴射高性能生態(tài)基材。具體設計圖如圖11所示。

①適用性分析

根據(jù)修復后不宜增加坡體荷載、與周邊環(huán)境協(xié)調一致的原則，我們對回填料要求其具有輕質的特性，密度小于等于原狀土料，可按原設計坡比進行修復。作為水毀生態(tài)修復材料還需具有環(huán)保性，要比土抗沖刷。同時高陡邊坡工程難以對回填料壓實，施工難度大，需要回填料可以無需碾壓振搗，可以自硬化?；谝陨闲枨螅覀儚V泛查閱資料進行篩選分析，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土完美適配以上需求，特別適宜于本項目高陡邊坡的回填。

常規(guī)填土的密度為1800～2000kg/m3，而泡沫混凝土不僅強度高，其內部還含有大量封閉氣孔，密度可在500～1300kg/m3的范圍內調節(jié)，用于回填后坡體荷載將顯著減小。其強度亦可通過配合比來調節(jié)，遠高于普通土體的強度，使其可以像輕質化的漿砌石護坡一樣覆蓋在邊坡表面，起到良好的抗沖刷的作用。同時其施工性能優(yōu)越，可采用管路泵送的方式現(xiàn)澆，可在狹小空間澆筑，自流平，自硬化，無需碾壓或振搗，硬化后可自立，可垂直填筑。其還具有良好的環(huán)保特性，對環(huán)境無污染，可利用粉煤灰等工業(yè)廢渣，具有優(yōu)越的環(huán)保特性。

②安全性分析

本文3.2章節(jié)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定分析，采用的計算模式是按照土體特性降低，邊坡形式為修復后的情況來計算的，此狀態(tài)下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。同時泡沫混凝土表面安裝玻璃鋼角鋼，提升了對土壤的承托能力，不易出現(xiàn)塌落。

③生態(tài)性分析

坡面植生恢復方式采用了麥克加筋墊+玻璃鋼角鋼+高性能基材+土壤增活有機基質的模式。加筋麥克墊依靠麥克墊、玻璃角鋼承托保護土壤、保護草籽的同時提高邊坡抵抗雨水、洪水沖刷能力，同時植物根系穿過網(wǎng)片將坡面植被及受植被根系影響的淺表層土體連成整體，起到整體穩(wěn)固的作用。高性能生態(tài)基材層混播種子，作為種子萌發(fā)層。土壤增活有機基質可改良土壤結構、輔助建立土壤有機質層，營造植被重新生長的條件，為植被提供理想的生長環(huán)境，促進植被快速恢復。促進植被快速生長，維持長期有效的植被成坪效果。玻璃鋼角鋼安裝及植草效果如圖12—13所示。

圖13 植草效果

4 結語

水毀邊坡生態(tài)修復要生態(tài)與安全并重。坡面植被可有效減少雨水的直接沖刷，但是過于茂密的植被，又會增加雨水的滯留時間，黃土地區(qū)垂直節(jié)理發(fā)育，長歷時降水過程將大大增加降雨的滲透深度，一旦超過坡面表層根系的保護深度，坡面的飽和土體就會因其濕陷性、流變性出現(xiàn)崩解滑塌，因此，抗沖、防滲和植被穩(wěn)固是解決黃土邊坡水毀生態(tài)修復的關鍵。

目前應用較為廣泛的邊坡綜合防護技術有框格/空心磚+植被、土工格柵+植被等[9-11]，但都具有抗沖、防滲和生態(tài)綠化難以全面發(fā)揮的問題。本次在邊坡表層做植草防護，并輔以角鋼和麥克加筋墊用于抵擋降雨首次沖刷，在邊坡淺表層采用低密度硬質材料用以防滲和二次防沖，整體了實現(xiàn)抗沖防滲和坡表生態(tài)綠化的有機結合，對黃土地區(qū)邊坡生態(tài)修復具有較好的借鑒意義。本次研究對植被深層防護以及其與淺層工程防護相結合的技術未做深入研究，是未來研究的重點。