柔性生态挡墙在膨胀土边坡工程中的应用.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：陈雯（），女，四川遂宁人，硕士，高级工程师，从事水环境建设工程设计与项目管理工作。柔性生态挡墙在膨胀土边坡工程中的应用陈雯，廖桂英，陈强（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ）摘要：膨胀土边坡开挖易受大气影响、吸水膨胀、强度软化从而导致失稳。传统以硬质挡墙、加筋等措施治理膨胀土边坡失稳，在传统措施及膨胀土特性研究的基础上，构建基于防排水结构的柔性生态挡墙体系，利用低含水率膨胀土强度维持边坡稳定，通过结构分区实现体系多功能化，该结构具有适应性强、生态美观、节能环保、施工便捷等特点。本文介绍了该体系的结构特征、技术要点，并辅以工程案例展示与应用评价。关键词：柔性挡墙；生态护坡；膨胀土；边坡开挖；一体化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言我国膨胀土分布广、面积大，全国 多个省市有膨胀土分布 。膨胀土是一种遇水强度大幅度衰减的特殊土，具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特点 。膨胀土边坡极易发生滑塌等灾害，甚至出现反复治理、反复失败的情况，严重威胁到人民财产与生命安全，研究解决膨胀土边坡稳定问题具有实际意义 。针对膨胀土边坡失稳的原因，冷挺等 进行了专项研究，认为开挖膨胀土边坡相较自然边坡更容易受大气影响裂隙发育，基质吸力变幅大、分散性大、规律性差，滑坡多出现于开挖边坡而非自然边坡，破坏应力主要集中于坡脚；范峥等 研究了降雨条件对膨胀土边坡的影响及排水法的应用效果，认为降雨使得非饱和膨胀土产生暂态饱和区，暂态饱和区土体产生膨胀变形，会抑制雨水向坡内渗透，雨停后又抑制雨水消散，使得膨胀土边坡破坏容易发生于雨停期，深层排水对于抑制孔隙水压力面上升有良好作用；雷胜友等 研究了土工加筋措施在膨胀土边坡治理中的工程效果，认为土工材料加筋可以形成排水通道，加速膨胀土体排水固结，有利于膨胀土边坡稳定，加筋有利于提高膨胀土黏聚力；刘正明等 研究了植物根系对膨胀土膨胀变形、降低膨胀力的作用，认为土体抗剪强度随根系含量增大而增强，对黏聚力提高显著，粗根系比细根系对内摩擦角影响更大。本文在以往膨胀土成果研究的基础上，针对膨胀土边坡失稳特征，构建一套完整柔性生态挡墙体系，在保证安全的情况下，使其在膨胀土边坡治理中具有更大的生态、环保、经济效益。柔性生态挡墙特性 设计原理针对膨胀土强度遇水大幅度衰减特性，柔性生态挡墙体系通过构建封闭结构以降低边坡渗透性，抑制降雨入渗，减少降雨产生的暂态饱和区范围，抑制饱和区的深化及扩大；通过构建坡内多层排水管及坡脚排水盲沟等排水结构，将坡内渗流及时排出坡体，抑制浸润面抬升和压力水头抬高，提高边坡稳定；通过外侧土工织袋、土工格栅连接形成坡脚挡墙，充分利用低含水率条件下膨胀土强度来提高边坡稳定性；通过植物根系提高边坡稳定富余度，同时实现支护的生态景观性。基本结构柔性生态挡墙体系分为封闭结构、截排水结构和支挡结构（见图 ）。（）封闭结构的结构顶部延伸到滑坡后缘以外，结构底部与边坡顶部截水沟衔接，通过封闭结构减少水体下渗，避免膨胀土吸水、强度降低。（）截排水结构细化为上截、下排、内排渗三类（见图 ），“上截”指设置于坡顶的截水沟，“下排”指设置于坡面的横向排水沟及坡脚的纵向排水沟，“内排渗”指设置于支挡结构内的排渗措施，包括按固定间隔设置的多层排水管、根据区域集水特点增设的排水盲沟。截水沟和排水沟迅速将表层截流的水体集中引流排走，减少水体入渗，避免膨胀土体强度软化、裂隙伸展影响；排渗措施将入渗水体及时排出、快速恢复土体强度。（）支挡结构包括袋装土挡墙和换填土，袋装土挡墙、换填土断面尺寸根据稳定计算确定（见图 ）。“袋装土挡墙”由表层生态土袋、内侧土工膜土袋及土工格栅构成。表层生态袋透水，袋内土体充填种植混合土；内侧土工膜袋不透水，充填开挖料，可利用原位膨胀性黏土开挖料。“换填土”开挖料换填时，若采用非膨胀土换填，则换填黏土料含水量宜接近最优含水量；若采用膨胀土改良换填，应对膨胀性土进行检测，确定可用改良土源范围及初始含水率、改良剂及用量等。图 柔性生态挡墙结构体系图 柔性生态挡墙 截排水结构图 柔性生态挡墙 支挡结构 实施要点本体系技术关键在于边坡控水，应根据“上截、下排、内排渗”的控水原理，施工前做好边坡周边截排水措施，对设计范围内原有地表裂缝、低洼地带及时进行封培、填补，避免边坡受汇流下渗水干扰、降低边坡初始强度指标；施工过程中，对坡顶、坡面及时平整平顺，加强临时避雨遮挡等措施，并注意以下几方面。（）“袋装土挡墙”的表层生态袋一般是在袋内充种植混合土及草籽，根据工程现场土质、气候、养护条件、景观要求掺加保水剂、基肥等，但对于增设排水盲沟的位置，应将排水盲沟出口处的表层生态袋内填充渗透性好的砂土，以作排水通道。（）“袋装土挡墙”的土工格栅主强度方向（纵向）应垂直于坡脚线方向，无接缝，整幅不允许有断头搭接；格栅横向相邻两幅间的搭接宽度不低于 ，不可用铁丝绑扎。土工格栅纵向端头进行反包，反包长度不小于 个土工膜袋纵向长度，并不小于 。（）“换填土”实施前，应对所用换填土料源进行分类，测试液限、塑限、天然含水量及最大干密度等指标，采用膨胀土改良时，应进行改性试验，确定改良剂用量、拌制工艺及相关控制指标。（）“封闭结构”实施前，坡面应先配置锚钉，后铺设铁丝网，网片由上至下铺设，张紧加筋网，网间上下需进行不小于 的搭接，网间左右不需进行搭接，但所有网片之间应用铁丝绑扎牢固，在锚钉接触处也一并用铁丝与锚钉绑扎牢固，网片距坡面保持 的距离。在生态混凝土基层喷植前，应在坡面上喷水，促使喷射植被混凝土基材与基面连接紧密；在生态混凝土表层喷护前，应在坡面上喷水，保证基层和表层黏结。技术特征（）自适性。本体系是一个智能性软体结构，具备承受一定变形的能力，不会出现传统硬体加固措施因局部不均匀沉降而导致结构整体断裂或破坏，当边坡因为各种因素出现局部或整体不均匀变形时，体系会自我适应性变形调整，使外部应力得以释放，提高整体稳定性。（）环保性。本体系根据不同功能目标进行材料分区，在保障结构功能实现的前提下，充分利用现场开挖料，减少使用混凝土、钢筋，降低了对原生环境的破坏，防止水土流失，减少外运弃渣，并且生态土工袋内的植被生长有效保护袋体免受太阳紫外线照射，延长土工材料使用寿命，实现节能环保。（）生态性。本体系构造的柔性生态保护壳体能为植被提供良好的生长载体，便于草种初期借助生态袋的积水吸收水分发育根系，待植被生长成熟后能有效提高绿化覆盖率，增强观赏性，美化环境。（）兼容性。本体系材料轻巧、运输便利，在交通不发达地区具有硬质护坡不能比拟的优势，实施步骤简单、技术要点明晰、施工速度快，施工人员易学、易懂、易施工，并且还可与其他传统支护措施衔接实施，对于不稳定边坡仍可通过计算增设锚杆、锚索等加固措施形成整体，提高稳定强度。工程实例分析 工程概况某水环境项目渠系工程位于浅丘台地，地形起伏较大，最大高差 ，地震基本烈度为度，该区域为膨胀土区域，主要地层为第四系全新统人工堆积层（）、冲积堆积层（）和中下更新统冰水堆积层（），黏土在 下的胀缩率为 ，膨胀力为 ，收缩系数为 ，膨胀变形量为 ，具弱膨胀潜势，其胀缩等级为级。渠系工程长 ，渠系建筑物为级，设计洪水重现期为 年，工程合理使用年限为 年。渠系为钢筋混凝土桩板梁结构，渠道底宽 ，渠高 。根据区域控规，渠系周边场地规划标高高于渠顶 ，渠系坡顶及周边有市政排水管网。渠顶边坡原建设框格梁护坡于雨季发生局部滑坡损毁，需结合周边景观要求对边坡进行生态修复治理。结构设计按城市周边生态景观建设的需求，结合周边规划设施，综合考虑场区土方平衡、实施工期等因素，并经多方比较最终确定对滑坡进行清表、削坡后，采用柔性生态挡墙体系进行修复（见图 ）。（）封闭结构。以坡顶截水沟为起点，向外推 为封闭范围。对封闭范围进行平整削坡，坡度不陡于 ，封闭结构为 厚生态混凝土，其中锚钉采用 螺纹钢，锚固横纵间距为 ，孔深 ，长度 锚固，锚钉外露 。（）截排水结构。在边坡顶部设置截水沟，在坡脚道路内侧设置排水沟，坡面每间隔 设置坡面横向排水沟，排水沟为 混凝土结构，排水沟接入周边市政排水管网，边坡排渗措施随支挡结构设置。（）支挡结构。袋装土挡墙高 ，墙背俯斜 ，墙面坡比 ，墙趾紧临坡脚排水沟，墙趾台阶高 ，墙底设 的反坡挡墙。挡墙最外一层袋采用生态袋，内侧采用土工膜袋，袋装土之间添加土工格栅连接。挡墙内埋设 排水管，纵横向间距为 ，排水管深入土体 ，管后双层土工布包管反滤，将并堆直径不超过 的砂卵石作为反滤层；挡墙内每隔 设置一条 碎石排水盲沟，下垫土工膜。最上层排水管贯穿袋装土挡墙和换填土结构，下层排水管贯穿袋装土挡墙，排入坡脚排水沟。换填深度大于 ，开挖坡比 ，换填料为现场开挖膨胀土料，经试验确定翻晒后掺 水泥进行改性，分层碾压压实度为 ，碾压后渗透系数达到 。图 应用案例护坡结构（单位：）实施情况柔性生态挡墙体系修复工程边坡平均治理高度约为 ，支挡结构平均高 ，断面宽约 。实施过程中，渠顶边坡治理与渠顶道路、栏杆同时实施，共用挖掘设备。支挡结构外侧生态袋采用混合种植土，内侧土工膜袋充填边坡开挖料，袋装土之间用土工格栅连接。顶部生态混凝土及表层生态袋材料内均自含草籽，施工期间及时浇水养护，草坡生长较快，完工 个月内即达植被茂盛的生态效果。应用效果评价 安全效益（）膨胀土破坏时应力主要集中于坡脚，坡脚通过土工织袋、土工格栅挡墙支挡加固后，边坡复核安全系数达到 ，大于规范要求的 。（）表层植被、枯落物及表层低渗透性封闭结构减少水体入渗、阻断膨胀土边坡吸水，同时减少土壤水分蒸发、提高边坡保水能力，减少边坡含水率变化，减少干湿循环对土体强度、变形的影响 。（）植被叶片抵挡雨水直接落向坡面，消减雨水对坡面的冲击力，减少雨水溅蚀、水体下渗导致的裂隙发展，从而降低膨胀土体强度的衰减，维持边坡安全稳定 。（）多层排水管、排水盲沟有效抑制浸润面的抬升、抑制深层压力水头面的抬升，使得入渗雨水迅速排出、快速恢复土体强度，维持边坡安全稳定 。（）柔性生态挡墙结构中的锚钉、钢筋网、改良土、土工格栅、土工织袋作为边坡稳定的安全富余。生态效益（）柔性生态挡墙表层结构自带草种及生长土基，能实现同步绿化施工，对景观适应性较强。（）表层植被生长有效提高绿化覆盖率，在增强观赏性、美化环境的同时，吸附空气中大颗粒及粉尘，改善区域局部小气候。环保效益（）表层结构及坡面植被弱化降雨、大气风化对坡面侵害，有效控制坡面水土流失。（）柔性生态挡墙体系根据不同功能目标进行材料分区：表层结构作用是生态复绿，采用透水土工织袋、草籽混合土填充；内侧结构作用是提高抗剪强度，采用不透水土工膜袋，利用土工膜的防水性降低了水体对膨胀性填充土料的影响，从而最大限度地利用现场膨胀土开挖料，做到节能、环保。（）柔性生态挡墙体系对机械设备的需求低，土工织袋、土工格栅等的施工主要依靠人工完成，受机械设备制约少，更适合场地狭小、交叉施工的场地使用，减少了对原场地的机械扰动。经济效益（）本项目采用柔性生态挡墙与采用同功能硬质挡墙相比，采用柔性生态挡墙节约投资 。（）柔性生态挡墙体系充分利用现场膨胀土开挖料，无需另寻弃渣场，节省投资。（）柔性生态挡墙体系的生态绿化与主体结构同步实施，无需实施垫层，大大简化施工工艺流程、缩短实施周期，便于大规模施工、连续填筑，达到技术合理、费用经济的目的。（下转第 页）调试质量控制设备安装完成后，需进行单机调试和联动调试。为确保调试工作的顺利进行，应提前编制调试大纲，调试工作严格按照调试大纲执行。在调试过程中，如出现任何问题应立即启动应急机制，组织设计单位、设备供应商、施工分包商等确定解决方案，如涉及到设备配件等增补或替换，应紧急在当地采购或直接从国内采购空运至现场。对于涉及特殊工艺和设备关联的装配和调试，应要求设备供应商派遣合格和足够的技术人员到现场协助进行装配、调试、提供接口等技术配合。结论在国际 项目中，总承包商应统筹考虑设备全生命周期的质量管控，质量管理的控制应贯穿设计、采购策划、招投标及合同签订、生产制造、出厂检验、物流运输、现场仓储、设备安装调试等项目执行的全过程。只有把上述每个环节的质量都管控好，才能确保设备质量以及整个项目质量。参考文献：谢立钢 海外项目的设备质量管理 中国电力教育，（）：杜萍 国际 项目的设备质量管理控制 工程经济，（）：范明波，沈兆飞，齐光才 海外 电站项目全流程采购设备质量管控 中国物流与采购，（）：杨晓东，吴一昊 国际 项目永久设备采购全生命周期管理 国际工程与劳务，（）：陈文刚 强化全过程采购质量控制提升设备采购管理水平 设备监理，（）：（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）结论（）柔性生态挡墙体系以膨胀土遇水弱化的特性入手，以截水、防水、排水为原则，充分利用低含水率膨胀土自身强度来满足边坡的安全质量要求；（）柔性生态挡墙体系分为封闭结构、截排水结构和支挡结构，通过对结构功能细化，将生态绿化措施与工程结构融合，实现安全、生态建设同步；（）柔性生态挡墙体系具备地基适应性强、环保节能、材料就地化、经济便捷的施工特性，值得在膨胀土边坡治理、边坡开挖等工程中推广使用。参考文献：刘特洪 长江流域膨胀土工程地质特征及工程处理 人民长江，（）：，龚壁卫，程展林，郭熙灵，等 南水北调中线膨胀土工程问题研究与进展 长江科学院院报，（）：黄兴喜 膨胀土地区河渠边坡滑坡失稳治理试验 吉林水利，（）：冷挺，唐朝生，徐丹，等 膨胀土工程地质特性研究进展 工程地质学报，（）：吴礼舟，黄润秋 膨胀土开挖边坡吸力和饱和度的研究 岩土工程学报，（）：范峥，李金明，何李 降雨条件下膨胀变形对膨胀土边坡暂态饱和区的影响研究 公路与汽运，（）：杨大海，王建国 排水法治理膨胀土滑坡研究 工程与建设，（）：雷胜友，丁万涛 加筋纤维抑制膨胀土膨胀性的试验 岩土工程学报，（）：王协群，郭敏，胡波，等 土工格栅加筋膨胀土的三轴试验研究 岩土力学，（）：汪明元，于嫣华，包承纲，等 土工格栅加筋压实膨胀土的强度与变形特性 武汉理工大学学报，（）：刘正明，曹建忠，李雄威，等 植被覆盖下膨胀土长期强度特性分析 常州工学院学报，（）：周成，路永珍，黄月华，等 香根草加固不同含水率膨胀土的侧限膨胀和直剪试验 岩土工程学报，（增 ）：刘华强，殷宗泽 裂隙对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究 岩土力学，（）：叶万军，万强，申艳军，等 干湿循环作用下膨胀土开裂和收缩特性试验研究 西安科技大学学报，（）：袁俊平，韩春雷，丁巍，等 膨胀土边坡土工膜防护方案试验研究 河北工程大学学报（自然科学版），（）：李永彪，丁三宝，沈慧，等 水泥掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响 佳木斯大学学报（自然科学版），（）：潘雷 边坡工程生态防护应用研究 建筑技术开发，（）：（编辑：全力立）