黄土高陡边坡水毁生态修复综合治理技术研究与应用

赵 地，郝枫楠

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

黄河中游是我国黄土发育最好的地区，年平均蒸发量大于降雨量。但是近年来极端天气频现，导致北方黄土地区多次出现地质灾害且灾害强度呈上升趋势，我们要改变北方地区干旱少雨，地质灾害少、危害程度低的观点。

极端天气导致汛前暴雨、特大暴雨明显增多，长时间大雨量降雨极易对黄土地区各类工程已建边坡造成水毁破坏，出现不同程度的塌陷、滑坡。如何在黄土高陡边坡水毁后，对其进行生态修复，提升抗灾能力和生态综合效益，具有重要的研究意义。卢浩[3]等较为推崇通过麦秆纤维加筋土提升黄土边坡的抗冲刷能力，米拓[4]认为打孔点穴绿化法较适宜应用在高陡边坡生态修复中，章梦涛[5]等提倡有机植生基材在岩质坡面进行绿化。以上方法都只关注了生态或安全的其中一个方面，对暴雨冲刷防护和边坡生态性修复的综合考虑不够全面。本文以南水北调中线穿黄工程“7·20”特大暴雨后水毁边坡生态修复为研究方向，从水毁类型、坍塌成因两个方面进行介绍分析，并采用新的技术方案进行结构修复和植被重构，兼顾了边坡的安全性与生态性。

1 概述

南水北调中线穿黄工程位于黄河中下游交界段，此地黄土发育良好，属于黄土丘陵区。穿黄隧洞两端为明渠，其中南岸为深开挖明渠，长5km，单级设计边坡坡比为1∶0.7或1∶1，综合边坡平均高度为36m；北岸为填方明渠，全长6.13km，最大填方高度9.7m。

2021年工程境内遭遇“7·20”特大暴雨，降雨量为工程运行以来的最大值，超强降雨造成黄河南岸深挖方渠段暴雨后各级边坡表面产生冲沟、雨淋沟，马道出现多处局部塌陷，马道顶部和边坡坡面之间产生贯通式洞穴并有泥浆冒出，北岸填方渠道外坡面出现滑塌。暴雨过后经统计，受损部位达400余处，且部分缺陷已对各级边坡稳定产生影响，尤其是马道边缘浆砌石压顶周边产生的坑洞，较大较深，处于悬空状态，再有一场暴雨将随时面临垮塌风险。

2 边坡水毁特征及成因分析

穿黄南岸为挖方渠道，单级坡陡且坡级较多，特大暴雨对南岸的破坏相对北岸较大，确定本次研究对象为南岸边坡。南岸边坡水毁，按照破坏部位可分为4类，分别为植草护坡滑塌、拱圈护坡淘刷、排水沟破损塌陷、防洪堤错台及滑塌。本文研究重点为植草护坡滑塌生态修复。

2.1 边坡水毁特征

植草护坡滑塌主要出现在马道顶部、边坡中部，在表现形式上主要有马道顶部塌坑、压顶悬空、坡面土体滑塌出现冲沟雨淋沟、马道顶部与边坡表面产生贯通式洞穴，具体形式如图1—4所示。

图1 马道顶部塌坑

2.2 成因分析

本次降雨过程持续时间长、累计雨量大、强降雨范围广、降雨时段集中，具有极端性。结合现场水毁情况，南岸边坡水毁原因经分析有4方面因素。

2.2.1地层结构

根据《南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道高边坡渗控措施及边坡稳定研究》成果，南岸地表以下60m范围内，上层土体主要为黄土、粉质壤土，中下层土体主要为粉质壤土呈黄土状，此处地层具有湿陷性、流变性、抗冲性、垂直节理发育、崩解性等黄土特性[1]。

湿陷性：南岸边坡部分区域上层土体为黄土，呈弱湿陷性，其湿陷性表现为先随压力正向增大，一定压力后持续减小。

流变性：上部黄土的起始流变应力较中下部黄土状粉质壤土低，易产生流动变形。且黄土浸水，其流变参数降低较多，含水量对其瞬时力学性质和流变性影响较大。

抗冲性差：边坡土体不均匀系数Cu<5，级配均匀且粘粒含量整体较小，不足20%，具有粘粒含量上层小下层大、渗透性差、孔隙大、粘滞系数低的特点，抗冲能力弱。

垂直节理发育：本地区上层黄土沉积时间较晚，密实度不足，具有垂直节理，微裂隙较发育，垂直渗透能力较强。

崩解性：黄土及黄土状粉质壤土浸水易崩解。浸水后，黄土崩解时间一般出现在1分钟半～2分钟半之间，黄土状粉质壤土浸水崩解时间出现在2～3分钟之间，说明上层黄土的崩解速度比中下层黄土状粉质壤土更快且两类土崩解速度极快。

2.2.2积水渗透

边坡地层具有黄土的特性，短时强降雨会导致马道积水，特别是马道边缘位置，雨水沿垂直节理或微裂隙快速下渗，黄土浸水饱和，出现崩解、湿陷，产生管涌通道或者流塑变形。管涌通道是产生塌坑和贯穿洞的主要原因。当流塑变形超过其自稳时，表层土体会逐渐蠕滑拉裂，最终连带土体上的植被一起滑落。通过图2—3可以看出，边坡土体滑塌拉裂面上有明显的侵蚀剥落痕迹，坡体中部呈现内凹状。

图4 边坡冲沟

2.2.3土体卸荷回弹变形

南岸挖方渠道在建设过程中，需要进行大量开挖和基底平整，开挖后的裸露土体由于顶部卸荷会产生一定的回弹变形。现场实勘发现，排水沟出现塌陷变形的位置均位于宽马道的外坡角附近，其变形大小呈现出原状土埋深越大变形越明显，外坡脚卸荷回弹变形大于内坡脚的特点。

2.2.4平台排水不畅

由于各级平台上浆砌石排水沟局部损毁、塌陷或淤堵，造成排水不畅，形成局部汇流。汇集而来的积水顺着坡顶浆砌石压顶处直接翻下，对边坡表面进行冲刷、侵蚀。

3 边坡生态修复方案

3.1 原渠道边坡设计方案

南岸明渠边坡为黄土边坡，结合本工程地质条件，南岸连接明渠高程120.00m以上的边坡按宽马道、多级边坡的体形设计，120.00m高程以上每10.0m高差设置一级马道，设坡体坡面双重排水系统，坡面120.00～130.00m高程范围单级坡全坡面采用浆砌石保护，对130.00m高程以上各级坡段，自坡脚以上3m范围内采用浆砌石护脚，对浆砌石保护以外的坡面，采用草皮护坡。边坡开挖示意图如图5所示。

图5 南岸渠道开挖边坡示意图

3.2 现状边坡稳定分析

南岸深挖方渠道各级边坡附近原状土体经过扰动后土体结构由密实变松散，孔隙比增大，相应物理力学指标降低，对边坡稳定造成不利影响。本次按照原设计边坡开挖形式来复核局部滑塌后的边坡稳定，主要复核运行期、检修期、运行期加地震工况下的边坡稳定。浸润线为原设计运行期的浸润线。计算使用HH-Slope稳定计算软件，采用简化毕肖普法进行计算。

由于滑塌扰动其物理力学参数有所降低[6-8]，根据黄土区类似项目经验及影响范围内土体物理力学指标的取值参考按20%进行折算，计算参数采用《南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道高边坡渗控措施及边坡稳定研究》各土层计算采用抗剪强度指标表成果。单级边坡安全系数按照运行期1.25、检修期1.20、地震工况1.10进行验证。

经计算，各级边坡稳定安全系数均满足要求，计算结果如图6—8所示。由此，我们可以确定边坡修复的一个基本原则：修复后不宜增加坡体荷载。

图6 运行期各级边坡稳定计算结果

图7 检修期各级边坡稳定计算结果

图8 运行期地震工况各级边坡稳定计算结果

3.3 修复方案

根据稳定性计算，我们确定了修复后不宜增加坡体荷载的原则，因此我们在设计边坡的修复形式和固坡材料的选取上需要格外慎重。边坡生态修复根据水毁特征主要分为塌陷修复、马道顶与坡面贯穿洞修复、坡体滑塌修复。

3.3.1塌陷修复

塌陷主要集中在马道顶部，表现形式为内陷塌坑。针对此类塌陷采用整体开挖、分层回填的方式。具体修复如图9所示。

图9 塌陷修复开挖回填

整修开挖：根据塌坑边缘距离坡脚、马道边缘的位置及本地区地质报告中关于临时边坡稳定开挖建议，选取1∶0.7或1∶1作为临时边坡开挖的坡比进行塌坑扩挖，扩挖范围不应小于30cm，较大塌坑的工作空间应满足采用蛙式夯对回填料振动压实要求。

回填：上层30cm采用种植土回填，种植土以下采用水泥改性土回填。回填料应自下而上，分层回填，分层碾压或夯实(较小塌坑可采用振捣)。

3.3.2贯穿洞修复

马道顶部和边坡表面之间的贯穿洞修复，首先要确定现状在施工期的稳定性，土层参数参照《南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道高边坡渗控措施及边坡稳定研究》成果[1]，安全系数按1.20进行计算。

经计算，安全系数为1.19，小于1.20，冲坑导致边坡安全系数降低，冲坑位置边坡安全系数不满足要求。在现状持续降水和无大量地表水下渗的情况下，整体边坡处于暂时稳定状态。冲坑区原状土体经过流土扰动后土体结构由密实变松散，孔隙比增大。上部土体在自重作用下逐渐沉陷；同时由于地面冲坑和地下裂隙的影响，导致该区域及其附近的土体渗透性有所增加，加速了地下水的径流。如不及时处理，将影响到边坡安全，对工程正常运行构成威胁。

对贯穿洞可采用拆除恢复和粘土灌浆两种方式，由于拆除恢复工程量较大，建议采用粘土灌浆来处理。对临坡面处采取措施进行封堵，从顶部洞穴进行粘土灌浆。粘土灌浆处理流程如下：

(1)对马道顶部洞口按照塌坑的整修开挖办法进行开挖。

(2)对坡面孔洞进行封堵，从马道顶部洞进行充填灌浆，注浆压力应小于4.9×104Pa[2]，注浆浆液、浆料的物理力学指标见表1。

表1 浆料的物理力学指标表

表2 浆液的物理力学指标表

3.3.3坡体滑塌修复

(1)退坡液压喷播植草方案

坡体滑塌修复常用的处理方案有退坡液压喷播植草、浆砌石护坡、骨架护坡、雷诺护垫、土工生态袋、水工连锁块、混凝土预制块护坡、植被混凝土护坡等方式。根据稳定性分析确定的修复后不宜增加坡体荷载的原则，只有退坡可降低单级坡和整体破的荷载，针对坡面冲沟、雨淋沟淘刷不深的区域选择退坡修整方案较为适宜。设计方案如图10所示。

(2)“泡沫混凝土+玻璃钢角钢+麦克加筋垫+高性能基材+土壤增活有机基质护坡”方案

由于边坡受损位置不连续，修复完成后整体坡面将呈现凹凸不平的景象，从与周边环境协调一致的角度考虑，坡面破损连续性低的区域，需要一种新型的修复方式，在保障坡体荷载不增加的情况下，又能保证坡体的稳固并兼顾坡面的美观。基于此，本次结合新材料应用设计了“泡沫混凝土+玻璃角钢+麦克加筋垫+高性能基材+土壤增活有机基质护坡”的新型边坡生态修复方案。

具体实施流程：首先清理被冲刷边坡残余植物根系等障碍物，并将边坡开挖成阶梯状以便与回填材料更好的结合。然后针对被冲刷部位采用泡沫混凝土进行回填。回填后坡面线与原有坡面线一致。待泡沫混凝土凝固后，在坡体表面固定玻璃角钢用以承载基质土，然后再其上部通过液力喷射一层土壤增活有机基质并铺设麦克加筋垫，最后喷射高性能生态基材。具体设计图如图11所示。

①适用性分析

根据修复后不宜增加坡体荷载、与周边环境协调一致的原则，我们对回填料要求其具有轻质的特性，密度小于等于原状土料，可按原设计坡比进行修复。作为水毁生态修复材料还需具有环保性，要比土抗冲刷。同时高陡边坡工程难以对回填料压实，施工难度大，需要回填料可以无需碾压振捣，可以自硬化。基于以上需求，我们广泛查阅资料进行筛选分析，发现泡沫混凝土完美适配以上需求，特别适宜于本项目高陡边坡的回填。

常规填土的密度为1800～2000kg/m3，而泡沫混凝土不仅强度高，其内部还含有大量封闭气孔，密度可在500～1300kg/m3的范围内调节，用于回填后坡体荷载将显著减小。其强度亦可通过配合比来调节，远高于普通土体的强度，使其可以像轻质化的浆砌石护坡一样覆盖在边坡表面，起到良好的抗冲刷的作用。同时其施工性能优越，可采用管路泵送的方式现浇，可在狭小空间浇筑，自流平，自硬化，无需碾压或振捣，硬化后可自立，可垂直填筑。其还具有良好的环保特性，对环境无污染，可利用粉煤灰等工业废渣，具有优越的环保特性。

②安全性分析

本文3.2章节现状边坡稳定分析，采用的计算模式是按照土体特性降低，边坡形式为修复后的情况来计算的，此状态下边坡处于稳定状态，边坡稳定安全系数均满足要求。同时泡沫混凝土表面安装玻璃钢角钢，提升了对土壤的承托能力，不易出现塌落。

③生态性分析

坡面植生恢复方式采用了麦克加筋垫+玻璃钢角钢+高性能基材+土壤增活有机基质的模式。加筋麦克垫依靠麦克垫、玻璃角钢承托保护土壤、保护草籽的同时提高边坡抵抗雨水、洪水冲刷能力，同时植物根系穿过网片将坡面植被及受植被根系影响的浅表层土体连成整体，起到整体稳固的作用。高性能生态基材层混播种子，作为种子萌发层。土壤增活有机基质可改良土壤结构、辅助建立土壤有机质层，营造植被重新生长的条件，为植被提供理想的生长环境，促进植被快速恢复。促进植被快速生长，维持长期有效的植被成坪效果。玻璃钢角钢安装及植草效果如图12—13所示。

图13 植草效果

4 结语

水毁边坡生态修复要生态与安全并重。坡面植被可有效减少雨水的直接冲刷，但是过于茂密的植被，又会增加雨水的滞留时间，黄土地区垂直节理发育，长历时降水过程将大大增加降雨的渗透深度，一旦超过坡面表层根系的保护深度，坡面的饱和土体就会因其湿陷性、流变性出现崩解滑塌，因此，抗冲、防渗和植被稳固是解决黄土边坡水毁生态修复的关键。

目前应用较为广泛的边坡综合防护技术有框格/空心砖+植被、土工格栅+植被等[9-11]，但都具有抗冲、防渗和生态绿化难以全面发挥的问题。本次在边坡表层做植草防护，并辅以角钢和麦克加筋垫用于抵挡降雨首次冲刷，在边坡浅表层采用低密度硬质材料用以防渗和二次防冲，整体了实现抗冲防渗和坡表生态绿化的有机结合，对黄土地区边坡生态修复具有较好的借鉴意义。本次研究对植被深层防护以及其与浅层工程防护相结合的技术未做深入研究，是未来研究的重点。