防冲刷基材生态护坡技术的研究与应用

防冲刷基材生态护坡技术的研究与应用在基础设施建设工程中,特别是山区,由于环保及生态意识淡化,相关措施不到位,在工程实施的同时也破坏了原有植被,水土流失、滑坡、淤积等问题非常严重。裸露边坡的出现,不仅破坏了原有景观,更毁坏了原有的生态系统功能。研究表明[1],裸露的边坡风速比林地大15倍、比草地大8倍,边坡风蚀严重,极不利于水分保持,加之边坡土壤渗透性差等原因,边坡土壤对降水截流的能力差,容易产生水土流失,导致坡面土壤贫瘠,立地条件差,往往不利于植物生长。因此,生态护坡技术就具有了广阔的应用空间。这不仅是因为植物的基叶和枯枝落叶能缓和雨水的冲击,削弱溅蚀,更在于植物根系在土壤中形成孔道可减少坡面径流,控制水土流失。同时植物根系中浅、深根分别具备加筋、铺固作用,能将其周围土壤缚紧,有一定的支撑作用[2]。在生态防护工程技术中已有不少非常有效的方法,但笔者认为防冲刷基材生态护坡方法更有一些独到之处。防冲刷基材生态护坡技术防冲刷基材生态护坡技术(EcologicalSlopeProtectedMethodofPreventingErosionBasisMateria,l以下简称PEB生态护坡技术)是在植被混凝土生态护坡技术[3,4]的基础上开发的,既能防雨水冲刷、不龟裂,又能满足边坡(包括土质边坡、盐碱地边坡、软岩边坡、硬岩边坡、混凝土边坡)生态恢复要求,具有护坡功能且价格相对低廉,适用于坡度小于50b边坡的生态护坡方法。PEB生态护坡技术的功能通过3个功能层来实现,即基材层、加筋层和防冲刷层。在3层的共同作用下,可达到营造良好植被生长环境、保持边坡的稳定性、防止坡面受雨水冲刷造成水土流失的功效。由于该技术以人工操作为主,只在防冲刷层的施工过程中需要少量机械台班,施工简便,同时由于基材层使用腐殖土,减少了植被混凝土的用量,其造价相对低廉,经济合理。因此可以广泛应用于坡度小于50b的铁路边坡、公路边坡、废弃矿山边坡、江河渠道堤岸的防护和生态恢复,也可用于水库消落带较缓部位的生态修复。2PEB生态护坡技术功能研究基材层主要为植物生长提供营养、水分。其不同于以往生态护坡方式的以土为主、添加其他各种材料的混合基材,其有机质含量较多、肥力水平较高、土壤微生物含量丰富、各类型孔隙比例恰当、土壤结构为团粒结构,这样的基材层不仅可为植被的初期生长提供良好的生植环境,也为植被的后期生长提供足够的养分,而且涵养水分能力非常高。加筋层为加筋网与锚固构件的组合体。加筋其中网具有浅层加固传递荷载、根系盘绕提高强度保护岩体减少侵蚀、力学加固提高复合体抗剪抗拉强度、防止坍塌稳定锚固的作用,是PEB生态护坡方法中不可或缺的部分,其作用效应模型如图1示。图1加筋网的作用效应模型防冲刷层有一定强度,具有防冲刷能力,并且不龟裂,其中还含有混合冷暖季相结合、先锋植物和本地植物相结合、草本植物和藤本灌木植物相结合的植绿种子。防冲刷层本身也为良好的植被生长基材,在初期洒水养护后,混在其中的植绿种子能迅速出芽生长。植物根系的生长又把基材层、加筋层和防冲刷层全面连接在一起,形成了更稳定、更严密的生态护坡系统。根据PEB生态护坡技术所述的各层功能,基材层可用腐殖土,或用一般砂壤土、有机质、复合肥按一定比例拌合的混合物;加筋层可用铁丝网(或土工网)配合钢筋锚钉,或用竹条配合木桩以形成整体性的结构;防冲刷层可采用喷射植被混凝土,或生物膜,或绿化植生带,或用其他粘结材料混合土壤形成的胶结体。总之,符合基材层、加筋层、防冲刷层3层功能要求的材料皆可使用。3工程实例311工程概况河南燕山水库坝址位于沙河主要支流澧河上游的干江河上,叶县境内保安乡原官寨水文站下游约1km处。干江河发源于方城县小史店乡西南山区,坝址以上流域上宽下窄,形状似扇形,四周为山丘区,中间为陵间盆地,总的地形是西南高、东北低。流域平均高程为175m,分水岭最高(五峰山)海拔高程为872m,一般在400~700m之间,惟方城缺口地势较低,仅140m,是南北气团进入南襄盆地的走廊,风多、风大俗称风口。植被护坡工程处于电站输水洞进出口后围及周边开挖边坡,电站周围未开挖山体植被覆盖情况良好。2006年9月10日,现场考察工程情况。边坡开挖时,已根据不同边坡地质情况开挖成坡度为1B1、1B2、1B3的规则边坡,对坡度为1B1的部分边坡已进行2m@2m深层锚固,排除边坡不稳定因素。本着生态护坡工程应该坚持安全性、协调性、便易性和经济性原则,最终确定:坡度1B1及以上边坡选用植被混凝土生态护坡技术;坡度1B1以下边坡选用PEB生态护坡技术。312PEB生态护坡技术施工工艺PEB生态护坡技术实施流程如图2所示。31211基材层铺设(1)清理、平整坡面。清除坡面突出或松散的石块、浮根和杂物,排除落石隐患,尽可能平整坡面。坡面清理应有利于基材混合物和边坡坡面的结合,山体原有的植被不宜破坏。(2)基材层材料制备。基材层材料采用干粉土、有机质、复合肥和保水剂按91B8B015B015(重量比)比例混合而成。基材层混合料制备完成,经充分搅拌后,方可进行基材覆盖坡面工作。(3)覆盖。基材覆盖坡面前,应保持坡面湿润;覆盖厚度大约为9cm的基材层材料,再用木辊轻轧一遍,使基材层有一定的密实度;覆盖完成后在基材层表面进行洒水润湿,洒水必须均匀,以基材层含水基本饱和为准,切忌水成股下流。31212铺设固定加筋网和锚钉锚固加筋网采用14#铁丝网,网格间距5cm@5cm。网面铺设要张拉紧,网间用铁丝绑扎牢固,其搭接宽度不应小于5cm,避免松脱。锚钉采用18螺纹钢筋(L=40cm);同时,在坡面上按1m@1m间距设置锚钉施打点,并用红油漆进行明显标示。锚钉的施打应上倾10b~15b,以保证挂网的稳定。最后用铁丝将网与锚钉绑扎牢固。31213防冲刷层喷护施工[4~6](1)搅拌植被混凝土混合物。按设计配比对砂壤土、水泥、添加剂、有机质及混合植绿物种进行计量,在搅拌机内拌和,单次拌和时间不应小于3min,见表1。(2)喷射植被混凝土。喷射采用混凝土喷射机进行,喷播之前在坡面上喷一次透水,以保证草坪能正常生长;喷播采用自上而下的方式进行,单块宽度按4~6m进行控制。喷播应正面进行,不应仰喷,凹凸部及死角要充分注意,禁止漏喷。在喷射过程中,应注意坡面找平。整个喷播过程中应严格控制水量,使喷射植被混凝土在坡面不流不散。防冲刷层施工一般应控制在3~4h以内,喷护厚度为1~2cm。31214铺设覆盖物喷射完工后,覆盖无纺布或草垫等,营造种子快速发芽的环境。覆盖物应同坡面接触紧密,防止风吹。覆盖目的如下:(1)减少边坡表面水分蒸发,给种子发芽和生长提供一个较湿润的小生态环境;(2)缓冲坡面温度,减少边坡表面温度波动,保护幼苗免遭温度变化过大而受到伤害;(3)减缓浇灌水滴的冲击能量,防止防冲刷层淋湿。31215养护养护以喷灌为主,施工期养护用PPR管组成喷灌系统,安装摇臂喷头喷灌,以保证幼苗所需的水分和养份,完工后继续养护2个月。养护系统的布置及喷头的数量根据目的边坡附近的水源情况和坡面植被生长需水量确定。植物生长过程中,需进行必要的病虫害防治。4工程实施效果411植被生长效果开挖坡体周围山体植被覆盖良好,主要为禾本科草本植物和矮生灌木。根据植被护坡工程的协调性原则,PEB生态护坡技术的应用同样采取此两类物种[7]。优选狐茅属的根茎羊茅、禾本科狗牙根属的百慕大品种、苜蓿属的紫花苜蓿等混合草种作为先锋物种植入,同时植入多花木兰种子。PEB生态护坡技术应用1年后,植被生长情况良好。经在1B1边坡随机抽取1块面积25m2的样地调查,共有植物14种,其中多年生草本8种,一年生草本1种,灌木3种,乔木1种,藤本植物1种。植被覆盖度超过99%,物种丰富度按Gleason指数计算为4135,草本层的多样性指数按Shannon-Wiener指数计算为1127。可以预见,随着应用年限的增长,本地植物的组建进入和先锋物种的退化,边坡植被的物种结构、物种多样性将逐步增强,岩石边坡的生态功能将逐步达到与周围自然环境一致。坡面植被能在1年内达到此种效果,与PEB生态护坡技术使用的基材性能不可分割:(1)良好的保水特性,基材能够吸附空气中水分,干旱时释放水分,保证植物生长需要;(2)肥料长效,基材中肥力缓慢释放,持续供给,保证植物长期生长需要;(3)基材结构合理,其结构呈团粒状,空隙率恰当,保证植物根系生长需要;(4)能够保证植被、基材、基材中微生物及坡体中的物质、能量循环。412浅层防护和水土保持作用[8,9]PEB生态护坡技术应用到发文为止,未发生坡面坍塌、基材与坡体剥离等现象,同时通过坡体基材侵蚀模数监测试验,在80mm/h的降雨条件下,植被未覆盖时基材侵蚀模数小于10g/(m2#h);植被覆盖率达到90%后,侵蚀模数接近为0。防冲刷基材生态护坡技术的浅层防护和水土保持作用通过构筑的防冲刷基材和生长其上的植被共同实现。(1)防冲刷层的强度保证基材能够长久附着于坡面。通过大量现场取样试验,防冲刷层中植被混凝土材料2d强度为0145MPa左右、28d强度达到0186MPa左右,植被生长条件下1年后(2~5年)综合强度为0139MPa左右。此强度保证基材能够抵抗诸多自然灾害,长久附着于坡面,保证植被的生长,同时避免原坡体表面的进一步风化。(2)植被根系的力学作用。对于输水洞中风化粉砂岩边坡,植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层,锚固到深处较稳定的岩土层上,起到预应力锚杆的作用。在植被覆盖的边坡上,植物相互缠绕的侧向根系形成具有一定抗张强度的根网,将根际土壤固结为一个整体;同时垂直根系将坡体浅层部分(包括基材)锚固到深处较稳定的土层上,更增加了坡体的稳定性。(3)基材良好的渗透作用可以减小渗水对坡体的不利影响。坡体的集中渗水可能导致坡体渗水部位的破坏,对于实施了生态防护技术的坡体,由于基材本身孔隙率恰当、结构合理,渗水可通过植被根系通道排出坡面,可有效减小渗水对坡体的不利影响。同时渗水有利于坡体植被水分和营养的补充,通常情况下,渗水处植被生长更加茂盛,植被根系更发达。(4)植被生长减少降雨对坡面的溅蚀和汇水对坡面的冲蚀。植被通过截留作用降低了到达地面的降雨强度和有效雨量,对控制侵蚀和保护坡面有重要意义。植物根系生长过程中在土中挤出通道,根衰老或死亡后枯萎而留出孔隙,使地表径流能顺着枯萎的根系通道、根土接触面及孔隙渗入土壤,有利于水流的分散和入渗,从而减小坡面径流量。5结语PEB生态护坡技术与植被混凝土生态护坡技术相比具有价格优势。通过在河南燕山水库岩石边坡上的实践,与使用的其他技术相比,其在植被生长适应性、抗冲刷性方面表现出难以比拟的效果和优势,能够使生态受损的岩石边坡较快地恢复其原有生态效果,在类似边坡的处理上,可以广泛应用。