劉黎明,申 劍,周明濤,宋巖松,許文年,許立科
(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實驗室,三峽大學(xué),湖北 宜昌 443002;2.湖北潤智生態(tài)科技有限公司,湖北 宜昌 443002;3.華電西藏能源有限公司,西藏 拉薩 850000)
目前,國內(nèi)用于邊坡生態(tài)恢復(fù)的技術(shù)較多,大致可分為噴混類、加固填土類、槽穴構(gòu)筑類和鋪掛類[1],多數(shù)技術(shù)僅有生態(tài)恢復(fù)功能而邊坡防護(hù)功能不夠強(qiáng),且存在可持續(xù)性差、適應(yīng)性弱等缺陷[2-3]。植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)和植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)有機(jī)結(jié)合了邊坡防護(hù)和生態(tài)修復(fù)雙重功能,可產(chǎn)生優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,已得到了較為廣泛的應(yīng)用[4-5]。本文總結(jié)了植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)在設(shè)計、施工中所應(yīng)執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)也被稱為植被護(hù)坡技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)、坡面生態(tài)修復(fù)工程,指利用活體植物材料與非生命植物材料及土木工程技術(shù)相結(jié)合,從而減輕受損邊坡不穩(wěn)定性的技術(shù)[6]。歐美國家對于邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的歷史起源較早,最早在20世紀(jì)30年代就首先推創(chuàng)引進(jìn)這種生物護(hù)坡方法,同時期美國也借鑒歐洲的經(jīng)驗對植被護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行了研究[7]。20世紀(jì)50年代美國Finn公司率先開發(fā)出草種噴播機(jī),體現(xiàn)了草種噴播技術(shù)在邊坡防護(hù)領(lǐng)域的優(yōu)勢,隨后英國發(fā)明了利用乳化瀝青作為粘結(jié)劑的液壓噴播技術(shù),至此邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)飛速發(fā)展[8]。
邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的大規(guī)模技術(shù)應(yīng)用體現(xiàn)在日本。1958本京都大學(xué)農(nóng)學(xué)部在瀝青乳化技術(shù)的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了噴射綠化技術(shù)(瀝青乳劑覆蓋膜養(yǎng)生綠化技術(shù)),該技術(shù)在名古屋至神戶高速段路塹邊坡得以應(yīng)用并取得了良好的成效。1973年日本研發(fā)出了能應(yīng)用于巖石邊坡的纖維土綠化方法,成為日后厚層基材技術(shù)的雛形[9]。隨著時間的發(fā)展,日本對噴射技術(shù)不斷改進(jìn)與創(chuàng)新,開發(fā)出了諸如高次團(tuán)粒綠化技術(shù)[10]、連續(xù)纖維綠化技術(shù)[11]、土壤菌永久綠化法[12]等,形成了一套成熟的邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)系統(tǒng),為日本如今對構(gòu)建穩(wěn)定邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系奠定了良好基礎(chǔ)。
我國邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)的雛形初見于17世紀(jì)利用植物栽培穩(wěn)固黃河河岸的工程,最初邊坡修復(fù)多用播撒草種、鋪草皮等簡易方法。1989年國內(nèi)首次從香港引進(jìn)噴播機(jī)用于華南地區(qū)液壓噴播試驗,開始了機(jī)械化的以植草為新型技術(shù)的坡面植被重建手段[13]。1996年國內(nèi)首次通過客土噴播的方式對高速公路進(jìn)行邊坡生態(tài)修復(fù),之后幾年國內(nèi)開發(fā)出了各種的土工材料產(chǎn)品,如土工格柵、三維網(wǎng)格、蜂巢格網(wǎng)等,與噴播技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于鐵路、公路、水利等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代末期國內(nèi)針對巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)開始進(jìn)行較為廣泛的研究與應(yīng)用,并逐漸形成了多樣化體系,諸如客土噴播技術(shù)[14]、混噴植生技術(shù)[15]、厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)[16]、植生基材噴射技術(shù)[17]、植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)[18]等。其中植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)和其衍生技術(shù)——植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)的研發(fā)有效解決了高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)修復(fù)問題,并成功應(yīng)用[7],實現(xiàn)以在修復(fù)受損創(chuàng)面自然生態(tài)環(huán)境的同時具備顯著的淺層防護(hù)作用,具有良好的工程、生態(tài)和景觀效應(yīng)。
植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)是指根據(jù)邊坡立體條件,在坡面預(yù)處理后,采用專用噴播設(shè)備將植生水泥土基材噴附于坡面,以實現(xiàn)坡面防護(hù)和生態(tài)恢復(fù)雙重功效的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。其中,植生水泥土基材由土壤、水泥、潤智生態(tài)改良劑、有機(jī)肥、生境基材有機(jī)料、纖維等固相材料與水按比例均質(zhì)混合而成,具備抗沖刷性強(qiáng)、保水性佳、肥力持續(xù)耐久,且適宜植物生長繁育等優(yōu)良特點(diǎn)。
與植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相同的是由于基材中水泥組分的添加,植生水泥土具有一定的強(qiáng)度,強(qiáng)度可達(dá)0.3 MPa左右,具有很好的淺層護(hù)坡功效。不同點(diǎn)在于:①適應(yīng)范圍不同,植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)主要應(yīng)用于緩坡(坡率≤1∶1)和陡坡(1∶1<坡率≤1∶0.5),而植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要應(yīng)用于極陡坡(1∶0.5<坡率≤1∶0.3)和特陡坡(坡率>1∶0.3);②生境基材配方不同,相對植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù),植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)基材中增施了潤智生態(tài)改良劑和纖維,從而具有改善生境基材理化性質(zhì)、增強(qiáng)生境基材生物特性、豐富生境基材微生物量、活化生境基材土壤、固持生境基材養(yǎng)分、調(diào)整生境基材結(jié)構(gòu)以及增強(qiáng)生境基材凍融特性等功能;③基材加筋模式不同,植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)使用植生棒、植生穴、植生孔并聯(lián)合掛網(wǎng)加筋基材,而植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)一般僅采用掛網(wǎng)加筋基材;④噴播工藝不同,植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)采用濕噴工藝,而植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)采用的是干噴工藝[19]。
與植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相比,植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)的基材團(tuán)粒結(jié)構(gòu)更適合植物生長繁育,養(yǎng)分可持續(xù)性更強(qiáng),其施工效率可提高3倍以上。對于坡率不大于1∶0.5的邊坡防護(hù)與生態(tài)恢復(fù),其優(yōu)勢突出。
植生水泥土生境構(gòu)筑邊坡應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定分析,不穩(wěn)定邊坡應(yīng)結(jié)合生境構(gòu)筑進(jìn)行邊坡加固設(shè)計,本文設(shè)計要點(diǎn)主要討論沒有深層穩(wěn)定問題的邊坡,這類邊坡坡面設(shè)計主要包括坡面預(yù)處理和截排水系統(tǒng)設(shè)計。
1)坡面預(yù)處理。根據(jù)地表出露物質(zhì)(土壤基質(zhì)、巖石基質(zhì)、混凝土或漿砌塊料基質(zhì))的不同將邊坡分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡、硬化邊坡和土石混合邊坡。清理坡面開口線以上原始邊坡的接觸面,寬度為1.5 m左右;清除坡面松石、浮土、浮根等松散物,確保邊坡無下墜落物的安全隱患;如有倒坡尚需進(jìn)行適當(dāng)修整,對坡面溝壑部位進(jìn)行填平。土石混合邊坡應(yīng)采用土壤充填、灑水沉降等方式消除松散塊料間空隙,并確保坡體穩(wěn)定。坡率大于1∶1、平整光滑或節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖質(zhì)邊坡,應(yīng)在坡面設(shè)置植生穴,植生穴間距宜100 cm×100 cm、深度宜20~30 cm、穴口面積宜不小于400 cm2。硬化邊坡應(yīng)在坡面預(yù)留植生孔,植生孔深度應(yīng)貫穿混凝土層,間距宜100 cm×100 cm,孔口面積宜不小于300 cm2,植生孔應(yīng)預(yù)留在混凝土層內(nèi)的鋼筋網(wǎng)間,其開口與上坡面的夾角應(yīng)為銳角。
2)截排水。應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件,在坡面、坡周因地制宜地設(shè)置包括坡頂截水溝、馬道排水溝、坡腳排水溝、坡面滲水管等結(jié)構(gòu)的截排水系統(tǒng)。對于坡率大于1∶1的邊坡,應(yīng)增設(shè)坡頂生態(tài)集水區(qū),用于補(bǔ)充坡面植被生態(tài)用水需求。坡頂生態(tài)集水區(qū)的設(shè)置應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》NB/T 35082的有關(guān)規(guī)定。
坡率1∶1.25~1∶0.5的坡面應(yīng)設(shè)置加筋系統(tǒng),其由植生棒、錨固件與掛網(wǎng)組成。
3.2.1 植生棒
植生水泥土生境構(gòu)筑技術(shù)中植生棒的使用能夠達(dá)到以下效果:①阻滑增強(qiáng)基材的穩(wěn)定性,②支撐掛網(wǎng)提高加筋的效果,③防止基材飛濺損失,④構(gòu)造景觀造型,⑤儲釋水分養(yǎng)分,⑥定植灌木,⑦連接各植生穴(孔)增強(qiáng)基材與坡體水汽連通效果。
植生棒直徑應(yīng)為60~80 mm,且拉伸力不應(yīng)小于15.0 kN/m、抗老化性不應(yīng)小于3 a。植生棒內(nèi)植生水泥土充填飽滿度不應(yīng)低于95%,沿坡面橫向布設(shè),間距宜為1.0~1.5 m。植生棒與錨固件和掛網(wǎng)固定穩(wěn)妥。
3.2.2 錨固件
土質(zhì)邊坡錨固件可用木質(zhì)錨樁,其直徑5~6 cm,其他坡面錨固件應(yīng)選用熱軋帶肋鋼筋,坡率1∶0.75~1∶0.5的邊坡其直徑不應(yīng)小于16 mm,坡率1∶1.25~1∶0.75的邊坡其直徑不應(yīng)小于14 mm,且應(yīng)進(jìn)行除銹、防腐處理。
錨固件間距:坡周不應(yīng)大于0.5 m,坡率1∶0.75~1∶0.5的邊坡坡內(nèi)不應(yīng)大于1.0 m,坡率1∶1.25~1∶0.75的邊坡坡內(nèi)不應(yīng)大于1.5 m。為防止噴播過程中“飛網(wǎng)”,錨固件中間宜采用U型釘固網(wǎng)。
錨固件長度:巖質(zhì)邊坡、硬化邊坡不應(yīng)小于0.4 m;土質(zhì)邊坡、土石混合邊坡應(yīng)確保掛網(wǎng)與植生水泥土的穩(wěn)固。錨固件應(yīng)安裝穩(wěn)固,呈“梅花”形布置,出露坡面長度應(yīng)同基層噴植厚度一致,且與上坡面的夾角應(yīng)小于90°。
3.2.3 掛網(wǎng)
掛網(wǎng)可選用活絡(luò)金屬網(wǎng)、柔性塑料網(wǎng)或植物化學(xué)纖維網(wǎng),巖質(zhì)邊坡、硬化邊坡應(yīng)避免使用植物化學(xué)纖維網(wǎng)。坡率1∶0.75~1∶0.5的坡面掛網(wǎng)網(wǎng)目不宜大于5.0 cm×5.0 cm,坡率1∶1.25~1∶0.75的坡面掛網(wǎng)網(wǎng)目不宜大于7.0 cm×7.0 cm?;罱j(luò)金屬網(wǎng)料絲直徑應(yīng)不小于2.0 mm;柔性塑料網(wǎng)最大拉伸力不應(yīng)小于6.0 kN/m,且抗老化性不應(yīng)低于10 a。掛網(wǎng)與坡面間的距離宜為植生水泥土設(shè)計厚度的2/3。掛網(wǎng)與錨固件、掛網(wǎng)與植生棒、掛網(wǎng)與掛網(wǎng)之間均應(yīng)綁扎牢固。
植生水泥土由土壤、水泥、潤智生態(tài)改良劑、有機(jī)肥、生境基材有機(jī)料、纖維等和水按需配制而成。
3.3.1 材料要求
1)土壤。土壤是植物生長的基礎(chǔ)材料,為使坡體植物能健康持續(xù)生長提供養(yǎng)分和儲存養(yǎng)分[20]。一般選擇工程所在地附近原有地表(地表下1 m內(nèi))砂壤土(采用養(yǎng)分水平高的“熟土”,非坎頂營養(yǎng)水平低的“生土”,若是“生土”,則需“熟化”處理)經(jīng)粉碎過篩,要求土壤中砂粒質(zhì)量含量不超過15%,最大粒徑應(yīng)小于8 mm。
2)水泥。水泥宜選用普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級宜采用42.5級。
3)潤智生態(tài)改良劑。專利產(chǎn)品,其主要性能指標(biāo)及要求應(yīng)符合表1的規(guī)定。
表1 潤智生態(tài)改良劑主要性能指標(biāo)及要求
4)有機(jī)肥。宜采用成品粉末有機(jī)肥,其主要性能指標(biāo)及要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)肥料》NY 525的有關(guān)規(guī)定。
5)生境基材有機(jī)料。取用天然有機(jī)料(如秸稈、稻殼、鋸末等)經(jīng)粉碎、過篩等工序處理后,主要性能指標(biāo)及要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。
表2 生境基材有機(jī)料主要性能指標(biāo)及要求
6)纖維。優(yōu)先選用植物纖維(如稻草纖維、棕麻纖維等),也可采用化學(xué)纖維,纖維長度2~3 cm。
7)水。工地就近選用河湖水、自來水等,其水質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 5084的有關(guān)規(guī)定。
3.3.2 基材配比
植生水泥土分為基層和面層,兩者應(yīng)分別配制。基層配制時,固相拌合料由土壤、水泥、潤智生態(tài)改良劑、有機(jī)肥、生境基材有機(jī)料、纖維組成;面層配制時,增加適量植物種子。
以土壤用量為基準(zhǔn),水泥、潤智生態(tài)改良劑、有機(jī)肥、生境基材有機(jī)料、纖維的用量根據(jù)試驗研究結(jié)果與工程應(yīng)用情況,得出配比公式如下:
1)水泥用量宜按式(1)計算:
Mc=0.035KsKrVpsρps
(1)
式中:Mc為水泥質(zhì)量,kg;Ks為邊坡坡度調(diào)整系數(shù),邊坡坡率1∶1~1∶0.5取1.3,邊坡坡率1∶1.75~1∶1取1.0,邊坡坡率小于1∶1.75取0.8;Kr為年均雨量調(diào)整系數(shù),年均雨量≥1 200 mm取1.1,年均雨量900~1 200 mm取1.0,年均雨量600~900 mm取0.9,年均雨量小于600 mm取0.8;Vps為土壤體積,m3;ρps為土壤干密度,kg/m3。
2)潤智生態(tài)改良劑用量宜按式(2)計算:
Mα=0.7Mc
(2)
式中,Mα為潤智生態(tài)改良劑質(zhì)量,kg。
3)有機(jī)肥用量宜按式(3)計算:
Mof=0.015KiVpsρps
(3)
式中:Mof為有機(jī)肥質(zhì)量,kg;Ki為土壤砂粒含量調(diào)整系數(shù),砂粒含量40%~55%取1.3,砂粒含量30%~40%取1.0,砂粒含量小于30%取0.7。
4)生境基材有機(jī)料用量宜按式(4)計算:
Mom=0.5Mof+0.75Mc
(4)
式中,Mom為生境基材有機(jī)料質(zhì)量,kg。
5)纖維用量宜按式(5)計算:
Mv=0.001 5(Kd+Kr)Vpsρps
(5)
式中:Mv為纖維質(zhì)量,kg;Kd為年均無霜期調(diào)整系數(shù),年均無霜期大于360 d取0.25,年均無霜期300~360 d取0.5,年均無霜期240~300 d取0.75,年均無霜期小于240 d取1.0。
3.3.3 噴植厚度
植生水泥土基層和面層分開噴植,綜合考慮邊坡類型、坡率、工程所在地年均雨量等因素,基層噴植厚度見表3,面層噴植厚度應(yīng)控制在15~20 mm。
表3 基層噴植厚度
植生水泥土生境構(gòu)筑施工工藝流程如圖1。
圖1 工藝流程圖
1)施工準(zhǔn)備。施工前應(yīng)組織設(shè)計技術(shù)交底,熟悉設(shè)計文件,理解關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn),根據(jù)設(shè)計文件并結(jié)合現(xiàn)場情況編制施工組織設(shè)計。
2)坡面預(yù)處理。按設(shè)計要求對坡面進(jìn)行預(yù)處理,特別是倒坡(負(fù)坡)和溝壑部位要進(jìn)行修整和填平,保證坡面平順,利于掛網(wǎng)。
3)截排水系統(tǒng)施工。坡面有明顯滲水部位要做好坡面泄水孔,保證坡體排水順暢。根據(jù)設(shè)計要求并結(jié)合現(xiàn)場情況,預(yù)留坡頂生態(tài)集水區(qū),開挖修筑坡頂截水溝。馬道及坡腳排水溝應(yīng)結(jié)合種植槽修筑。
4)加筋系統(tǒng)設(shè)置。根據(jù)設(shè)計文件要求設(shè)置加筋系統(tǒng),有景觀設(shè)計的還需結(jié)合景觀設(shè)計進(jìn)行布局。加筋系統(tǒng)施工時,應(yīng)先安裝錨固件與植生棒,再鋪設(shè)掛網(wǎng)。①測量放樣。根據(jù)錨固件和植生棒的間距以及噴植厚度做好測量放樣。放樣應(yīng)標(biāo)出錨固件和植生棒的位置,噴植厚度標(biāo)尺刻度線。②錨固件安裝。在錨固件放樣定位點(diǎn)鉆孔(設(shè)計可以直接打入錨固件的無須鉆孔),然后打入錨固件,松散坡體需在鉆孔中灌漿,保證錨固件的穩(wěn)固。③植生棒制作安裝。植生棒填充料應(yīng)振搗密實再綁扎封口。在放樣位置橫向安放并與錨固件綁扎固定。植生棒端部不在錨固件位置的待掛網(wǎng)安放后應(yīng)與掛網(wǎng)綁扎固定。④掛網(wǎng)。錨固件和植生棒安裝結(jié)束后即可掛網(wǎng)。為方便施工,掛網(wǎng)宜自上而下鋪放,上部上翻至坡頂線以上不小于50 cm,網(wǎng)網(wǎng)搭接不小于10 cm并用鐵絲綁扎,同時掛網(wǎng)應(yīng)與錨固件綁扎牢固。掛網(wǎng)與坡面間的距離應(yīng)滿足設(shè)計要求,不滿足要求的須加設(shè)墊塊。
5)灌溉系統(tǒng)布設(shè)。宜采用固定式噴灌或滴灌的形式,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,若不能采用固定式噴灌或滴灌,也可采取灑水車養(yǎng)護(hù)等其他方式,但必須保證噴灑覆蓋率≥95%,且霧化度適中。
6)植生水泥土拌制。根據(jù)設(shè)計配比,先在攪拌罐里投放適量水,再投放水泥攪拌形成水泥漿,然后投入土壤、有機(jī)肥、生境基材有機(jī)料、纖維、潤智生態(tài)改良劑,邊投放邊攪拌,并根據(jù)需求補(bǔ)加水,用水量應(yīng)保證植生水泥土噴植在坡面不散落不流淌。全部材料投放完畢,應(yīng)繼續(xù)拌制10~15 min。拌制面層植生水泥土還應(yīng)投放植物種子。
7)植物物種選配。根據(jù)設(shè)計配置要求準(zhǔn)備植物種子,每次采購的種子在使用前應(yīng)做發(fā)芽率試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整種子用量。根據(jù)植物種子的特性,在拌制施工前宜進(jìn)行浸泡等預(yù)處理。
8)植生水泥土噴植。植生水泥土噴植應(yīng)采用專用噴播設(shè)備,先噴植基層,再噴植面層。噴植前應(yīng)先灑水浸潤坡體不小于48 h,自然風(fēng)干無明顯水珠時,再實施植生水泥土噴植。噴植基層后,面層噴植時基層應(yīng)保持濕潤。植生水泥土拌制完畢應(yīng)在6 h內(nèi)噴植。噴植應(yīng)均勻,重點(diǎn)關(guān)注坡面的凹凸及死角部位,防止漏噴。風(fēng)速大于10.8 m/s或自然降雨時不宜噴植施工。
9)覆蓋。面層噴植結(jié)束后應(yīng)立即覆蓋14 g/m2的無紡布或260 g/m2的草簾,營造混合植綠物種快速發(fā)芽的環(huán)境。無紡布或草簾應(yīng)同坡面接觸緊密,并采用一次性筷子或木棍固定,防止風(fēng)吹。
10)養(yǎng)護(hù)管理。養(yǎng)護(hù)管理主要包括灑水、病蟲害防治和局部修復(fù)等措施。整個幼苗生長期不允許出現(xiàn)缺水現(xiàn)象;發(fā)現(xiàn)病蟲害,及時防治防止蔓延;由于施工、養(yǎng)護(hù)等其他原因造成的局部斑禿現(xiàn)象,及時修復(fù)。養(yǎng)護(hù)管理分為苗期養(yǎng)護(hù)與生長期養(yǎng)護(hù)兩個階段。苗期養(yǎng)護(hù)為施工結(jié)束后的第0~60 d,生長期養(yǎng)護(hù)一般為坡面噴射施工結(jié)束后的第61~365 d。
植生水泥土生境構(gòu)筑有效地替代了部分圬工防護(hù),實現(xiàn)了邊坡防護(hù)與生態(tài)修復(fù)的有機(jī)結(jié)合,已在水電、交通、市政等工程項目中大面積推廣應(yīng)用,取得了很好的效果,相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范國家能源局已正式立項,目前正由三峽大學(xué)潤智生態(tài)科技研究院和湖北潤智生態(tài)科技有限公司組織編制。