彭 沖，葉宇軒，王茜徵，張一凡，梁令帥，江亞雄，王 麗

（深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040）

邊坡生態(tài)修復(fù)也可稱之為生態(tài)護坡，它是用活的植物或植物與非生命材料相結(jié)合的方式，代替純工程防護方式，通過種植植物，靠植物的根莖與土壤間的附著力及根莖相互的纏繞達到加固邊坡的效果。生態(tài)護坡技術(shù)可根據(jù)邊坡的類型、坡度和坡面特征等選用不同的技術(shù)。邊坡工程上常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有：掛三維網(wǎng)客土噴播、掛鐵絲網(wǎng)客土噴播、土工格室綠化、植生袋等。以上常見的生態(tài)護坡技術(shù)特征詳見表1。

表1 常見生態(tài)護坡技術(shù)特征表[1]

由表1可以看出，常見的這4種生態(tài)護坡技術(shù)都具有一定的護坡能力，且各具優(yōu)點，然而同時也存在適用范圍窄、與坡面結(jié)合不緊密、工藝復(fù)雜、易出現(xiàn)“斑禿”和成本高的問題。因此，尋求一種成本低廉、操作簡便、應(yīng)用范圍廣、景觀性好且與坡面緊密結(jié)合的生態(tài)護坡技術(shù)具有一定的市場前景。

1987年6 月，日本引進了法國的Texsol邊坡修復(fù)技術(shù)，隨后把它與已有的護坡工法結(jié)合在一起，開發(fā)出連續(xù)纖維絲補強土（GEOFIBER）工法[2]，工法的基本特征為：①能適應(yīng)坡體的微小地形，由于沙粒和連續(xù)纖維相互混合，基材的抗剪、抗侵蝕更強。②易于引進植物，由于確保了大根系的伸展空間，可引進木本類植物，用于坡面的樹林化。③施工體系由綠化基材供給系統(tǒng)、團粒劑供給系統(tǒng)和連續(xù)纖維供給系統(tǒng)組成。由于受限于大型設(shè)備的制約和工法操作的復(fù)雜性，制約了其在國內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，本研究將對該工法噴絲設(shè)備的構(gòu)造、抗剪效應(yīng)等加以研究，以期降低設(shè)備成本，簡化應(yīng)用過程的復(fù)雜度。

2 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)

本研究的射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)基于射流原理（文丘里射流器）：具有一定壓力的工作流體經(jīng)過噴嘴變徑后，速度急劇增大，從噴嘴高速噴出，使壓力能轉(zhuǎn)化為動能，噴嘴周圍氣室形成負壓把大量空氣從吸入口抽入，2股流體在喉管中混合并進行動量交換，后經(jīng)過擴壓段使速度能還原為壓力能，從噴射口射出。

射流器集吸入與混合功能于一體，負壓形成后將空氣介質(zhì)吸入的同時，剛好可以將輕質(zhì)的連續(xù)纖維絲吸入射流器內(nèi)，與進氣口的空氣進行動能交換后從噴射口射出，完成整個噴絲過程，如圖1所示。

圖1 三聯(lián)式射流噴絲植生器結(jié)構(gòu)示意圖

射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)包括噴絲系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和濕噴機3大部分，其中噴絲系統(tǒng)包括射流器、支架、移動平臺、纖維絲保護罩、連接軟管、噴射軟管,動力系統(tǒng)為空氣壓縮機,本研究選取的纖維絲為滌綸彈絲。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

進行纖維絲補強土作業(yè)時，纖維絲噴射與客土噴混同步進行，纖維絲嵌入土壤中作為加筋材料，借助纖維絲與土壤的摩擦互制行為發(fā)揮纖維拉力抗阻，約束土壤的變形，以提高土壤的抗剪強度，其力學(xué)機制類似于植物根系的加筋行為。這樣形成的連續(xù)纖維絲補強土具有抗剪強度大、抗侵蝕能力強、適用地形廣、景觀效果好等優(yōu)點。噴絲植生系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

圖3 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)工作流程圖

3 纖維絲在土壤中的剪力數(shù)學(xué)模型

Waldron（1977）[3]以取纖維自由體段進行受力平衡分析后，分別推導(dǎo)出纖維滑動、拉長及斷裂3種模式的剪位移與纖維絲拉應(yīng)力關(guān)系，并作出以下假設(shè)：a.纖維絲穿透剪力區(qū)，剪力區(qū)厚度Z不隨剪切改變；b.纖維絲為柔性材料，且維持彈性不變，受拉時斷面積改變忽略不計；c.纖維絲受拉應(yīng)力變極小，受拉前后長度相近；d.纖維絲拉應(yīng)力為線性分布，且在剪切面位置的拉應(yīng)力最大，纖維絲兩端點拉應(yīng)力為零；e.纖維絲與土壤之間的摩擦力，保持最大摩擦力；f.土壤摩擦角不受纖維絲影響，遵循Mohr-Coulomb破壞規(guī)則。受力分析平衡示意圖如圖4所示。

圖4 纖維絲自由體段受力平衡

水平向應(yīng)力可直接視為土壤的剪力抗阻，垂直向應(yīng)力則可視為額外的正向力，結(jié)合Mohr-Coulomb破壞規(guī)則可得下式，可用來預(yù)測連續(xù)和離散纖維的加筋土壤剪力強度。

式中，A：剪切面積（mm2）；Aft：通過剪切面纖維絲總面積（mm2）；τf：剪力強度（kPa）；c：土壤凝聚力（kPa）；σn：正向應(yīng)力（kPa）；φ ：土壤摩擦角（°）；θ：纖維絲變形角度（°）；Tf：纖維絲拉應(yīng)力（kPa）。

土體抗剪強度是一個反映土體抗崩塌、抗滑坡的重要指標，一般通過剪切試驗進行測定，根據(jù)直剪試驗原理，連續(xù)纖維補強體則由庫侖定律直接測定結(jié)果并繪制抗剪強度曲線。

4 射流式連續(xù)噴絲植生工藝

射流式連續(xù)噴絲植生工藝在施工時需拌合砂、纖維、添加劑與水，構(gòu)成一層厚度為10～30cm的連續(xù)纖維絲補強土坡面，坡面內(nèi)置排水帶，其施工坡面的坡度可達45°以上。其技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 射流式噴絲植生工藝流程圖

4.1 坡面整理

理順坡面截排水系統(tǒng)，清除坡面浮石、浮土、危石、泥塊等易發(fā)生滑動的部分。對凹凸部分無需進行刻意修整。較為光滑的邊坡應(yīng)在坡面上打好橫向開槽。

4.2 錨桿錨固

坡度＜45°時，不采用錨桿錨固，可直接進行連續(xù)纖維絲和植生基質(zhì)的同步噴射。坡度＞45°時，采用錨桿錨固，將錨桿呈“品”字形打入邊坡，鉆孔方向與坡面呈直角，作業(yè)完成后將風(fēng)管孔吹洗干凈，將錨桿插入孔中并用水泥砂漿灌注，錨桿伸出坡面部分約20cm。

4.3 基材配置

噴射基材主要包括土壤、有機質(zhì)、肥料、保水劑。土壤可因地選材，就近選擇粘土、黃土、沙土，以沙壤土為宜，選好后過40目篩待用；有機質(zhì)可以增加土壤肥力，保證土壤的透氣性，常用的有機質(zhì)有堆肥、泥炭土、經(jīng)充分發(fā)酵的家畜肥料等；除了有機質(zhì)外要加入緩釋復(fù)合肥來促進植物生長；保水劑是一種無毒無害的高分子材料，可以吸收大量水分，這些水分不宜被一般物理方法排出，但植物根系卻可以吸收利用；特殊情況下可以加入粘結(jié)劑。將上述各組分加水充分混勻。在第2次噴播時，噴射基材除了以上材料外，還要加入預(yù)先配比并催芽的植物種子。

4.4 同步噴射

整體噴射厚度保持在12cm左右，共分2次噴射，纖維絲總用量為300g/m2。噴播時盡可能從正面進行，對死角和凹凸部分充分噴射。第1次噴射厚度為8cm，連續(xù)纖維絲和基材保持同步噴射，均勻混合，纖維絲用量為200g/m2待穩(wěn)定后再進行第2次噴射。第2次噴射的基材除原始配方外，還要加入配比并催芽的植物種子，基材與纖維絲共同噴射，第2層厚度為4cm，纖維絲用量為100g/m2。

4.5 覆蓋無紡布

在同步噴射結(jié)束后，及時覆蓋無紡布。隨后根據(jù)天氣情況進行霧狀灑水養(yǎng)護，周期為1個月，30～45d后待植物長到一定高度時揭布，后期根據(jù)具體情況采取澆水、追肥、除蟲等養(yǎng)護措施。

4.6 景觀影響度評價

生態(tài)修復(fù)后的景觀影響評價常用的方法有評分法和比較判別法。比較判別法專業(yè)性要求較高，主觀性強；評分法操作簡單，精度較高。景觀影響評價的指標很多，考慮到評價過程的可操作性和評價結(jié)果的實用性，選擇“景觀影響度（landscape effect degree，LED）”作為一個綜合指標來反映生態(tài)修復(fù)后的評價指標及影響程度[4]。修復(fù)后效果如圖6所示。

圖6 射流式噴絲植生工藝護坡效果圖

5 結(jié)語

近年來，盡管在高陡邊坡生態(tài)治理方面的技術(shù)研究及應(yīng)用取得了一些進展，如噴混植生技術(shù)、有機基材噴植、植被混凝土護坡綠化技術(shù)等，其技術(shù)原理和方法基本相近，但并不能完全解決高陡邊坡及石質(zhì)邊坡治理中所遇到的所有問題。特別是針對高陡邊坡復(fù)雜條件下的“低環(huán)境影響沖擊”、“低資源消耗”、“延長生命周期”、“資源循環(huán)利用”等理念的邊坡修復(fù)技術(shù)尚缺乏系統(tǒng)探究，而本文研究的射流式噴絲植生工藝則通過利用射流技術(shù)原理，并結(jié)合生物穩(wěn)定技術(shù)、土壤生物工程技術(shù)達到邊坡修復(fù)力學(xué)與美學(xué)的有機結(jié)合，以實現(xiàn)低成本、低資源消耗、長生命周期、資源循環(huán)利用的生態(tài)修復(fù)目標，有望實現(xiàn)高度邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的新突破。

[1]史文飛,彭沖,等.裸露山體缺口生態(tài)修復(fù)新技術(shù)及景觀影響度評價[J].亞熱帶水土保持，2012，24（2）：34-37

[2]GB/T 50123-1999，土工試驗方法標準[S].

[3]Waldron,L J.Shear Resistance of Root-Permeated Homogeneous and Stratified Soil[J].Soil Science Society of America Journal,1977,41：843-849.

[4]吳長文,章夢濤,等.裸露山體缺口生態(tài)治理[M].北京：科學(xué)出版社,2007：12-21