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        綠色生態(tài)材料在高邊坡防護中的應用研究

        2018-12-27 06:05:54軍,湯
        城市道橋與防洪 2018年12期
        關鍵詞:生態(tài)

        陳 軍,湯 東

        (中國市政工程西南設計研究總院有限公司,四川 成都 610081)

        0 引言

        在我國逐漸完善交通體系過程中,交通基礎設施尤其是公路、高速公路等建設力度不斷加大。部分公路邊坡極易受到雨水侵蝕,裸露的邊坡極易誘發(fā)眾多環(huán)境問題,不利于公路的使用。加強邊坡防護與綠化,一直是施工建設者的不能忽視的問題。

        關于綠色生態(tài)材料的應用及高邊坡防護工作的研究自21世紀以來一直持續(xù),取得可觀的研究成果。張季如等人[1]以鄂北高速為例,介紹生態(tài)護坡材料在路塹邊坡侵蝕防護中的應用,并有效實現(xiàn)綠化。胡在良[2]為了推廣生態(tài)護坡材料在工程中的應用,設計多組試驗分析研究生態(tài)材料顆粒內(nèi)孔徑分布特點,獲得其性能。倪海滿等人[3]關注綠色混凝土生態(tài)防護技術(shù),對于高邊坡防護進行研究,同時實現(xiàn)低成本高綠化的效果。谷慧敏[4]以滇西二級公路為研究對象,分析邊坡生態(tài)防護機理及特性,結(jié)合滇西文化走廊實際情況,借助邊坡穩(wěn)定性分析軟件鋪設生態(tài)防護膜。羅珂等人[5]對高速公路邊坡防護技術(shù)展開探討,建議要從護坡植物的選擇、邊坡生態(tài)防護技術(shù)原理、分類、應用等4個方面考慮完成邊坡生態(tài)防護工作。李薔、朱瑞賡等人[6,7]重點研究ZZLS綠色生態(tài)材料在施工建筑、停車場建設等方面的應用,為其它土木工程提供參考。

        本文主要利用新型的ZZLS綠色生態(tài)材料完成公路高邊坡的防護與綠化工作。首先全面介紹解析ZZLS綠色生態(tài)材料的性能與結(jié)構(gòu),并基于其噴射機噴射原理計算噴射流擴散時的速率均值、擴散流對坡面的沖擊力等,為工程應用提供理論依據(jù)。最后以江西省某盤山公路的邊坡防護與綠化為例,應用ZZLS綠色生態(tài)材料取得良好效果。

        1 綠色生態(tài)材料介紹

        (1)原材料介紹

        最常見的綠色生態(tài)材料是指ZZLS綠色生態(tài)材料,其具有防腐蝕、高強度的特性,并且可以供草灌植被生長。其構(gòu)成成分多種多樣,其中包括天然無機非金屬礦物質(zhì)、各種營養(yǎng)物質(zhì)、植物纖維、團粒劑、水泥膠結(jié)材料、各類土壤成分等,這些成分均為大自然中自然成分,不含有不利于植物生長的物質(zhì),并有利于植物生存。ZZLS生態(tài)材料試驗需要用到425#常見硅酸鹽水泥、無機非金屬礦物質(zhì)、生活垃圾、沙粒、黏土、自來水等材料。

        (2)微觀探究

        ZZLS的微觀結(jié)構(gòu)很大程度上決定著ZZLS綠色生態(tài)材料植物生長、防腐蝕與強度大小等功能。為了全面了解ZZLS綠色生態(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu),對其做電鏡SEM掃描,獲悉ZZLS綠色生態(tài)材料的特性。

        ZZLS綠色生態(tài)材料與土壤結(jié)構(gòu)類似,均是多孔結(jié)構(gòu),且有很多貫通的微裂縫與非毛管孔隙,同時在顆粒和微團聚體中間存在許多毛管孔隙,具體見圖1。這些結(jié)構(gòu)使得其具有很好的保水性與通氣性能,這些利于材料中的水肥、空氣等均勻分布,促進植物生長。

        圖1 ZZLS綠色生態(tài)材料SEM圖像

        ZZLS綠色生態(tài)材料不僅含顆粒狀堆疊構(gòu)造、膠結(jié)式構(gòu)造,而且具有紊流構(gòu)造特點。其微觀構(gòu)造單位多是片狀顆粒、扁平狀聚集體顆粒單元,這些單元以平行狀態(tài)堆疊,且片狀、扁平狀顆粒呈現(xiàn)定向態(tài)勢,具有明顯的方向性。

        ZZLS綠色生態(tài)材料呈現(xiàn)多層次的強度,其微團聚體的膠結(jié)物質(zhì)含有各種游離氧化物、大量的鈣離子等物質(zhì),這些都有效增強了ZZLS綠色生態(tài)材料的強度與防腐蝕性能。因水泥膠結(jié)而構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的微團聚體具有很好的粘結(jié)力與水穩(wěn)性,因此ZZLS綠色生態(tài)材料不僅可以供植物生長,而且可以有效加固邊坡穩(wěn)定性,防止邊坡侵蝕。

        (3)噴射技術(shù)特點

        混合ZZLS綠色生態(tài)材料、種子、水后,借助射流理論流經(jīng)壓力管道運輸?shù)絿娚錂C處,噴射機將其混合料直接噴射到邊坡上,鋪設成厚度約1cm左右的人造土層,在種子發(fā)芽長大形成植被后,植被根系縱橫,可以有效連接邊坡上的植被、ZZLS綠色生態(tài)材料與邊坡上的土壤等,形成一層很好的保護層。

        ZZLS綠色生態(tài)材料結(jié)構(gòu)與土壤類似,可以實現(xiàn)有效存儲與遷移水肥、空氣、熱量等,為植物生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。

        ZZLS綠色生態(tài)材料不僅可以為植被生存提供良好的環(huán)境,而且具有很好的強度與防腐蝕能力,可以大幅度降低邊坡腐蝕幾率,可以利用該材料鋪設邊坡保護層

        ZZLS綠色生態(tài)材料與水、種子攪拌混合后,直接通過噴射機鋪設到邊坡上,這種方式可以用于無法栽種植物的陡坡地帶,有效提高了邊坡綠化率。

        2 噴射原理

        (1)理論介紹

        ZZLS綠色生態(tài)材料通過活塞強制輸入氣料混合倉,倉內(nèi)的壓縮空氣與其混合后表現(xiàn)為稀薄流狀態(tài),其混合料通過管道到達噴嘴處,因噴嘴內(nèi)設置雙水環(huán),其自來水以水霧狀態(tài)與混合料再次混合并一同以較高的速度運動到邊坡表面。ZZLS綠色生態(tài)材料附著到壓縮空氣上,壓縮空氣在噴嘴處向外噴射,混合料隨之噴射。依照流體動力學的研究,空氣射流的中心速率在起始段內(nèi)恒定,途經(jīng)起始段后進入基本段后呈現(xiàn)衰減規(guī)律。因空氣射流持續(xù)吸引周圍空氣,造成射流斷面持續(xù)增加,射流經(jīng)過一段路程后出現(xiàn)分散現(xiàn)象。具體過程見圖2,設定2θ是射流擴散角。經(jīng)過實驗測量,圓形噴嘴形成的擴散角θ=13°,漸縮形噴嘴形成的擴散角 θ=11°。

        圖2 噴射過程中擴散示意圖

        (2)擴散射流的速度均值V

        在噴射流的基本段內(nèi),設沿x方向的速度值是vx。沿該軸心向外,噴射流速率降低,設沿y方向的速度值是v。在擴散半徑終點y處,速度值降為0。各速度值間關系用式(1)表示:

        在固液氣三態(tài)噴射流中,氣態(tài)噴射流慣性較小,受到周圍空氣的的阻力快速衰減,與之相比的固液態(tài)噴射流慣性大,不容易被周圍空氣淹沒。速率不僅自身不斷減小,受到周圍氣體的阻礙,其速率下降更快。

        就圓形噴嘴噴射流,單位時間內(nèi)經(jīng)過某截面的動量值應該與在噴射機噴嘴處的動量相等,即可得到式(2):

        式中:r是噴射機噴嘴半徑值;ρ0、ρx依次是噴射機噴嘴處、沿沿方向某處單位體積內(nèi)混合料的密度值。

        為了方便計算,假設噴射流是固定不變的流體,其密度保持恒定,那么,則得到式(3):

        式中:y0是噴射流的擴散半徑值。

        依據(jù)圖2得到,擴散半徑的計算公式(4):

        可以整理出在任何斷面處噴射流擴散時的速率平均值計算公式(5):

        (3)噴射流在擴散時對截面沖擊力p

        噴射流在任何截面處遇到坡面產(chǎn)生沖擊力,依據(jù)動量守恒定律,在單位時間內(nèi),流體動量的變化應該與作用于流體上全部外力單位時間內(nèi)的合力相等,得到式(6):

        整理后得到式(7)、式(8):

        式(7)、式(8)是噴射流對坡面的沖擊力計算,1.414y0表示噴射流的擴散范圍值,0.636y0表示噴射流擴散有效作用半徑值。

        3 實例應用

        (1)工程情況

        江西省某高速公路建設在山區(qū),作為盤山公路其邊坡因多雨沖刷且多陡坡無法栽種植被,邊坡侵蝕嚴重。為了防止對公路造成損害,其邊坡必須加強保護。

        (2)方案設計

        ZZLS綠色生態(tài)材料噴播綠化工藝是把ZZLS綠色生態(tài)材料、草種、植物纖維、水等原材料利用攪拌機混合拌合,適當時候可以補添粘合劑,將混合料利用管道運輸?shù)揭簤簢姴C內(nèi),液壓噴播機依據(jù)噴射原理將混合料噴射到指定的邊坡表面,實現(xiàn)邊坡綠化功效的新型綠化工藝。其噴播后的生態(tài)邊坡結(jié)構(gòu)見圖3。

        具體噴播工序有:清除整理破面、搭設腳手架,設立安全網(wǎng)、鉚釘裝設,加固坡面鐵絲網(wǎng)、混合草種、ZZLS綠色生態(tài)材料、粘合劑等、運輸至噴射機噴嘴處、噴射混合料至邊坡處、養(yǎng)護工作、養(yǎng)護結(jié)束。

        圖3 生態(tài)護坡圖

        (3)測試分析

        測試的樣本和施工在相同時間內(nèi)制作完成,每組4個樣本,共設3組,樣本養(yǎng)護期是30 d。試驗設定液壓值是120 kN,借助液壓試驗機完成。試驗應力與應變函數(shù)關系見圖4?;暮透餐涟杌旌狭峡箟簭姸缺仨氃?~3 MPa范圍,否則重新制作。

        圖4 試驗應力與應變函數(shù)關系圖

        混合料可以有效防御大量雨水長時間沖刷,并且其蓄水能力較高。

        混合料可以為植被提供生長環(huán)境,在36 d后其綠化率超過85%,72 d后期綠化率基本達到100%左右。

        綠化與護坡工作同步完成,有效節(jié)約了傳統(tǒng)綠化與護坡分開進行的施工成本,個別地區(qū)可達到30%左右。

        4 結(jié)語

        利用新型的ZZLS綠色生態(tài)材料完成公路高邊坡的防護與綠化工作具有節(jié)約時間、降低成本等多種優(yōu)勢,具體總結(jié)如下:

        (1)ZZLS綠色生態(tài)材料環(huán)保,可以有效蓄水肥,防腐蝕性強,強度高。

        (2)ZZLS綠色生態(tài)材料噴射工序簡單快捷,占用少量人力物力財力,降低了施工成本,并且兼并完成綠化工作。

        (3)ZZLS綠色生態(tài)材料是以噴射方式鋪設,對于一些高邊坡噴射到位,密度均勻,綠化率高。

        (4)ZZLS綠色生態(tài)材料拌合植被種子可以依據(jù)實際情況變化,可以滿足景觀、歷史、文化等方面的需求。

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