李 帆，高衡東，周 俊，唐玉元

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙 410008)

0 引言

在航道工程中，傳統(tǒng)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式為混凝土板塊、膜袋混凝土、漿砌或干砌石等，這類結(jié)構(gòu)由于隔絕了岸坡與河水之間的水土交換，帶來了硬化、白化和渠化等“三化”問題，嚴(yán)重影響河流的生態(tài)環(huán)境。隨著生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念深入人心，近年來多種生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式被應(yīng)用到實(shí)際工程中，快速植生墊即為其中一種。快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有抗沖刷性好、生態(tài)環(huán)保，耐久可靠和施工便捷等特點(diǎn)，在生態(tài)航道工程建設(shè)中擁有較好的推廣前景。

1 快速植生墊

快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)由加筋麥克墊與高性能生態(tài)基材結(jié)合而成。將高性能生態(tài)基材噴播至加筋麥克墊空隙中，一方面，加筋麥克墊可保護(hù)生態(tài)基材免受水流侵蝕，另一方面，生態(tài)基材可促進(jìn)植被生長，達(dá)到快速綠化目的。植被生長起來后，其根系與快速植生墊所形成的復(fù)合保護(hù)層，可為邊坡提供較強(qiáng)的抗侵蝕防護(hù)(見圖1)。

圖1 快速植生墊組成及特點(diǎn)

1.1 加筋麥克墊

加筋麥克墊[1-2]是一種具有較好抗侵蝕性能的坡面防護(hù)土工材料(見圖2)，其通過抽絲熱粘工藝將聚合物網(wǎng)絲與雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)面復(fù)合而成，具有多孔隙、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。在植被沒有長成前，加筋麥克墊可以保護(hù)土地表面免遭雨、水的侵蝕，深色網(wǎng)墊能大量吸收熱能，增加地濕，促進(jìn)種籽發(fā)芽生長。植物生長起來后，其根系與加筋麥克墊所形成的復(fù)合保護(hù)層，可為邊坡提供較強(qiáng)的抗侵蝕防護(hù)(見圖3)。

1.2 高性能生態(tài)基材

高性能生態(tài)基材[3]為防侵蝕功能的生物促進(jìn)噴播基質(zhì)，可利用專業(yè)設(shè)備拌種噴射于土表，即時覆蓋形成一層均勻包裹種子的防侵蝕纖維植生毯，具有高覆蓋、保水保溫、加速生長的功能，達(dá)到快速成坪的優(yōu)良綠化效果。其組成及特點(diǎn)見圖4。

圖2 加筋麥克墊示意圖

圖3 復(fù)合保護(hù)層固土防沖

圖4 高性能生態(tài)基材組成及特點(diǎn)

2 試驗(yàn)研究

因快速植生墊由加筋麥克墊和高性能生態(tài)基材組成，故分別針對加筋麥克墊的抗沖刷性能和高性能生態(tài)基材的綠化效果進(jìn)行試驗(yàn)，從而較好地了解快速植生墊的相關(guān)特性，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2.1 抗沖刷試驗(yàn)研究

2.1.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)?zāi)康闹饕?個方面：① 評估各種防護(hù)材料在不同工況和水流條件下的防護(hù)性能；② 了解金屬網(wǎng)和植被根系對防護(hù)性能提高所作出的貢獻(xiàn)；③ 分析總結(jié)材料失效時的流速，指導(dǎo)快速植生墊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2.1.2試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)在一矩形水槽中進(jìn)行，水槽寬1.2 m、長14.6 m(見圖5)，將土體填筑成水平斷面和斜坡斷面(坡比1∶1.5),分別模擬河床或河岸的邊界條件。共設(shè)置5種土體防護(hù)型式：無防護(hù)(裸露土體)、覆蓋麥克墊(即無鋼絲網(wǎng)面加筋的土工墊)、覆蓋麥克墊+植被、覆蓋加筋麥克墊、覆蓋加筋麥克墊+植被。沖刷流速為0.6、2.4、4.3、6.1 m/s等4個級別。各工況下預(yù)設(shè)正常過流時長為60 h，當(dāng)材料失效或性能失效時終止試驗(yàn)。材料失效是指防護(hù)結(jié)構(gòu)撕裂或固定結(jié)構(gòu)用的U型釘被拔起；性能失效是指水槽底部土體平均沖刷深度達(dá)2.5 cm的區(qū)域面積達(dá)50%以上。

圖5 抗沖刷試驗(yàn)現(xiàn)場圖

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

1)加筋麥克墊在受到水流沖刷時，其穩(wěn)定性能與洪水的流速和持續(xù)時間有關(guān)，各防護(hù)條件下的抗沖刷性能如圖6所示。

圖6 各防護(hù)條件的抗沖刷性能

2)在沒有植被的情況下，當(dāng)流速≥2.4 m/s時，防護(hù)均不到60 h便已失效，其中，麥克墊多為材料失效，加筋麥克墊多為性能失效。而即使在最大流速下，加筋麥克墊也未出現(xiàn)撕裂破壞。鋼絲網(wǎng)面能夠顯著增強(qiáng)材料強(qiáng)度，從而有效應(yīng)對高速水流的沖刷作用[4]。

3)植被能夠增加防護(hù)層厚度，從而進(jìn)一步加強(qiáng)整個體系的水土保持能力。在有植被情況下，加筋麥克墊能夠承受流速6 m/s的水流沖刷8 h；當(dāng)洪水持續(xù)時間達(dá)到60 h，能夠承受流速3.6 m/s的水流沖刷；當(dāng)洪水持續(xù)時間進(jìn)一步增長，隨著植被逐漸死亡失去作用，加筋麥克墊防護(hù)效果也逐漸下降并最終過渡到無植被防護(hù)，此時則僅能承受流速1.5 m/s的水流沖刷。

4)防護(hù)材料在斜坡斷面上的應(yīng)用要好于在水平斷面上的應(yīng)用，這是由于斜坡斷面相對水平斷面的糙率更大，從而使坡面所受水流的拖曳力作用相對較小。

綜上所述，在使用快速植生墊進(jìn)行邊坡防護(hù)時，應(yīng)將其布置在常水位以上等不會常年浸水的區(qū)域，同時要盡可能為植被生長留足時間，使植物根系與防護(hù)材料形成復(fù)合保護(hù)層，以提高整個體系的抗沖刷能力。

2.2 綠化試驗(yàn)研究

2.2.1試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

為了解使用高性能生態(tài)基材后的植被生長情況和綠化效果，在長沙市郊區(qū)一處土質(zhì)邊坡上進(jìn)行綠化試驗(yàn)研究。邊坡坡比1∶2，試驗(yàn)面積約200 m2。將高性能生態(tài)基材與植物種子混合后利用專業(yè)設(shè)備噴射施工，在坡面形成一層均勻包裹種子的纖維植生毯。植物應(yīng)根據(jù)氣候區(qū)劃和所處季節(jié)進(jìn)行選型，并要求具有優(yōu)良的抗逆性，同時采用至少2種以上的植物種進(jìn)行混播。噴播完成后，無需特殊養(yǎng)護(hù)，每周現(xiàn)場記錄評價植被生長情況。

2.2.2生態(tài)綠化效果

部分草本植物在噴播后第6 d即已發(fā)芽，部分野花組合和草灌植物在第10 d開始發(fā)芽，在播撒種子后15 d內(nèi)，所有植物均已發(fā)芽。20 d后發(fā)現(xiàn)坡面植物幼苗最高可達(dá)25 cm，生長密度合理，草本植物長勢旺盛。45 d后植物總體長勢更加旺盛，坡面植被覆蓋率達(dá)到90%，寬葉雀稗茂盛，木豆、多花木蘭長勢相對更好，最高已達(dá)50 cm以上，野花組合發(fā)芽生長較慢，部分開花。90 d后，邊坡綠化效果很好，大部份草本退化，灌木生長旺盛，木豆高1～1.5 m，多花木蘭、銀合歡、寬葉雀稗生長良好，矢車菊、虞美人、孔雀草等花卉相繼開花，植物種類豐富多樣。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，快速植生護(hù)坡結(jié)構(gòu)生態(tài)效果顯著。選擇灌木、草本、花卉等多種植物混合播種，前期草本、花卉生長速度快，能在短時間內(nèi)達(dá)到綠化效果，后期以灌木為主，發(fā)揮多種優(yōu)良功能的混播植物群落，達(dá)到邊坡永久綠化效果，與周圍植被逐步形成頂級植物群落，實(shí)現(xiàn)植被演替過程，防止邊坡植被退化。

3 護(hù)坡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工程應(yīng)用

通過試驗(yàn)研究和實(shí)際工程應(yīng)用，總結(jié)快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：① 較好的抗沖刷性?？焖僦采鷫|本身的三維結(jié)構(gòu)具有一定的抗沖刷能力，為植被生長創(chuàng)造有利條件。由于高性能生態(tài)基材對植被生長的促進(jìn)作用，結(jié)構(gòu)施工完畢后，結(jié)構(gòu)表面即可快速綠化，植物根系與加筋麥克墊所形成的復(fù)合保護(hù)層，可進(jìn)一步增加整個體系的抗沖刷性能。② 生態(tài)環(huán)保性?？焖僦采鷫|所用材料均為天然無毒無污染，具有保溫、保水、加速植物生長及壯根功能，從而達(dá)到快速且良好的綠化效果，恢復(fù)周邊生態(tài)環(huán)境。播種植物應(yīng)適應(yīng)于當(dāng)?shù)貧夂?、所處季?jié)和綠化要求等，我國各地區(qū)護(hù)坡植物類型可參見表1進(jìn)行選擇。③ 較高的性價比。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)主要有土工網(wǎng)墊、石籠和植草磚等。如表2所示，快速植生墊綜合單價雖高于土工網(wǎng)墊，但低于石籠和植草磚，是一種性價比較高的生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)。④ 耐久性?？焖僦采鷫|具有較好的化學(xué)和生物抗腐蝕能力，其中，聚合物網(wǎng)絲是一種惰性材料，抵抗紫外線和抗老化能力強(qiáng)；鋼絲網(wǎng)面由低碳鋼絲編織而成，鋼絲經(jīng)鍍高爾凡處理，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。⑤ 施工便捷性。相比傳統(tǒng)方案而言，快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)工序少，網(wǎng)墊屬于輕質(zhì)材料，可直接由人工鋪設(shè)于土坡上并用U型釘固定，再將高性能生態(tài)基材混合植被種子噴播其上，整個施工過程機(jī)械人工用量低，受環(huán)境氣候影響小，施工效率高?？焖僦采鷫|護(hù)坡結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)多個護(hù)岸工程中應(yīng)用，如湖南省白河護(hù)岸工程(圖7)、黃河干流堤防加固工程，均取得了較好的岸坡防護(hù)和生態(tài)綠化效果。

表1 我國各地區(qū)護(hù)坡植物推薦地區(qū)冷季型草坪植物暖季型草坪植物華北野牛草、紫羊茅、羊茅、葦狀羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、匍莖剪股穎、白穎苔草、異穗苔草、小冠花、白三葉結(jié)縷草東北野牛草、紫羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、匍莖剪股穎、白穎苔草、異穗苔草、小冠花、白三葉結(jié)縷草西北野牛草、紫羊茅、羊茅、葦狀羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、匍莖剪股穎、白穎苔草、異穗苔草、小冠花、白三葉結(jié)縷草、狗牙根(溫暖處)西南羊茅、葦狀羊茅、紫羊茅、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、多年生黑麥草、小冠花、白三葉狗牙根、假儉草、結(jié)縷草、溝葉結(jié)縷草、百喜草華東紫羊茅、草地早熟禾、早熟禾、小糠草、匍莖剪股穎狗牙根、假儉草、結(jié)縷草、細(xì)葉結(jié)縷草、中華結(jié)縷草、馬尼拉草、百喜草華中羊茅、紫羊茅、草地早熟禾、早熟禾、小糠草、匍莖剪股穎、小冠花狗牙根、假儉草、結(jié)縷草、細(xì)葉結(jié)縷草、馬尼拉結(jié)縷草、百喜草華南狗牙根、地毯草、假儉草、結(jié)縷草、細(xì)葉結(jié)縷草、馬尼拉結(jié)縷草、中華結(jié)縷草、百喜草

表2 主要生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)工程綜合單價估算對比表護(hù)坡結(jié)構(gòu)類型工程綜合單價估算/(元·m-2)快速植生墊78土工網(wǎng)墊50石籠160植草磚89

a)施工中

b)完工2 a后

4 結(jié)論

1)快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)由加筋麥克墊與高性能生態(tài)基材結(jié)合而成。一方面，加筋麥克墊可保護(hù)生態(tài)基材免受水流侵蝕，另一方面，生態(tài)基材可促進(jìn)植被生長，達(dá)到快速綠化目的。植被根系與快速植生墊所形成的復(fù)合保護(hù)層，可為邊坡提供較強(qiáng)的抗侵蝕防護(hù)。

2)加筋麥克墊在受到水流沖刷時，其穩(wěn)定性能與洪水的流速和持續(xù)時間有關(guān)。在有植被情況下，加筋麥克墊能夠承受流速6 m/s的水流沖刷8 h；當(dāng)洪水持續(xù)時間達(dá)到60 h，能夠承受流速3.6 m/s的水流沖刷；在無植被時，加筋麥克墊僅能承受流速1.5 m/s的水流沖刷。

3)將高性能生態(tài)基材與植物種子混合后利用專業(yè)設(shè)備噴射施工，可根據(jù)工程所在地氣候特點(diǎn)和需求選擇不同植被混合播種。通常播種后1～2個星期即可初具綠化規(guī)模，2月后可形成較為顯著的生態(tài)綠化效果。

4)快速植生墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于常水位以上等不會常年浸水的區(qū)域，具有較好的抗沖刷性、生態(tài)環(huán)保性、耐久性、施工便捷性和較高的性價比，在生態(tài)航道工程建設(shè)中擁有較好的推廣前景。