植物纖維防護(hù)技術(shù)在黃土路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

陳輝

【摘 要】針對中國西北黃土地區(qū)公路邊坡常出現(xiàn)的沖蝕、剝蝕等病害，借鑒北方農(nóng)村常見的土坯墻，提出植物纖維防護(hù)技術(shù)。該技術(shù)通過前期植物纖維的聯(lián)結(jié)、加筋和分散坡面徑流等作用以及后期植被降雨截流、削弱濺蝕、抑制坡面徑流、加固坡面等作用，有效減少了黃土邊坡沖蝕、剝蝕等坡面病害的發(fā)生。同時，該技術(shù)通過不同的病害防治機(jī)理，對降水量不同的地區(qū)，也具有良好的適應(yīng)性。

【關(guān)鍵詞】黃土 路基 邊坡 沖蝕 剝蝕 植物纖維

中國黃土分布面積約為64萬平方公里，作為一種特殊土，黃土顆粒分布較均勻，但結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，垂直節(jié)理發(fā)育，富含鈣質(zhì)，遇水易崩解，抗侵蝕能力極弱。調(diào)研發(fā)現(xiàn)甘肅省黃土路塹邊坡開挖后，表層土體（1cm～5cm）經(jīng)歷1次秋冬季節(jié)交替就變得極為疏松，易溶鹽大量析出，坡面剝蝕大面積發(fā)生，造成較嚴(yán)重的水土流失，影響了公路美觀，個別路段由于剝蝕較為嚴(yán)重，剝落下的土體阻塞邊溝，也給公路的安全運營帶來隱患。

公路工程中傳統(tǒng)的漿砌片石護(hù)面墻、拱形與菱形骨架、混凝土預(yù)制框格及噴射混凝土等工程防護(hù)措施雖然能在一定程度上減少坡面剝蝕和沖蝕的發(fā)生，但其造價高，施工工藝復(fù)雜，易因自身不穩(wěn)定而出現(xiàn)坍塌，與周邊自然生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)，影響了公路的路域景觀。因此，研究新型邊坡防護(hù)措施已成為必然趨勢。

1 植物纖維防護(hù)機(jī)理分析

1.1 植物纖維防護(hù)簡介

北方農(nóng)村常見的土坯墻，是用黃土混合一定比例的麥秸稈及水制成，強(qiáng)度高、耐侵蝕，類似于工程中的加筋土。根據(jù)黃土路塹邊坡病害，結(jié)合土坯墻的這一特點，提出一種新型植物纖維綜合防護(hù)技術(shù)：將黃土、植物纖維（麥秸稈）、草種、肥料、保水劑等按一定比例攪拌均勻，通過水泥混凝土干噴機(jī)將其與一定量的水混合后噴射至坡面，在坡面形成5～8cm的植物纖維層。由于噴出的混合物具有很強(qiáng)的附著力和明顯的顏色，噴射時可以不遺漏、不重復(fù)，均勻地噴射至坡面。

根據(jù)此項技術(shù)在甘肅省多條公路的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在年降水量420cm以上的地區(qū)，草種迅速發(fā)芽生長，不僅能起到防護(hù)坡面的作用，還能起到美化環(huán)境、維持路域生態(tài)環(huán)境的作用。在年降水量420cm以下的地區(qū)，植物生長緩慢，但具有加筋土作用的植物纖維層仍能較好的防護(hù)黃土邊坡，減少坡面沖蝕和剝蝕的發(fā)生。

植物纖維防護(hù)技術(shù)源于客土噴播技術(shù)，但又有所不同?？屯羾姴娚浠脑牧戏N類多、配比復(fù)雜，造價高，而植物纖維防護(hù)主要利用為北方地區(qū)常見的麥秸稈，以及公路修筑的棄方黃土，材料來源廣泛，施工成本較低，且不需要專用的噴播機(jī)，工期短、工序少、工藝簡單，較客土噴播技術(shù)經(jīng)濟(jì)、靈活、簡單，適用于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的公路建設(shè)。

1.2 植物纖維防護(hù)機(jī)理分析

降水量不同的地區(qū)，因植物生長情況不同，導(dǎo)致植物纖維防護(hù)的主要防護(hù)機(jī)理不同。

1.2.1 年降水量420cm以上地區(qū)

甘肅省年降水量420cm以上地區(qū)，噴射物中的草種能迅速發(fā)芽生長，4～6個月內(nèi)就能較好地覆蓋坡面，所以該地區(qū)植物纖維防護(hù)主要依靠生長出的植被實現(xiàn)防護(hù)效果。植被的防護(hù)功能主要體現(xiàn)在削弱雨滴動能，防治濺蝕，減少地表徑流量，阻延流速、加固坡面等方面。

（1）降雨截流。一部分降雨在到達(dá)坡面之前就被植被莖葉截留并暫時儲存在其中，以后再重新蒸發(fā)到大氣中或落到坡面。植被通過截流作用降低了到達(dá)坡面的有效雨量，從而減弱了雨水對坡面土體的侵蝕。

（2）削弱濺蝕。雨滴的濺蝕是雨滴對地面的擊濺作用，它是水蝕的一種重要形式。降雨時雨滴從高空落下，因雨滴具有一定的重量和加速度，落地時產(chǎn)生一定的打擊力量，裸露的表土在這種力量的打擊下，土壤結(jié)構(gòu)即遭破壞，發(fā)生分離、破裂、位移并濺起。植被能夠攔截高速落下的雨滴，通過地上莖葉的緩沖作用，消耗掉雨滴大量的動能，并且能使大雨滴分散為小雨滴，從而把雨滴的動能大大減小，當(dāng)植被相當(dāng)旺盛時，可以明顯削弱甚至消除雨滴的濺蝕。

（3）抑制坡面徑流。地表徑流集中是坡面土體沖蝕的主要動力，土體沖蝕的強(qiáng)弱取決于徑流流速的大小及徑流所具有的能量。草本植物枝多，叢狀生長，能夠有效地分散、減弱徑流，而且還阻截徑流改變徑流形態(tài)，徑流在草叢間迂回流動，使徑流由直流變?yōu)槔@流。由于徑流在草叢間迂回流動，從而增大了流程，水力坡降減小，加上徑流被分散和阻截，又減慢了流速。由此，依靠覆蓋的草本植物延長了地表徑流，增加了雨水入滲。徑流減小，流速減緩，沖刷能量降低，從而土體沖蝕減弱。

（4）加固坡面。坡面植物成活后，根系在坡面土體表層形成網(wǎng)狀構(gòu)造物，將其周圍土壤縛緊，使表層松散土體形成一個加筋的整體，增加其抗剪強(qiáng)度。同時，由于坡面植被的存在，減輕了雨季干濕循環(huán)和季節(jié)性凍融循環(huán)對表層土體的影響，提高了邊坡整體強(qiáng)度，減少了坡面剝蝕的發(fā)生。

（5）促進(jìn)植物生長。噴射混合物中的麥秸稈，腐爛后可為坡面植物提供充足的養(yǎng)分，促進(jìn)坡面植物生長，減少肥料的使用，降低了工程造價。

1.2.2 年降水量420cm以下地區(qū)

甘肅省年降水量在420cm以下地區(qū)，氣候干燥少雨，噴射物中的草種發(fā)芽率低，坡面植被稀疏，所以該地區(qū)植物纖維防護(hù)主要依靠坡面覆蓋的植物纖維材料實現(xiàn)防護(hù)效果。

（1）聯(lián)接作用。植物纖維的存在可以增強(qiáng)噴射混合物間的相互聯(lián)結(jié)，避免噴播混合物的因雨季干濕循環(huán)和季節(jié)性凍融循環(huán)影響而產(chǎn)生開裂、剝落，進(jìn)一步保護(hù)表層土體。

（2）加筋作用。植物纖維在噴射混合物中錯綜盤結(jié)，使坡面噴播混合物在植物纖維的延伸范圍內(nèi)成為一體的復(fù)合材料，植物纖維可視為帶預(yù)應(yīng)力的三維加筋材料。根據(jù)摩爾—庫倫強(qiáng)度理論，植物纖維的加筋增加了坡面土體的粘聚力，另外植物纖維的張拉限制了坡面土體的側(cè)向變形提高了坡面土的抗剪強(qiáng)度，能有效減少坡面剝蝕的發(fā)生。

（3）分散坡面徑流作用?；煊宣溄斩挼钠旅娓采w層表面粗糙，能夠有效的分散、減弱徑流，而且還阻截徑流改變徑流形態(tài)，徑流在草叢間迂回流動，使徑流由直流變?yōu)槔@流，有效降低坡面徑流的沖蝕作用。

2 項目實施

2.1 施工工藝流程

植物纖維防護(hù)的施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備—坡面處理—備料—混合料料的攪拌（土、麥秸稈、有機(jī)肥和草種）—噴射混合料—蓋防曬網(wǎng)—養(yǎng)護(hù)管理。

2.2 主要工序

施工一般在當(dāng)?shù)氐挠昙具M(jìn)行，此時施工有充沛的雨水，且氣溫較高，能提高草種的發(fā)芽率。

（1）施工準(zhǔn)備。首先進(jìn)行坡頂和臺階處截水溝的開挖、材料的準(zhǔn)備和臨時設(shè)施的搭建等。搭建工作平臺，準(zhǔn)備施工安全裝備。

施工需要水泥混凝土噴射機(jī)、空壓機(jī)、攪拌機(jī)、水泵等用電設(shè)備，應(yīng)提前準(zhǔn)備好發(fā)電機(jī)或從附近拉電線。施工前應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)毓┧畻l件準(zhǔn)備2輛8～10噸的水車循環(huán)使用，或在附近挖蓄水池，以保證現(xiàn)場連續(xù)施工。

（2）坡面處理。為增加噴射混合料的附著力，防止噴射后混合料剝落，應(yīng)對原坡面進(jìn)行刻槽和拉毛處理。坡面垂直距離每0.5m，挖寬度0.1m的小平臺，相鄰兩小平臺間的坡面需橫向拉毛。

（3）備料。在對坡面進(jìn)行處理的同時，進(jìn)行黃土備料。根據(jù)水泥混凝土噴射機(jī)的要求，將黃土粉碎至規(guī)定的粒徑，篩除其中的雜物和石塊，運至施工點附近。同時應(yīng)在現(xiàn)場儲備一定量的麥秸稈、草籽和有機(jī)肥，麥秸稈需鍘成3-4cm長段，過長易堵塞噴射管。

（4）混合料的攪拌。一般采用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，將黃土和麥秸稈按1∶30（重量比）攪拌均勻，其中加入苜蓿、冰草和紫穗槐的草籽和適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)肥（主要是尿素、磷肥等），條件受限時也可采用人工攪拌。

（5）噴射混合料。通過水泥混凝土噴射機(jī)將攪拌后的混合料均勻噴射于坡面，噴射厚度5～8cm。噴射時保證噴射方向與坡面成75%～80%夾角。噴射過程中，負(fù)責(zé)噴射人員應(yīng)根據(jù)噴出混合料的干濕狀況及時調(diào)整出水量，使混合料潮濕但不流動，保證其在坡面的附著力。

（6）蓋防曬網(wǎng)。噴射完成一定面積后，將防曬網(wǎng)由上至下覆蓋，并用木樁固定，避免強(qiáng)烈陽光直射，減少水分的散失。

（7）養(yǎng)護(hù)管理。養(yǎng)護(hù)管理主要是通過水分、肥料等有效管理，使植物處于良好的生長狀態(tài)，以盡快達(dá)到固坡和綠坡的目的。

2.3 施工質(zhì)量控制

（1）植物纖維防護(hù)施工期應(yīng)選擇在施工路段的夏季和雨季進(jìn)行，以保證栽種植物的成活率。

（2）施工時，應(yīng)搭建牢固、安全、便利的施工平臺，同時噴射人員和協(xié)助人員應(yīng)始終系上安全繩，保證施工安全進(jìn)行。搭建平臺好壞，不僅關(guān)系的施工人員的安全，同時也影響噴射速度和質(zhì)量。

（3）植物纖維中麥秸稈長度應(yīng)盡量保證在3～4cm之間，太短其加筋效果不明顯，太長則易阻塞噴射機(jī)管路。

（4）由于是在夏季施工，太陽輻射強(qiáng)烈，當(dāng)一定面積的植物纖維噴射完成后，一定要及時鋪設(shè)防曬網(wǎng)，保證植物的成活率。

3 植物纖維防護(hù)經(jīng)濟(jì)性評價

目前西北地區(qū)常用的公路路塹邊坡防護(hù)措施經(jīng)濟(jì)性對比如表1所示。

單價方面，漿砌片石護(hù)面墻最高，客土噴播法次之，兩種骨架防護(hù)與植物纖維防護(hù)單價都較低；材料來源方面，骨架防護(hù)的水泥砼需預(yù)制，預(yù)制砼體積、重量大，運輸、安裝不便，綜合成本高，客土噴播法需要的材料種類較多，黑炭土、保水劑、植物纖維等材料都需專門購置，綜合成本較高，而植物纖維防護(hù)所需材料廣泛存在于公路沿線，取料、運輸方便。施工工藝方面，漿砌片石護(hù)面墻與骨架防護(hù)最優(yōu)，基本只需人工，但材料運輸不便，植物纖維法所需設(shè)備較多次之，客土噴播法最為復(fù)雜；漿砌片石護(hù)面墻、骨架防護(hù)等工程防護(hù)顏色單一、大量使用片石、混凝土等材料，環(huán)保美觀性差。由此可見，植物纖維防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于漿砌片石護(hù)面墻與骨架防護(hù)等工程防護(hù)，且美化了公路景觀，是一種非常經(jīng)濟(jì)且綠色環(huán)保的坡面防護(hù)技術(shù)，具有極高的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益?？屯羾姴ヅc植物纖維防護(hù)兩者均以植被防護(hù)為主，防護(hù)效果接近，但后者的成本僅為前者1/2，同時不需專門的客土噴播施工設(shè)備，只需要混凝土噴射機(jī)、空壓機(jī)等簡單機(jī)械，且施工中不需掛網(wǎng)、鉆孔釘錨，大大簡化的施工工序，后續(xù)的養(yǎng)護(hù)管理也比較簡單，提高施工進(jìn)度，十分適合在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的公路建設(shè)中使用。

4 結(jié)語

（1）植物纖維防護(hù)通過不同病害防治機(jī)理，在降水量不同的地區(qū)，均能有效減少沖蝕、剝蝕等坡面病害的發(fā)生，具有良好的適應(yīng)性；

（2）植物纖維防護(hù)技術(shù)在平?jīng)鲋炼ㄎ鞲咚俟愤吰路雷o(hù)中的成功應(yīng)用，證明該技術(shù)能在較短時間內(nèi)提高黃土邊坡植被覆蓋率，防止降雨沖刷，減輕干濕、凍融循環(huán)對邊坡的影響，有效減少沖蝕、剝蝕等坡面病害的發(fā)生，抑制水土流失，提高邊坡的整體穩(wěn)定性，美化公路環(huán)境，具有良好的生態(tài)效益和社會效益；

（3）比較北方地區(qū)常用的漿砌片石護(hù)面墻、骨架防護(hù)等工程防護(hù)措施，植物纖維防護(hù)造價低，材料來源廣泛，施工工藝簡單，工期短；同時充分利用了公路棄方，綠色環(huán)保，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（4）隨著西部大開發(fā)的不斷深入，西北黃土地區(qū)正處在公路建設(shè)的高峰期，人為的生態(tài)破壞隨之加大。隨著人們環(huán)保意識的提升，生態(tài)恢復(fù)工程將成為該地區(qū)公路建設(shè)工程的重要組成部分。同時，該技術(shù)造價低、施工工藝簡單，對于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)公路邊坡防護(hù)和綠化工程，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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