土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料及技術(shù)在開春高速公路的應(yīng)用

姜國正,秦 偉

(中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510290)

0 引言

水土流失治理與生態(tài)保護是生態(tài)文明國家戰(zhàn)略的基本內(nèi)容?！秶业谑齻€五年(2016-2020年)規(guī)劃綱要》著重指出：要推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理；《全國水土保持規(guī)劃(2015-2030年)》強調(diào)：要“強化水土保持基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和示范推廣”；《全國水土保持科技發(fā)展規(guī)劃綱要(2008-2020)》強調(diào)：要“強化水土保持若干重大基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”，“全面推動水土保持科技發(fā)展”，可見水土流失治理與生態(tài)防護在國家發(fā)展戰(zhàn)略中占有舉足輕重的地位。

1 工程概況

開春高速公路是中山至陽春高速公路中的開平至陽春段工程，該工程所在區(qū)域為廣東省的三大暴雨中心之一，常年受臺風影響，年降雨量達2 400mm，坡體沖刷嚴重，水土流失治理成為該工程中較為突出的問題。而目前采用常規(guī)添加材料難以滿足工程水土保持和生態(tài)修復(fù)的長期要求，噴混支護對生態(tài)環(huán)境影響較大，水土保持與生態(tài)修復(fù)壓力大。為此，某企業(yè)引進中山大學周翠英教授團隊的科研成果—土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料及技術(shù)，在開春高速公路進行示范應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新型土壤自修復(fù)增強材料

土壤酯類粘合劑是一種有機酯類材料，常溫下呈白色粘稠乳液狀，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，可與水按照一定比例配制成均勻分散液使用。粘合劑中的有效高分子成分在水溶液的分散液中以乳膠粒的形式存在，并具有強烈的粘附性，在自然干燥條件下具有成膜性，其成膜富有彈性和韌性。將粘合劑分散液噴灑在邊坡表面可以利用該性質(zhì)有效地固化土體，適用于巖質(zhì)/土質(zhì)等各類邊坡生態(tài)防護與水土保持工程。粘合劑在自然條件下可緩慢降解，降解周期為24個月，最終降解產(chǎn)物為CO2和H2O，且材料本身和降解過程中無毒、無害、無污染。

高強吸水合成樹脂其主要成分在常溫干燥狀態(tài)下為白色顆粒(≤0.02mm)，吸水飽和后呈透明水凝膠狀，吸水率高達250%，吸水膨脹，釋水收縮，可經(jīng)受20 000次脹縮作用；在自然環(huán)境條件中自行降解，最終降解產(chǎn)物為Na+、CO2和H2O，降解周期約為36個月，相當于植物3個生長周期。

2.2 構(gòu)建土壤自修復(fù)增強系統(tǒng)

材料復(fù)配優(yōu)化技術(shù)結(jié)合土壤、氣候、植被和工況等條件，研制成了高性能土壤自修復(fù)的酯類粘合劑A、高強吸水合成樹脂B、補充功能材料C，及其最優(yōu)配比，研制成了具有固土培根、涵水改性、抑菌除病等的高性能土壤自修復(fù)增強劑(圖1)。

圖1 技術(shù)原理

土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料與技術(shù)原理：在土體中高強吸水合成樹脂能高效涵養(yǎng)水分，供植被根系使用，在吸水、釋水過程中，樹脂材料體積脹縮變化，膨松土壤，能有效改良土壤結(jié)構(gòu)，促進植被根系生長；補充功能混合酯類材料是根據(jù)不同植被、氣候、土壤等條件，針對植被高發(fā)病率的病菌，所添加的補充功能材料，可增強植被的抗病能力，提高其成活率?；咀饔迷砣鐖D2所示。

圖2 土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料與技術(shù)原理

2.3 低成本最優(yōu)控制模式

基于新型功能材料的土壤生態(tài)自修復(fù)增強系統(tǒng)，建立了不同條件下的高性能酯類材料的配比標準、施加標準，以及工程養(yǎng)護標準、評價標準，形成低成本最優(yōu)控制模式，如圖3所示。

圖3 低成本最優(yōu)控制模式

2.4 實施流程與工藝

新材料邊坡綠化施工工藝：邊坡清理→掛網(wǎng)→配制噴播基材(素土+樹脂)→表面噴播(種子+肥料+樹脂)→噴灑粘合劑→覆蓋無紡布→養(yǎng)護。使用新材料進行綠化施工時，需要按照以下要求，對樹脂和粘合劑這兩個因素進行控制。

2.4.1 樹脂施加

客土噴播根據(jù)土壤攪拌時是否加水可分為干噴法和濕噴法。使用干噴法施工時，樹脂隨著土壤一同加入到噴播機中，攪拌均勻后噴出。樹脂的添加量與噴播機的功率有關(guān)，樹脂和土壤的質(zhì)量比需控制在4×10-4～8.57×10-4；使用濕噴法施工時，在將樹脂加入噴播機前需做飽和處理，即將樹脂和水按照1×10-2～5×10-3的質(zhì)量比在容器中充分混合，隨后加入噴播機中，與已充分吸水的土壤攪拌均勻后噴出。樹脂和土壤的質(zhì)量比需控制在3.5×10-4～2.4×10-4。

2.4.2 粘合劑配制

中山大學研發(fā)的土壤酯類粘合劑使用前需要稀釋，根據(jù)邊坡現(xiàn)場的工程條件，配制成不同濃度的水溶液。為了保證最佳的效果，土壤酯類粘合劑稀釋應(yīng)按如下步驟實施：首先，稱取一定量的土壤酯類粘合劑于桶中，加入設(shè)計水量1/3的水，以300轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速攪拌10min；隨后，加水至設(shè)計水量的2/3，繼續(xù)攪拌8min；最后，加水至設(shè)計水量，攪拌2min后停止。

3 應(yīng)用成果

3.1 示范建設(shè)

針對開春高速公路邊坡現(xiàn)場的土質(zhì)、氣候、工況等特點，開展室內(nèi)配比試驗，確定適合該工程的土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料配比。根據(jù)《中山至陽春高速公路開平至陽春段兩階段施工圖設(shè)計》，選擇K5格構(gòu)邊坡示范工程，本邊坡為砂巖組成的巖質(zhì)邊坡，高約20m，寬約100m，坡度40°～60°，坡面基巖裸露，巖體結(jié)構(gòu)完整，節(jié)理裂隙基本不發(fā)育。該邊坡采取三級開挖，其生態(tài)護坡示范工程為第一級邊坡，總面積約3 000m2。

3.2 植被效果對比

結(jié)合現(xiàn)場觀察結(jié)果分析，播種后第210d，與未施加材料的坡面相比，施加材料的坡面其灌木的平均長度提高了30%～75%。由此說明，在巖-土質(zhì)邊坡工程條件下，將土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料應(yīng)用于邊坡工程的生態(tài)防護，有助于提高坡面植被(尤其是灌木)的出芽率，縮短出芽時間，促進植被植株和根系的快速生長，加快坡面植被覆蓋速率。灌木具有生命周期長和固土效果好的優(yōu)勢，所以，灌木數(shù)量和生長速率的加快，更有利于提升坡面土體的穩(wěn)定性和長期的綠化效果。

3.3 土壤各項物理指標

使用德國STEPS生產(chǎn)的土壤緊密實度儀和AQUATERR公司生產(chǎn)的T-350土壤溫度濕度測試儀來測量土壤的溫度、濕度和緊密實度，從而對比土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料對土壤各項物理指標的改良作用和效果。

(1)緊密實度對比。施加功能材料的土壤緊密實度大于不添加材料的土壤，證明土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料可以有效提高土壤的強度，增強邊坡的抗沖刷能力。

(2)溫濕度對比。施加材料后，土壤中的濕度和溫度均高于不施加材料，但是受氣候影響波動較大，總體來說，土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料能提高土壤的保溫、保濕能力，改善土壤環(huán)境。

(3)抗沖刷效果對比。邊坡附著足夠厚度的土壤以維持植物生長是邊坡生態(tài)修復(fù)是否成功的決定性因素，施工完成后150～210d，雖然經(jīng)歷了一個雨季，但是沖蝕率也沒有顯著增加，因為此時坡面已經(jīng)被植物完全覆蓋。植物一方面通過葉面減弱了雨水對客土的濺蝕作用，讓降雨無法直接作用于坡面土體；另一方面植物的根系快速發(fā)展，加固了土體，增強了客土的抗沖蝕性能。

(4)透氣透氧性。土壤孔隙中氧氣和二氧化碳含量的多少是評價土壤透氣性質(zhì)的重要指標，一般而言，土壤氧氣含量越高，土壤二氧化碳含量越低，土壤與大氣的氣體交換能力就越強，土壤的透氣性質(zhì)就越好，植被根系生長越旺盛。施加材料的坡面土壤二氧化碳變化范圍為0.18%～0.40%，平均土壤二氧化碳含量為0.27%；未施加材料的坡面土壤二氧化碳變化范圍為0.20%～0.46%，平均土壤二氧化碳含量為0.32%，比施加功能材料坡面提高18.5%。因此，在土體中施加土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料能改善土體透氣性能，提升土體中的氧氣含量，降低土體中二氧化碳的含量。

4 主要技術(shù)指標對比

主要技術(shù)指標對比見表1。

表1 主要技術(shù)指標對比

5 結(jié)語

根據(jù)對邊坡植被和土壤物理指標的監(jiān)測顯示，施加土壤生態(tài)自修復(fù)增強材料，不但能促進植物生長、發(fā)芽，提高灌木的存活率，還能改善土壤水理性質(zhì)，提高邊坡土體的透氣、透水、透氧性能，增強土壤的生態(tài)自修復(fù)能力，從而達到較好的邊坡生態(tài)防護和水土保持效果。