不同坡率下纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)的適用性研究與應(yīng)用

呂宋 魏少偉 姚建平 曹淵東 劉瑞 董恩江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081）

鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)是邊坡防護(hù)和綠化工程的有機(jī)結(jié)合，對(duì)減少鐵路沿線水土流失、改善生態(tài)環(huán)境等具有重要意義［1］。路基邊坡生態(tài)防護(hù)體現(xiàn)了新時(shí)代鐵路綠色發(fā)展的新要求，有利于打造鐵路高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量綠色生態(tài)廊道。

目前我國鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)主要有噴播或栽植灌草、植生帶或網(wǎng)墊植草（灌木）、植生袋或生態(tài)袋植草（灌木）、客土植生、噴混植生等。近年來，隨著材料學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)、巖土工程等學(xué)科的發(fā)展，在傳統(tǒng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出新型生態(tài)防護(hù)技術(shù)。如2018 年連鎮(zhèn)鐵路采用三維柔性生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，京張高速鐵路以生態(tài)袋固土技術(shù)為基礎(chǔ)，采用錨拉式綠色防護(hù)技術(shù)，2019 年京雄城際鐵路采用土工格室固土綠化技術(shù)等。

客土噴播技術(shù)施工高效、成本較低，在鐵路、公路等邊坡生態(tài)防護(hù)中具有一定優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)外關(guān)于客土噴播技術(shù)的研究主要集中在基質(zhì)組成及配比上。文獻(xiàn)［2］介紹了日本的高次團(tuán)粒SF（Soil Floc）綠化技術(shù)及其在我國西部地區(qū)的應(yīng)用；文獻(xiàn)［3-4］提出APM（Animal Protein Material）基材，形成APM 生態(tài)固坡技術(shù)并應(yīng)用于蒙華鐵路；文獻(xiàn)［5-6］研究保水劑含量及土壤菌對(duì)噴播基質(zhì)物理性能的影響，提出基質(zhì)配比的建議。基質(zhì)配比是客土噴播技術(shù)的核心之一，可保證基質(zhì)與坡面的黏附效果，提高噴播基質(zhì)的穩(wěn)定性。但基質(zhì)配比對(duì)坡面穩(wěn)定性的改善作用有限，在邊坡坡度較大時(shí)仍須采用其他措施來保證噴播基質(zhì)的厚度及穩(wěn)定性。

本文針對(duì)鐵路路基邊坡生態(tài)防護(hù)綠化成活率要求高、后期養(yǎng)護(hù)困難、不能對(duì)線路運(yùn)營產(chǎn)生影響等特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)客土噴播技術(shù)，提出了纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播新技術(shù)。針對(duì)不同坡率邊坡特點(diǎn)提出與纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)相適應(yīng)的輔助措施，并在工程中應(yīng)用，驗(yàn)證該技術(shù)的生態(tài)防護(hù)效果。

1 纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)簡(jiǎn)介

纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)將科學(xué)配比的營養(yǎng)基材（植物纖維、壤土、有機(jī)質(zhì)、生物活化劑、基材纖粒劑、助纖劑）、植物種子和水通過先進(jìn)噴播設(shè)備攪拌并噴射至坡面，通過植物纖維的加筋作用及土壤的團(tuán)?；谄旅嫜杆傩纬煽箾_刷性能好的基質(zhì)層；同時(shí)依托有機(jī)質(zhì)、生物活化劑等營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)多種植物生長發(fā)育，最終利用植被根系的力學(xué)加固作用和地上植物的水文效應(yīng)達(dá)到固土護(hù)坡和改善環(huán)境的目的?；|(zhì)中各類材料組成及用量見表1?；|(zhì)配比需依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、坡形坡率、坡面巖性、綠化需求等合理確定。

纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)在抗沖刷能力、施工效率、出苗時(shí)間、植被生長效果等方面均有優(yōu)勢(shì)?；|(zhì)中增加纖粒劑、木（草）纖維、助纖劑等增加了基質(zhì)的抗剪強(qiáng)度，有利于抵抗雨水沖刷；機(jī)械化播種、施肥一次性完成，施工高效；出苗時(shí)間短，一般一周左右出苗4～5 cm，可快速修復(fù)生態(tài)環(huán)境；植被配比多樣、抗逆性強(qiáng)，植被發(fā)育良好，群落穩(wěn)定。

表1 基質(zhì)組成及作用

2 不同坡率下的纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)

按邊坡坡率i的不同，分別制定了相應(yīng)的纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)。

1）i≤1∶1.5

坡度35°是植被能夠自然恢復(fù)的界限角度［7］。i≤1∶1.5 時(shí)坡度低于35°，坡面基質(zhì)材料一般可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，無需采取附加措施。施工時(shí)可直接進(jìn)行纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播，基質(zhì)中植物纖維、纖粒劑等含量也可適當(dāng)降低。

2）1∶1.5 ＜i≤1∶1.0

1∶1.5 ＜i≤1∶1.0 時(shí)坡面需采取掛網(wǎng)措施，保證坡面土體的穩(wěn)定，同時(shí)可增強(qiáng)基質(zhì)與坡面的附著力。巖質(zhì)邊坡坡面覆土厚度一般不少于8 cm。

掛網(wǎng)可選擇鐵絲網(wǎng)或椰纖維網(wǎng)。在保證坡面穩(wěn)定的前提下優(yōu)先選擇椰纖維網(wǎng)。椰纖維網(wǎng)是椰子殼通過機(jī)械粉碎后利用其纖維編制成一定規(guī)格的網(wǎng)，具有一定的吸水性和保水性、良好的抗沖刷性能（抵抗坡面3.0 m/s 的徑流）、較大的抗拉強(qiáng)度（單線拉力≥200 N）。邊坡植物群落恢復(fù)穩(wěn)定（5 年）后椰纖維網(wǎng)可完全降解［8］。鐵絲網(wǎng)或椰纖維網(wǎng)可使用錨釘固定，也可使用竹釘?shù)裙潭ǎ▓D1）。采用椰纖維網(wǎng)、竹釘?shù)炔牧鲜估w維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播施工更加生態(tài)環(huán)保。

圖1 椰纖維網(wǎng)及竹釘在坡面的布置

3）1∶1.0 ＜i≤1∶0.75

1∶1.0 ＜i≤1∶0.75 時(shí)為保證噴播基質(zhì)的穩(wěn)定，除采取掛網(wǎng)措施外，還需在坡面增設(shè)木擋板。木擋板長度1～2 m，寬度應(yīng)大于基質(zhì)層設(shè)計(jì)厚度（因坡度較陡，基質(zhì)層厚度一般不超過10 cm），采用錨釘把木擋板橫向固定于邊坡坡面。對(duì)于巖質(zhì)邊坡，為保證后期植物根系生長發(fā)育，坡面可布設(shè)根系生長孔，孔深約1.0 m，每平方米設(shè)置6～10 個(gè)。生長孔內(nèi)塞入基質(zhì)材料，為后期灌木植物根系生長提供養(yǎng)分。木擋板及根系生長孔布置如圖2所示。

圖2 木擋板及根系生長孔布置（單位：cm）

4）i ＞1∶0.75

i ＞1∶0.75 時(shí)坡面除掛網(wǎng)錨固外還應(yīng)設(shè)置木擋板或生態(tài)棒，巖質(zhì)邊坡增設(shè)根系生長孔。生態(tài)棒為長條形的生態(tài)袋，直徑10 cm，長度3～5 m，袋內(nèi)填充稻殼、雞牛糞等有機(jī)肥。生態(tài)棒首尾連接，沿水平方向布置在邊坡坡面形成生態(tài)棒組，相鄰生態(tài)棒組平行設(shè)置。生態(tài)棒的布設(shè)在噴播完工前期可防止基質(zhì)層下滑，強(qiáng)降雨時(shí)可吸收貯藏足夠水分，后期袋內(nèi)營養(yǎng)及水分緩慢釋放供植物生長。生態(tài)棒布置如圖3所示。

圖3 生態(tài)棒布置

3 施工工序及要點(diǎn)

以邊坡坡率為1∶0.75的工程為例，闡述采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)時(shí)施工工序（圖4）和施工要點(diǎn)。

坡面土體硬度越高，植物生長發(fā)育越差，需根據(jù)土體硬度改善邊坡植物生長條件。當(dāng)邊坡巖土體硬度指數(shù)（山中式硬度計(jì)）在35 mm 以上時(shí)不利于植被根系生長發(fā)育［8］，坡面須覆土。覆土厚度應(yīng)在8 cm以上。

圖4 采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)時(shí)施工工序

木擋板采用L 形錨釘固定，錨釘嵌入坡面后外露10 cm 左右，將木擋板平搭在錨釘上，并用L 形端頭卡住木擋板，局部無裂縫光滑巖面加密木擋板。若布置生態(tài)棒，生態(tài)棒布置方法與木擋板類似，使用直徑2 mm 鐵絲將生態(tài)棒固定于錨釘及鐵絲網(wǎng)上。根系生長孔采用電鉆或風(fēng)鉆鉆孔，孔內(nèi)填充保水劑、有機(jī)肥等基質(zhì)材料。

坡面鍍鋅鐵絲網(wǎng)或椰纖維網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸一般為5 cm × 5 cm 或6 cm × 6 cm，網(wǎng)間搭接長度不小于10 cm。使用L形錨釘固定，錨釘間距1.0～1.5 m。錨釘規(guī)格及長度根據(jù)坡面具體條件確定。

基質(zhì)噴播前，可采用清水浸泡、化學(xué)藥劑浸泡、機(jī)械處理等方式進(jìn)行種子預(yù)處理，達(dá)到快速出苗的目的。通常在噴播前將喬（灌）木種子用溫水浸泡1 d，草種常溫浸泡1～2 h 即可?；|(zhì)選擇及配比應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，基質(zhì)配比一方面影響基質(zhì)的抗沖刷性能，另一方面影響植物的生長效果?；|(zhì)配比需根據(jù)氣候、邊坡土體、坡度、坡向等確定，保證噴播基質(zhì)的pH、密度、營養(yǎng)成分等滿足規(guī)范［9］要求。

4 工程應(yīng)用

4.1 京雄城際鐵路邊坡生態(tài)防護(hù)工程

京雄城際鐵路固安東站路堤邊坡生態(tài)防護(hù)采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播生態(tài)防護(hù)技術(shù)。該路堤邊坡位于DK53+815.00—DK54+040.10左側(cè)，坡面總長225.1 m，坡率為1∶1.5，最大坡高約5.0 m，生態(tài)防護(hù)面積約1 500 m2。

2019年10月進(jìn)行反季節(jié)噴播施工，施工期間最低氣溫10 ℃。設(shè)計(jì)方案如圖5 所示。坡面覆蓋20 cm種植土，鋪設(shè)60 mm× 60 mm 的鍍鋅鐵絲網(wǎng)并用錨桿錨固以保證坡面穩(wěn)定。植物配置為檸條（3 g/m2）、紫穗槐（5 g/m2）、胡枝子（4 g/m2）、高羊茅（5 g/m2）、早熟禾（3 g/m2）、苜蓿（5 g/m2）、波斯菊（1 g/m2）、金雞菊（2 g/m2）、二月蘭（2 g/m2）。噴播基質(zhì)厚2 cm。

圖5 京雄城際鐵路噴播生態(tài)防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)方案

噴播完成后1周左右開始出苗，3周左右坡面基本被綠色覆蓋。2020 年5 月植被生長效果較好，未發(fā)生病害，植物生長高度均在20 cm 以上，坡面土體未發(fā)生流失現(xiàn)象。2020 年8 月邊坡植被生長茂盛，灌木長勢(shì)良好，每平方米4～6 株。不同時(shí)期植被生長效果見圖6。

圖6 京雄城際鐵路邊坡植被生長效果

4.2 太焦鐵路邊坡生態(tài)防護(hù)工程

太焦鐵路晉城東站和高平東站采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播生態(tài)防護(hù)技術(shù)進(jìn)行邊坡防護(hù)，生態(tài)防護(hù)面積約4萬m2。

其中晉城東站DK298+950—DK299+210 為一級(jí)坡，坡率為1∶1.0，坡高為10.0 m；DK299+300—299+900 為三級(jí)坡，各級(jí)坡坡率均為1∶1.0，一、二級(jí)坡坡高為10.0 m，三級(jí)坡坡高為3.0～4.0 m。邊坡坡面采用斜長約14.0 m、寬約5.0 m 的混凝土大框架結(jié)構(gòu)防護(hù)，如圖7所示。

圖7 太焦鐵路噴播生態(tài)防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)方案（單位：cm）

2020 年4 月—6 月進(jìn)行纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播，壘砌植生袋的坡面安裝柔性主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。未堆砌植生袋的坡面鋪設(shè)50 mm×50 mm 的鍍鋅鐵絲網(wǎng)。植物配置為檸條（3 g/m2）、紫穗槐（5 g/m2）、胡枝子（4 g/m2）、高羊茅（5 g/m2）、早熟禾（3 g/m2）、苜蓿（5 g/m2）。噴播基質(zhì)厚10 cm，分層噴播。

噴播完成2個(gè)月內(nèi)經(jīng)歷了3場(chǎng)中雨（日降雨量10.0～24.9 mm），2 場(chǎng)大雨（日降雨量25.0～49.9 mm）。大雨后坡面未出現(xiàn)細(xì)溝、沖溝等，基質(zhì)抗沖刷性能好。坡面植被生長效果良好（圖8），覆蓋率達(dá)到90%以上，滿足規(guī)范［10］要求。

圖8 太焦鐵路邊坡生態(tài)防護(hù)效果

4.3 蒙屏高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)工程

蒙屏高速公路預(yù)應(yīng)力錨索框架梁邊坡位于K25+580—K25+690，一級(jí)坡坡率1∶0.75，坡面斜長10 m；二級(jí)坡坡率1∶1.0，坡面斜長10 m。坡面為強(qiáng)風(fēng)化板巖，骨架內(nèi)采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)進(jìn)行綠化，生態(tài)防護(hù)面積約3 000 m2。邊坡斷面布置如圖9所示。

圖9 邊坡斷面布置（單位：cm）

2020 年10 月進(jìn)度行噴播施工，設(shè)計(jì)基質(zhì)厚度10 cm?？紤]到邊坡坡度較陡不利于基質(zhì)的附著，采取布置木擋板、設(shè)置根系生長孔等輔助措施。根系生長孔孔深1.0 m，每平方米6 個(gè)；木擋板尺寸為200 cm（長）×8 cm（寬）×2 cm（厚），縱向間距200 cm。預(yù)先在坡上安裝好固定木擋板的錨釘，然后將木擋板平搭在錨釘上（圖10）。局部無裂縫光滑巖面加密布置木擋板，保證了噴播基質(zhì)的厚度。噴播完成后坡面覆蓋無紡布進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)（圖11），保溫保濕，防止發(fā)芽期雨水對(duì)坡面的沖刷。

圖10 邊坡木擋板布置

圖11 坡面早期養(yǎng)護(hù)

5 結(jié)論

1）纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)是一種施工高效、安全穩(wěn)定、出苗快速、生態(tài)環(huán)保的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)，已形成針對(duì)不同邊坡坡率及巖性的施工技術(shù)體系。

2）邊坡坡率i≤1∶1.5 時(shí)坡面可直接采用纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)；1∶1.5 ＜i≤1∶1.0 時(shí)坡面需掛鐵絲網(wǎng)或椰纖維網(wǎng)；1∶1.0 ＜i≤1∶0.75 時(shí)建議采取木擋板措施；i ＞1∶0.75 時(shí)坡面宜設(shè)置生態(tài)棒。上述邊坡巖性若為硬巖，還需設(shè)置根系生長孔。

3）纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)成功應(yīng)用于京雄城際鐵路（邊坡坡率為1∶1.5）、太焦鐵路（邊坡坡率為1∶1.0）、蒙屏高速公路（邊坡坡率為1∶1.0和1∶0.75）。不同坡率邊坡均取得良好的生態(tài)防護(hù)效果，推廣應(yīng)用前景廣闊。對(duì)于i ＞1∶0.75 的邊坡，有待后續(xù)建立工點(diǎn)示范應(yīng)用。