客土喷播的护坡机理及基材和施工等控制要点

2014-09-13方军辉朱德滨刘永鹏

森林工程 2014年3期

方军辉，朱德滨，程承，刘永鹏

(西南林业大学土木学院，昆明 650224)

对于大量裸露的岩石边坡，传统的修建构造物、锚固和喷射混凝土等工程防护方式虽然能达到护坡的目的，但是与周围环境极不协调，而单一的绿化防护既缺少植物生长的土壤基础，又忽略了边坡防护效果。因此，为确保裸露的岩石边坡美观性、安全稳定性需进行边坡生态防护。客土喷播是边坡生态防护的新技术，是一种将植物生长的基础——土壤与有机材、粘结剂、保水剂、肥料、酸碱调节剂和种子等按照比例混合，经机械搅拌均匀后，利用客土喷薄机播洒在因施工等原因破坏了原有植被的岩石坡面上形成植物生长的土壤层，种子发芽、生长成坪后，对边坡起到绿化和防护作用。许多学者对其进行了大量的研究，取得了一些实际的成果，但还有很多问题没有统一和完善的解决。通过对客土喷薄护坡的机理、基材的要求、施工工艺和施工注意事项的总结和分析，以引起对一些问题的深入研究，实现其理论和技术的成熟。客土喷薄的研究涉及岩土学、工程力学、土壤学、生物学、肥料学、园艺学和生态学等学科，本研究主要对客土喷薄的相关方面进行一定的解释说明。

1 客土喷播护坡的机理

客土喷播护坡机理与工程防护、植物护坡不尽相同。工程防护主要通过砂浆抹面、勾缝或喷涂以及石砌护坡或护面墙等方式对不稳定的岩质或土质边坡进行加固稳定的一种防护形式。植被防护通过植草、铺草皮和植乔灌木等方式，主要是为美化路容，协调周围环境，并利用植被涵水固土、浅根的加筋作用和深根的锚杆作用，在一定程度上提高对比较平缓的稳定土质坡面的稳定性和抗冲刷能力[1]。显然，客土喷播不同于与周围环境极不协调的工程防护，也不同于平缓土质边坡上单一的植被防护，但它不是二者的叠加。它针对的是不适于植物生长的稳定的石质边坡、硬土边坡以及特殊土边坡，其实质是人为地创建“土壤”，为植物的定居、生长创造基础条件，来实现裸露边坡的绿化。它也具有一定的防护效果，但是一种柔性的、浅表层的护坡，其护坡机理除通过工程上的锚杆与挂网紧密相连使浅表层边坡和植生基材稳定外，还表现为以下两点：边坡上形成的植物群落通过降水截留、植物叶系的拦截等作用减小雨水对坡面的冲击和溅蚀作用，同时减缓了雨水的流速，从而直接地降低了对坡面的冲刷作用；喷播的基材将岩石边坡与外界隔离，有效地减缓和抑制了自然因素作用下的岩体风化和脱落现象。

2 客土喷播基材及其要求

客土喷播基材最基本的组成物质有土壤、有机质、肥料、保水剂、粘结剂、水和植物种子，通常根据需要还会添加改良剂、pH调节剂等。基材混合物材料的一般要求如下，并对基材的配比和喷播厚度进行了解释说明。

2.1 原材料的一般要求

(1)土壤。土壤是植物生长的基础材料，为使坡体植物能健康持续生长提供养分和储存养分。在实际工程中通常就近选择当地具有团粒结构、含水量适当、pH值为6～7、有机质和矿物质营养元素齐全的壤土类土壤。土壤中可添加一些纤维，能够起到加固土壤，提高喷播层稳定的作用，并减少发芽前混合基材的龟裂现象和雨水冲刷形成的土壤侵蚀。

(2)有机质。有机质是为植物生长提供养分和根系生长空间的基础材料，应选择轻质、持水、透气、纤维含量多和富含有机质的材料。常用的有机质是泥炭，但其为一种有限资源，目前，已实验研究证明了利用秸秆和谷壳等作为有机质的可行性，利用其配置的基材混合物具有良好的护坡效果[2]。

(3)肥料。肥料提供植物生长所需养分，植物生长除需要氮、磷、钾等主要养分外，还需其它的各种微量元素。为使植物能够正常生长应采用生态有机肥和长效有机肥。有机肥应优先选择沤制的农家肥，其在微生物的分解下，肥效长，并具有丰富微量元素；复合肥和缓效肥料能够提供不同时期所需的营养成分氮、磷、钾[3]。

(4)粘结剂。粘结剂的使用，一方面可使基材紧密相连；另一方面，提高基材与坡面的黏结力，从而增加抗侵蚀、冲刷能力。国内外选用的粘结剂有乳化沥青、高分子聚合物和化合物等[4]。在实际工程中，从经济方面考虑，常使用普通硅酸盐水泥，但应控制好其对混合物酸碱性的影响。

(5)保水剂。保水剂的使用，一方面是土层水分丰裕时吸收并储存相当于自身重量数十倍至数百倍的水分；另一方面，土层中水分缺少时，可将水分缓慢释放，供植物利用。根据实践经验，应选择可吸水倍率稍低，但吸水重复性好且使用寿命较长的无毒无害的高分子聚合物保水剂。

(6)土壤改良剂。改良剂的使用，主要是为了增强基质的长期有效性，使植物在基材上健康生长。常用的土壤改良剂有团粒剂和pH调节剂。团粒剂应选用使用浓度低、胶结力强、形成团粒结构速度快且持续时间长的人工合成的高分子聚合物；主要的pH调节剂有硫磺、绿矾、废硫酸、磷酸钙、石膏、硅酸钙等，通过添加pH调节剂，使基材pH值控制在适合植物生长的6.5～7.5范围内[5]。

(7)水。水的使用，一方面使基材组合为一个整体；另一方面为植物种子生长发芽提供水分。应就近吸取使用无污染、无油、不含酸、碱、盐等有害成分的水。水的用量也要控制好，应使土壤能捏成团而落下能散开[6]。

(8)植物种子。植物种子是客土喷播基材的一个重要主体，它的选择受到边坡类型、边坡坡度、地域气候和周围环境特点等因素的影响。当边坡类型为弱风化岩时应以草本植物为主，适当加入一定的灌木植物；中风化岩时，则以灌木为主，草本为辅；强风化岩时，则以灌木为主，并注意灌、草相结合的组合结构；石夹土时，则以灌木为主，乔、灌、草相结合的组合结构；土夹石时，则以灌木为主，乔木为辅，乔、灌、草相结合的组合结构[7]。对于边坡坡度，边坡较缓，小于45°时，应以乔灌结合为主，草本植物为辅；边坡较陡，大于50°时，则以草为先锋植物，而后演变为以灌草本植物为主，乔本植物为辅的组合结构[8]。考虑到当地的气候和周围实际环境特点，以上草、灌、乔本植物种子的选配应走本地化道路，以地带性植物、乡土植物为基调，适当引进适于本地生长条件的野生植物和外地物种；也应考虑浅根植物和深根植物的结合、豆科植物与非豆科植物的结合、冷季型植物和暖季型植物相结合。这样才能使植物体系更加适应当地气候和周围环境，建设一个具有生物多样性的、稳定的、生命力强的立体生态群落，达到四季常绿的生态景观效果[9]。通过对植物种的选择和植物群落组合设计的研究，目前，客土喷播所使用的主要植物种类与常用品种见表1。

表1 客土喷播使用的主要植物类别与品种

2.2 基材配比要求

基材的配比一方面影响土层的开裂和剥离，另一方面影响植物种子的发芽、生长和成坪。客土喷播各主要基材的掺量是通过试验来确定的[10]，对其配比的总要求如下：

(1)基材本身应无害，对周围环境应无污染。

(2)基材拌合后应当适度疏松，但为了施工方便应具有一定的流动性。

(3)基材应具有良好的粘结稳定性，不至因自身重力、风吹和雨水冲刷等作用下而脱离坡面。

(4)基材混合物的pH值必须控制在植物种子发芽和生长所需的6.5～7.5范围内。

2.3 基材的喷播厚度

客土喷播的厚度受到边坡类型、边坡坡度和降水等因素的影响。边坡类型影响下的喷播厚度要求如下：岩性越强，客土喷播厚度就越厚；岩性越弱，喷播厚度就越薄。一般来说，弱风化岩的喷播厚度应达到10～12 cm；中风化岩的喷播厚度应达到8～10 cm；强风化岩的喷播厚度应达到6～8 cm；石夹土边坡的客土喷播厚度应为3～6 cm；土夹石的边坡为改善土壤肥力，其喷播厚度应为3 cm左右[7]。边坡坡度影响下的喷播厚度要求如下：

坡度较缓时，客土喷播厚度较小；坡度较陡时，其客土喷播厚度较大。一般来说，边坡坡度小于35°时，平均客土喷播厚度为3～5.5 cm；坡度为35°～45°时，喷播厚度应为5.5～8.5 cm；坡度为45°～55°时，平均喷播厚度应为7.5～11.0 cm；当坡度大于55°时，平均喷播厚度应为8.5～12.5 cm[11]。降水作用主要对喷播前期的影响较大，对坡体基材侵蚀、冲刷，造成种子和养分的流失、幼苗的损坏。因此，对年降雨量较大、雨季较长、雨季暴雨强度大的地区应适当增加客土喷播厚度1～2 cm；同时，应尽量避免在雨季施工，以减小降水对基材的破坏。

3 客土喷播施工工艺

3.1 施工工艺流程

施工工期流程如图1所示。

图1 客土喷播施工工艺流程

3.2 施工操作要点

(1)施工准备。为确保施工按期进行，施工人员、机械设备、客土喷播材料、水、电等需先准备就绪。为保证施工安全进行，需安置好安全预防措施，如搭设钢管脚手架、系安全带和施工场地两头设施工标志等。

(2)边坡坡面处理。客土喷播针对的是稳定边坡，因此对不稳定边坡需进行现场勘察并采取相应的工程防护措施，确保其深层稳定后再进行设计施工。同时，客土喷播需要挂网，这就要求坡面不能太凸凹，但也不能太光滑，否者，单靠挂网的摩擦力不足以使基材在边坡上粘结成型，因而要适当地对边坡加糙处理。再者，坡面径流和涌水等对坡面的毁坏相当严重，必须设置坡面排水设施，将其引至坡底[12]。

(3)测量放线。根据设计要求，用水平仪及卷尺将纵横间距放出，确定主锚杆钻孔的位置，再在相邻的主锚杆间中点位置插补次锚杆，主次锚杆以不同形式进行标注，依次用梅花状布置形式对整个工作面逐一放点。

(4)锚杆的固定。锚杆需在锚孔中灌浆固定，因此主次锚杆钻孔深度和孔径应为设计尺寸的1.1倍。再者，为较好固定插入钻孔的锚杆，宜选用灰砂比为1∶1～1∶1.2、水灰比为0.45～0.50的水泥砂浆或纯水泥浆，水泥宜用32.5R普通硅酸盐水泥[13]；防止锚杆锈蚀剥离浆体，需将制定好的锚杆作防锈处理后才能注浆。另外，钻孔灌满落实后锚杆伸出坡面长度应不大于9 cm，以防止锚杆凸出。

(5)挂网、扎网施工。待固定锚杆的砂浆干硬化后，可挂网施工。根据不同的边坡类型，适当选择挂网的材料，土质边坡可选用塑料三维网，岩质边坡宜选用镀锌铁丝网。为挂网施工方便，以期整个坡面完全牢固的覆盖，应自上而下放卷铺设，相邻两网分别采用绑扎铁丝连接固定，交接处至少有10 cm的重叠，同时将挂网与锚杆绑扎牢固[14]。

(6)喷播方式的选用和基材混合拌制。客土喷播按喷射方式可分为液压式客土喷播、干式客土喷播和湿式客土喷播[15-16]。液压式和湿式客土喷播的优点是喷射无粉尘污染、较均匀、效率较高，但搅拌较困难，且输送距离短，一般不超过30 m；干式客土喷播法的优点是喷射距离较大，缺点是效率低、喷射不均匀和粉尘污染较大。因此，应根据实际需要选择喷播方式，然后按照基材的配比，将材料在专用的机械设备料斗内拌匀后，进行下一道工序。

(7)客土喷播。为使基材混合料能较好的黏贴在坡面上，喷播前需将坡面喷洒湿润。喷播过程可分为三步：首先，喷射不含种子的基材，喷厚约为基材实际喷播厚度(由于水分丧失会造成基质厚度不够，基材实际喷播厚度约为设计值的1.25倍)的7/10。其次，待底基层稳定后，喷射含有种子的基材，其喷播厚度约为基材实际喷播厚度的1/10。最后，喷射表层覆盖土，以保证种子不被冲刷、裸露晒伤等，其喷播厚度约为实际喷播厚度的1/5。

(8)覆盖无纺布。为预防成型后的坡面不被雨水冲刷，达到保湿、保温的效果，喷播完成后，即可覆盖无纺布。以防其压迫植物萌芽，宜用12-14g/m2的轻质无纺布进行覆盖，不致其被风吹走，需用竹签或锚索等固定。

(9)养护管理。种子发芽前，以保持土壤湿润，每天早晨用雾化水滴喷洒一次。出苗后，为促进根系快速生长，可减少浇水次数。喷播完成一个月后，应全面检查植物生长情况，对生长不均匀的位置进行补种；待苗长到一定高度时揭掉无纺布。在植物逐渐生长过程中，对其适时适量的施肥、浇水和病虫害防治，以促早日形成群落结构。