植物纤维防护技术在黄土路堑边坡防护中的应用

陈辉

【摘 要】针对中国西北黄土地区公路边坡常出现的冲蚀、剥蚀等病害，借鉴北方农村常见的土坯墙，提出植物纤维防护技术。该技术通过前期植物纤维的联结、加筋和分散坡面径流等作用以及后期植被降雨截流、削弱溅蚀、抑制坡面径流、加固坡面等作用，有效减少了黄土边坡冲蚀、剥蚀等坡面病害的发生。同时，该技术通过不同的病害防治机理，对降水量不同的地区，也具有良好的适应性。

【关键词】黄土 路基 边坡 冲蚀 剥蚀 植物纤维

中国黄土分布面积约为64万平方公里，作为一种特殊土，黄土颗粒分布较均匀，但结构疏松，孔隙率大，垂直节理发育，富含钙质，遇水易崩解，抗侵蚀能力极弱。调研发现甘肃省黄土路堑边坡开挖后，表层土体（1cm～5cm）经历1次秋冬季节交替就变得极为疏松，易溶盐大量析出，坡面剥蚀大面积发生，造成较严重的水土流失，影响了公路美观，个别路段由于剥蚀较为严重，剥落下的土体阻塞边沟，也给公路的安全运营带来隐患。

公路工程中传统的浆砌片石护面墙、拱形与菱形骨架、混凝土预制框格及喷射混凝土等工程防护措施虽然能在一定程度上减少坡面剥蚀和冲蚀的发生，但其造价高，施工工艺复杂，易因自身不稳定而出现坍塌，与周边自然生态环境不协调，影响了公路的路域景观。因此，研究新型边坡防护措施已成为必然趋势。

1 植物纤维防护机理分析

1.1 植物纤维防护简介

北方农村常见的土坯墙，是用黄土混合一定比例的麦秸秆及水制成，强度高、耐侵蚀，类似于工程中的加筋土。根据黄土路堑边坡病害，结合土坯墙的这一特点，提出一种新型植物纤维综合防护技术：将黄土、植物纤维（麦秸秆）、草种、肥料、保水剂等按一定比例搅拌均匀，通过水泥混凝土干喷机将其与一定量的水混合后喷射至坡面，在坡面形成5～8cm的植物纤维层。由于喷出的混合物具有很强的附着力和明显的颜色，喷射时可以不遗漏、不重复，均匀地喷射至坡面。

根据此项技术在甘肃省多条公路的应用发现，在年降水量420cm以上的地区，草种迅速发芽生长，不仅能起到防护坡面的作用，还能起到美化环境、维持路域生态环境的作用。在年降水量420cm以下的地区，植物生长缓慢，但具有加筋土作用的植物纤维层仍能较好的防护黄土边坡，减少坡面冲蚀和剥蚀的发生。

植物纤维防护技术源于客土喷播技术，但又有所不同。客土喷播喷射基材原材料种类多、配比复杂，造价高，而植物纤维防护主要利用为北方地区常见的麦秸秆，以及公路修筑的弃方黄土，材料来源广泛，施工成本较低，且不需要专用的喷播机，工期短、工序少、工艺简单，较客土喷播技术经济、灵活、简单，适用于经济欠发达地区的公路建设。

1.2 植物纤维防护机理分析

降水量不同的地区，因植物生长情况不同，导致植物纤维防护的主要防护机理不同。

1.2.1 年降水量420cm以上地区

甘肃省年降水量420cm以上地区，喷射物中的草种能迅速发芽生长，4～6个月内就能较好地覆盖坡面，所以该地区植物纤维防护主要依靠生长出的植被实现防护效果。植被的防护功能主要体现在削弱雨滴动能，防治溅蚀，减少地表径流量，阻延流速、加固坡面等方面。

（1）降雨截流。一部分降雨在到达坡面之前就被植被茎叶截留并暂时储存在其中，以后再重新蒸发到大气中或落到坡面。植被通过截流作用降低了到达坡面的有效雨量，从而减弱了雨水对坡面土体的侵蚀。

（2）削弱溅蚀。雨滴的溅蚀是雨滴对地面的击溅作用，它是水蚀的一种重要形式。降雨时雨滴从高空落下，因雨滴具有一定的重量和加速度，落地时产生一定的打击力量，裸露的表土在这种力量的打击下，土壤结构即遭破坏，发生分离、破裂、位移并溅起。植被能够拦截高速落下的雨滴，通过地上茎叶的缓冲作用，消耗掉雨滴大量的动能，并且能使大雨滴分散为小雨滴，从而把雨滴的动能大大减小，当植被相当旺盛时，可以明显削弱甚至消除雨滴的溅蚀。

（3）抑制坡面径流。地表径流集中是坡面土体冲蚀的主要动力，土体冲蚀的强弱取决于径流流速的大小及径流所具有的能量。草本植物枝多，丛状生长，能够有效地分散、减弱径流，而且还阻截径流改变径流形态，径流在草丛间迂回流动，使径流由直流变为绕流。由于径流在草丛间迂回流动，从而增大了流程，水力坡降减小，加上径流被分散和阻截，又减慢了流速。由此，依靠覆盖的草本植物延长了地表径流，增加了雨水入渗。径流减小，流速减缓，冲刷能量降低，从而土体冲蚀减弱。

（4）加固坡面。坡面植物成活后，根系在坡面土体表层形成网状构造物，将其周围土壤缚紧，使表层松散土体形成一个加筋的整体，增加其抗剪强度。同时，由于坡面植被的存在，减轻了雨季干湿循环和季节性冻融循环对表层土体的影响，提高了边坡整体强度，减少了坡面剥蚀的发生。

（5）促进植物生长。喷射混合物中的麦秸秆，腐烂后可为坡面植物提供充足的养分，促进坡面植物生长，减少肥料的使用，降低了工程造价。

1.2.2 年降水量420cm以下地区

甘肃省年降水量在420cm以下地区，气候干燥少雨，喷射物中的草种发芽率低，坡面植被稀疏，所以该地区植物纤维防护主要依靠坡面覆盖的植物纤维材料实现防护效果。

（1）联接作用。植物纤维的存在可以增强喷射混合物间的相互联结，避免喷播混合物的因雨季干湿循环和季节性冻融循环影响而产生开裂、剥落，进一步保护表层土体。

（2）加筋作用。植物纤维在喷射混合物中错综盘结，使坡面喷播混合物在植物纤维的延伸范围内成为一体的复合材料，植物纤维可视为带预应力的三维加筋材料。根据摩尔—库伦强度理论，植物纤维的加筋增加了坡面土体的粘聚力，另外植物纤维的张拉限制了坡面土体的侧向变形提高了坡面土的抗剪强度，能有效减少坡面剥蚀的发生。

（3）分散坡面径流作用。混有麦秸秆的坡面覆盖层表面粗糙，能够有效的分散、减弱径流，而且还阻截径流改变径流形态，径流在草丛间迂回流动，使径流由直流变为绕流，有效降低坡面径流的冲蚀作用。

2 项目实施

2.1 施工工艺流程

植物纤维防护的施工工艺流程为：施工准备—坡面处理—备料—混合料料的搅拌（土、麦秸秆、有机肥和草种）—喷射混合料—盖防晒网—养护管理。

2.2 主要工序

施工一般在当地的雨季进行，此时施工有充沛的雨水，且气温较高，能提高草种的发芽率。

（1）施工准备。首先进行坡顶和台阶处截水沟的开挖、材料的准备和临时设施的搭建等。搭建工作平台，准备施工安全装备。

施工需要水泥混凝土喷射机、空压机、搅拌机、水泵等用电设备，应提前准备好发电机或从附近拉电线。施工前应根据当地供水条件准备2辆8～10吨的水车循环使用，或在附近挖蓄水池，以保证现场连续施工。

（2）坡面处理。为增加喷射混合料的附着力，防止喷射后混合料剥落，应对原坡面进行刻槽和拉毛处理。坡面垂直距离每0.5m，挖宽度0.1m的小平台，相邻两小平台间的坡面需横向拉毛。

（3）备料。在对坡面进行处理的同时，进行黄土备料。根据水泥混凝土喷射机的要求，将黄土粉碎至规定的粒径，筛除其中的杂物和石块，运至施工点附近。同时应在现场储备一定量的麦秸秆、草籽和有机肥，麦秸秆需铡成3-4cm长段，过长易堵塞喷射管。

（4）混合料的搅拌。一般采用搅拌机进行搅拌，将黄土和麦秸秆按1∶30（重量比）搅拌均匀，其中加入苜蓿、冰草和紫穗槐的草籽和适当的有机肥（主要是尿素、磷肥等），条件受限时也可采用人工搅拌。

（5）喷射混合料。通过水泥混凝土喷射机将搅拌后的混合料均匀喷射于坡面，喷射厚度5～8cm。喷射时保证喷射方向与坡面成75%～80%夹角。喷射过程中，负责喷射人员应根据喷出混合料的干湿状况及时调整出水量，使混合料潮湿但不流动，保证其在坡面的附着力。

（6）盖防晒网。喷射完成一定面积后，将防晒网由上至下覆盖，并用木桩固定，避免强烈阳光直射，减少水分的散失。

（7）养护管理。养护管理主要是通过水分、肥料等有效管理，使植物处于良好的生长状态，以尽快达到固坡和绿坡的目的。

2.3 施工质量控制

（1）植物纤维防护施工期应选择在施工路段的夏季和雨季进行，以保证栽种植物的成活率。

（2）施工时，应搭建牢固、安全、便利的施工平台，同时喷射人员和协助人员应始终系上安全绳，保证施工安全进行。搭建平台好坏，不仅关系的施工人员的安全，同时也影响喷射速度和质量。

（3）植物纤维中麦秸秆长度应尽量保证在3～4cm之间，太短其加筋效果不明显，太长则易阻塞喷射机管路。

（4）由于是在夏季施工，太阳辐射强烈，当一定面积的植物纤维喷射完成后，一定要及时铺设防晒网，保证植物的成活率。

3 植物纤维防护经济性评价

目前西北地区常用的公路路堑边坡防护措施经济性对比如表1所示。

单价方面，浆砌片石护面墙最高，客土喷播法次之，两种骨架防护与植物纤维防护单价都较低；材料来源方面，骨架防护的水泥砼需预制，预制砼体积、重量大，运输、安装不便，综合成本高，客土喷播法需要的材料种类较多，黑炭土、保水剂、植物纤维等材料都需专门购置，综合成本较高，而植物纤维防护所需材料广泛存在于公路沿线，取料、运输方便。施工工艺方面，浆砌片石护面墙与骨架防护最优，基本只需人工，但材料运输不便，植物纤维法所需设备较多次之，客土喷播法最为复杂；浆砌片石护面墙、骨架防护等工程防护颜色单一、大量使用片石、混凝土等材料，环保美观性差。由此可见，植物纤维防护的经济性明显优于浆砌片石护面墙与骨架防护等工程防护，且美化了公路景观，是一种非常经济且绿色环保的坡面防护技术，具有极高的经济、社会和生态效益。客土喷播与植物纤维防护两者均以植被防护为主，防护效果接近，但后者的成本仅为前者1/2，同时不需专门的客土喷播施工设备，只需要混凝土喷射机、空压机等简单机械，且施工中不需挂网、钻孔钉锚，大大简化的施工工序，后续的养护管理也比较简单，提高施工进度，十分适合在经济欠发达地区的公路建设中使用。

4 结语

（1）植物纤维防护通过不同病害防治机理，在降水量不同的地区，均能有效减少冲蚀、剥蚀等坡面病害的发生，具有良好的适应性；

（2）植物纤维防护技术在平凉至定西高速公路边坡防护中的成功应用，证明该技术能在较短时间内提高黄土边坡植被覆盖率，防止降雨冲刷，减轻干湿、冻融循环对边坡的影响，有效减少冲蚀、剥蚀等坡面病害的发生，抑制水土流失，提高边坡的整体稳定性，美化公路环境，具有良好的生态效益和社会效益；

（3）比较北方地区常用的浆砌片石护面墙、骨架防护等工程防护措施，植物纤维防护造价低，材料来源广泛，施工工艺简单，工期短；同时充分利用了公路弃方，绿色环保，具有良好的经济效益；

（4）随着西部大开发的不断深入，西北黄土地区正处在公路建设的高峰期，人为的生态破坏随之加大。随着人们环保意识的提升，生态恢复工程将成为该地区公路建设工程的重要组成部分。同时，该技术造价低、施工工艺简单，对于经济欠发达地区公路边坡防护和绿化工程，具有广泛的应用前景。

参考文献：

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