射流式连续喷丝植生系统及工艺研究

彭 冲，叶宇轩，王茜徵，张一凡，梁令帅，江亚雄，王 丽

（深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040）

边坡生态修复也可称之为生态护坡，它是用活的植物或植物与非生命材料相结合的方式，代替纯工程防护方式，通过种植植物，靠植物的根茎与土壤间的附着力及根茎相互的缠绕达到加固边坡的效果。生态护坡技术可根据边坡的类型、坡度和坡面特征等选用不同的技术。边坡工程上常见的生态修复技术有：挂三维网客土喷播、挂铁丝网客土喷播、土工格室绿化、植生袋等。以上常见的生态护坡技术特征详见表1。

表1 常见生态护坡技术特征表[1]

由表1可以看出，常见的这4种生态护坡技术都具有一定的护坡能力，且各具优点，然而同时也存在适用范围窄、与坡面结合不紧密、工艺复杂、易出现“斑秃”和成本高的问题。因此，寻求一种成本低廉、操作简便、应用范围广、景观性好且与坡面紧密结合的生态护坡技术具有一定的市场前景。

1987年6 月，日本引进了法国的Texsol边坡修复技术，随后把它与已有的护坡工法结合在一起，开发出连续纤维丝补强土（GEOFIBER）工法[2]，工法的基本特征为：①能适应坡体的微小地形，由于沙粒和连续纤维相互混合，基材的抗剪、抗侵蚀更强。②易于引进植物，由于确保了大根系的伸展空间，可引进木本类植物，用于坡面的树林化。③施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。由于受限于大型设备的制约和工法操作的复杂性，制约了其在国内的大规模应用，本研究将对该工法喷丝设备的构造、抗剪效应等加以研究，以期降低设备成本，简化应用过程的复杂度。

2 射流式连续喷丝植生系统

本研究的射流式连续喷丝植生系统基于射流原理（文丘里射流器）：具有一定压力的工作流体经过喷嘴变径后，速度急剧增大，从喷嘴高速喷出，使压力能转化为动能，喷嘴周围气室形成负压把大量空气从吸入口抽入，2股流体在喉管中混合并进行动量交换，后经过扩压段使速度能还原为压力能，从喷射口射出。

射流器集吸入与混合功能于一体，负压形成后将空气介质吸入的同时，刚好可以将轻质的连续纤维丝吸入射流器内，与进气口的空气进行动能交换后从喷射口射出，完成整个喷丝过程，如图1所示。

图1 三联式射流喷丝植生器结构示意图

射流式连续喷丝植生系统包括喷丝系统、动力系统和湿喷机3大部分，其中喷丝系统包括射流器、支架、移动平台、纤维丝保护罩、连接软管、喷射软管,动力系统为空气压缩机,本研究选取的纤维丝为涤纶弹丝。具体结构如图2所示。

图2 射流式连续喷丝植生系统结构示意图

进行纤维丝补强土作业时，纤维丝喷射与客土喷混同步进行，纤维丝嵌入土壤中作为加筋材料，借助纤维丝与土壤的摩擦互制行为发挥纤维拉力抗阻，约束土壤的变形，以提高土壤的抗剪强度，其力学机制类似于植物根系的加筋行为。这样形成的连续纤维丝补强土具有抗剪强度大、抗侵蚀能力强、适用地形广、景观效果好等优点。喷丝植生系统总体工作流程如图3所示。

图3 射流式连续喷丝植生系统工作流程图

3 纤维丝在土壤中的剪力数学模型

Waldron（1977）[3]以取纤维自由体段进行受力平衡分析后，分别推导出纤维滑动、拉长及断裂3种模式的剪位移与纤维丝拉应力关系，并作出以下假设：a.纤维丝穿透剪力区，剪力区厚度Z不随剪切改变；b.纤维丝为柔性材料，且维持弹性不变，受拉时断面积改变忽略不计；c.纤维丝受拉应力变极小，受拉前后长度相近；d.纤维丝拉应力为线性分布，且在剪切面位置的拉应力最大，纤维丝两端点拉应力为零；e.纤维丝与土壤之间的摩擦力，保持最大摩擦力；f.土壤摩擦角不受纤维丝影响，遵循Mohr-Coulomb破坏规则。受力分析平衡示意图如图4所示。

图4 纤维丝自由体段受力平衡

水平向应力可直接视为土壤的剪力抗阻，垂直向应力则可视为额外的正向力，结合Mohr-Coulomb破坏规则可得下式，可用来预测连续和离散纤维的加筋土壤剪力强度。

式中，A：剪切面积（mm2）；Aft：通过剪切面纤维丝总面积（mm2）；τf：剪力强度（kPa）；c：土壤凝聚力（kPa）；σn：正向应力（kPa）；φ ：土壤摩擦角（°）；θ：纤维丝变形角度（°）；Tf：纤维丝拉应力（kPa）。

土体抗剪强度是一个反映土体抗崩塌、抗滑坡的重要指标，一般通过剪切试验进行测定，根据直剪试验原理，连续纤维补强体则由库仑定律直接测定结果并绘制抗剪强度曲线。

4 射流式连续喷丝植生工艺

射流式连续喷丝植生工艺在施工时需拌合砂、纤维、添加剂与水，构成一层厚度为10～30cm的连续纤维丝补强土坡面，坡面内置排水带，其施工坡面的坡度可达45°以上。其技术路线如图5所示。

图5 射流式喷丝植生工艺流程图

4.1 坡面整理

理顺坡面截排水系统，清除坡面浮石、浮土、危石、泥块等易发生滑动的部分。对凹凸部分无需进行刻意修整。较为光滑的边坡应在坡面上打好横向开槽。

4.2 锚杆锚固

坡度＜45°时，不采用锚杆锚固，可直接进行连续纤维丝和植生基质的同步喷射。坡度＞45°时，采用锚杆锚固，将锚杆呈“品”字形打入边坡，钻孔方向与坡面呈直角，作业完成后将风管孔吹洗干净，将锚杆插入孔中并用水泥砂浆灌注，锚杆伸出坡面部分约20cm。

4.3 基材配置

喷射基材主要包括土壤、有机质、肥料、保水剂。土壤可因地选材，就近选择粘土、黄土、沙土，以沙壤土为宜，选好后过40目筛待用；有机质可以增加土壤肥力，保证土壤的透气性，常用的有机质有堆肥、泥炭土、经充分发酵的家畜肥料等；除了有机质外要加入缓释复合肥来促进植物生长；保水剂是一种无毒无害的高分子材料，可以吸收大量水分，这些水分不宜被一般物理方法排出，但植物根系却可以吸收利用；特殊情况下可以加入粘结剂。将上述各组分加水充分混匀。在第2次喷播时，喷射基材除了以上材料外，还要加入预先配比并催芽的植物种子。

4.4 同步喷射

整体喷射厚度保持在12cm左右，共分2次喷射，纤维丝总用量为300g/m2。喷播时尽可能从正面进行，对死角和凹凸部分充分喷射。第1次喷射厚度为8cm，连续纤维丝和基材保持同步喷射，均匀混合，纤维丝用量为200g/m2待稳定后再进行第2次喷射。第2次喷射的基材除原始配方外，还要加入配比并催芽的植物种子，基材与纤维丝共同喷射，第2层厚度为4cm，纤维丝用量为100g/m2。

4.5 覆盖无纺布

在同步喷射结束后，及时覆盖无纺布。随后根据天气情况进行雾状洒水养护，周期为1个月，30～45d后待植物长到一定高度时揭布，后期根据具体情况采取浇水、追肥、除虫等养护措施。

4.6 景观影响度评价

生态修复后的景观影响评价常用的方法有评分法和比较判别法。比较判别法专业性要求较高，主观性强；评分法操作简单，精度较高。景观影响评价的指标很多，考虑到评价过程的可操作性和评价结果的实用性，选择“景观影响度（landscape effect degree，LED）”作为一个综合指标来反映生态修复后的评价指标及影响程度[4]。修复后效果如图6所示。

图6 射流式喷丝植生工艺护坡效果图

5 结语

近年来，尽管在高陡边坡生态治理方面的技术研究及应用取得了一些进展，如喷混植生技术、有机基材喷植、植被混凝土护坡绿化技术等，其技术原理和方法基本相近，但并不能完全解决高陡边坡及石质边坡治理中所遇到的所有问题。特别是针对高陡边坡复杂条件下的“低环境影响冲击”、“低资源消耗”、“延长生命周期”、“资源循环利用”等理念的边坡修复技术尚缺乏系统探究，而本文研究的射流式喷丝植生工艺则通过利用射流技术原理，并结合生物稳定技术、土壤生物工程技术达到边坡修复力学与美学的有机结合，以实现低成本、低资源消耗、长生命周期、资源循环利用的生态修复目标，有望实现高度边坡生态修复技术领域的新突破。

[1]史文飞,彭冲,等.裸露山体缺口生态修复新技术及景观影响度评价[J].亚热带水土保持，2012，24（2）：34-37

[2]GB/T 50123-1999，土工试验方法标准[S].

[3]Waldron,L J.Shear Resistance of Root-Permeated Homogeneous and Stratified Soil[J].Soil Science Society of America Journal,1977,41：843-849.

[4]吴长文,章梦涛,等.裸露山体缺口生态治理[M].北京：科学出版社,2007：12-21