生态护坡喷播技术的应用探讨

2019-07-08郑楚英陈宗湖

水利水电快报 2019年6期

郑楚英，钟勋，陈宗湖，张健

（1.湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北武汉 430071；2.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州贵阳 550081）

目前在水利水电工程建设中，大量运用生态护坡喷播技术［1］，这主要是喷播技术有以下优点：①速度快，不易施工的陡坡上也能播种；②坡上输送成本低；③喷播基材能有效保护种子并与土壤良好接触，确保种子的发芽率和成活率；④效率高，播种的同时，土壤、肥料、保水剂和浇水等一次成功且播种均匀；⑤掺有粘结材料的喷播作业面能形成疏水膜，抗水流侵蚀、风化侵蚀。虽然喷播技术有诸多优点，但并非所有坡面都能直接采用，需要根据工程实际情况针对性采用。

1 现有的主要喷播技术

1.1 高次团粒喷播

种植土可自动形成0.5～1.0 cm的团粒，有利于植物根须吸收氧气、养分及水分、排除二氧化碳。利用这一特性，高次团粒喷播采用渣浆泵输送，并使用富含有机质和黏粒的客土材料及团粒剂，在喷播瞬间与团粒剂混合发生团粒反应，形成与自然界表土具有相同团粒结构的土壤培养基。喷播后会发生疏水反应，所以粘结力极强的土壤培养基会牢固地吸附于坡面上，能抵抗雨蚀和风蚀，防止水土流失。

1.2 客土喷播

我国目前并不具有高次团粒喷播技术的知识产权，所以国内常将高次团粒喷播解释成客土喷播或厚基材喷播［2-3］。但真正的客土喷播是利用泵送型混凝土湿喷技术即采用柱塞式、转子活塞式混凝土泵或特制加压多级泵输送喷播材料，活塞式与多级泵在输送浓度上有差别，前者约为80%，后者为50%～70%，有时在喷口处加入团粒剂或粘结剂，但其机理上与高次团粒喷播具有本质区别，故称为客土喷播。如果厚基材喷播采用高次团粒技术，则属于高次团粒喷播，否则属于客土喷播。

1.3 液力喷播

液力喷播主要是采用泥浆泵或离心泵输送以水为载体，将经处置的植物种子、纤维掩盖物、粘合剂、保水剂及种子所需的养分物质经喷播机混合、搅拌并喷洒到需种植的位置，从而构成生态植被的绿化技术。

1.4 团粒胶囊喷播

团粒胶囊喷播是一种新型喷播技术［4］。该技术主要是用低浓度有机无机复混肥加上耕织土并以黏土为胶结材料制成土壤和肥料共存的ϕ3～10 mm的连续级配大颗粒团粒，然后用钙镁磷或聚合物包衣成为缓释土壤肥料团粒，再在外层涂布团粒剂，以此为骨料并与耕织土、泥炭、有机肥、生物肥、复混肥、椰粉、稻壳、稻草纤维和水等进行配合比设计，制成与喷锚支护混凝土相类似的自密实的喷播混合材料。其中，喷播基层用团粒胶囊直径ϕ4～10 mm，并另加包膜杀菌型BB肥，表层用团粒胶囊直径ϕ3～4mm，再用客土喷播机进行喷播的技术。

2 主要工艺参数对比分析

高次团粒喷播、客土喷播、液力喷播及团粒胶囊喷播技术工艺参数的比较见表1。

2.1 输送浓度

输送浓度越高，效率越高，植土收缩率越低。收缩率越高，抗水流侵蚀、抗干缩膨胀能力、抗冰冻侵害能力以及抗风化越低。

液力喷播输送浓度仅约为25%，且基材内未添加粘结材料，抗侵害能力很低。如果在喷口处添加粘结材料，则演变成高次团粒喷播。高次团粒喷播输送浓度约为35%，虽然添加了团粒剂，但压缩率在1.5倍以上，植土内存在大量空隙。如果坡度较缓时，空隙率大有利于涵养水分和养分，但如果是在1∶1以上的陡坡，由于团粒剂的疏水作用，内涵水分和养分反而会沿着空隙向外溢出。肥料溢出既不环保，也不利于植物存活。

从输送浓度的角度看，显然浓度越高越好，但前提条件是不影响输送机械的可靠性和效率。

2.2 喷射方式

喷口离作业面越近，越易操作，直射显然比抛射准确性更高。抛射的特点是可以远离作业面，这给现场施工特别是高度在20 m以下的坡面喷播带来便捷。

在实际施工过程中难度相当大，基本上难以做到10 m距离的直射，所以高次团粒喷播实际上采用的都是抛射。远距离喷射在枪口形成的团粒基本在压力之下碰到坡面后都已破碎，特别是采用加筋麦克垫、三维植物网、镀锌铁丝网类的配合措施时会因网丝的切割作用而成为粘结剂和基材的混合体，从而达不到高次团粒喷播的预期效果。

直射高度为1 m时喷射效果最佳，即客土喷播和团粒胶囊喷播所采用的方式。但如果高次团粒喷播是在不易施工的坡面作为补种，不失为一种选择。

2.3 回弹率

回弹率的高低直接影响到施工成本和环保性。喷播材料触碰坡面的压力越高，回弹率越高。同时喷射角度越不垂直于坡面，回弹率越大。

液力喷播和高次团粒喷播采用抛射，难以垂直于坡面喷射，回弹率相应就高。高次团粒喷播采用的压力约为2.5 MPa，且只有较高的压力才能形成团粒和抛射，即使是团粒剂的齿轮泵泵送压力也约达1.5 MPa，明显高于客土喷播和团粒胶囊喷播的0.5 MPa。

2.4 抗侵害能力

抗侵害能力主要涉及到抗坡面径流、强雨水和养护水压力射流等水流侵害，抗冰冻损失侵害，抗干缩膨胀损害以及抗风化损害等能力。

植土间的黏聚力越大，抗侵害能力越强。但由于植土不能采用黏性土，因其透气性能不能满足植土的要求，所以植土一般采用耕植土类有机质土。故其黏聚力较低，不利于土壤的抗侵害，达不到水土保持的效果。

由于高次团粒喷播和团粒胶囊喷播采用了粘结剂材料，增强了土壤颗粒间的黏结力，同时添加了长5～7 cm的稻草纤维作为加筋材料，其黏结力的增加更为显著。但因高次团粒喷播采用的是渣浆泵输送，只能在枪口前另加稻草纤维输送管路，这造成高次团粒喷播的管路和枪口极其易堵，可靠性明显降低。而团粒胶囊喷播和客土喷播采用活塞式泵输送，稻草纤维可直接添加在输送材料中，可靠性增强。

表1 喷播技术比较

由于液力喷播采用泥浆泵或离心泵输送方式，虽也可添加粘结剂材料，但无法添加长5～7 cm的稻草纤维。

由于团粒胶囊喷播有含水率较低的固体团粒作为骨架，并以外层的团粒剂作为团粒间的粘结材料，故形成了一种蜂窝结构，这是抗压缩性能的最佳结构，也是其抗冰冻损害能力、抗干缩膨胀能力、抗风化能力和抗水流侵蚀能力较强的原因。

2.5 理化性状

植土土壤的理化性状改变越小，对植物的生长和长时间存活越有利，适合种植的植物范围也越广。

液力喷播和高次团粒喷播采用的泵送方式导致植土中的粘土部分被严重液化。虽然增加了土壤与根须的贴合能力，但这种物理性能的改变增加了土壤“点石成金”效能的恢复时间，消弱了植物的适应性能。这是因为渣浆泵和泥浆泵输送时，土壤必须彻底液化，而土壤颗粒中一般含有60%以上的小于0.075 mm粉粒和小于0.005 mm的粘粒，在土壤未自动恢复形成0.5～10 mm团粒的90 d之前，如果遭受水流侵害，将会造成水土流失。同时添加的团粒剂也部分改变了土壤的化学性能，对种子的发芽率有影响，特别是在掺量超过0.1%时，影响明显增加。

由于客土喷播未掺加团粒剂，其土壤物理化学性能基本没有改变，最适合于植物的发芽和生长。团粒胶囊喷播通过局部的添加团粒剂，给植物的发芽和生长提供了局部有利的发芽生长空间，优于液力喷播和高次团粒喷播。

结合其他措施，基层采用客土喷播，表层采用带有团粒剂的喷播方式较为合适。

2.6 黏聚力

喷播在岩石或喷锚混凝土面上的基材，黏聚力越大，附着力越大，在边坡上的抗滑能力越强，抗侵害能力越好。

由于液力喷播和高次团粒喷播的团粒剂搅拌时间达5 min以上，播散更加均匀，喷着在基面上也比较均匀，黏聚力和附着力大。但根据实际施工情况看，这只是早期现象，超过90 d后，黏聚力和附着力明显衰退，后期在高陡边坡上不足以抗拒水流的冲刷。黏聚力早期高后期低的特性与混凝土早期低后期高较为不同，这导致高次团粒喷播使用分层施工工艺时不能与加筋麦克垫或三维植物网同时应用。这是因为附着在加筋麦克垫上的后面层黏聚力大于先施工的第一层附着力，造成接合面的局部脱空，从而影响植物的生长，更不利于坡面植物的抗风。

团粒胶囊喷播的黏聚力稍小于高次团粒喷播，不加团粒剂的客土喷播则更小，团粒胶囊喷播和客土喷播在基层时不存在分层施工问题，但在高陡边坡上尚不能直接采用上述喷播技术，还必须结合其他措施才能解决高陡边坡上的抗侵害问题。

2.7 养分

植物生长需要适宜的养分，主要养分包括氮、磷、钾，次要养分有钙、镁、硫以及其他的微量元素，也需要适宜的有机质，但氮含量超过6%或有机质含量超过50%时，植物会烧苗、烧根而死亡，过高的养分也不利于植物的越冬，会出现早期疯长，冬期营养不足而倒伏甚至死亡。

喷播基层的厚度一般为10～15 cm，养分总量相对有限，故喷播时一般均配比一定量的肥料和有机质等养分。

高次团粒喷播、液力喷播和客土喷播配比的养分都较多，但根据已有资料得知，肥料氮的利用率在农田里不足15%，其他部分处于流失状态，边坡上肥料氮的利用率则不到10%，流失的氮磷元素造成了严重的化肥污染。团粒胶囊喷播的肥料采用控释胶囊，使养分缓慢释放，这也是现代生态农业的前沿方向。虽然不加团粒剂的液力喷播播撒效率高且便利，但由于肥料的污染问题和粉、粘粒的流失问题终究会被淘汰，高次团粒喷播和客土喷播则还需采取其他措施控制肥料的污染问题。