湿喷植被混凝土生态护坡技术在水渠边坡工程中的应用

2020-08-04叶建军陈阳阳

水土保持通报 2020年3期

叶建军，陈阳阳，黄涛

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068； 2.武汉康习环保科技有限公司，湖北武汉 430000)

大规模工程建设形成的工程边坡，带来了生态环境破坏和地质灾害隐患。对边坡进行防护的同时修复坡面生态系统，近年来成为工程界努力追求的目标。这催生了一个新的领域——生态护坡。在过去的30 a多时间里，伴随大规模基础建设，国内工程技术人员在借鉴国外先进经验的基础上，开发出了种类繁多的生态护坡新技术，如客土喷播技术、厚层基材喷播技术、植被混凝土生态护坡技术(初称植被混凝土护坡绿化技术)、防冲刷基材生态护坡技术、液压喷播护坡技术、框格梁填土护坡技术、喷混植生护坡技术、植生带生态防护技术、三维植被网护坡技术、土工格室生态护坡技术等[1]。其中，2000年前后三峡大学许文年等[2]、王铁桥等[3]发明的植被混凝土(vegetation-compatible concrete，VCC)生态护坡技术是其中杰出代表。该技术是将水泥、壤土、有机质、植物种子、肥料及植被混凝土添加剂按配比混合得到植被混凝土基材(简称基材)，再利用喷射机喷射到需要生态防护的边坡(一般要先在坡面施工锚杆和挂网)上，最后洒水养护。该技术自问世以来一直采用干喷工艺(使用干式喷锚机)，已大规模应用在各类生态护坡工程中[4]。通过大量工程实践，发现该技术(干喷工艺)具有施工机械设备易获得(可利用现有干式喷锚设备，不必专门开发机械设备)、基材喷层护坡性能和抗冲刷性能良好的优点；但也存在基材板结、pH值较高、部分植物发芽率低的缺点。另外，干喷工艺固有的缺点—效率低、粉尘污染大、喷枪手劳动强度大和安全风险高也无法避免。虽然过去的10 a多期间陆续开发了一系列专利技术(如改进型植被混凝土绿化添加剂制备方法[5]，一种植被混凝土改良型微生物菌剂及其制备方法[6]等)，克服了原有技术的部分缺点(如基材板结和发芽率低)，但干喷工艺固有的缺点一直存在。

为了克服植被混凝土生态护坡技术干喷工艺存在的问题，扩大该技术的应用范围，我们通过借鉴湿式客土喷播工艺[7]，改进植被混凝土基材配方和开发新型添加剂等技术途径，开发了湿喷植被混凝土生态护坡技术[8]。本文介绍了该发明的主要技术特征和首次在水渠边坡治理工程中的应用情况，以期验证其先进性和实用性，为工程边坡生态防护提供参考。

1 材料与方法

1.1 湿喷植被混凝土生态护坡技术

湿喷植被混凝土生态护坡技术在原有植被混凝土基材配方、植被混凝土添加剂、喷射机械等方面进行了改进，湿喷植被混凝土的配方见表1，该技术相对于原有技术的主要区别见表2。

表2 植被混凝土干喷工艺与湿喷工艺对比

表1 新拌湿喷植被混凝土配方

表1给出的湿喷植被混凝土配方选用材料常见，多数材料是当地材料，能够有效控制建设成本。配方中用量最大的是壤土，在使用前需要了解壤土的类型及其他性质(含水量、pH值、养分含量)，以便优化配方设计。湿喷植被混凝土添加剂为研发的新型专利产品[9]，经过多道工序加工制备而成，能显著改善植被混凝土基材的施工性能、土壤结构及pH值等性能。该湿喷基材配合锚杆、铁丝网或钢筋网等坡面防护体系，共同为边坡创造稳定的生态系统提供基本物质基础。

通过上表两种施工工艺对比表明，在基材配方上，湿喷植被混凝土配方在原有干喷植被混凝土配方的基础上，使用长效肥替代部分普通复合肥改善湿喷基材后期的营养状况；加入草纤维及土壤黏合剂提高了基材整体性与附着性；以湿喷植被混凝土添加剂替代以往的绿化添加剂不仅能有效改善基材的pH值和养分供给，还能显著提高新喷基材的早期黏聚性，防止基材脱落，提高植物抗旱能力，加速边坡植被恢复进程并建立稳定坡面生态系统。

相对于干喷工艺中喷枪手需要用安全装置站在陡坡上手持喷头喷射植被混凝土基材，湿喷工艺中的湿喷机械上有专供操作人员工作的平台，湿喷的泥浆状基材可以喷射数10 m远，操作人员不必上到坡面，因而湿喷操作更加轻便和安全，几乎没有喷射灰尘。湿喷机械设备已实现国产化，成本比干喷低10%～15%；湿喷每天喷射量≥500 m2/d，施工效率是干喷的2.5倍以上，节约人工费5%～10%，综合经济成本可节约5%～15%。这表明，对于路上边坡(或施工平台以上的边坡)，湿喷工艺占有明显的优势。

在湿喷基材喷射施工中，存在一对根本的矛盾需要解决，即：为保证基材喷射不堵管和喷射距离远，需要基材黏度小、流动性大；而为了使基材在坡面附着，需要新喷基材的黏度大和流动性低。这对矛盾必须妥善解决，才能让湿喷植被混凝土技术有广泛的应用(特别是可用于陡坡)。本发明通过以下措施解决：在湿喷基材中使用吸水型土壤黏合剂，这种有机土壤黏合剂连同无机胶凝材料——水泥、石膏(主要是水化作用时产生的阳离子)共同作用，使分散在水中的黏土颗粒发生絮凝，在保证基材拌合物的有合适流动性的前提下，显著提高了新喷基材的附着性；在基材中加入了短植物纤维，能显著提高新拌基材的整体性；在湿喷植被混凝土添加剂中加入适量石膏，利用石膏本身的快速凝结与硬化、铝酸三钙、硅酸三钙的快速水化生成的凝胶以及石膏与硅酸三钙、铝酸三钙反应生成钙矾石, 迅速降低新喷基材的流动性；伴随着水泥中硅酸钙的继续水化反应和游离水分的蒸发，进一步提高新喷基材的黏聚性和抗侵蚀性。采用多次分层施工工艺，减少每次喷射厚度，使新喷基材能黏结在硬化后的喷层上，且新喷基材中水分能被旧喷层吸收一部分，降低新喷层的流动性。这些措施联合作用解决了湿喷工艺的流动性与黏聚性之间的根本矛盾。后期的工程应用也验证了这个观点。

1.2 新技术在花马湖水渠边坡工程的首次应用

1.2.1 工程概况花马湖水系连通渠连接花马湖上湖、中湖，位于鄂州市沙窝乡新湾村。渠道总长度1 004.2 m，宽度40 m，渠底至坡顶截水沟高度在5～67 m之间，边坡坡度在35°～80°之间。该连通渠左岸有施工料场，右岸毗邻当地池塘，上游与下游各有施工便道穿行，上游设置有闸口，下游设有涵管，防汛排涝。根据甲方要求，边坡覆绿植物以草灌为主，草本、灌木、花卉相结合，施工完成后3个月内覆绿率达到90%。该工程的典型断面见图1。

图1 花马湖水渠边坡绿化工程YJ0+250桩号断面图

1.2.2 自然地理概况

(1) 气候条件。该区域位于亚热带季风性湿润气候区，属鄂东南和鄂南的沿江平原气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨，梅雨期较短。年均气温16.8 ℃，年均降水量1 282.8 mm，年均无霜期266 d，常年主导风向为东南季风。

(2) 水文地质条件。本水渠设计蓄水位深度为3.5 m，在每年6—10月汛期来临时蓄水排洪；地形主要以东西走向的低山丘陵为主，境内主要有白雉山、峰尖子山和早山；地貌较为单一，以丘陵地貌为主，遍布有较多的稻田、棉花地以及少数的沟渠、池塘，表层均为耕植土与腐植土；坡面岩石以含泥质长石石英砂岩层、风化灰岩、含泥质粉砂土岩层为主，岩层破碎、风化严重，局部存在倒坡现象。

(3) 植被状况。该区域土壤肥沃、气候适宜，草本、灌木、乔木、花卉类植物众多，整体植被覆盖率高达90%，对花马湖流域典型植被进行调查，主要有以下植被类型：①乔木。有刺槐、杨、柳、马尾松、桑、马尾松、香樟、构树、臭椿、广玉兰、油茶、山鸡椒、冬青、楠木、苦楝、白玉兰、枇杷、合欢、栾树、柿、泡桐树、侧柏、水杉、榆树、槭树等；②灌木。有牡荆、连翘、蔷薇、紫荆、火棘、胡枝子、杜鹃、盐肤木、多花木兰、小叶女贞、黄杨、枸骨、黑莓、乌药、木槿、紫丁香、夹竹桃、无花果、柠条、紫穗槐等；③草本。有马唐、狗尾草、牛筋草、青蒿、茴蒿、白茅、芭茅、竹、黄背草、马鞭草、夏枯草、益香草、阴行草、车前草、水菖蒲、芒草、香附子、鬼针草、芍药、野菊花、鸡冠花、紫罗兰等。

1.2.3 主要设计技术参数

(1) 生态护坡设计。连通渠边坡原设计采用喷C20混凝土护坡方式，后来考虑到生态环境保护及工程景观效果，决定渠底至3.5 m高程采用现浇混凝土挡土墙，3.5 m以上(包括一级、二级平台)采用湿喷植被混凝土生态护坡。边坡设置坡顶截水沟及坡面排水沟，其内截面尺寸均为60 cm×60 cm；在坡面打锚杆(包括长锚杆和短锚杆)挂铁丝网或钢筋网(钢筋网只在局部坡面使用，直径为Φ6.5 mm光圆钢筋，间隔500 mm×500 mm)，实现对边坡的防护；喷射植被混凝土基材喷层厚度10～12 cm。

(2) 机械设备选择。施工现场选用的机械设备有：JS1000强制式搅拌机，ZL930型农用装载机，50型震动筛土机，HKP-125型湿式喷播机。它们搭配合理，施工效率高、用工较少，能够满足正常施工需求，节约施工成本。

(3) 基材配比。根据施工创面的特点和坡面立地条件，确定湿喷植被混凝土基材由壤土、水泥、湿喷植被混凝土添加剂、有机质、长效肥、普通复合肥、土壤粘合剂组成，包括基层和面层，基材配比为：基层(壤土0.5～0.6 m3/m3，水泥30～40 kg/m3，湿喷植被混凝土添加剂30～40 kg/m3，有机质0.12～0.15 m3/m3，长效肥0.6～0.8 kg/m3，复合肥0.5～0.7 kg/m3，土壤黏合剂0.1～0.2 kg/m3)，面层(壤土0.5～0.6 m3/m3，水泥20～25 kg/m3，湿喷植被混凝土添加剂20～25 kg/m3，有机质0.1～0.12 m3/m3，长效肥0.9～1.0 kg/m3，复合肥0.6～0.8 kg/m3，土壤黏合剂0.2～0.3 kg/m3，植物种子150～200 g/m3)。

其中，有机质中草纤维的体积占40%～50%，腐烂的稻壳或酒糟的体积占50%～60%；草纤维采用长度为20～80 mm的碎稻草或碎麦草。土壤黏合剂选用聚丙烯酰胺，兼作保水剂。长效肥采用长效复合肥，其中氮磷钾含量分别占37.5%,50%,12.5%；普通复合肥中氮磷钾含量分别占50%,25%,25%。

(4) 植物选择与配比。依据恢复生态学的理论总结出的裸露的岩石边坡的生态修复规律[10-11]，在进行植物配置时应遵循不同生态位的植物相搭配的原则，即深根和浅根植物相结合，草本和木本植物均兼顾，先锋和建群植物都使用。

根据上述植物配置原则及边坡植被对耐旱、耐寒、耐贫瘠要求，结合考虑市场供应，确定了使用植物种类为：多花木兰(Indigoferaamblyantha)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、白三叶(Trifoliumrepens)、盐肤木(Rhuschinensis)、狗牙根(Cynodondactylon)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、高羊茅(Festucaarundinacea)、早熟禾(Poapratensis)、野花组合(俏江南)。植物种子在春夏秋冬季节对暖季型草种与冷季型草种用量进行了相应调整(必须指出的是，冬季和深秋施工时植物发芽率低，应尽量减少或避免)，具体配比见表3。

表3 植物种子配比 g/m2

(5) 湿喷植被混凝土生态护坡技术施工工艺。本项目的施工分两个阶段，第一阶段为施工长锚杆(局部钢筋网)护坡。待注浆完工后，开始第二阶段施工——湿喷植被混凝土施工。施工长锚杆护坡为成熟工艺，本文不详述。

湿喷植被混凝土生态护坡技术施工工艺流程：清理坡面→截排水施工和锚杆挂网施工→喷射植被混凝土→养护管理→竣工验收。由于清理坡面、截排水施工、锚杆挂网、养护管理、竣工验收等环节与以往干喷植被混凝土施工工艺并无显著差异，此处不再详细论述；仅在配置植被混凝土基材时与干喷工艺存在差别，具体为：①湿喷植被混凝土配制。按照给定的基材配比，将种植土先过网筛去除大于0.75 cm的砂砾，再将筛出的细土置入强制式搅拌机，加水拌合成泥浆，通过铁皮制作的溜槽流入客土喷播机料斗，然后加入水泥、有机质(草纤维、稻壳、酒糟)、长效肥、普通复合肥，充分拌合2～3 min使其均匀；最后将湿喷植被混凝土添加剂、土壤粘合剂、植物种子一起倒入料斗中搅拌，完成植被混凝土的配制。搅拌完成后的待喷时间不应超过10 min。②喷射植被混凝土。植被混凝土喷层包括基层和面层，多次分层喷射，基层喷射3～5次，面层(含植物种子)喷射1～2次。使用容量为7.2 m3的HKP-125客土喷播机喷射基材。喷射时间控制在15 min以内。

1.3 现场试验观测与指标计算

2019年3月施工后持续观测护坡、水土保持和植物生长情况，期间的天气状况见图2。

图2 施工期间天气状况

湿喷基材喷射3个月后(即2019年6月)采用样方调研法[12]，在人工边坡上选取两个典型坡面(陡坡和缓坡，大于60°为陡坡，小于40°为缓坡)，在上、中、下坡面等不同坡位分别设置以个1 m×1 m的样地，每个样地竖向间距至少为3 m，共选取6个样地，同时按照相同的方法在自然边坡选取样地。再统计人工边坡和自然边坡的植物类型、种类、数量，记录每个样方中植物的平均高度(选取测量20个样本取平均值)、植株密度(1 m2内植物的数量)、植物盖度(使用手机拍照，利用Photoshop软件处理，植被覆盖度像素与整张照片像素的比值就是植被的盖度)等指标的具体情况。根据现场试验采集结果，依据计算公式计算相关指标[13-17]，并利用Excel制作表格。

(1) Shannon-Wiener多样性指数。是反映物种多样性的重要指标，其指数越大，说明物种数目越多，不确定性也越大，公式如下：

(1)

(2) Pielou均匀度指数。反映样地中所有物种的分布状况，与丰富度有关，其指数越大，表明物种分布越均匀，公式如下：

(2)

(3) Simpson优势度指数。是对物种集中性的反映，其指数大，表明物种集中性高，公式如下：

(3)

式中：i=1，2，3…，s为物种序号；S为群落内物种总数；Pi为第i个物种的重要值比值。

2 结果与分析

2.1 护坡与水土保持效果分析

2.1.1 护坡效果边坡在长锚杆(局部钢筋网)和植被混凝土喷层的防护下，未发生深层滑坡；坡顶未出现新的裂纹或既有裂纹扩展现象；长锚杆未出现折断和脱落；铁丝网没有破裂和下滑；湿喷基材能够稳固地附着于坡面，在雨天边坡坡面未发生浅层滑坡；坡脚设置刚性挡土墙(钢筋混凝土挡土墙)，应力分布均匀，没有出现明显结构变形，保证了坡脚稳定；总体上，护坡效果显著，没有出现工程地质灾害现象。

2.1.2 水土保持效果在施工后的3个月里，喷层先后经历过4次暴雨考验(最大一次降雨量大于100 mm)，经历几场暴雨后基材能够覆盖绝大多数坡面和铁丝网，仅在局部陡坡(如倒坡、坡面渗水处)处出现了喷层流淌和剥落，不能覆盖镀锌铁丝网的问题(后期通过引离坡面水流和补喷的方式加以补救)。坡顶截水沟拦截了山体汇聚的雨水，避免了坡面直接受水流侵蚀；从基材新喷到植物发芽期间，遭遇大暴雨时，坡面出现过轻微面蚀和细沟侵蚀(平均厚度约1～2 mm)。但随着植物的快速生长，植物的茎叶越来越茂盛，坡面植被覆盖逐渐增强，雨水侵蚀逐步减弱；同时随着植物根系也对基材的加筋作用的增强，进一步增强了基材的抗侵蚀性。2个月后坡面水土保持效果很好，大暴雨时，坡面径流保持清澈。

2.2 植被恢复效果与分析

2.2.1 植被覆盖效果喷射施工1个星期后，缓坡区(小于40°)高羊茅最先发芽，接着狗牙根、百日菊、紫花苜蓿、紫穗槐相继发芽。陡坡区(大于60°)前期植物发芽率普遍较低，植物长势也低于缓坡区，但1个月后植被也能基本覆盖坡面，整体覆盖率达到90%以上。整体的工程景观绿化效果较为美观，能与周围的自然景观融合在一起，达到了预期的植被恢复效果，见图3。

图3 护坡植被恢复后状况

2.2.2 物种恢复效果在植物生长的过程中，发生了由基材壤土中携带草种或原地宿根或附近草种被风吹入坡面等本地植物入侵。主要入侵物种为稗草、狗尾草、藜、草木犀、凤仙花、商陆、竹、地肤、马唐、牛筋草、飞蓬、苎麻、黑麦草。这些本地物种虽一定程度上抢占了生存空间、土壤养分及水分，但也提高了坡面物种丰富度及物种多样性，避免坡面人工植物出现退化，利于早日建立稳定的适合当地气候的生态系统。根据以上试验观测数据与计算得到如表4结果。

表4 花马湖水渠边坡植被观测指标

从表4可知，施工3个月后，缓坡区的植被盖度、植物平均生长高度、植株密度明显高于陡坡区，植物中后期长势也更好；在Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson优势度指数上缓坡区与陡坡区接近，与自然边坡存在明显差异，说明边坡人工生态恢复难以在短时期内达到与自然边坡相同的状态。主要原因在于该边坡物种种类与数目和自然边坡存在差别，并且部分外来物种跟本地乡土植物相比适应性较差。可以预计，随着时间的推移，本地物种更多地侵入边坡，边坡生态系统的物种和结构将越来越接近当地生态系统。