三维植生网在黄河堤防边坡防护中的应用

张 峰

(德州黄河河务局齐河黄河河务局，山东 齐河 251100)

黄河下游堤防工程边坡常见为1∶3，其中土质边坡通常采用草皮防护，草皮防护是一种生物防护工程，是黄河下游标准化堤防的重要组成部分。黄河下游防洪工程的堤坡防护多年来一直采用单一草种进行生物防护，目前主要选用葛芭草草皮，该种草皮经过多年的实际应用，部分段落出现退化及杂草侵占问题，对大堤的养护管理增加了工作难度和工作量，部分接近城区的段落已不能满足工程管理和工程外观效果的需求。

1 概 述

三维植生网，是将热塑性树脂通过挤压、拉伸等工序后，形成的立体拱形隆起，上、下两层网格经纬线交错排布的三维结构，具有质地疏松、柔软的特性(见图1)。三维植生网的三维结构中，有90%的空间可供土壤充填和植物根系缠绕其中，草皮可以舒适、整齐、均衡的生长，使三维植生网、草皮、泥土表面牢固地结合在一起，形成了复合保护层，对边坡浅层起到加固作用[1]，具有抗水冲刷、固土蓄水、阻风滞水等功能。本文基于黄河下游堤坡防护改良的迫切需求和三维植生网的优良性能，对三维植生网在黄河下游堤坡中开展护坡试验，为三维植生网实际应用提供依据。

图1 三维植生网结构示意图

2 三维植生网护坡机理

三维网植生网护坡通过三个主要构成部分实现植被抗侵蚀作用[2]：一是植被层，通过自身致密的覆盖来降低降雨产生的地表径流速度和冲刷能量，防止雨水直接对边坡表层土壤造成冲蚀，减少土壤流失；二是腐殖质层，可起到一定的缓冲作用，保护边坡表层土壤；三是地下根系层，这部分对坡面的地表土壤加以固定，从而产生机械稳定的作用。在植物生长初期，单株植物形成的根系会呈现松散纠结的状态，与土层结合不紧密，难以起到保护土壤的作用。三维植生网护坡技术正是从增强以上三方面的作用效果来实现浅层保护的。在一定的土层厚度内，增强了植被层的保护性和机械稳定性；由于三维网的存在，植物的庞大根系与三维植生网的网筋连接在一起，形成一个板块结构，从而增加防护层强度，限制冲蚀引起的破坏进一步扩展(见图2)。

图2 三维植生网护坡结构示意图

土工网和植物护坡的优点相结合，可起到复合护坡作用。当边坡植被覆盖率达到30%时，可承受小雨的冲刷，覆盖率达80%以上时能承受暴雨径流的冲刷。当植物生长茂盛时，抵抗径流冲刷能力远好于一般草皮。土工网的存在，对减少边坡土壤的水分蒸发，增加入渗量有良好的作用。同时，三维植生网采用的聚乙烯材料具有吸热保温的作用，有利于种子发芽和植物生长。

3 黄河下游堤坡防护应用试验

3.1 试验区概况

黄河下游山东段属半干旱性气候，特点为冬长寒冷而少雨雪，春短干旱而多风沙，夏季炎热雨量集中，秋季晴朗而日照长。平均年降雨量600～700mm，主要集中在6—9月，年平均气温约14℃，月平均最高气温(8月)28℃左右，月平均最低气温(1月)-1～-3℃。黄河下游标准化堤防建设堤身填筑为统一标准，堤身土体多系砂壤土，黏粒含量10%～35%，分层碾压夯实，压实度不小于0.95，表层采用黏粒含量较多的红土包边，水平宽度为1m，土壤保水性较差，较干燥，除表层土外，堤身土壤含水量一般在10%以下。本次堤坡防护水土保持措施试验选择新建淤区段边坡作为试验的示范区。该项目位于黄河北岸齐河段，长度为200m。

3.2 试验方案

将试验区域划分为两个试验段，试验区坡长为12m，每个试验段均为100m×12m的矩形边坡，在同一试验段进行同一草种有网和无网两种工况的对比试验，即试验边坡上部6m不铺设三维网，下部6m进行三维网铺设，试验草种选用大堤广泛运用的葛芭草及试验草种狗牙根，分别种植于两试验段。试验主要检测项目包括植被成活率、生长速度、覆盖度及景观效果。

植被覆盖度的大小是影响防治效果的关键指标，本项目利用无人机生成项目区各措施边坡的高分辨率正射影像，通过对影像中植被信息的提取，计算不同措施边坡的植被覆盖度，监测时段分别为2019年5月11日、8月7日和11月15日，分别代表措施实施初期、植被生长期和植被生长季结束后，能够充分反映不同植被措施主要时期的生长状况。播种后采用5点取样法测量植株高度，每15天进行1次测量，取平均值作为生长速度数据。

3.3 施工流程

a.平整坡面。人工修整坡面使之达到到设计坡比，清除坡面杂物，确保坡面保持基本平整。在边坡的坡顶、坡底位置，沿边坡走向，各开挖一条矩形沟槽用于固定。

b.铺设三维植生网。三维网宽幅2m，每捆长度100m，厚度12～14mm，三维网铺设从堤顶开始向堤脚顺延，每道三维网沿坡面横向铺于坡面上，网与坡面之间保持平顺结合。每道网之间要相互搭接10cm，上一道网压下一道网，依次向堤脚推进。三维网铺于坡顶时需延伸30～40cm，并在堤肩外缘开槽埋于土中并压实；段落端部沿堤坡由上而下也需开槽将网端埋入槽内压实固定。

c.三维植生网固定。将三维网自下而上用φ6以上的U形铁丝固定，U形铁丝长约15～20cm，宽约8mm，U形铁丝间距约1.5～2.5m，铁丝中间插入枝条进行辅助固定。

d.回填种植土。一般在三维植生网上部网包内回填客土，覆土厚度以网包层不外露为准，不小于2cm。

e.播种。草坪播种要求种子均匀地撒在坪床上，并使种子掺和到1～1.5cm的土层中。由于本试验段位于堤坡上，且工作量较小，因此草种撒播采用人工方式。种子均匀撒播后，为保证草种和土壤颗粒的紧密结合，采用正向作业，向前用园艺钉耙平趟，目的是使种子和土壤紧密接触，同时避免浇水冲走种子。

f.养护。施工结束后，覆盖无纺布防止阳光暴晒和坡面径流冲刷，保持表层湿润，促进植物种子发芽，在草种萌芽期根据气温、降水情况对草皮进行适当洒水养护。

4 试验效果分析

4.1 试验效果

在一个生长期内，对试验区植被成活率、生长速率、覆盖度及景观效果进行监测(见表1、图3)。

表1 试验指标观测结果

图3 生长速率监测结果

结果表明，铺设三维网的试验段植被成活率、覆盖度、均匀程度和生长速度明显好于没有铺设三维网的区域。2019年8月，台风“利奇马”过境期间带来的持续性强降雨，对试验边坡造成了严重冲刷，没有铺设三维网的两个试验区域，均出现了3～5cm左右冲沟，到下半段铺设三维网区域时便没有形成冲沟，这说明三维网的铺设极大地提升了边坡的抗冲刷能力，有利于维持边坡稳定性。在狗牙根和葛芭草的对比试验中，可以明显看出，狗牙根与三维网的结合使用，各项监测指标明显好于葛芭草。

4.2 经济效益

以本次1200m2试验段作对比，若采用混凝土空心预制块护坡需工程投资74100元，采用三维网植草护坡实际投资7155元。根据试验段采用三维网进行植草护坡的应用情况，进行三维网植草护坡与传统混凝土空心预制块护坡施工成本对比分析(见表2)。

表2 成本对比分析

从表2分析可知，三维网植草护坡与传统混凝土预制块护坡相比，投资节省66945元，可降低成本90%，工程造价仅为同等面积混凝土预制块护坡的1/10。且三维植生网植草防护施工方便、造价低、见效快、效果好，只需做适当的季节性修剪工作，产生的经济效益非常可观，在土质堤防边坡生态防护中具有较好的推广应用前景。

5 结 语

三维植生网不仅可促进护坡草皮的定居与生长，使黄河下游堤防边坡稳定性、抗冲刷能力得到显著提升，而且该材料性能稳定、成本较低、施工简便，同时，具有良好的生态效益，起到保持生态平衡、改善环境的温湿度、净化空气等作用，具有显著的社会效益，在黄河下游堤防边坡防护中有较好的应用前景。此外，狗牙根与三维网结合使用的效果要好于葛芭草单一植物措施及葛芭草与三维网的结合使用，因此，在三维网实际应用时，建议选用狗牙根结合使用进行边坡防护，以取得最好的边坡防护效果。