船上湿喷植被混凝土生态护坡技术应用研究

2021-02-23叶建军姜泉泉柯鹿鸣

湖北工业大学学报 2021年1期

叶建军，姜泉泉，柯鹿鸣，唐韬

(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)

随着“十三五规划”的日益推进，生态文明建设理念逐步深入人心，边坡的治理工作也开始受到重视。从人工植草到机械喷播，生态护坡技术得到了空前的发展。机械喷播施工工艺从喷射机械的固定方式上分为：固定式施工工艺和可移动式施工工艺。固定式施工工艺在施工时不能移动机械，适用于工程量较小或边坡较为集中的项目，最常用于干式喷播生态护坡技术(干喷技术)中；可移动式施工工艺在施工时可以根据现场需求随时移动机械，一般以汽车作为运输载体，机动性能好，常用于干喷、湿喷和客土喷播等各项施工技术中，应用范围广，是目前最常用的施工工艺。

20世纪90年代末我国开始使用干喷生态护坡技术，其中典型的是干喷植被混凝土技术[1]，即通过喷播机械将带有草种的基材与水接触，喷射至边坡表面，形成多孔稳定的的土壤结构。该技术自问世以来，已应用于全国多个省份，边坡复绿面积超过5 000 000 m2，获得了广泛的应用，且恢复效果良好。但该技术存在施工效率低，有大量粉尘的缺点。为了解决以上的弊端，有必要采取施工效率高、空气污染程度小和喷射回弹量低的湿式喷播生态护坡技术(湿喷技术)来代替干喷技术。叶建军等[2]发明了一种湿喷植被混凝土生态护坡技术，首次采用湿喷技术喷播植被混凝土，并且在原有基材配方和添加剂的基础上进一步改良，具有广泛的推广前景。

随着人们对于生态的重视程度进一步加强，邻水边坡(如水渠、水岸消落带等)的绿化也开始进入人们的视野中，对于一些邻水且周围没有道路接近的边坡，车辆无法提供喷播的作业平台，船上施工即成为唯一可行的施工方案。为了有效解决水上施工的难题，首次提出船上喷播的施工工艺，该工艺可以适用于干喷、湿喷、厚层基材喷播以及客土喷播等任何施工技术。本文以花马湖水系连通渠项目为例，介绍船上湿喷植被混凝土的生态护坡技术，为后期同类工程提供参考。

1 船上湿喷植被混凝土生态护坡技术

船上湿喷植被混凝土生态护坡技术是一种采用湿喷方式喷射植被混凝土基材和绿化添加剂，利用船舶与客土喷播机配合，共同完成水上作业的生态防护技术。该技术使用船舶作为运输载体，经项目实践证实可以有效的解决邻水边坡车载施工难题，具有生态效益高、养护成本低等众多优点。结合下面内容具体介绍此项生态护坡技术。

1.1 施工机械

船上湿喷植被混凝土生态护坡技术在应用过程中会使用到客土喷播机、船舶、筛土机、强制式搅拌机、推土机和装载机等施工设备，设备的具体参数和数量以项目的规模、资金和环境状况等因素确定。

场地的布局依据施工最便利原则，尽可能的减少资源的损耗。一般来说：为了方便施工，强制式搅拌机和筛土机相邻布置；材料堆放区与溜槽之间的距离不宜大于1000 m；壤土与筛土机之间的距离不宜大于2000 m；溜槽的位置宜选用坡面较为平坦且坡度不大于45°的边坡处；船舶的外形设计和船上机械布置如图1、图2所示(A、B、C、D的实际尺寸视施工现场情况定)。

图 1 船舶外形

图 2 船上设备布置

1.2 施工工艺

船上施工工艺与车载施工工艺存在差异，重点在以下几个方面作出解释。

1)基材输送邻水边坡或水渠蓄水后，自卸式铲车无法在渠底行驶，这极大的限制了湿喷基材及草料的输送。为解决这个问题，施工现场需设置一个由铁皮制成的溜槽和管道，用于输送泥浆。其他湿喷基材可通过开辟施工便道由自卸式铲车运送至岸边，然后置于船舶操作平台上，供工人拌合基材使用。溜槽见图3。

图 3 溜槽

2)水上湿喷植被混凝土水上喷播在装料时用绳索来固定船只，使其在装料过程中平稳的停靠在岸边，以确保船上施工人员与机械的安全；装料过程中船体距离坡岸的距离较近，掉头不便，可在船上固定一根竹竿，装料结束后，借助竹竿对于坡面的反向作用力，同时在船用挂机的协同驱动下完成掉头；喷射过程中，由于水的浮力以及喷枪反作用力的存在，会使船在喷射过程中存在摇晃或后退的现象，为了解决这一弊端，在喷射时注意开动柴油机和船用挂机，逆向驱动挂机旋转桨以控制船的方向，保证喷射效果。

湿喷植被混凝土技术是利用喷播机械将基材与水混合，搭配专利绿化添加剂产品[3]，喷射至待修复边坡的表面形成基质层，为土壤贫瘠地区提供植物的立地环境。所用技术是对原有植被混凝土技术在基材配方和绿化添加剂方面的升级，可以改善土壤性质，提高植被的成活率。基材配方是保障植物存活的关键[4]，合理的配合比需要经过试验和现场的反复优化，不同含量的材料配比会对土壤的抗侵蚀性、整体抗滑力、孔隙水压力以及根土复合抗剪强度等有一定的影响，在实际项目中可以根据现场的突发状况进行适时调整，以达到最佳的生态绿化效果。绿化添加剂对于土壤和基材降碱具有至关重要的作用，是专利产品应用于实际项目的良好实践，经证实已取得了理想的恢复效果，具有较大的应用前景。基材的具体配合比见表1。

表1 基材配比

3)养护科学合理的养护方法能够提高边坡植被的成活率，是确保施工质量的关键一步。船上施工可直接使用抽水泵抽取水渠中的水至喷播机料斗中，借助喷枪喷射洒水，达到节约施工用水，提高施工效率的目的。喷洒过程中要尽量抬高喷头使喷出的水产生雾面效果，同时要遵循少量多次的原则，避免冲刷土体。养护的时间段要避开中午，早晨和傍晚各一次[5]。

1.3 施工注意事项

为了避免施工过程中出现的安全和质量问题，需要做到以下的几条。

1)水上施工时注意船舶的平衡，严禁超载，防止翻船。

2)为减少施工中出现柴油机漏油情况，需定期对喷射设备进行检查。

3)船上施工中的废弃包装袋不得随意丢弃到水中，以防水体污染，应放至专门区域，集中处理。

4)船上施工过程中禁止使用明火，禁止乱接电线，以防发生触电危险。

5)在溜槽2/3位置处设置钢筋梯，避免坡面过滑造成人员伤亡。

1.4 船舶运输与汽车运输的区别

船载施工与车载施工存在显著的差异，两者的对比见表2。

表2 船舶与汽车运输的对比

通过以上两种运输设备的对比表明：由于运输速度的限制，用船施工的效率要远远小于用汽车，从成本上来说，由于船用喷射设备是特制的，没有工厂的批量化生产，需要耗费较长时间来制作，综合下来，费用会比汽车高很多，显然车载施工是喷射技术的首选。但在有水边坡的施工环境下，船载施工可以完美的代替车载施工来完成施工任务；用船施工可以简化施工步骤，直接使用现场的水源，边抽边用，耗时较少；由于水渠蓄水较深，铲车无法到达渠底，用溜槽代替铲车直接输送，可以免受地形限制，确保施工的正常进行；从对环境的影响上来说，汽车在水渠中施工时，对水体和土壤的污染程度要大于用船施工，生态效益较差。

与汽车施工相比，船上施工在人员配置方面也略有不同，首先，船上施工需要配备一名舵手，控制船舶航行的方向；其次，需要一名机械控制人员，控制溜槽和筛土机的运作情况，保证基材可以顺利的投入料斗中。

2 首次工程应用

2.1 工程概述

花马湖水系连通渠生态护坡工程位于湖北省鄂州市，是顺丰国际机场建设的配套工程。最初拟采用喷射混凝土护坡方式，喷播面积约40 000 m2，后建设单位考虑到生态景观和环境协调等多方面因素，决定使用植被混凝土生态护坡技术(车载)，并计划7月份将水渠通水。自6月份开始，连续的降雨导致渠内大量积水，加上上游开闸通水期已至，基于上述情况，必须采用船上施工。下面结合花马湖水渠的绿化过程详细介绍船上湿喷植被混凝土生态护坡技术。

2.1.1 工程条件花马湖水系连通渠是新建花马湖上湖、中湖连接通道，全长2.2 km，设计流量80 m3/s，设计坡度为30°～60°，设计蓄水深度4.3 m，且穿过2个超过50 m高的山头。该连通渠所在边坡为典型的岩质高陡边坡，采用传统喷射混凝土护坡方式危险性高，施工难度大，绿化效果差，且土壤驻留能力差，不利于植物根系的生长，无法实现与周边环境的有机融合，违背了绿色发展的理念。为解决以上弊端，本工程采用湿喷植被混凝土生态护坡技术对开挖的边坡进行生态修复：设置截流沟和排水沟(60 cm×60 cm×60 cm)；坡面打锚杆(φ25，间距1000 cm×1000 cm)+铁丝网(双层14#包塑铁丝网)或钢筋网(φ6.5，间隔500 cm×500 cm)形成护坡体系；使用客土喷播机喷射基材，喷射厚度不小于10 cm，洒水养护完成施工。该连通渠的典型断面图见图4。

图 4 花马湖水系连通渠桩号YJ0+450(左岸)断面

2.1.2 自然地理条件鄂州市地处114.32°～115.05°E，30.01°～30.36°N，属亚热带季风气候，降水主要集中在6～7月，年平均降水量1400 mm，白天的平均温度为10.8℃，夜间为4.3℃，土壤类型为水稻土、潮土和红壤土(所用的客土主要为潮土)，其理化性质见表3。

表3 连通渠所在地土壤理化性质

对土壤理化性质的分析表明：该地土壤呈弱碱性，氮、钾和有机质的含量较高，磷的含量严重不足。同时，为了提高基材的强度和粘性，在配方中需要加入水泥，由此土壤的pH值进一步加大。为了调节其pH值，加速基材的活化，喷播中应用到新型的专利产品“改进型植被混凝土绿化添加剂”。

2.1.3 突发状况前期开挖的水渠挡墙施工，并未达到通水条件，渠内积水很少，仅在降雨时积水较深，此时边坡喷射运输设备采用两台汽车进行运输。中后期渠底挡墙施工人员完工离场，达到通水时间节点，上游开闸放水，水渠蓄水深度达到3.5 m，造成车辆无法通行，车载施工技术受限，致使施工进度延期。工程项目部需要选取最佳施工方案，以保证在计划工期内完成施工任务。

2.1.4 施工方案选择由于水渠环境的限制，原有的车载施工必须要进行优化才能保证施工进度的顺利进行，本文结合工程实际情况选取了四条预选方案进行比选，挑选出最优方案，从而达到理想的施工效果。比选方案见表4。

表4 施工方案比选

综合来看，以上方案中：方案一用抽水泵抽水对前期渠内积水少，且天气状况良好的施工条件下较为适用，但由于后期出现的突发状况，该方案存在众多弊端，故不适宜采用该方案；方案二的投资较大且存在喷播不均现象，施工效果较差；方案三的施工效率低，危险程度高，对于工期实现和人员安全的保障都极为不利；与其他方案相比，方案四对于施工效率和安全程度的优势明显，能较好的完成施工任务，经过对比最终决定用船舶施工。

2.2 施工机械

2.2.1 机械参数为提高施工效率，本项目采用两艘船和两台装载机同时施工，对本次施工使用的机械进行了数据收集，各施工机械相互配合，有效的提高了施工效率，可以为后期类似工程提供技术参考，机械参数见表5。

表5 施工机械性能参数

2.2.2 船舶设计参数本船在黄石造船厂完成设计与建造，经鄂州市船检所检测，左舵叶、舵杆检查、左舵杆与舵叶与轴系中心线偏离情况检查(设计要求值小于等于4 mm，实测值3 mm)与证书相符、舵叶与舵杆焊接结构完整、线性、尺寸符合图纸要求。使用车辆运输至施工现场，下水后安装栏杆扶手、固定装置，测试合格后配备2名操作工人，用于花马湖水系连通渠边坡喷播与绿化。

该船船体结构为纵横、混合骨架式，单底、单甲板全电焊结构钢质机动甲板船，动力设备采用1个功率为20.2 kW的柴油机和一个功率为5.9 kW的船用挂机。船舶尺寸(长×宽×高)采用7 m×4 m×1.2 m，设计吃水深度0.5 m，满载排水量为8.3 t，空载排水量为3.8 t，抗浮能力达到15 t。船舶的示意图和船体外观尺寸见图5、图6。

图 5 船舶示意

图 6 船体外观尺寸 mm

2.2.3 场地布局合理的布置方案对于施工效率的提升有着至关重要的作用。本项目属于高陡且有水的岩质边坡环境，基材输送存在困难，溜槽的位置宜选择坡面较为平坦的二级边坡；搅拌机与筛土机相邻；结合现场材料和壤土的堆放位置，给出的场地平面布局图见图7。

图 7 场地平面布置

3 结果和展望

通过采用船舶运输，在保证施工质量、施工安全和施工环境的前提下，最大化节约了施工成本，保证在水渠通水的情况下还能正常施工。同时也是首次在边坡绿化工程中使用船舶，开创边坡生态防护领域新的运输方式，和湿喷植被混凝土生态护坡技术一起首次应用在花马湖水系连通渠的边坡项目中。对喷播三个月后的边坡随机取样，选取30组1 m×1 m面积的样地进行观测，经计算植被覆盖率达90%，整体绿化率达95%。分别从每组样地挖开4～6个试块检查植物根系的生长状况，发现主根和各级侧根已贯穿整个喷层，植被根系发达，边坡的绿化效果显著。用船喷播的施工效果见图8～10。