快速植生垫护坡结构在航道工程中的应用

2021-09-26高衡东唐玉元

公路工程 2021年4期

李帆，高衡东，周俊，唐玉元

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410008)

0 引言

在航道工程中，传统的护坡结构型式为混凝土板块、膜袋混凝土、浆砌或干砌石等，这类结构由于隔绝了岸坡与河水之间的水土交换，带来了硬化、白化和渠化等“三化”问题，严重影响河流的生态环境。随着生态优先、绿色发展理念深入人心，近年来多种生态护岸结构型式被应用到实际工程中，快速植生垫即为其中一种。快速植生垫护坡结构具有抗冲刷性好、生态环保，耐久可靠和施工便捷等特点，在生态航道工程建设中拥有较好的推广前景。

1 快速植生垫

快速植生垫护坡结构由加筋麦克垫与高性能生态基材结合而成。将高性能生态基材喷播至加筋麦克垫空隙中，一方面，加筋麦克垫可保护生态基材免受水流侵蚀，另一方面，生态基材可促进植被生长，达到快速绿化目的。植被生长起来后，其根系与快速植生垫所形成的复合保护层，可为边坡提供较强的抗侵蚀防护(见图1)。

图1 快速植生垫组成及特点

1.1 加筋麦克垫

加筋麦克垫[1-2]是一种具有较好抗侵蚀性能的坡面防护土工材料(见图2)，其通过抽丝热粘工艺将聚合物网丝与双绞合六边形钢丝网面复合而成，具有多孔隙、高强度等特点。在植被没有长成前，加筋麦克垫可以保护土地表面免遭雨、水的侵蚀，深色网垫能大量吸收热能，增加地湿，促进种籽发芽生长。植物生长起来后，其根系与加筋麦克垫所形成的复合保护层，可为边坡提供较强的抗侵蚀防护(见图3)。

1.2 高性能生态基材

高性能生态基材[3]为防侵蚀功能的生物促进喷播基质，可利用专业设备拌种喷射于土表，即时覆盖形成一层均匀包裹种子的防侵蚀纤维植生毯，具有高覆盖、保水保温、加速生长的功能，达到快速成坪的优良绿化效果。其组成及特点见图4。

图2 加筋麦克垫示意图

图3 复合保护层固土防冲

图4 高性能生态基材组成及特点

2 试验研究

因快速植生垫由加筋麦克垫和高性能生态基材组成，故分别针对加筋麦克垫的抗冲刷性能和高性能生态基材的绿化效果进行试验，从而较好地了解快速植生垫的相关特性，以指导工程设计和应用。

2.1 抗冲刷试验研究

2.1.1试验目的

试验目的主要有3个方面：① 评估各种防护材料在不同工况和水流条件下的防护性能；② 了解金属网和植被根系对防护性能提高所作出的贡献；③ 分析总结材料失效时的流速，指导快速植生垫的设计和应用。

2.1.2试验内容

试验在一矩形水槽中进行，水槽宽1.2 m、长14.6 m(见图5)，将土体填筑成水平断面和斜坡断面(坡比1∶1.5),分别模拟河床或河岸的边界条件。共设置5种土体防护型式：无防护(裸露土体)、覆盖麦克垫(即无钢丝网面加筋的土工垫)、覆盖麦克垫+植被、覆盖加筋麦克垫、覆盖加筋麦克垫+植被。冲刷流速为0.6、2.4、4.3、6.1 m/s等4个级别。各工况下预设正常过流时长为60 h，当材料失效或性能失效时终止试验。材料失效是指防护结构撕裂或固定结构用的U型钉被拔起；性能失效是指水槽底部土体平均冲刷深度达2.5 cm的区域面积达50%以上。

图5 抗冲刷试验现场图

2.1.3试验结果

根据不同试验数据统计分析，得到以下结论：

1)加筋麦克垫在受到水流冲刷时，其稳定性能与洪水的流速和持续时间有关，各防护条件下的抗冲刷性能如图6所示。

图6 各防护条件的抗冲刷性能

2)在没有植被的情况下，当流速≥2.4 m/s时，防护均不到60 h便已失效，其中，麦克垫多为材料失效，加筋麦克垫多为性能失效。而即使在最大流速下，加筋麦克垫也未出现撕裂破坏。钢丝网面能够显著增强材料强度，从而有效应对高速水流的冲刷作用[4]。

3)植被能够增加防护层厚度，从而进一步加强整个体系的水土保持能力。在有植被情况下，加筋麦克垫能够承受流速6 m/s的水流冲刷8 h；当洪水持续时间达到60 h，能够承受流速3.6 m/s的水流冲刷；当洪水持续时间进一步增长，随着植被逐渐死亡失去作用，加筋麦克垫防护效果也逐渐下降并最终过渡到无植被防护，此时则仅能承受流速1.5 m/s的水流冲刷。

4)防护材料在斜坡断面上的应用要好于在水平断面上的应用，这是由于斜坡断面相对水平断面的糙率更大，从而使坡面所受水流的拖曳力作用相对较小。

综上所述，在使用快速植生垫进行边坡防护时，应将其布置在常水位以上等不会常年浸水的区域，同时要尽可能为植被生长留足时间，使植物根系与防护材料形成复合保护层，以提高整个体系的抗冲刷能力。

2.2 绿化试验研究

2.2.1试验目的和内容

为了解使用高性能生态基材后的植被生长情况和绿化效果，在长沙市郊区一处土质边坡上进行绿化试验研究。边坡坡比1∶2，试验面积约200 m2。将高性能生态基材与植物种子混合后利用专业设备喷射施工，在坡面形成一层均匀包裹种子的纤维植生毯。植物应根据气候区划和所处季节进行选型，并要求具有优良的抗逆性，同时采用至少2种以上的植物种进行混播。喷播完成后，无需特殊养护，每周现场记录评价植被生长情况。

2.2.2生态绿化效果

部分草本植物在喷播后第6 d即已发芽，部分野花组合和草灌植物在第10 d开始发芽，在播撒种子后15 d内，所有植物均已发芽。20 d后发现坡面植物幼苗最高可达25 cm，生长密度合理，草本植物长势旺盛。45 d后植物总体长势更加旺盛，坡面植被覆盖率达到90%，宽叶雀稗茂盛，木豆、多花木兰长势相对更好，最高已达50 cm以上，野花组合发芽生长较慢，部分开花。90 d后，边坡绿化效果很好，大部份草本退化，灌木生长旺盛，木豆高1～1.5 m，多花木兰、银合欢、宽叶雀稗生长良好，矢车菊、虞美人、孔雀草等花卉相继开花，植物种类丰富多样。

由试验结果可知，快速植生护坡结构生态效果显著。选择灌木、草本、花卉等多种植物混合播种，前期草本、花卉生长速度快，能在短时间内达到绿化效果，后期以灌木为主，发挥多种优良功能的混播植物群落，达到边坡永久绿化效果，与周围植被逐步形成顶级植物群落，实现植被演替过程，防止边坡植被退化。

3 护坡结构特点与工程应用

通过试验研究和实际工程应用，总结快速植生垫护坡结构具有以下特点：① 较好的抗冲刷性。快速植生垫本身的三维结构具有一定的抗冲刷能力，为植被生长创造有利条件。由于高性能生态基材对植被生长的促进作用，结构施工完毕后，结构表面即可快速绿化，植物根系与加筋麦克垫所形成的复合保护层，可进一步增加整个体系的抗冲刷性能。② 生态环保性。快速植生垫所用材料均为天然无毒无污染，具有保温、保水、加速植物生长及壮根功能，从而达到快速且良好的绿化效果，恢复周边生态环境。播种植物应适应于当地气候、所处季节和绿化要求等，我国各地区护坡植物类型可参见表1进行选择。③ 较高的性价比。当前应用较为广泛的生态护坡结构主要有土工网垫、石笼和植草砖等。如表2所示，快速植生垫综合单价虽高于土工网垫，但低于石笼和植草砖，是一种性价比较高的生态护坡结构。④ 耐久性。快速植生垫具有较好的化学和生物抗腐蚀能力，其中，聚合物网丝是一种惰性材料，抵抗紫外线和抗老化能力强；钢丝网面由低碳钢丝编织而成，钢丝经镀高尔凡处理，具有较强的耐腐蚀性。⑤ 施工便捷性。相比传统方案而言，快速植生垫护坡结构工序少，网垫属于轻质材料，可直接由人工铺设于土坡上并用U型钉固定，再将高性能生态基材混合植被种子喷播其上，整个施工过程机械人工用量低，受环境气候影响小，施工效率高。快速植生垫护坡结构已在国内多个护岸工程中应用，如湖南省白河护岸工程(图7)、黄河干流堤防加固工程，均取得了较好的岸坡防护和生态绿化效果。

表1 我国各地区护坡植物推荐地区冷季型草坪植物暖季型草坪植物华北野牛草、紫羊茅、羊茅、苇状羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、白颖苔草、异穗苔草、小冠花、白三叶结缕草东北野牛草、紫羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、匍茎剪股颖、白颖苔草、异穗苔草、小冠花、白三叶结缕草西北野牛草、紫羊茅、羊茅、苇状羊茅、林地早熟禾、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、白颖苔草、异穗苔草、小冠花、白三叶结缕草、狗牙根(温暖处)西南羊茅、苇状羊茅、紫羊茅、草地早熟禾、加拿大早熟禾、早熟禾、小糠草、多年生黑麦草、小冠花、白三叶狗牙根、假俭草、结缕草、沟叶结缕草、百喜草华东紫羊茅、草地早熟禾、早熟禾、小糠草、匍茎剪股颖狗牙根、假俭草、结缕草、细叶结缕草、中华结缕草、马尼拉草、百喜草华中羊茅、紫羊茅、草地早熟禾、早熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、小冠花狗牙根、假俭草、结缕草、细叶结缕草、马尼拉结缕草、百喜草华南狗牙根、地毯草、假俭草、结缕草、细叶结缕草、马尼拉结缕草、中华结缕草、百喜草