柔性生态水土保护毯护坡在引江济淮工程中的应用

呼志鹏,蒋业龙

(1.安徽科技学院 基建管理处,安徽 滁州 233100;2. 安徽省引江济淮集团有限公司,安徽 合肥 231500)

近年来受厄尔尼诺现象影响,长江流域出现强降雨[1]。部分地区发生洪涝灾害,出现河岸冲刷严重、河道水质退化、水体污染等问题,导致防洪要求与生态系统建设矛盾日益突出。对比现有生态护坡,硬质、半硬质护坡设计思路[2-5],柔性生态水土保护毯护坡采用新材料、新工艺,不仅改善了河道的生态景观,也有效加固了地质条件复杂的薄弱坡面,解决了变动水位绿化难等问题。

1 柔性生态水土保护毯护坡技术

柔性生态水土保护毯护坡是以PA聚酰胺纤维为主要原材料,通过干拉成型工艺与植物相结合的一种新型生态护坡[6-8]。它不仅满足了边坡稳定及河渠排灌功能要求,也兼顾了生态保护功能和景观效果,实现了功能与生态景观效果的统一。

该技术主要特点表现为以下几点:1) 具有独特的立体开孔结构,95%以上的孔隙率可让保护毯与植物根系紧密连接,为植物生长提供空间和额外加筋作用,减少水土流失;2) 抗冲性强,最高能抵御7 m/s的水流;3) 原材料环保、无毒、无污染,有助于维护植物生长的微环境,保护生物多样性,提高水质;4) 保护毯抗拉能力强,整体性好,使用寿命长;5) 施工工序简单,工期短,易维护。

近年来,柔性生态水土保护毯护坡在河道边坡治理[9]、防洪治理、水库溢洪道护坡、鱼道护坡护底等工程中逐渐应用。其中,在引江济淮工程中应用效果较好,具体布设在引江济淮工程菜子湖线路K72+240—K75+240新挖河渠段,布置范围为弱膨胀土分布区的三级马道及以上边坡。项目实施后不仅提高了复合土体的力学性质,加固了边坡,而且提升了区位生态环境和景观效果,具有较强的推广价值。

2 护坡作用机理

2.1 力学效应

水土保护毯护坡独特结构形成了“植物—土壤—保护毯”三维体系。护坡植物多采用草本植物,其根系较浅且自地面向下逐渐变细小,在表土层形成盘根错节的根系,因此,将根系与土视为三维加筋复合材料。按加筋土原理分析,加固作用主要是根系土壤之间的摩阻力使得根系受拉。根据Mohr-Coulomb强度理论,土体破坏原因是剪应力达到抗剪强度,对于黏性土,抗剪强度为土的黏聚力与摩擦强度之和,即τ=c+σtanφ,其中:τ为土的抗剪强度,kPa;c为土的黏聚力,kPa;σ为滑移面上正应力,kPa;φ为土的内摩擦角,(°)。反映在抗剪强度包线与莫尔圆的关系上,加筋根系的存在让土体黏聚力增加了Δc,莫尔圆及强度包线向上移动。另外,σ由σ1和σ3共同影响。σ1为最大主应力,kPa;σ3为最小主应力,kPa。由于加筋根系受拉约束了土体侧向变形,相当于σ3增加了Δσ3,在σ1不变情况下使摩尔圆右移,最大剪应力减小。这两种作用可以提高边坡土体的承载能力。加筋土与非加筋土强度包线见图1。

图1 加筋土与非加筋土强度包线图

2.2 水文效应

柔性生态水土保护毯护坡选用拥有高绿化率、良好固土效果的草本植物。草本植物在抵御雨水侵蚀土壤方面有着显著优势,其对水文效应的影响体现在3个方面:1) 茎叶雨水截留作用。草本植物茎叶粗壮、稠密、呈伞状分布,部分降雨直接被植物茎叶截留,重新蒸发到大气中。植物覆盖率越高,截留的雨水越多。同时,茎叶会阻挡并分散雨滴,削弱雨滴对土壤的侵蚀,能够有效缓解土颗粒流失,起到固土作用。2) 植物蒸腾作用。植物通过根系吸收地下水分,再通过茎叶散到大气中,使得土体孔隙水压力降低,土体自重降低,抗剪强度增大,从而增加边坡稳定性和抗冲刷能力。3) 降雨入渗作用。植物根系及凋落物增加了土壤孔隙率,提高了雨水入渗量,使得地面径流量减少,流速减小,从而减弱径流对地面的侵蚀。因此,相比其他护坡,水土保护毯护坡主要优点是有效防止水土流失,促进生态系统建设和美化环境。

3 工程概况

引江济淮工程是一项水资源综合利用工程。通过将长江下游上段的水引入淮河中游地区,实现了补给水资源的功能,并能实现供水、航运、生态等多种效用。设计输水位8.09 m,最高通航水位15.33 m,最低通航水位7.07 m,防洪水位15.33 m。菜子湖线路桩号K72+240—K75+240段为岗地新挖渠道,长3 km,地面高程24～36 m,开挖深度17.0～39.8 m,每挖深6 m设置一级平台,其中二级平台宽度为8 m,其他平台宽度为3 m。渠顶设管护道路,渠底宽度为45～50 m。河道一级边坡1.0∶1.5,二级边坡为1.0∶2.5,其他边坡1∶3。柔性生态水土保护毯坡面坡比为1∶3,坡脚、坡顶各设置顺流向C25混凝土截水沟,尺寸为0.40 m×0.40 m。

4 施工质量控制

4.1 草种选择

水土保护毯护坡草种选择应结合气候、土壤、地理位置等情况综合考虑。

引江济淮工程连接长江、淮河,为暖温带和北亚热带湿润季风气候区。气温季节变化明显,四季分明,气候特点表现为夏季高温可达40℃以上,冬季低温至0℃以下。单一播种方式会导致夏冬季节草皮枯黄,且单一植被易退化,因此选择冷暖季护坡植物混播方式。

狗牙根作为常见的暖季植物,根茎发达且拓展能力强,易存活,缺点是绿色期短;百喜草根系发达,生长周期短,适播时间长,缺点是幼苗在生长初期较为脆弱;冷季植物高羊茅绿色期长,不耐高温,越夏较为困难;硫华菊作为景观装饰植物,花开艳丽,适应性强,易栽培,常用作花海打造和道路绿化。它们的组合不仅在不同阶段发生作用,达到四季皆景效果,还能相互促进生长。

本项目选用暖季植物狗牙根、百喜草,冷季植物高羊茅进行混播,配以硫华菊等景观植物,可增加生物群体多样性和稳定性,达到良好的生态和景观效果。柔性水土保护毯选用植物特性情况见表1。

表1 柔性水土保护毯选用植物特性

4.2 柔性生态水土保护毯设计技术指标

4.2.1 柔性水土保护毯选型

柔性水土保护毯规格一般有3种:标准型7020、平面型7220和填充型A20。其中,标准型7020是双面凹凸开放型结构,宽度一般为2 m,长度为30 m,厚度可以按需定做,适合一般的岸坡坡面,挂土效果好。平面型7220单面凹凸,是底部平面、上部三维开放式结构。施工时平面一侧直接接触坡面,能够最大限度增加摩擦,适用于植物难以完全生长的水位变动区。填充型A20为填充碎石使用沥青黏合的材料,采用特殊的生产工艺复合而成,孔隙率在40%以上,适合水下或者水荷载大的位置,能有效防止水土流失。

本工程所选择的7220平面型,也是水利工程中应用最广泛的型号。其底部平面、上部开放式结构不仅增大了保护毯与坡面的摩擦,增强稳定性,还能促进植物生长,可满足引江济淮工程防洪和景观需求。本工程要求平面型7220型保护毯材质厚度、粗细均匀,三维结构部分稳定均匀、受力后可迅速回弹。

4.2.2 技术参数要求

水土保护毯的基本技术要求:材料材质、抗拉强度、断裂伸长率、耐老化性能等各项指标须符合图纸和规范的要求。同时,严格按照验收程序将水土保护毯见证取样送检,待材料各项检测指标合格后方可用于工程。柔性水土保护毯技术指标见表2。

表2 柔性水土保护毯技术指标

4.3 施工工序

4.3.1 整 坡

施工前采用机械或人工对坡面进行修理平整,使得平整度满足要求。当坡面没有天然的表层土或者表层土的厚度小于规定要求时,则需添加表层土。现场施工过程中,若发现坡面有粒径大于5 cm的砾石或树根、垃圾,应及时清理,确保坡面整洁、平整。

4.3.2 开 槽

在堤顶和坡脚底各开一个深度不低于30 cm、宽度不小于30 cm的沟槽,同时做好排水作业,防止沟槽立面软化和土体坍塌。现场随机抽测5个断面均满足要求。

4.3.3 铺 设

测量坡面长度,加上两端沟槽深度,即为裁剪水土保护毯的长度;将裁剪过的水土保护毯移至铺设部位,调整铺设位置后保持合适的松紧度,以适应基础的变形;保护毯铺设时按照规定方向开卷,从坡顶向下铺设且包住坡面,严禁横向铺设。铺设时保护毯与基础或垫层之间应贴紧,避免架空。

4.3.4 搭接与锚固

水土保护毯搭接与顺水流方向一致。预留搭接宽度要大于15 cm,现场随意抽测10个点均满足要求,分别为16.10,15.50,15.70,16.40,17.20,16.30,16.70,17.20,16.30,17.10 cm。在堤肩、坡脚沟槽底部、相邻两幅保护毯搭接处每间隔1 m钉入1根钢钉,其余部位每2～3 m2钉入1根钢钉。钢钉长度为0.30～0.70 cm,直径不小于6 mm。

4.3.5 覆 土

在完成上述工作之后,铺设耕植土并覆盖,厚度约为4 cm。覆盖层的质量必须符合设计要求,遵循覆土最大颗粒小于2/3铺土厚度原则,宜小于2 cm。大颗粒应当及时清理,确保覆盖层能够充分填充保护毯。覆土过程中,应避免其他坚硬物在已铺设的保护毯上滚滑,防止造成损坏。

4.3.6 播 种

采用狗牙根10 g/m2、高羊茅2 g/m2、百喜草2 g/m2和硫华菊1 g/m2混播草种。先播种1/3的种子,覆土后再播种2/3的种子,让每个区域都有足够数量的种子。播种时应该足量均匀地分布草籽,以确保覆盖面积和播种密度。在工程绿化过程中,选择品种纯正、无病虫害的草籽是尤为关键的一步,这样才能确保植物能够快速、健康地生长并达到预期效果。

4.3.7 养 护

无论是草籽绿化还是草皮绿化,都需要浇水养护1～2周,每日早晚各浇1次。浇水时可以在草籽覆盖层之上铺1层无纺布(15 g/m2),作用是防止草籽被冲散,确保草籽保持在原位,有助于植物的萌芽和生长。当草长到约为10 cm时,揭开无纺布,使其自然生长。

5 效果评价及施工要点

5.1 优 势

工程护坡设计的主要任务是既能实现边坡防护功能,又能结合生态和景观美化需要,提高河道水体水质,提升河道景观效果。根据现场踏勘和相关工程设计经验,重点比选柔性生态水土保护毯护坡和生态砌块护坡两种方案。从施工、造价、性能、维护管理角度,不同护坡型式工程效益分析见表3。

表3 不同护坡型式工程效益分析

与生态砌块护坡相比,柔性生态水土保护毯护坡具有施工简便、造价相对较低、抗冲性能较好、生态绿化率高、景观美化作用强、后期维护管理简单等诸多优点,因此,选择采用柔性生态水土保护毯护坡是最佳方案。它作为一种新型材料护坡,被广泛运用于水利工程建设中,与当前生态经济发展理念高度契合。目前,该工程现场已铺设柔性生态水土保护毯14 500 m2,取得了良好的生态、景观、经济效益。

5.2 施工要点

1) 重视保护毯成品保护,避免材料放在阳光下长期暴晒,严禁简单粗糙施工,防止使用的机械设备尖头碰到保护毯,造成材料破损。

2) 加强施工质量控制。对于不平整或有较大凸出和凹陷部位的坡面,清除坡面存在的土块及建筑垃圾,分层碾压夯实。铺装过程中做好对施工人员技术交底,增强质量意识,防止作业人员将保护毯错铺、反铺、漏铺。保护毯搭接锚固需根据顺水流方向,搭接长度及锚钉密度要满足规范及图纸要求。

3) 做好护坡后期养护。长江下游的气候、土壤、植被环境容易产生病虫害。草籽播撒结束后,应及时做好覆土及除虫工作。使用杀虫剂和除草剂时,应严格把握药剂的品种和剂量,尽量减少对环境的污染和对周边作物的影响。

6 结 语

工程应用表明,相较于传统护坡施工,柔性生态水土保护毯护坡具有施工简便、生态环保、绿化率高、整体性强、耐冲刷、寿命长等特性,更有利于施工质量控制和生态系统建设。该护坡适用于引江济淮河渠工程的绿色施工,采用了生态治水理念,拓展了生态护坡的应用范围,为河道、堤坝、公路、山坡等护坡工程提供了新思路、新工艺。