干旱半干旱区岩质边坡生态基材防护特性与优化配比

许飞, 尹晓晴, 包含*, 曹占强, 葛亚军, 晏长根, 敖新林, 郑涵, 李俊霖

(1.北京首创环境科技有限公司, 北京 100028; 2.长安大学公路学院, 西安 710064; 3.长安大学水利与环境学院, 西安 710054)

近年来,采石场和矿山的开发以及公路、铁路、管道等基础设施的建设正在以前所未有的速度发展,形成了大量高、陡、裸露的岩质边坡[1-2]。边坡的形成与开挖极大地降低了边坡的稳定性。受降雨、风化等自然气候的影响,坡面容易产生径流,导致水土流失严重,植被群落多样性丧失,地貌景观大幅破坏,诱发一系列生态环境灾难,加剧生态环境恶化[3-4]。传统的护坡方法片面地追求强度功能,大多采用石灰、混凝土等“灰色”材料加固边坡表层,使工程所到之处绿水青山一去不复返,且投资成本高,生态环境效益差[5-7]。因此如何实现开挖边坡的稳定并恢复其生态环境是一个亟须解决的问题。

生态护坡修复技术正是应时代之发展,适时而生。随着环境要求的日益严格,生态防护技术受到越来越多的重视。与传统简易的工程边坡防护相比,绿色生态护坡技术是当前岩土工程领域内学科前沿之一,生态护坡材料代表了该学科前沿最先进的思想[7]。岩质边坡的生态护坡技术早已在日本和欧美等发达国家广泛应用,在中国虽早有记载,但在其应用方面的研究起步较晚。20世纪80年代中后期,随着广东水利水电科学研究所对喷播机的引进,开始了中国在边坡生态防护方面的探索。90年代以后,学者们开始结合我国的国情对不同边坡的生态防护展开研究[8-9]。2000年左右,在借鉴日本经验的基础上,结合岩土体的性质,开发出了一系列基材喷播技术,为中国岩质边坡的生态治理开辟了新方向[10-11]。此后,经多年研究的开展,中国在岩质边坡生态修复领域取得了一定的成绩[3,12-13],并逐渐形成了多样化体系。

然而,干旱半干旱环境中,在裸露的岩质边坡上进行生态防护极具有挑战性。一方面,该环境极度缺水,且通常受到集中的高降雨量和极端高温的温度压力的控制[3];另一方面,岩质边坡异质性较强,不具备植被生长所必需的土壤条件,坡面的自然生态环境恶劣[14]。因此,特殊生境下岩质边坡的修复需要依靠人工生态材料形成的基质层,既能为植被生长提供所需的合理物理结构,又能作为植物水分、养分转化的平台与载体。目前,国内关于干旱半干旱地区岩质边坡生态治理的专题鲜有报道,而研发新型生态基材正是攻克其生态修复难关的一个重要突破口。

现今关于基材的研究主要集中在基材配比、水稳定性、力学强度3个方面。基质材料的合理配制是岩质边坡生态修复技术的核心,基材性能的实现主要取决于人工添加材料的效应发挥[1,5]。Shahid等[15]研究了丙烯酰胺-丙烯酸高吸水性树脂在砂质土壤上的保水效果,结果表明,该配方不仅能抑制水分的蒸发,还能提高团聚体的水稳性,增加植物生物量。作为一种新型土壤改性材料,聚合物黏结剂近年来受到了很大的关注。大量研究肯定了其对土壤的改性功能,可以显著提高倾斜表面上土壤的抗冲蚀能力和稳定性[16-17]。还有学者将污泥堆肥混合物进行资源化利用,证明这些材料的使用有利于植被的生长,可以减少坡面冲刷侵蚀[18]。纤维凭借强度高、分散性好和易于拌合的特点,在岩土材料领域获得广泛关注,通过借助该材料的抗拉强度来改良土体的工程性能[19-20]。中国关于生态基材的研究及应用已取得了不少成果,但由于不同地区的环境条件存在差异,岩质边坡生态修复仍面临着诸多困难和挑战。尤其是大温差、集中降雨等所带来的劣化威胁,以及坡面基材自身的稳定性、抵抗雨水的侵蚀性、基材养分的长期有效性等问题,已成为生态修复基材研究急需攻克的难题[5]。

基于干旱半干旱区雨热同期的特点,该生境下岩质边坡的生态修复对基材的力学、水稳定性以及肥力提出了更高的要求。在固定材料土壤改良剂、泥炭等的添加下保证了基材有足够的肥力,在此基础上研究基材的力学、水稳定性能具有重要意义。现利用正交实验法确定各配比中不同材料所占百分比,结合室内试验,分析黏结剂、保水剂以及木纤维对基材性能的影响规律。通过设置对照组,研究不同配比下基材改良效果的优劣。以适应干旱半干旱地区岩质边坡生态修复为目标,符合生态性能的基本要求,有利于助力解决岩质边坡生态修复难题。

1 试验材料与方法

1.1 基质材料选取

生态基材主要由土壤和土壤改良材料组成,土壤是基材的主要组成部分。由土壤学理论可知,可优选当地的壤土,壤土兼有沙土和黏土的优点,耕作性能良好,保水保肥能力适中。基于生态基材功能性考虑,为基材选定以下添加材料。添加材料以及混合材料样品如图1所示。

图1 添加材料及混合样品图

(1)黏结剂。为保证基材早期的形成,防止基材的冲刷流失,可在基材中加入适量的高分子黏结剂。选定的高分子黏结剂是一种生物聚合物,是可持续、碳中和、可再生的材料,拌合时会与水发生水合反应产生水凝胶,有利于喷播基材稳定于坡面。

(2)保水剂。岩质边坡极不易贮藏水分,但种子的萌发和植被的生长对水分相当敏感,因此如何保持坡面上的水分是植物得以正常生长的关键。为此,在基材中加入保水剂来保证基材的持水保水性,为植被的生长创造良好的环境。

(3)木纤维。在植物未生根深入之前,木纤维是护坡基材与岩质边坡之间良好的连接物质。木纤维是经加工成丝状的木质材料,具有较高的弹性和韧性,可有效减少喷播后平面裂纹的产生。

(4)改良剂。改良剂主要是通过添加有机肥料、微量元素、植物生长调节剂等成分改善基材的物化生性质,调节基材的pH,促进植物的生长和发育,提高植物的抗逆能力。

(5)泥炭。泥炭含有丰富的有机质,可以吸附并保持土壤中的水分,且具有良好的透水性能,可以促进基材中水分的流动和渗透,同时也可以减少水分的积聚,减少对基材的损害。

1.2 试验方案设计

通过查阅相关文献,从基材的力学强度和水稳性能两方面出发[21],主要考虑黏结剂、保水剂、木纤维3种掺量因素对基材性能的影响,3种因素的掺量设置如表1所示,其他材料掺量取固定值:0.1%的土壤改良剂,6%的泥炭。基材含水率设定为12%、16%、20% 3个梯度。以上所介绍的材料掺量均以干土质量为基础的质量百分比表示,另外以纯土壤作为空白对照组。

表1 试验因素水平内容表

基材的具体配比方案如表2所示,按照各基材的配比进行直剪试验、崩解和渗透试验,并分析试验结果的规律性,探究3种掺量因素和不同含水率对基材性能的影响。

表2 基材配比方案

1.3 试验方法

瓜尔胶粉末易溶于冷水,因此采用湿法混合制备[22]。首先,按照配比将瓜尔胶与所需含水量混合,形成水凝胶,然后将该水凝胶均匀的浇在由土壤、木纤维等组成的基质混合料上。焖料24 h使水分均匀后开始按干密度1.45 g/cm3进行压样制备。其中,直剪试验、崩解试验试样尺寸均为Φ61.8 mm×H20 mm,渗透试验试样尺寸为Φ61.8 mm×H40 mm。且为充分发挥功能材料的性能将所有试样进行养护14 d处理,室内养护条件为温度(20±3)℃、相对湿度≥95%。

1.3.1 直剪试验

基材的抗剪强度体现了基材抵抗破坏的极限能力和抗侵蚀性能。直剪试验采用LB-1型三联直剪蠕变仪,参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中的快剪试验进行,剪切速率控制在0.8 mm/min,分别在100、200、400 kPa的竖向压力下对试样进行剪切试验。

1.3.2 崩解试验

崩解性是指发生湿化散解的特性,是评价土体抵抗雨水侵蚀的重要指标[19]。该试验采用的崩解仪参考了自行研制的黏性土崩解试验仪[23],具体如图2所示。选用崩解质量来表征土的水稳定能力,计算公式为

图2 崩解试验仪

mt=πr2(Rt-R0)ρ0

(1)

式(1)中:mt为在某一时刻试样的崩解量,g;t为试样浸水时间,min;r为崩解仪内筒半径,cm;Rt为t时刻指针在外筒上的读数,cm;R0为起始时指针在外筒上的读数,cm;ρ0为水的密度,取1 g/cm3。

1.3.3 渗透实验

渗透系数表征流体通过土体的难易程度,关系植物的生长发育[19]。试样经饱和后采用TST-55型变水头渗透仪测定其渗透系数,依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)开展试验,记录相关试验数据。渗透系数k可由达西定律计算得到,计算公式为

(2)

式(2)中:a为储水管的截面积,cm2;l为渗流路径的长度,cm;F为试样的截面积,cm2;h1、h2分别为起始和终止水头高度,cm;t为试验计算时长,s;2.3为自然对数为ln与常用对数lg的换算系数。储水管的截面积为0.785 cm2,渗流路径的长度为4 cm,试样的截面积为30 cm2,试验时长为1 h即3 600 s。

2 基材力学稳定性分析

在护坡植物尚未长成之前,边坡表面的前期防护作用主要靠护坡基材自身的强度和稳定性来实现[5],因此需要基材自身具有一定的黏结力,防止边坡发生破坏。而其破坏在本质上是剪切破坏。因此开展直接剪切试验来研究不同配比条件下基材的力学稳定性。根据试验结果,可得到各基材配比在不同竖向压力下的强度包络线如图3所示。

图3 不同配比基材的强度包络线

基材强度是指基材抵抗外力的能力,通过对比分析各条曲线可以看出,经添加材料处理后的土壤表现出高强度,显著高于未处理的天然土壤,且二者的差距在含水率为16%时最为显著,这说明材料效能的发挥与水的含量密切相关,适当的含水率可以使基材性能达到最优。在同一含水率条件下,配比2基材的强度均最高。

根据上述关系曲线,进行拟合分析,通过公式τf=c+σtanφ可得到不同配比不同含水率下基材的黏聚力c和内摩擦角φ的变化情况[24],具体结果如图4所示。

图4 抗剪强度参数变化曲线

由图4可知,与未处理的素土相比,9种配比的基材均表现为黏聚力和摩擦角显著增加。随着含水率的提高,未处理土壤的抗剪强度参数值逐渐降低,而基材的黏聚力和摩擦角呈现出先增长后降低的趋势,且在16%含水率处达到峰值。进一步分析可以发现,含水率>16%之后,黏聚力的弱化程度远大于摩擦角。出现这种先增长后降低的现象可能与黏结剂与水发生水合反应产生的水凝胶有关,黏结剂的存在,使最优含水量增加[25]。含水率较小时,黏结剂分子与水分子之间发生相互作用,形成氢键等化学键,这种相互作用增强了基材的黏聚力。但过量的水分会导致基材内部的胶凝结构的疏松化,且水分易在基材中形成润滑层,降低基材的抗剪强度[26]。

图4的关系曲线显示,配比2的黏聚力和摩擦角最大,与上述该配比剪切强度最大相吻合,这与该配比含有适量的黏结剂以及木纤维有关,黏结剂与水的相互作用,水化产生的水凝胶具有较强的黏性,黏附于木纤维与土颗粒之间,增强了接触界面的力学强度,并促进了纤维加筋作用的发挥,实现基材整体强度的提升[19]。

3 基材水稳定性分析

3.1 崩解实验结果与分析

半干旱地区,强降雨引起的表层土壤不稳定是植物生长早期的一大风险,植物种子萌芽与植被完全成熟之间的关键阶段是高侵蚀风险的窗口期。因此,通过崩解实验来测定土体在静水中的崩解量来进一步判断土体在水作用下的稳定性[23,25,27]。为直观体现添加材料对基材水稳特性的改良效果,选取各配比基材和素土的崩解曲线进行分析,如图5所示。

图5 不同实验条件下的崩解曲线

崩解量与时间的关系曲线称为崩解曲线,其基本形状为倒S形[23]。由图5可见,在整个崩解过程中基材的崩解速率明显低于素土,且含水率越大,基材的抗崩解性能越好。分析认为是因为基材初始含水率的提高降低了基材孔隙中的空气含量,在水分侵入时,基材受到的孔隙气压变小,崩解速率降低[25]。进一步分析发现,崩解曲线被P1、P2两临界点分为三段,其中中间较陡的一段(P1P2段)是崩解的主要阶段,在该阶段试样表面大量开裂、剥落,崩解剧烈,崩解速率较为稳定。临界点P1是发生明显崩解现象的起始点,也是崩解速率由慢到快的转折点,结合配比表2可以发现黏结剂用量多的配比进入稳定崩解阶段的时间比其他配比要延长,且崩解曲线较为平缓,崩解性较低。分析原因,黏结剂使得木纤维与土颗粒之间产生较强的和合交织作用,形成致密的三维结构网,加之黏结剂的水化产物填充于孔隙并胶结土颗粒,有效降低了水分侵入时的孔隙气压,显著抑制了基材的崩解开裂[28]。

3.2 渗透实验结果与分析

对于护坡基材而言,渗透性的大小会影响生态修复的效果,渗透性过小会导致未来得及入渗的水流以坡面径流的形式流失,若渗透性过大则会造成已渗入基材的水分在基材与坡面的交界面处流失,因此,渗透系数需要控制在一个合理的范围内[29]。

在进行渗透实验之前将不同配合比的试样进行饱和处理,得到的饱和含水率如表3所示(以16%含水率为例),经渗透实验所得饱和渗透系数结果如图6所示。

表3 不同配比基材的饱和含水率

图6 不同实验条件下的渗透系数

植物种子的萌发和植被的生长发育都离不开水分,而且水分也在一定程度上决定了生态系统的稳定性。因此,想要达到满意的生态修复效果,基材必须具有充足的含水率。从表3可以发现,基材的饱和含水率明显高于未处理纯土壤的,且随着保水剂剂量的增加而增大,这说明保水剂的使用提高了基材固持自然降水的能力。由图6可见,饱和渗透系数随含水率的提高而有所降低。含水率的提高意味着基材中的孔隙空间将被更多的水分所占据,使得水分流动受到限制,因此,孔隙度的减小导致了饱和渗透系数的降低[30]。进一步分析发现在同一压实度、同一含水率条件下,各配比基材的渗透系数相较于纯土壤的均较低。3种含水率下配比4的渗透系数均最大,结合配比表2分析,偏大的渗透系数均出现在黏结剂剂量少且木纤维剂量多的配比中。分析原因,渗透性的降低是由于土壤基质内部的水凝胶填充了空隙,阻碍了通过试样的水流,相反木纤维的使用可以膨松土壤,其纤维结构提高了基材的孔隙度,进而增加了基材的渗流通道[30],因此二者的相互作用有助于将基材的渗透系数控制在一个合理的范围内。

4 基材配比优选

4.1 正交实验数据结果

极差是指某种因素在不同水平下考察指标的最大值与最小值之差,反映了某种因素的水平变动时,考察指标的变动幅度。极差越大表明该因素对试验结果的影响越大,是主要因素。故依据极差大小就可以判断试验因素的主次[31]。其中影响基材考察指标的不确定因素有保水剂、黏结剂、木纤维,在以下分析中分别用A、B、C来代表。得到以黏聚力为考察指标的极差分析表如表4所示。

表4 以黏聚力为考察指标的极差分析表

分析表4可知,从3个因素来看,结合极差值的大小可知,因子B黏结剂是最优因素,3个因素的优劣排序为因子B(黏结剂)>因子C(木纤维)>因子A(保水剂)。具体掺量结合各因子的最佳水平可知,因子A的第1个水平即0.05%最优,因子B的第2水平即3%最优,因子C的第3水平即5%最优。综合上述分析得到,最优因子为黏结剂,最优组合为保水剂0.05%、黏结剂3%、木纤维4%。

根据以上方法同样可以得到以摩擦角、崩解量、渗透系数为考察指标的极差分析结果,如表5所示。

表5 以摩擦角、崩解量、渗透系数为考察指标的极差分析表

由上述分析可以得出,在以摩擦角、崩解量、渗透系数为考察指标时最优因子均为黏结剂,最优组合分别为:保水剂0.05%、黏结剂1.5%、木纤维4%;保水剂0.1%、黏结剂4.5%、木纤维3%;保水剂0.1%、黏结剂1.5%、木纤维5%。

所设置的试验为多因素多指标试验,得到的最优所以考察指标不同所配比也有所不同,因此为了对实验结果进行综合性分析,优选出最合理的配比方案,将考察指标随各个因素的变化情况用因素水平影响趋势图表现出来,如图7所示。

图7 因素水平影响趋势图

4.2 因素影响分析

结合极差分析表和因素水平变化趋势图综合分析各因素对不同指标的影响。

4.2.1 黏结剂对各指标的影响

从极差表分析结果可以看出,在3个因素中,黏结剂对各个考察指标的影响最大,均是最优因子。因此,在研究基材配合比时,该因素要重点考虑。

从图7可以看出,渗透系数、崩解量以及摩擦角均随着黏结剂掺量的增加逐渐降低,而对于黏聚力而言,黏结剂掺量的增加有一个界限值,超过该值之后黏聚力会随其掺量的增加而减小。总结原因如下。

(1)摩擦角略有减小是因为聚合物对土颗粒表面的覆盖作用使基材粗糙度变平滑,从而减少了土颗粒间的微凸体互锁。

(2)聚合物的水化产物水凝胶堵塞了水分入渗的通道,且掺量越多,堵塞作用越强,从而降低渗透系数。

(3)崩解性减弱主要是因为高剂量的黏结剂使基材结构更加致密,胶结强度和填孔作用明显。

(4)黏结剂掺量过多,不易在基材中分散开,水凝胶易在木纤维与土颗粒之间产生润滑作用,反而降低基材的强度。但黏结剂剂量的增多仍使试样强度维持在较高水平,由此可见,黏结剂的胶结作用是提高基材强度和微团聚体水稳性的主要原因[7]。因此综合各指标的变化规律,黏结剂的掺量选择3%。

4.2.2 保水剂对各指标的影响

由极差(表5)得出,保水剂对渗透系数有显著性影响,对其他指标影响较小。结合表3可以发现,保水剂可以有效提高基材的饱和含水率,提高单位体积基材吸持的水量,这是因为施用的保水剂会吸收水分发生反应形成水凝胶,水分会在水凝胶中贮存,旱期可缓慢释放供作物利用[32]。而图7结果显示,施用适量的保水剂可以使基材获得合理的渗透系数。由于护坡基质需要良好的渗透性来保证水分的输入量,加之较少剂量的保水剂即可对渗透性能产生较大的影响,在此保水剂的剂量选择0.1%。

4.2.3 木纤维对各指标的影响

图7显示,除饱和渗透系数随木纤维剂量的增加而增加外,其他指标均呈先增大后减小的趋势。分析原因如下。

(1)纤维的比表面积大,与土颗粒间通过交织咬合作用产生的空间约束力较强[33]。但掺量过大时,纤维在局部位置因过于富聚而形成的“隔层”破坏了基材的整体性,从而降低其抗剪强度[34-35]。

(2)适量纤维生成的三维网状结构会延缓其崩解的发生,而掺量过多则会造成团聚现象,遇水易脱落。

(3)对于渗透系数的变化归因于纤维会增加基材的渗流通道,掺量越多,渗流通道也相应增多。总的来说均匀分布于基质层中的木纤维形成的网状结构,对基材起到了加筋补强和改善土壤构型的作用,增强了基材的抗冲、抗剪的性能[36]。因此木纤维的掺量选择4%。

通过综合分析,影响基材性能因素的重要性大致表现为黏结剂>木纤维>保水剂,并得出基材配比较为合理的范围为:黏结剂3%,木纤维4%,保水剂0.1%。在本研究中,考虑到基材性能随含水率的变化情况,最优含水率宜选16%。但在实际的工程中要结合护坡的施工环境和具体的设计要求做出适当的调整。

5 结论

通过正交实验,将黏结剂、保水剂、木纤维等混合成不同配合比的基质土。结合室内试验研究了不同配比条件下生态基材力学稳定性和水稳定性的变化规律,并通过极差分析明确了影响生态基材性能的主要因素和最优组合。得到以下主要结论。

(1)黏结剂能有效提升基材的强度和微团聚体的水稳性,且黏结剂效能的发挥与水的含量密切相关,在16%含水率条件下,可以达到最好的改良效果。随着黏结剂掺量的增加,抗剪强度表现为先增加后减小,渗透系数和崩解量均表现为减小。

(2)施用保水剂后基材的饱和含水率显著增加,提高了基材固持自然降水的能力,且施用较少剂量的保水剂即可对基材的渗透性能产生较大影响。

(3)除渗透系数随木纤维剂量的增加而增加外,其他指标均呈先增大后减小的趋势。木纤维与黏结剂的相互作用,可以促进其对基材的加筋补强和改善土壤构型的效能的发挥,增强了基材的抗冲、抗剪的性能。

(4)根据极差大小,得到影响基材性能因素的重要性从大到小依次为黏结剂、木纤维、保水剂。综合试验结果,基材的最优配比为:黏结剂3%,木纤维4%,保水剂0.1%,最优含水量为16%。