植物固坡方案設計與施工方法

張 萌

1 工程概況

某邊坡位于一住宅區后山,長約200 m,寬約41 m。根據對現場開挖的地質情況所做的勘測結果來看,土質結構良好,邊坡1 m以下為堅韌的黏土,1 m以上為中等及強風化巖石及次堅石,坡體已經穩定。邊坡靠近民居,最接近的地方只有10 m。按照設計要求,完工后要在邊坡底與民居地之間建一條6 m寬的公路,因此邊坡開挖高度較高(約40 m),坡度設計為1∶1。考慮到邊坡坡度大,在邊坡上設置了三級臺階,第一級和第二級臺階高均為12 m,第三級臺階高13.5 m。每級臺階之間做出2 m碎落平臺,在每級臺面上設排水溝,并且在坡頂較高處離頂5 m～6 m設置截水溝,在坡角設排水邊溝。由于邊坡處于人口較密集的居民區,需建立觀賞型的植物群落,且在坡面上設置踏步,以便人們休憩觀賞。

2 可行性分析

2.1 中等及強風化花崗巖植物防護需要解決的關鍵問題

1)以強風化花崗巖為母質形成的赤紅壤,呈酸性,不利于大多數常用綠化草種的生長。赤紅壤所含的有機質、氮、磷也較低,而且隨著深層的增加,有機質含量越低,無法給植物提供生長所需的養分。另外第四紀紅土上的赤紅壤,土壤質地粘重,不利于植物的生長[1]。因此,風化花崗巖形成的土壤必須進行合理的土質改良。土質改良主要從pH值、養分和土壤結構三方面進行。

2)強風化花崗巖邊坡巖土體的土質是非常貧瘠的,需要提供植物在初期生長的養分。在基材中施加的肥料可以采用速效肥、長效緩釋肥及有機肥多種類型的組合。在形成穩定的植物群落以后,除了施加的肥料,植物還可以通過以下方式獲得養分:a.植物枯枝、落葉殘體的分解、礦化;b.豆科植物根系的固氮;c.巖石的生物風化;d.降水的帶入。

2.2 噴播植物的選擇

運用層次分析法對固坡植物進行選擇。噴播綠化中使用的植物種子主要是草種,很少用喬、灌木種子,生長的植被主要也是草被。雖然草皮生態系統的恢復啟動快,但是草本植物群落單一,容易衰退,生態系統很難持續恢復下去。根據植物種類的多樣性和生態位原理,參考日本多年的綠化噴播經驗[2],混播植物中通常豆科植物的種子為25%～30%,禾本科及其他科的植物種子為70%～75%。為使噴播產生的植被增強固坡效果,在草被覆蓋后需在碎落平臺上采用坑穴栽種鄉土喬木和灌木,如:我國臺灣相思、灌木夾竹桃和桃金娘等。

3 方案設計與工程應用

3.1 植物根系生長前邊坡穩定性分析

對于采用土工網和植被防護的巖土邊坡,若在地質勘察中發現巖質邊坡本身穩定,則只需進行邊坡淺層穩定性分析。進行邊坡綠化時往往在坡面均勻地噴播一層基材,這層基材的抗滑穩定性可按平面滑動計算,但考慮到巖質邊坡坡面比較粗糙,在計算時應把基材的粘聚力考慮進去[3]。可采用改進的圓弧滑動法進行穩定性計算,沒有考慮邊坡土體中水的作用,假設土工網施加在土條上的作用力平行于錨桿的軸向,滑動面呈圓弧狀,典型單元塊的受力分析示意圖如圖1所示。

取i條塊進行受力分析,該條塊的自重力為:

其中,γ為土體的比重;vi為i條塊的體積;zi-1,zi分別為i條塊左、右側邊的長度;b為兩錨桿之間的間距;β為邊坡坡角。

垂直于Ni方向的作用力包括土條的自重下滑分力和土工網的作用力,根據如圖1所示的幾何關系,下滑力Fxi可用下式計算:

其中,αi為i條塊底邊與水平面的夾角;T,θ分別為土工網的作用力及其與重力方向的夾角。

抗滑力Fri可用下式計算:

其中,c′,φ′分別為滑面處基材的有效粘聚力和有效內摩擦角。

考慮所有滑動土條的綜合作用,則邊坡表面抗滑安全系數Fs為:

取最陡的一段進行穩定性分析,根據現場試驗,噴播基材的飽和容重為2.12 g/cm3,粘聚力為 3.25 kPa,內摩擦角為27.8°,基層厚度按7 cm設計,U形釘長度為45 cm時的最小錨固力為1 000 N,根據上述計算公式,可計算出土層的抗滑安全系數為2.87,滿足穩定性要求。

3.2 噴播基材的材料

噴播綠化的噴漿混合物中包括:種子、有機復合肥、土壤改良劑(腐殖質)、纖維(或紙漿)、著色劑、保水劑、粘合劑和水。其用量配比根據草種、坡度和土質條件等而定[4]。基材的具體做法[5]:首先把黏性土做成泥漿,然后一邊加入團粒劑,與空氣一起進行混合反應,一邊使具有粘著性的植物纖維交織在一起,依靠土壤粒子和團粒劑的離子結合,形成具有耐侵蝕性的團粒結構。

4 施工技術

4.1 施工準備及施工計劃

1)錨桿與網的設計。根據坡面巖土體的不同類型,錨桿與網的使用期限和要求也不一樣。邊坡可用φ 12的鋼筋,長45 cm～50 cm,可以直接釘入或鉆孔,采用玻璃纖維格柵掛網,玻璃格柵網要求有較好的耐腐蝕性,耐溫性能在-50℃～150℃之間,各向抗拉強度大于50 kN/m,各向伸長率小于4%,網孔的大小為50 mm×50 mm。

2)施工準備計劃。在充分調查工程現場的情況后,可以根據施工的順序編制好設計說明書和設計圖。對現場情況進行詳細地研究,制定好具體的施工組織計劃。具體的施工準備工作包括:a.客土的供給;b.施工用電、水、材料、機械;c.防雨的準備。

4.2 施工組織及工序

施工組織應該精心組織、合理安排,避免長時間造成居民生活不方便,確保施工過程的連續性,提高工作效率。施工工序設計如下:1)清理、平整坡面;2)安裝錨桿;3)鋪設、固定網;4)拌和基材混合物;5)噴射基材混合物。

5 養護管理

5.1 前期養護管理

1)編制前期養護組織措施,落實人員、水源及器具。2)用高壓噴霧器使養護水呈霧狀均勻地濕潤坡面基材混合物。3)前期養護時間約為45 d,每天養護兩次,早晚各一次,避免在強烈的陽光下作業。4)以單層無紡布覆蓋在噴播完成的坡面上,使其免遭強暴風雨的沖刷而破壞。

5.2 后期養護管理

后期養護管理是植物固坡工程技術的重要環節。一般地,后期養護管理包括澆水、追肥、病害和蟲害防治、雜草防治等。

5.3 建議驗收標準

檢驗指標見表1。

表1 建議坡面植被的檢驗指標 %

6 結語

本工程實例中,各草種子均能正常出苗,從混播中各草的生長狀況看:前1個月多年生黑麥草生長較快,9個月后覆蓋率已經接近100%,地上生物量為345.8 g/m2,地下生物量為753.6 g/m2,而且固坡能力最強的不大于1 mm的細根占到58.6%。6個月后對邊坡防護效果進行測試:徑流量比未噴播前減少了42.5%,泥砂沖刷量減少了83.2%。植物生長后對固坡、護坡和水土保持起到了積極的作用。

本文根據具體的工程實例,將理論緊密結合實踐進行了全面分析,提出了用于實際工程中植物固坡的工程設計、施工方法和驗收方法的建議。這對相關的實際工程具有重要的指導意義,同時對《公路養護技術規范》的修訂也有一定的參考價值。

[1]周德培,張俊云.植被護坡工程技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]程勝高.高速公路環境評價與發展[M].北京:中國環境科學出版社,2002.

[3]張在明.對于發展環境巖土工程的初步探討[J].土木工程學報,2001,34(2):658-663.

[4]蔡志洲.論公路建設的生態影響[J].公路交通科技,1995,12(1):253-255.

[5]龔曉南.21世紀巖土工程發展展望[J].巖土工程學報,2000,22(2):578-583.

[6]周 躍.土壤植被系統及其坡面生態工程意義[J].山地學報,1999,17(3):224-229.