綠色生態材料在高邊坡防護中的應用研究

陳 軍，湯 東

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

在我國逐漸完善交通體系過程中，交通基礎設施尤其是公路、高速公路等建設力度不斷加大。部分公路邊坡極易受到雨水侵蝕，裸露的邊坡極易誘發眾多環境問題，不利于公路的使用。加強邊坡防護與綠化，一直是施工建設者的不能忽視的問題。

關于綠色生態材料的應用及高邊坡防護工作的研究自21世紀以來一直持續，取得可觀的研究成果。張季如等人[1]以鄂北高速為例，介紹生態護坡材料在路塹邊坡侵蝕防護中的應用，并有效實現綠化。胡在良[2]為了推廣生態護坡材料在工程中的應用，設計多組試驗分析研究生態材料顆粒內孔徑分布特點，獲得其性能。倪海滿等人[3]關注綠色混凝土生態防護技術，對于高邊坡防護進行研究，同時實現低成本高綠化的效果。谷慧敏[4]以滇西二級公路為研究對象，分析邊坡生態防護機理及特性，結合滇西文化走廊實際情況，借助邊坡穩定性分析軟件鋪設生態防護膜。羅珂等人[5]對高速公路邊坡防護技術展開探討，建議要從護坡植物的選擇、邊坡生態防護技術原理、分類、應用等4個方面考慮完成邊坡生態防護工作。李薔、朱瑞賡等人[6，7]重點研究ZZLS綠色生態材料在施工建筑、停車場建設等方面的應用，為其它土木工程提供參考。

本文主要利用新型的ZZLS綠色生態材料完成公路高邊坡的防護與綠化工作。首先全面介紹解析ZZLS綠色生態材料的性能與結構，并基于其噴射機噴射原理計算噴射流擴散時的速率均值、擴散流對坡面的沖擊力等，為工程應用提供理論依據。最后以江西省某盤山公路的邊坡防護與綠化為例，應用ZZLS綠色生態材料取得良好效果。

1 綠色生態材料介紹

（1）原材料介紹

最常見的綠色生態材料是指ZZLS綠色生態材料，其具有防腐蝕、高強度的特性，并且可以供草灌植被生長。其構成成分多種多樣，其中包括天然無機非金屬礦物質、各種營養物質、植物纖維、團粒劑、水泥膠結材料、各類土壤成分等，這些成分均為大自然中自然成分，不含有不利于植物生長的物質，并有利于植物生存。ZZLS生態材料試驗需要用到425#常見硅酸鹽水泥、無機非金屬礦物質、生活垃圾、沙粒、黏土、自來水等材料。

（2）微觀探究

ZZLS的微觀結構很大程度上決定著ZZLS綠色生態材料植物生長、防腐蝕與強度大小等功能。為了全面了解ZZLS綠色生態材料的微觀結構，對其做電鏡SEM掃描，獲悉ZZLS綠色生態材料的特性。

ZZLS綠色生態材料與土壤結構類似，均是多孔結構，且有很多貫通的微裂縫與非毛管孔隙，同時在顆粒和微團聚體中間存在許多毛管孔隙，具體見圖1。這些結構使得其具有很好的保水性與通氣性能，這些利于材料中的水肥、空氣等均勻分布，促進植物生長。

圖1 ZZLS綠色生態材料SEM圖像

ZZLS綠色生態材料不僅含顆粒狀堆疊構造、膠結式構造，而且具有紊流構造特點。其微觀構造單位多是片狀顆粒、扁平狀聚集體顆粒單元，這些單元以平行狀態堆疊，且片狀、扁平狀顆粒呈現定向態勢，具有明顯的方向性。

ZZLS綠色生態材料呈現多層次的強度，其微團聚體的膠結物質含有各種游離氧化物、大量的鈣離子等物質，這些都有效增強了ZZLS綠色生態材料的強度與防腐蝕性能。因水泥膠結而構成整體結構的微團聚體具有很好的粘結力與水穩性，因此ZZLS綠色生態材料不僅可以供植物生長，而且可以有效加固邊坡穩定性，防止邊坡侵蝕。

（3）噴射技術特點

混合ZZLS綠色生態材料、種子、水后，借助射流理論流經壓力管道運輸到噴射機處，噴射機將其混合料直接噴射到邊坡上，鋪設成厚度約1cm左右的人造土層，在種子發芽長大形成植被后，植被根系縱橫，可以有效連接邊坡上的植被、ZZLS綠色生態材料與邊坡上的土壤等，形成一層很好的保護層。

ZZLS綠色生態材料結構與土壤類似，可以實現有效存儲與遷移水肥、空氣、熱量等，為植物生長發育提供良好的環境。

ZZLS綠色生態材料不僅可以為植被生存提供良好的環境，而且具有很好的強度與防腐蝕能力，可以大幅度降低邊坡腐蝕幾率，可以利用該材料鋪設邊坡保護層

ZZLS綠色生態材料與水、種子攪拌混合后，直接通過噴射機鋪設到邊坡上，這種方式可以用于無法栽種植物的陡坡地帶，有效提高了邊坡綠化率。

2 噴射原理

（1）理論介紹

ZZLS綠色生態材料通過活塞強制輸入氣料混合倉，倉內的壓縮空氣與其混合后表現為稀薄流狀態，其混合料通過管道到達噴嘴處，因噴嘴內設置雙水環，其自來水以水霧狀態與混合料再次混合并一同以較高的速度運動到邊坡表面。ZZLS綠色生態材料附著到壓縮空氣上，壓縮空氣在噴嘴處向外噴射，混合料隨之噴射。依照流體動力學的研究，空氣射流的中心速率在起始段內恒定，途經起始段后進入基本段后呈現衰減規律。因空氣射流持續吸引周圍空氣，造成射流斷面持續增加，射流經過一段路程后出現分散現象。具體過程見圖2，設定2θ是射流擴散角。經過實驗測量，圓形噴嘴形成的擴散角θ=13°，漸縮形噴嘴形成的擴散角 θ=11°。

圖2 噴射過程中擴散示意圖

（2）擴散射流的速度均值V

在噴射流的基本段內，設沿x方向的速度值是vx。沿該軸心向外，噴射流速率降低，設沿y方向的速度值是v。在擴散半徑終點y處，速度值降為0。各速度值間關系用式（1）表示：

在固液氣三態噴射流中，氣態噴射流慣性較小，受到周圍空氣的的阻力快速衰減，與之相比的固液態噴射流慣性大，不容易被周圍空氣淹沒。速率不僅自身不斷減小，受到周圍氣體的阻礙，其速率下降更快。

就圓形噴嘴噴射流，單位時間內經過某截面的動量值應該與在噴射機噴嘴處的動量相等，即可得到式（2）：

式中：r是噴射機噴嘴半徑值；ρ0、ρx依次是噴射機噴嘴處、沿沿方向某處單位體積內混合料的密度值。

為了方便計算，假設噴射流是固定不變的流體，其密度保持恒定，那么，則得到式（3）：

式中：y0是噴射流的擴散半徑值。

依據圖2得到，擴散半徑的計算公式（4）：

可以整理出在任何斷面處噴射流擴散時的速率平均值計算公式（5）：

（3）噴射流在擴散時對截面沖擊力p

噴射流在任何截面處遇到坡面產生沖擊力，依據動量守恒定律，在單位時間內，流體動量的變化應該與作用于流體上全部外力單位時間內的合力相等，得到式（6）：

整理后得到式（7）、式（8）：

式（7）、式（8）是噴射流對坡面的沖擊力計算，1.414y0表示噴射流的擴散范圍值，0.636y0表示噴射流擴散有效作用半徑值。

3 實例應用

（1）工程情況

江西省某高速公路建設在山區，作為盤山公路其邊坡因多雨沖刷且多陡坡無法栽種植被，邊坡侵蝕嚴重。為了防止對公路造成損害，其邊坡必須加強保護。

（2）方案設計

ZZLS綠色生態材料噴播綠化工藝是把ZZLS綠色生態材料、草種、植物纖維、水等原材料利用攪拌機混合拌合，適當時候可以補添粘合劑，將混合料利用管道運輸到液壓噴播機內，液壓噴播機依據噴射原理將混合料噴射到指定的邊坡表面，實現邊坡綠化功效的新型綠化工藝。其噴播后的生態邊坡結構見圖3。

具體噴播工序有：清除整理破面、搭設腳手架，設立安全網、鉚釘裝設，加固坡面鐵絲網、混合草種、ZZLS綠色生態材料、粘合劑等、運輸至噴射機噴嘴處、噴射混合料至邊坡處、養護工作、養護結束。

圖3 生態護坡圖

（3）測試分析

測試的樣本和施工在相同時間內制作完成，每組4個樣本，共設3組，樣本養護期是30 d。試驗設定液壓值是120 kN，借助液壓試驗機完成。試驗應力與應變函數關系見圖4?；暮透餐涟杌旌狭峡箟簭姸缺仨氃?～3 MPa范圍，否則重新制作。

圖4 試驗應力與應變函數關系圖

混合料可以有效防御大量雨水長時間沖刷，并且其蓄水能力較高。

混合料可以為植被提供生長環境，在36 d后其綠化率超過85%，72 d后期綠化率基本達到100%左右。

綠化與護坡工作同步完成，有效節約了傳統綠化與護坡分開進行的施工成本，個別地區可達到30%左右。

4 結語

利用新型的ZZLS綠色生態材料完成公路高邊坡的防護與綠化工作具有節約時間、降低成本等多種優勢，具體總結如下：

（1）ZZLS綠色生態材料環保，可以有效蓄水肥，防腐蝕性強，強度高。

（2）ZZLS綠色生態材料噴射工序簡單快捷，占用少量人力物力財力，降低了施工成本，并且兼并完成綠化工作。

（3）ZZLS綠色生態材料是以噴射方式鋪設，對于一些高邊坡噴射到位，密度均勻，綠化率高。

（4）ZZLS綠色生態材料拌合植被種子可以依據實際情況變化，可以滿足景觀、歷史、文化等方面的需求。