射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)及工藝研究

彭 沖，葉宇軒，王茜徵，張一凡，梁令帥，江亞雄，王 麗

（深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040）

邊坡生態(tài)修復(fù)也可稱之為生態(tài)護(hù)坡，它是用活的植物或植物與非生命材料相結(jié)合的方式，代替純工程防護(hù)方式，通過種植植物，靠植物的根莖與土壤間的附著力及根莖相互的纏繞達(dá)到加固邊坡的效果。生態(tài)護(hù)坡技術(shù)可根據(jù)邊坡的類型、坡度和坡面特征等選用不同的技術(shù)。邊坡工程上常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù)有：掛三維網(wǎng)客土噴播、掛鐵絲網(wǎng)客土噴播、土工格室綠化、植生袋等。以上常見的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)特征詳見表1。

表1 常見生態(tài)護(hù)坡技術(shù)特征表[1]

由表1可以看出，常見的這4種生態(tài)護(hù)坡技術(shù)都具有一定的護(hù)坡能力，且各具優(yōu)點(diǎn)，然而同時也存在適用范圍窄、與坡面結(jié)合不緊密、工藝復(fù)雜、易出現(xiàn)“斑禿”和成本高的問題。因此，尋求一種成本低廉、操作簡便、應(yīng)用范圍廣、景觀性好且與坡面緊密結(jié)合的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)具有一定的市場前景。

1987年6 月，日本引進(jìn)了法國的Texsol邊坡修復(fù)技術(shù)，隨后把它與已有的護(hù)坡工法結(jié)合在一起，開發(fā)出連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土（GEOFIBER）工法[2]，工法的基本特征為：①能適應(yīng)坡體的微小地形，由于沙粒和連續(xù)纖維相互混合，基材的抗剪、抗侵蝕更強(qiáng)。②易于引進(jìn)植物，由于確保了大根系的伸展空間，可引進(jìn)木本類植物，用于坡面的樹林化。③施工體系由綠化基材供給系統(tǒng)、團(tuán)粒劑供給系統(tǒng)和連續(xù)纖維供給系統(tǒng)組成。由于受限于大型設(shè)備的制約和工法操作的復(fù)雜性，制約了其在國內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，本研究將對該工法噴絲設(shè)備的構(gòu)造、抗剪效應(yīng)等加以研究，以期降低設(shè)備成本，簡化應(yīng)用過程的復(fù)雜度。

2 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)

本研究的射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)基于射流原理（文丘里射流器）：具有一定壓力的工作流體經(jīng)過噴嘴變徑后，速度急劇增大，從噴嘴高速噴出，使壓力能轉(zhuǎn)化為動能，噴嘴周圍氣室形成負(fù)壓把大量空氣從吸入口抽入，2股流體在喉管中混合并進(jìn)行動量交換，后經(jīng)過擴(kuò)壓段使速度能還原為壓力能，從噴射口射出。

射流器集吸入與混合功能于一體，負(fù)壓形成后將空氣介質(zhì)吸入的同時，剛好可以將輕質(zhì)的連續(xù)纖維絲吸入射流器內(nèi)，與進(jìn)氣口的空氣進(jìn)行動能交換后從噴射口射出，完成整個噴絲過程，如圖1所示。

圖1 三聯(lián)式射流噴絲植生器結(jié)構(gòu)示意圖

射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)包括噴絲系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和濕噴機(jī)3大部分，其中噴絲系統(tǒng)包括射流器、支架、移動平臺、纖維絲保護(hù)罩、連接軟管、噴射軟管,動力系統(tǒng)為空氣壓縮機(jī),本研究選取的纖維絲為滌綸彈絲。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)行纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土作業(yè)時，纖維絲噴射與客土噴混同步進(jìn)行，纖維絲嵌入土壤中作為加筋材料，借助纖維絲與土壤的摩擦互制行為發(fā)揮纖維拉力抗阻，約束土壤的變形，以提高土壤的抗剪強(qiáng)度，其力學(xué)機(jī)制類似于植物根系的加筋行為。這樣形成的連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土具有抗剪強(qiáng)度大、抗侵蝕能力強(qiáng)、適用地形廣、景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)。噴絲植生系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

圖3 射流式連續(xù)噴絲植生系統(tǒng)工作流程圖

3 纖維絲在土壤中的剪力數(shù)學(xué)模型

Waldron（1977）[3]以取纖維自由體段進(jìn)行受力平衡分析后，分別推導(dǎo)出纖維滑動、拉長及斷裂3種模式的剪位移與纖維絲拉應(yīng)力關(guān)系，并作出以下假設(shè)：a.纖維絲穿透剪力區(qū)，剪力區(qū)厚度Z不隨剪切改變；b.纖維絲為柔性材料，且維持彈性不變，受拉時斷面積改變忽略不計(jì)；c.纖維絲受拉應(yīng)力變極小，受拉前后長度相近；d.纖維絲拉應(yīng)力為線性分布，且在剪切面位置的拉應(yīng)力最大，纖維絲兩端點(diǎn)拉應(yīng)力為零；e.纖維絲與土壤之間的摩擦力，保持最大摩擦力；f.土壤摩擦角不受纖維絲影響，遵循Mohr-Coulomb破壞規(guī)則。受力分析平衡示意圖如圖4所示。

圖4 纖維絲自由體段受力平衡

水平向應(yīng)力可直接視為土壤的剪力抗阻，垂直向應(yīng)力則可視為額外的正向力，結(jié)合Mohr-Coulomb破壞規(guī)則可得下式，可用來預(yù)測連續(xù)和離散纖維的加筋土壤剪力強(qiáng)度。

式中，A：剪切面積（mm2）；Aft：通過剪切面纖維絲總面積（mm2）；τf：剪力強(qiáng)度（kPa）；c：土壤凝聚力（kPa）；σn：正向應(yīng)力（kPa）；φ ：土壤摩擦角（°）；θ：纖維絲變形角度（°）；Tf：纖維絲拉應(yīng)力（kPa）。

土體抗剪強(qiáng)度是一個反映土體抗崩塌、抗滑坡的重要指標(biāo)，一般通過剪切試驗(yàn)進(jìn)行測定，根據(jù)直剪試驗(yàn)原理，連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)體則由庫侖定律直接測定結(jié)果并繪制抗剪強(qiáng)度曲線。

4 射流式連續(xù)噴絲植生工藝

射流式連續(xù)噴絲植生工藝在施工時需拌合砂、纖維、添加劑與水，構(gòu)成一層厚度為10～30cm的連續(xù)纖維絲補(bǔ)強(qiáng)土坡面，坡面內(nèi)置排水帶，其施工坡面的坡度可達(dá)45°以上。其技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 射流式噴絲植生工藝流程圖

4.1 坡面整理

理順坡面截排水系統(tǒng)，清除坡面浮石、浮土、危石、泥塊等易發(fā)生滑動的部分。對凹凸部分無需進(jìn)行刻意修整。較為光滑的邊坡應(yīng)在坡面上打好橫向開槽。

4.2 錨桿錨固

坡度＜45°時，不采用錨桿錨固，可直接進(jìn)行連續(xù)纖維絲和植生基質(zhì)的同步噴射。坡度＞45°時，采用錨桿錨固，將錨桿呈“品”字形打入邊坡，鉆孔方向與坡面呈直角，作業(yè)完成后將風(fēng)管孔吹洗干凈，將錨桿插入孔中并用水泥砂漿灌注，錨桿伸出坡面部分約20cm。

4.3 基材配置

噴射基材主要包括土壤、有機(jī)質(zhì)、肥料、保水劑。土壤可因地選材，就近選擇粘土、黃土、沙土，以沙壤土為宜，選好后過40目篩待用；有機(jī)質(zhì)可以增加土壤肥力，保證土壤的透氣性，常用的有機(jī)質(zhì)有堆肥、泥炭土、經(jīng)充分發(fā)酵的家畜肥料等；除了有機(jī)質(zhì)外要加入緩釋復(fù)合肥來促進(jìn)植物生長；保水劑是一種無毒無害的高分子材料，可以吸收大量水分，這些水分不宜被一般物理方法排出，但植物根系卻可以吸收利用；特殊情況下可以加入粘結(jié)劑。將上述各組分加水充分混勻。在第2次噴播時，噴射基材除了以上材料外，還要加入預(yù)先配比并催芽的植物種子。

4.4 同步噴射

整體噴射厚度保持在12cm左右，共分2次噴射，纖維絲總用量為300g/m2。噴播時盡可能從正面進(jìn)行，對死角和凹凸部分充分噴射。第1次噴射厚度為8cm，連續(xù)纖維絲和基材保持同步噴射，均勻混合，纖維絲用量為200g/m2待穩(wěn)定后再進(jìn)行第2次噴射。第2次噴射的基材除原始配方外，還要加入配比并催芽的植物種子，基材與纖維絲共同噴射，第2層厚度為4cm，纖維絲用量為100g/m2。

4.5 覆蓋無紡布

在同步噴射結(jié)束后，及時覆蓋無紡布。隨后根據(jù)天氣情況進(jìn)行霧狀灑水養(yǎng)護(hù)，周期為1個月，30～45d后待植物長到一定高度時揭布，后期根據(jù)具體情況采取澆水、追肥、除蟲等養(yǎng)護(hù)措施。

4.6 景觀影響度評價(jià)

生態(tài)修復(fù)后的景觀影響評價(jià)常用的方法有評分法和比較判別法。比較判別法專業(yè)性要求較高，主觀性強(qiáng)；評分法操作簡單，精度較高。景觀影響評價(jià)的指標(biāo)很多，考慮到評價(jià)過程的可操作性和評價(jià)結(jié)果的實(shí)用性，選擇“景觀影響度（landscape effect degree，LED）”作為一個綜合指標(biāo)來反映生態(tài)修復(fù)后的評價(jià)指標(biāo)及影響程度[4]。修復(fù)后效果如圖6所示。

圖6 射流式噴絲植生工藝護(hù)坡效果圖

5 結(jié)語

近年來，盡管在高陡邊坡生態(tài)治理方面的技術(shù)研究及應(yīng)用取得了一些進(jìn)展，如噴混植生技術(shù)、有機(jī)基材噴植、植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)等，其技術(shù)原理和方法基本相近，但并不能完全解決高陡邊坡及石質(zhì)邊坡治理中所遇到的所有問題。特別是針對高陡邊坡復(fù)雜條件下的“低環(huán)境影響沖擊”、“低資源消耗”、“延長生命周期”、“資源循環(huán)利用”等理念的邊坡修復(fù)技術(shù)尚缺乏系統(tǒng)探究，而本文研究的射流式噴絲植生工藝則通過利用射流技術(shù)原理，并結(jié)合生物穩(wěn)定技術(shù)、土壤生物工程技術(shù)達(dá)到邊坡修復(fù)力學(xué)與美學(xué)的有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)低成本、低資源消耗、長生命周期、資源循環(huán)利用的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，有望實(shí)現(xiàn)高度邊坡生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的新突破。

[1]史文飛,彭沖,等.裸露山體缺口生態(tài)修復(fù)新技術(shù)及景觀影響度評價(jià)[J].亞熱帶水土保持，2012，24（2）：34-37

[2]GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]Waldron,L J.Shear Resistance of Root-Permeated Homogeneous and Stratified Soil[J].Soil Science Society of America Journal,1977,41：843-849.

[4]吳長文,章夢濤,等.裸露山體缺口生態(tài)治理[M].北京：科學(xué)出版社,2007：12-21