三維植生網(wǎng)在黃河堤防邊坡防護中的應用

張 峰

(德州黃河河務局齊河黃河河務局，山東 齊河 251100)

黃河下游堤防工程邊坡常見為1∶3，其中土質(zhì)邊坡通常采用草皮防護，草皮防護是一種生物防護工程，是黃河下游標準化堤防的重要組成部分。黃河下游防洪工程的堤坡防護多年來一直采用單一草種進行生物防護，目前主要選用葛芭草草皮，該種草皮經(jīng)過多年的實際應用，部分段落出現(xiàn)退化及雜草侵占問題，對大堤的養(yǎng)護管理增加了工作難度和工作量，部分接近城區(qū)的段落已不能滿足工程管理和工程外觀效果的需求。

1 概 述

三維植生網(wǎng)，是將熱塑性樹脂通過擠壓、拉伸等工序后，形成的立體拱形隆起，上、下兩層網(wǎng)格經(jīng)緯線交錯排布的三維結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)地疏松、柔軟的特性(見圖1)。三維植生網(wǎng)的三維結(jié)構(gòu)中，有90%的空間可供土壤充填和植物根系纏繞其中，草皮可以舒適、整齊、均衡的生長，使三維植生網(wǎng)、草皮、泥土表面牢固地結(jié)合在一起，形成了復合保護層，對邊坡淺層起到加固作用[1]，具有抗水沖刷、固土蓄水、阻風滯水等功能。本文基于黃河下游堤坡防護改良的迫切需求和三維植生網(wǎng)的優(yōu)良性能，對三維植生網(wǎng)在黃河下游堤坡中開展護坡試驗，為三維植生網(wǎng)實際應用提供依據(jù)。

圖1 三維植生網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 三維植生網(wǎng)護坡機理

三維網(wǎng)植生網(wǎng)護坡通過三個主要構(gòu)成部分實現(xiàn)植被抗侵蝕作用[2]：一是植被層，通過自身致密的覆蓋來降低降雨產(chǎn)生的地表徑流速度和沖刷能量，防止雨水直接對邊坡表層土壤造成沖蝕，減少土壤流失；二是腐殖質(zhì)層，可起到一定的緩沖作用，保護邊坡表層土壤；三是地下根系層，這部分對坡面的地表土壤加以固定，從而產(chǎn)生機械穩(wěn)定的作用。在植物生長初期，單株植物形成的根系會呈現(xiàn)松散糾結(jié)的狀態(tài)，與土層結(jié)合不緊密，難以起到保護土壤的作用。三維植生網(wǎng)護坡技術(shù)正是從增強以上三方面的作用效果來實現(xiàn)淺層保護的。在一定的土層厚度內(nèi)，增強了植被層的保護性和機械穩(wěn)定性；由于三維網(wǎng)的存在，植物的龐大根系與三維植生網(wǎng)的網(wǎng)筋連接在一起，形成一個板塊結(jié)構(gòu)，從而增加防護層強度，限制沖蝕引起的破壞進一步擴展(見圖2)。

圖2 三維植生網(wǎng)護坡結(jié)構(gòu)示意圖

土工網(wǎng)和植物護坡的優(yōu)點相結(jié)合，可起到復合護坡作用。當邊坡植被覆蓋率達到30%時，可承受小雨的沖刷，覆蓋率達80%以上時能承受暴雨徑流的沖刷。當植物生長茂盛時，抵抗徑流沖刷能力遠好于一般草皮。土工網(wǎng)的存在，對減少邊坡土壤的水分蒸發(fā)，增加入滲量有良好的作用。同時，三維植生網(wǎng)采用的聚乙烯材料具有吸熱保溫的作用，有利于種子發(fā)芽和植物生長。

3 黃河下游堤坡防護應用試驗

3.1 試驗區(qū)概況

黃河下游山東段屬半干旱性氣候，特點為冬長寒冷而少雨雪，春短干旱而多風沙，夏季炎熱雨量集中，秋季晴朗而日照長。平均年降雨量600～700mm，主要集中在6—9月，年平均氣溫約14℃，月平均最高氣溫(8月)28℃左右，月平均最低氣溫(1月)-1～-3℃。黃河下游標準化堤防建設堤身填筑為統(tǒng)一標準，堤身土體多系砂壤土，黏粒含量10%～35%，分層碾壓夯實，壓實度不小于0.95，表層采用黏粒含量較多的紅土包邊，水平寬度為1m，土壤保水性較差，較干燥，除表層土外，堤身土壤含水量一般在10%以下。本次堤坡防護水土保持措施試驗選擇新建淤區(qū)段邊坡作為試驗的示范區(qū)。該項目位于黃河北岸齊河段，長度為200m。

3.2 試驗方案

將試驗區(qū)域劃分為兩個試驗段，試驗區(qū)坡長為12m，每個試驗段均為100m×12m的矩形邊坡，在同一試驗段進行同一草種有網(wǎng)和無網(wǎng)兩種工況的對比試驗，即試驗邊坡上部6m不鋪設三維網(wǎng)，下部6m進行三維網(wǎng)鋪設，試驗草種選用大堤廣泛運用的葛芭草及試驗草種狗牙根，分別種植于兩試驗段。試驗主要檢測項目包括植被成活率、生長速度、覆蓋度及景觀效果。

植被覆蓋度的大小是影響防治效果的關(guān)鍵指標，本項目利用無人機生成項目區(qū)各措施邊坡的高分辨率正射影像，通過對影像中植被信息的提取，計算不同措施邊坡的植被覆蓋度，監(jiān)測時段分別為2019年5月11日、8月7日和11月15日，分別代表措施實施初期、植被生長期和植被生長季結(jié)束后，能夠充分反映不同植被措施主要時期的生長狀況。播種后采用5點取樣法測量植株高度，每15天進行1次測量，取平均值作為生長速度數(shù)據(jù)。

3.3 施工流程

a.平整坡面。人工修整坡面使之達到到設計坡比，清除坡面雜物，確保坡面保持基本平整。在邊坡的坡頂、坡底位置，沿邊坡走向，各開挖一條矩形溝槽用于固定。

b.鋪設三維植生網(wǎng)。三維網(wǎng)寬幅2m，每捆長度100m，厚度12～14mm，三維網(wǎng)鋪設從堤頂開始向堤腳順延，每道三維網(wǎng)沿坡面橫向鋪于坡面上，網(wǎng)與坡面之間保持平順結(jié)合。每道網(wǎng)之間要相互搭接10cm，上一道網(wǎng)壓下一道網(wǎng)，依次向堤腳推進。三維網(wǎng)鋪于坡頂時需延伸30～40cm，并在堤肩外緣開槽埋于土中并壓實；段落端部沿堤坡由上而下也需開槽將網(wǎng)端埋入槽內(nèi)壓實固定。

c.三維植生網(wǎng)固定。將三維網(wǎng)自下而上用φ6以上的U形鐵絲固定，U形鐵絲長約15～20cm，寬約8mm，U形鐵絲間距約1.5～2.5m，鐵絲中間插入枝條進行輔助固定。

d.回填種植土。一般在三維植生網(wǎng)上部網(wǎng)包內(nèi)回填客土，覆土厚度以網(wǎng)包層不外露為準，不小于2cm。

e.播種。草坪播種要求種子均勻地撒在坪床上，并使種子摻和到1～1.5cm的土層中。由于本試驗段位于堤坡上，且工作量較小，因此草種撒播采用人工方式。種子均勻撒播后，為保證草種和土壤顆粒的緊密結(jié)合，采用正向作業(yè)，向前用園藝釘耙平趟，目的是使種子和土壤緊密接觸，同時避免澆水沖走種子。

f.養(yǎng)護。施工結(jié)束后，覆蓋無紡布防止陽光暴曬和坡面徑流沖刷，保持表層濕潤，促進植物種子發(fā)芽，在草種萌芽期根據(jù)氣溫、降水情況對草皮進行適當灑水養(yǎng)護。

4 試驗效果分析

4.1 試驗效果

在一個生長期內(nèi)，對試驗區(qū)植被成活率、生長速率、覆蓋度及景觀效果進行監(jiān)測(見表1、圖3)。

表1 試驗指標觀測結(jié)果

圖3 生長速率監(jiān)測結(jié)果

結(jié)果表明，鋪設三維網(wǎng)的試驗段植被成活率、覆蓋度、均勻程度和生長速度明顯好于沒有鋪設三維網(wǎng)的區(qū)域。2019年8月，臺風“利奇馬”過境期間帶來的持續(xù)性強降雨，對試驗邊坡造成了嚴重沖刷，沒有鋪設三維網(wǎng)的兩個試驗區(qū)域，均出現(xiàn)了3～5cm左右沖溝，到下半段鋪設三維網(wǎng)區(qū)域時便沒有形成沖溝，這說明三維網(wǎng)的鋪設極大地提升了邊坡的抗沖刷能力，有利于維持邊坡穩(wěn)定性。在狗牙根和葛芭草的對比試驗中，可以明顯看出，狗牙根與三維網(wǎng)的結(jié)合使用，各項監(jiān)測指標明顯好于葛芭草。

4.2 經(jīng)濟效益

以本次1200m2試驗段作對比，若采用混凝土空心預制塊護坡需工程投資74100元，采用三維網(wǎng)植草護坡實際投資7155元。根據(jù)試驗段采用三維網(wǎng)進行植草護坡的應用情況，進行三維網(wǎng)植草護坡與傳統(tǒng)混凝土空心預制塊護坡施工成本對比分析(見表2)。

表2 成本對比分析

從表2分析可知，三維網(wǎng)植草護坡與傳統(tǒng)混凝土預制塊護坡相比，投資節(jié)省66945元，可降低成本90%，工程造價僅為同等面積混凝土預制塊護坡的1/10。且三維植生網(wǎng)植草防護施工方便、造價低、見效快、效果好，只需做適當?shù)募竟?jié)性修剪工作，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益非?？捎^，在土質(zhì)堤防邊坡生態(tài)防護中具有較好的推廣應用前景。

5 結(jié) 語

三維植生網(wǎng)不僅可促進護坡草皮的定居與生長，使黃河下游堤防邊坡穩(wěn)定性、抗沖刷能力得到顯著提升，而且該材料性能穩(wěn)定、成本較低、施工簡便，同時，具有良好的生態(tài)效益，起到保持生態(tài)平衡、改善環(huán)境的溫濕度、凈化空氣等作用，具有顯著的社會效益，在黃河下游堤防邊坡防護中有較好的應用前景。此外，狗牙根與三維網(wǎng)結(jié)合使用的效果要好于葛芭草單一植物措施及葛芭草與三維網(wǎng)的結(jié)合使用，因此，在三維網(wǎng)實際應用時，建議選用狗牙根結(jié)合使用進行邊坡防護，以取得最好的邊坡防護效果。