（环境工程专业论文）植物护坡的生态基材物化性质研究.pdf

摘要 基材混合物是岩石边坡植被护坡工程植被稳定生长的物质基础，在有限的 物质条件下，其功能实现决定于功能材料的效应发挥。水泥、聚丙烯酰胺( p a m ) 、 有机质及秸秆纤维、是基质混合物中主要的功能材料，通过试验定量研究了各 主要功能材料在基质混合物中的功能效应。研究结果表明： ( 1 ) 水泥对提高基材混合物强度起着重要作用，当水泥含量a 超过1 2 时， 无侧限抗压强度。随水泥含量变化增长幅度显著。水泥对基材混合物早期的p h 值影响较大，但长时间后表明，其p h 值差异不大，均在7 5 以下；种草后，草 的生长对p h 值有一定的调节作用。因此，水泥对基材混合物p h 值的影响在工 程实际中不是一个太大的问题。水泥在草生长初期对草的生长有抑制作用，但 草生长成熟后影响不大；当水泥含量超过1 5 时，在基材混合物的表层形成结 皮现象，严重阻碍种子的发芽，覆盖率大大降低。水泥的适宜用量在1 2 1 5 左右。 ( 2 ) 聚丙烯酰胺( p a m ) 对改善基材混合物容重、孔隙度、团粒化结构效 果明显。p a m 可提高基材的自然含水量，延缓基材混合物水分的丢失，提高 连续抗旱天数；并且具有反复吸释水的能力，但随着吸释次数的增加，吸释水 能力有所下降。p a m 有良好的保肥性能，增强了肥效的缓释作用，基材经过一 年的实验后，亏损额保持在较低的水平( 5 以下) 。p a m 含量 i o 时，基材 混合物的出苗率急剧下降，草的生长高度也略有下降。因此不宜无限制的增加 其用量，其合理的用量在0 8 l 之间。 ( 3 ) 有机质改善了基材混合物的紧实度，提高了基材混合物的自然含水率， 为坡面植被的生长提供良好的条件。有机质对基材混合物的三相比的影响较大， 特别是提高液相的比重。有机质含量在1 5 时，水平收缩率最小，超过1 5 时， 水平收缩率和最大裂隙宽度增长较快。因此，有机质对植被生长的适宜含量为 1 5 - 2 0 左右，过高的有机质含量易造成基材混合物的液相比例过大，导致植 被根系长期浸泡不透气而烂死；过低易造成过于坚硬，水分不足，不利于植被 生长。 ( 4 ) 适量的秸秆纤维可提高基材的抗剪强度，降低侵蚀产沙量，延缓坡面 的产流时间，减小基材表面的裂缝的宽度，对基质混合物的整体稳定具有重要 作用。但用量过高反而有负效应，产生不利影响，试验条件下，其适宜用量在 3 4 左右。 关键词：植被护坡，基材混合物，水泥，聚丙烯酰胺( p a m ) ，有机质，秸秆纤维 i l a b s t r a c t s u b s t r a l e ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a li ne c o - e n g i n c e r i n gf o rr o c k s l o p ep r o t e c t i o n ( e e r s p ) ，i st h es u b s t a n c eb a s i sf o rs t a b l eg r o w t ho fv e g e t a t i o n t h e f u n c t i o no fs u b s t r a t er e t i e so ut h ee f f e c t so ff u n c t i o n a lm a t e r i a lu n d e rc o n d i t i o no f l i m i t e d s u b s t a n c e t h ep r i m a r yf u n c t i o n a l m a t e r i a l ， i n c l u d i n gc e m e n t ， p o l y a c r y l a m i d e ( p a l v 0 o r g a m c m a m e ra n ds 打a w f i b e r , a r ei n v e s t i g a t e d q u a n t i t a t i v e l yw i t hf u n c t i o n a le f f e c t s t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) c e m e n tt a k e st h ei m p o r t a n tp a r ti ni m p r o v i n gs u b s t i a t ei n t e n s i t y w h e n t h ep r o p o r t i o no fc e m e n ti sm o r et h a n1 2 ，t h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nor i s e d i s t i n c t l yw i t ht h ec e m e n t a tt h eb e g i n n i n g , c e m e n ta f f e c t sp ho fs u b s t r a t e o b v i o u s l y , b u ts o m e t i m el a t e r , t h ep hg e ts t e a d y , l o w e rt h a n7 5 ：a f t e rg r a s sp l a n t i n g t h eg r o w t ho fg r a s sc a na d j u s tt h ep h t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to fc e m e n to nt h e s u b s t r a t e sp hi sn o tb i gp r o b l e m a tf i r s t ，t h ec e m e n tm a yr e s t r a i nt h eg r o w t ho f g r a s s ，b u tt h ee f f e c tw i l lb ev e r yl o w w h e nt h eg r a s sg r o w su p ；h o w e v e r , w h e nt h e p r o p o r t i o no fc e m e n ti sm o r et h a n1 5 t h es u r f a c eo fs u b s t r a t ec a l la p p e a rc r u s t f o r m a t i o n ，i tc a bb a f f l es e e db u r g e o n i n gb a d l y ，t h e nt h eo v e r l a yr a t e sm a yb ev e r y l o w t h es u i t a b l ep r o p o r t i o no fc e m e n ti s1 2 - 1 5 ( 2 ) p a mc a no b v i o u s l yi m p r o v et h ed e n s i t y 、i n t e r s p a c e 、a g g r e g a t e so f s u b s t r a t e p a mc 皿i n c r e a s et h ec o n t e n to fw a t e ro fs u b s t r a t e ，d e l a yr u n o f ft i m e ，a n di n c r e a s e t h en u m b e ro fd r o u g h t yd a y s ；i tc a na d s o r bo rr e l e a s ew a t e r , b u tt h ea b i l i t ym a y d e c l i n ea f t e ral o n gt i m e p a mh a sw e l lc a p a b i l i t yo fn u t r i e n tc o n s e r v a t i o n ，i t e n h a n c e st h es l o w - r e l e a s eo fn u t r i e n t ，a f t e ra b o u tay e a r , t h ew a s t a g eo fs u b s t r a t e k e e p si nal o wl e v e l ( 1 0 w e rt h a n5 1 w h e nt h ec o n t e n to fp a m m o r ot h a nl ，t h e r a t eo fg e r m i n a t i o nd e s c e n d sr a p i d l y , t h eh e i g h to fg r a s sa l s od e s c e n d s t h e r e f o r e ， w ec o u l d n ti n c r e a s et h ed o s a g eo fp a m i l l i m i t a b l y , i t ss u i t a b l ed o s a g ei s0 8 - 1 ( 3 ) o r g a n i cm a t t e ri m p r o v e st h ei n t e n s i t ya n dn a t u r em o i s t u r eo fs u b s 仃a t e , o f f e r sg o o dc o n d i t i o nf o rt h eg r o w t ho fv e g e t a t i o nc o v e r 。i tc a na f f e c tt h er a t eo f s o l i d ，f i q u i da n dg a so fs u b s t r a t eg r e a t l y , e s p e c i a l l yo nt h er a t ei n c r e a s i n go f i i l i q u i d w h e nt h ep r o p o r t i o no fs u b s t r a t eo fo r g a n i cm a t t e ri s1 5 ，t h eh o r i z o n t a l c o n t r a c t i o nr a t e ( ，啪) i st h el o w e s t ；m o r et h a n1 5 ，r c o na n dt h em a xi n t e r s t i c e i n c r e a s ef a s t t h e r e f o r e , t h es u i t a b l ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e ri sa b o u t1 5 - 2 0 f o r t h ev e g e t a t i o n ，m o r et h a ni t , t h eo r g a n i cm a t t e rc a nl e a dt o oh i g hp r o p o r t i o no f s u b s t r a t e sl i q u i d , r e s u l ti nt h ed e a t ho fv e g e t a t i o n ；l o w e rt h a ni t ，t h es u b s t r a t em a y b et o of l i n t y , s h o r to f w a t e r , t h e nn o ts u i tf o rt h eg r o w t ho f v e g e t a t i o n ( 4 ) a p p r o p r i a t es t r a wf i b e rc a ni m p r o v et h es h e a rs t r e n g t ho fs u b s t r a t e ， r e d u c et h es o i le r o s i o n ，d e l a yr u n o f ft i m e , d e c r e a s et h ec r a n n yw i d t ho fs u b s t r a t e ，i t t a k e si m p o r t a n tp a r ti nt h es u b s t r a t es t a b i l i z a t i o n h o w e v e r , t o oh i g hc o n t e n to fs t r a w f i b e rw o u l db r i n gb a di n f e c t i o n o nt h ee x a m i n a t i o n , t h es u i t a b l ed o s a g ei sa b o u t3 。4 k e y w o r d s ：e c 0 一e n g i n e e r i n g , s u b s t a t e , c e m e n t , p o l y a c r y l a m i d e ( p a m ) ，s t r a wf i b e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 日期驾! 璺丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：二降导师签名：雌醐驾尘d 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 环境污染和生态破坏是人类面临的重大社会问题之一。项目开发与环境保 护兼顾是经济可持续发展的重大课题，世界各国都非常重视，我国也不例外。 对于工程建设来说，合理利用资源，保护资源，保护环境，是我们必须正视和 认真对待的问题。 随着我国基础设施的建设规模日益扩大和西部大开发战略的逐步实施，一 大批高速公路、铁路和水电站等相继开工建设，大量各种类型的坡面需要得到 及时防护。尤其是近几年我国对“绿化通道建设”力度的加大，高速公路岩石 边坡的绿化问题己提上日程，并成为大势所趋。各省、自治区、直辖市继续贯 彻落实国务院关于进一步推进全国绿色通道建设的通知要求，突出重点， 着力提高绿化档次，稳步推进绿色通道建设。铁路、交通、水利等部门按照职 责分工，加大投入，加快了管辖线路内绿色通道建设步伐。铁道部制定了绿色 通道工程建设规划，明确分工责任，将沿线通道绿化与防风、防沙、防洪、提 速达标线建设、新线建设相结合，大力推进绿色通道建设，累计实现铁路绿化 达标1 2 7 万公里。全国“绿色通道建设”的目标是：到2 0 0 5 年，对全国的公 路、6 0 的现有铁路、国道、省道、渠道、堤坝实行绿化。目前，这一目标基 本实现。到2 0 1 0 年，力争对全国所有可绿化的公路、铁路、渠道、堤坝全面 绿化，形成带、网、片、点相结合，层次多样、结构合理、功能完备的绿色长 廊，使绿色通道与生态环境、城乡美化绿化融为一体。 然而在修建铁路、公路和水利水电等工程中开挖山体，常造成自然植被破 坏而无法修复。裸露于地表的土( 岩) 层受温度、气候和人类活动等外界因素 的影响，风化速度明显加快，在遭受暴雨和洪水冲蚀后易出现崩塌，全国每年 因此而新增的水土流失面积达1x1 0 4 k n l 2 ，其中大部份是边坡水土流失i l l 。并 且有许多工程在对边坡丌挖后防护处理的现状也不容乐观，一些山体在切割后 未采取任何防护措施，坡面直接裸露在空气中任凭风吹雨打；一些边坡开挖虽 采取了一定的防护措施，但多采用如抹面、捶面、喷水泥砂浆或混凝土以及干 武汉理工大学硕士学位论文 ( 浆) 砌片石等传统的护坡方式，生态环境效益差；仅有少量边坡工程采用了 植被防护的方式，如对坡度较缓的土坡采用了土工网垫植被护坡，然而在植被 无法自然生长的岩石类贫瘠边坡，传统的护坡方式很多受到了限制，甚至无能 为力。一方面，岩石边坡缺少植被生长所必须的土壤条件及养分条件，无法直 接进行种子撤播或植生带绿化，即使采用铺草皮或液压喷播，由于浆体与岩面 粘结差，防护效果也不理想。另外，岩体保水功能差，含有的活化养分低，植 被很难从边坡岩层中吸取水分及养分供其生长发育；另一方面，边坡坡度大， 公路工程、铁路工程的岩石边坡坡度，一般设计都陡于1 ：0 7 5 ，有的可达1 ： 0 3 0 。坡面陡则雨水径流速度大，在高降雨地区易形成冲刷侵蚀，坡面自然风 化的土壤颗粒受水力和重力作用而堆积坡脚，在干早地区降雨又不能渗流在坡 面上致使植被难以生存【2 l 。有鉴于此，从环境保护角度出发，迫切需要研究经 济、有效且植被绿化与护坡相结合的边坡综合防护措施，从而加快建设速度， 降低建设成本，使不能绿化的地方也变绿，生态基材喷射植被护坡技术就是在 这一背景下应运而生。 生态基材喷射植被护坡技术就是在打了锚杆并挂网的坡面上使用专用喷 射机械将拌和均匀的土壤、肥料、有机质、混合草种、保水材料、水泥等混合 干料加水混合后按要求厚度喷射到岩面。由于喷射时混合基连续撞击而压密并 伴随着水泥的水化硬化，上述混合物可在岩石表面形成一层具有连续空隙的硬 化体。一定程度的硬化体使绿色基材免遭冲蚀，而空隙内填有种子、土壤、肥 料、保水材料等，空隙既是绿色基材的填充空间，也是植物根系的生长空间。 这样就具备了岩质边坡实现绿化的两个条件：一是坡面上必须有植物能赖以持 续生长的生态基材；二是生态基材具有足够的粘结力和抗冲刷力，能永久固定 在岩面上。 所以，目前关于岩质路暂边坡绿色防护研究的课题主要有：如何在岩质路 堑边坡表面提供稳定的植被生长所需的条件。植物在边坡上难以生长，主要是 缺乏植物生长的条件，创造条件让植物生长是在边坡上恢复植被的关键技术。 这一技术的核心是在坡面上营造一种植物能赖以持续生长的人工土壤，在该技 术中，生态基材混合物配比是成功实施的关键。因此，本文将研究生态基材各 组分的物化性质以及各组分对基材的功能效应的影响，并提出合理的基材组分 配比。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 国际上专门以植被护坡为主题的首次国际会议1 9 9 4 年9 月在牛津举行1 3 l 。 边坡的防护类型经历了一个从土质边坡绿色防护向岩质路堑边坡绿色防护转 变的发展过程，但单纯的植被护坡一般只适用于坡度较低的土质边坡，对较陡 的边坡或岩质路堑边坡往往不适用，因为岩质路堑边坡一般难以供给植被充足 的养分和水分，而陡峭的边坡上地表径流速度大，植被易被冲走、表土易崩剥 塌滑。因此对岩质路堑边坡的绿色防护显得尤为重要。 国外对岩质路堑边坡的绿色防护研究起步较早，日本在1 9 8 0 年开始研究 开发岩质路堑边坡绿色防护技术，形成了以“喷射岩床绿化工法”为代表的各 种岩质路堑边坡绿色防护技术，已广泛应用于道路工程、各种地质灾害恢复工 程和水库等岩石、岩堆边坡的绿化和防护工程中，其植被防护技术的研究开发 和应用走在世界各国的前列。其中2 0 世纪8 0 9 0 年代开发的泥浆喷播技术， 采用泥浆将沃土、稳定剂、草种等混合而成的浆体均匀地喷射到坡面上，较好 地解决了较平缓的贫瘩土质和破碎岩质边坡的绿化问题。厚层基材植被护坡技 术，日本从1 9 7 6 年开发至今，2 0 余年间作了大量的试验研究工作，仅粘结剂， 就有水泥，无机高分子聚合物，浮液与凝聚剂的混合物，纤维有草本、木本有 机短纤维及连续纤维，基本材料有砂土、壤土及有机质土，较好地解决了岩质 等贫痔高陡边坡的绿色防护问题。从实际工程的应用情况看，岩质路镭边坡的 绿色防护技术已可应用于坡度缓于1 ：0 5 的软岩、中硬质岩、硬质岩边坡及酸 性、强酸性土质边坡的植被防护i ”】。预应力锚索、土工织物、厚层基质喷播( 客 土喷播) 等与生态防护相结合的技术己经成为设计、施工中的常规技术。岩石 边坡的柔性防护、客土喷播等技术己成为业内的常识。 国外学者们对林木根系固坡作用的土力学机理研究及其数学模型的建立 十分重视。美国、日本、新西兰和奥地利等国家的学者们，分别采用室内外直 接剪切根系与室外拉拔根系等方法，提出了一些草灌木和乔木根系的固坡力学 数学模型1 6 。但这些模型中均未解决根系重量与抗剪强度、含水率与抗剪强度 以及有无根系对抗剪强度的关系影响等，而这些又j 下是固坡工作者和林学家们 最关心的问题，并往往在如何评价乔灌木、草本植物根系固坡效益上产生不同 武汉理工大学硕士学位论文 的见解和争议。在实践的基础上，一些室内和现场剪切试验也曾研究土和树 根的相互作用( 奥洛克林1 9 7 4 ，沃尔德伦1 9 7 7 ，沃尔德伦和达克迅1 9 8 1 ，齐默 尔1 9 8 1 ) 。其中多数表明剪切强度随着树根强度的增加而增加。正如格雷和奥 哈西( 1 9 8 3 ) ，朱厄尔( 1 9 8 0 ) 、休伯利脊( 1 9 8 7 ) 、沃尔德伦和达克迅( 1 9 8 1 ) 的成果所 表明的那样，加筋所起的作用依赖于许多因素，最重要的是刚度和加强方位 1 7 - 1 4 1 。 国内在生态护坡方面研究还比较少，在岩质路堑边坡绿色防护技术方面积 累的经验也相当匾乏，国内岩质路堑边坡的绿色防护技术尚处于试验研究阶 段。陈振盛( 1 9 9 5 ) 及黄尊景( 1 9 9 5 ) 对台湾泥岩边坡采用播种、植苗及植生带等 方法来防护，刘桂元( 1 9 9 8 ) 对软岩边坡栽植葛藤、松树等进行防护。李旭光 ( 1 9 9 5 ) 、张俊云( 2 0 0 0 ) 、杜娟( 2 0 0 0 ) 和江玉林( 2 0 0 0 ) 分别介绍了日本的客土喷播 护坡技术。章梦涛( 2 0 0 0 ) 、张俊云( 2 0 0 1 ) 、舒翔( 2 0 0 1 ) 、周颖( 2 0 0 1 ) 等在借鉴日 本同类技术的基础上，进行了以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为粘结材料的喷 混植生实验，并在内昆、株六等铁路及惠河告诉公路进行了现场实验，取得了 一些研究成果【1 5 - 2 4 1 。1 9 9 4 年，湖北宜昌久丰植生工程有限公司首先引进了台 湾喷混凝土植生技术，分别在三峡大坝料石场后花岗岩风化边坡和二峡专用公 路灰岩边坡两处面积共约3 0 0 m 2 进行尝试，取得了一定的成果。铁道第二勘察 设计院于1 9 9 8 年- 2 0 0 0 年在襄石复线、内昆线、株柳复线对岩石绿化防护问 题做了喷混凝土植生护坡的选点工程试验，取得了一些工程实践经验。另外， 许文年( 2 0 0 2 ) 开发的植被混凝土边坡绿化技术，与喷混植生技术也较为相似。 近几年通过在一些工程中的应用也取得了部分成果i ”1 。 下面介绍现有技术应用相对较成功的有以下几判圈。 ( 1 ) 框架内植草护坡 技术源于对土质开挖边坡的防护，经改进后用于岩石边坡的生态防护。框 架制作有多种方法，常用的是锚杆框架护坡，框架的形状由具体工程确定，其 形状有正方形、六边形、拱形等，一般做法是在岩面上依据设计打孔，锚固1 4 m m 锚杆，其长度一般在1 5 m 3 m ，锚杆露出坡面部分( 一般1 6 c m 3 0 c m ) 横向焊接 6 r n m 8 m 钢筋形成框架骨架，灌注混凝土形成框架，框架内填入经人工改良的 含有植被种子的种植土( 基质) 。框架内植草护坡是早期岩石边坡植被护坡的常 用技术，一般适用于坡比小于1 ：0 7 5 的坡面，工程量相对较大。 ( 2 ) 植被型生态混凝土技术 4 武汉理工大学硕士学位论文 植被型生态混凝土技术于上世纪9 0 年代末传入我国，主要由三峡大学许文 年、叶建军等进行研究。其主要构造由多孔混凝土、填充材料及表层土三部分 组成。多孔混凝土由粗骨料、水泥、适量的细骨料混合配制而成，水泥中混有 高炉炉渣、硅灰等以降低混凝土的碱性闭。多孔混凝土是骨架，固定于岩面， 在其孔隙中填充有保水材料、肥料及有机质等填充材料，然后铺设含有草种的 表层土。但其工艺复杂，工程成本相对较高，现在工程中较少应用，一般也只 适用于坡比小于1 ：0 7 5 的坡面。 ( 3 ) 厚层基材喷射护坡技术 张俊云( 2 0 0 0 ) 等在借鉴日本技术的基础上，进行了以土壤为主要材料、硅 酸盐水泥为粘结材料的喷播试验，铁道部第二勘测设计院在内昆、株六等铁路 对此进行了现场试验，取得一些研究成果。该方法可应用于坡比小于1 ：0 3 的 各类边坡的防护。其主要构造由锚杆、网及基材( 基质) 混合物组成【2 7 1 。锚杆主 要起到加固边坡和固定网的作用，依据受力分析选型，网可起到稳定基材( 基质) 混合物的作用，基材( 基质) 混合物由绿化基材、植壤土、纤维及植被种子按比 例混合而成，具有一定的抗侵蚀性及稳定性，是植被生长的载体，同其他几类 技术相比厚层基材喷射护坡技术具有施工工艺简单、成本较低及后期管理粗放 的优点，且其应用范围更加广阔，自技术开发成功以来现以逐渐为市场的主导， 为我国岩石边坡植被护坡技术的进步起到了重要的促进作用。 1 2 2 技术中存在的问题 ( 1 ) 植被种类单一、生态适应性差 目前，岩石边坡植被护坡技术中植被种子的类型多以草坪草种为主，品种 单一、组合简单，需严格的后期管理，且过多地追求景观效果，而忽略了植被 的生态功能和适应性，从而导致坡面人工植被群落生态稳定性差，常因环境因 子的剧烈变化或周围的野草入侵而消亡，从工程实践中看，初期入侵的植被多 为一年生草本，生活周期短，从而导致坡面在一年中的大部分时期内无活的植 被存在，使岩石边坡植被护坡工程的生态功能基本丧失，工程质量难以保障。 目i i 国内已有根据不同的生态区划进行草种选型的报道，但还只局限与草坪种 草的应用。 ( 2 ) 工程成本高 5 武汉理工大学硕士学位论文 一项工程技术能否顺利推广应用，除技术本身的原因，其建设成本也是一个 重要因素。我国的经济实力还相对较弱，在进行建设的同时，经济成本因素还 相当重要，就现有技术来看，即使造价最低的厚层基材喷射护坡技术也在5 0 元，m 2 以上( 图1 x 参考铁道部第二勘察设计院工程设计定额) ，在极大程度上限 制了技术的应用，从而影响了岩石边坡生态恢复的进程。 4 55 56 06 57 07 58 08 59 0 图1 不同坡度条件下3 种岩石边坡植被护坡技术成本比较 ( 3 ) 后期管理难 岩石边坡植被护坡技术应用活的植物来实现其主要功能，生物活体的长期 稳定生存需要一定的生态环境条件，在岩石边坡植被护坡工程中水分的供给显 得尤为重要，成为影响工程长期稳定的主要因素，公路、铁路是数百、数千公 里的带状构造物从而导致产生的边坡绵延分布，而我国大部分地区降雨量小或 极不均匀，投入大量的入力、财力进行养护管理是不现实的，后期管理难的问 题已成为岩石边坡植被护坡技术应用的重要限制因素1 2 8 j 。 1 3 本文研究的主要内容 ( i ) 简要介绍了生态基材喷射植被护坡技术的原理、施工流程及各功能材料的 作用以及植被护坡技术的优越性。 ( 2 ) 生态基材物化性质研究 6 武汉理工大学硕士学位论文 将各组分作为单一因子加入到基材混合物中，研究不同用量下对基质混合 物各性质的影响程度及规律，具体研究内容如下： 不同水泥用量对基材混合物无侧限抗压强度、p h 值( 种草和未种草) 、 抗侵蚀性以及对草生长( 包括发芽率、覆盖率、根扎入深度及生长高度) 的影 响。 p a m 对改善基材混合物容重、孔隙度、团粒化结构；提高自然含水量； 提高基材混合物的抗侵蚀性的效果；p a m 反复吸释水的能力；p a m 的保肥性 以及对出苗率的影响。 有机质对改善基材混合物的紧实度影响；不同有机质含量对提高基材混 合物的自然含水率及抗侵蚀性研究，有机质对基材混合物的三相比的影响，以 及对植被生长的影响。 秸秆纤维对基材的抗剪强度、侵蚀产沙量、收缩性以及对坡面的产流时 间的影响。 通过以上室内外试验，并对基材的物化性质和植被生长情况做评价和分析， 提出合理的基材组分配比。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章生态基材喷射植被护坡技术 2 1 生态基材喷射植被护坡技术简介 生态基材喷射植被护坡是采用混凝土喷射机把基材与植被种子的混合物按 照设计厚度均匀喷射到需防护的工程坡面的绿色护坡技术。生态基材喷射植被 护坡技术主要针对岩石边坡的植被防护而开发。 岩石边坡不同于土质边坡，目前常用的植被护坡方法( 如撒播、液压喷播、 植生带、框格植被、三维土工网植草等) 无法应用于岩石边坡，原因如下：( 1 ) 无植物生长所需的土壤环境，由于岩石坡度较大，即使坡面有少量因岩石风化 产生的土撰母质，也因雨水的冲刷而流失；( 2 ) 无法供给植物生长所需的水分； ( 3 ) 无法供给植物生长所需的养分。生态基材喷射植被护坡技术则通过在坡面 喷附一层结构类似于自然土壤且能够贮存水分和养分的植物生长所需的基层材 料，解决了岩石边坡无法生长植物的难题【2 9 】。 图2 - 1 生态基材喷射植被护坡基本构造示意图 武汉理工大学硕士学位论文 生态基材喷射植被护坡的基本构造如图2 - 1 所示，主要由锚杆、网和基材 混合物三部分组成。 ( 1 潲杆用于深层稳定的边坡，其主要作用是将网固定在坡面上，根据岩石 坡面破碎状况，长度一般为3 0 6 0 c l n ；用于深层不稳定的边坡，其作用首先是 加固不稳定边坡，其次是固定网，依据受力分析设计选型。 ( 2 ) 网依据边坡类型选用普通铁丝网、镀锌铁丝网或土工网。 ( 3 ) 基材混合物由绿化基材、种植土、纤维和植被种子按一定的比例混合而 成，其中绿化基材是本项技术的核心。 生态基材喷射植被护坡的施工原理如图2 2 所示，施工示意如图2 3 所示。 首先通过混凝土搅拌机或砂浆搅拌机把绿化基材、种植土、纤维及混合植被种 子搅拌均匀，形成基材混合物，然后输送到混凝土喷射机的料斗，在压缩空气 的作用下，基材混合物由输送管道到达喷枪口与来自水泵的水流汇合使基材混 合物团粒化，并通过喷枪喷射到坡面，在坡面形成植物的生长层。 图2 2 生态基材喷射植被护坡旌工原理 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 生态基材喷射植被护坡施工示意图 2 基材混合物的组成及作用 基材混合物由绿化基材、种植土、纤维和植被种子组成。 ( 1 ) 绿化基材 由有机质、肥料、保水剂、粘结剂、团粒剂、p h 调节剂、消毒剂等按一定 的比例混合而成。有机质主要作用是改善喷射的基材混合物的结构，以利于植 物的生长，并提供给植物生长所需的永久养分，因其又有一定的吸水性，因此， 还可贮存一部分植物生长所需的水分肥料主要用来供给植物生长所需的速效养 分( 包括氮、磷、钾等) 及长效养分。保水剂用来贮存并缓慢释放植物生长所需 的大量水分。稳定剂的作用是使喷射到坡面的基材混合物具有一定的强度及抗 侵蚀性。团粒剂的使用以利于基材混合物的团粒结构的进一步形成。酸度调节 剂用来调节绿化基材的p h 值，使其呈中性偏弱酸性。消毒剂用杀除绿化基材 中所含的有害细菌。 绿化基材的主要作用是： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 提供植物生长所需的合理物理结构； 保证坡面基材混合物的稳定，抵抗雨水的侵蚀； 提供植物长期生长所需的平衡养分； 保障植物长期生长的水分平衡； 封闭坡面，与植物共同作用，防止坡面的风化剥落。 但) 种植土 一般选择工程地原有的地表种植土粉碎风干过8 m m 筛即可。 种植土的主要作用是； 减小喷射到坡面的基材混合物的空隙，使其三相分布更合理： 同绿化基材共同促进喷射基材混合物团粒结构的形成。 ( 3 ) 纤维 就地取秸秆、树枝等粉碎成l o - 1 5 m m 长，即可使用。 纤维的主要作用是： 缓冲作用，以避免因喷枪口的压力过高导致喷射的基材混合物过实； 连结作用，增强基材混合物间的相互连结，提高其强度及抗侵蚀性。 ( 4 ) 植被种子 一般由4 “种植物种子混合而成，应包括禾本科及豆科植物种子。 植被种子的主要作用是： 快速发育生长，覆盖坡面； 建立合理的坡面植被群落； 防止坡面岩土体的风化剥落。 2 3 生态基材喷射植被护坡的功能 与其它植被护坡技术相比，生态基材喷射植被护坡技术只是适用范围更为 广一些，可以应用于其它植被护坡难以应用于的岩石边坡，但是它作为一种植 被护坡技术，仍然具有同一般植被护坡技术相同的功能。其主要功能包括：护坡 功能、改善环境功能和景观功能。 ( 1 ) 护坡功能 生态基材喷射植被护坡技术通过锚杆、网、基材混合物和坡面植物的共同 作用来护坡。锚杆一端固定在岩土体，另一端通过网与喷射的基材混合物紧密 武汉理工大学硕士学位论文 地连接起来，使喷射的基材混合物与坡面岩土体形成稳定的整体，基材本身又 具有一定的强度和抗雨水侵蚀性，坡面植物通过力学效应和水文效应防护喷射 的基材混合物及浅层的岩土体，它们的作用有机地结合在一起，实现了护坡功 能。 ( 2 ) 改善环境功能 恢复被破坏的生态环境 边坡植物的存在为各种小动物、微生物的生存繁殖提供了有利的环境，完 整的生物链又逐渐形成，被破坏的环境也慢慢地恢复到原始的自然环境。 降低噪音、光污染，保证行车安全 交通工程应用植被护坡，因植被能吸收刺耳的声音，多方位反射太阳光线 及车辆光线，而降低噪音、强光对行人及司机的辐射干扰，减轻和消除大脑及 眼睛的疲劳，提高路标、替示牌的可见度，让驾驶者轻松偷快的驾车，保证行 车安全。据北京园林科学研究所测定，2 0 m 宽的草坪，可减少噪音2 d b 。 促进有机污染物的降解、净化大气、调节小气候 来自大气、雨水及汽车等交通工具的废气，以及排放的废水、使用的农药、 杀虫剂等，都含有大量的有机污染物，由于环境中的有机污染物种类繁多，成 分复杂，因此，仅靠传统的微生物消除有机污染物是很困难的，而植物却具有 修复功能，降低环境负荷及污染循环。植物主要通过三种机制去除环境中的有 机污染物，即植物直接吸收有机污染物，植物释放分泌物和酶刺激根区微生物 的活性和生物转化作用，植物增强根区的矿化作用【1 5 3 1 。 植物光合作用能吸收大气中的c o ：，放出0 2 ，能稀释分解、吸收和固定大 气中有害有毒物质，并为植物生长所利用。另外，植物也能吸收大气中的n h 3 、 h 2 s 、s 0 2 、n o 、h f 、c 1 2 和h g 、p b 蒸气等，能吸收大气中的金属和非金属 粉尘，达到净化大气的作用。文献【3 0 l 引用北京市环境保护研究所于1 9 7 5 1 9 7 6 年测定的数据：在3 4 级风下，裸地空气中的粉尘浓度约为有草坪地粉尘浓度 的1 3 倍。 高速行驶的车辆，由于风流、摩擦、燃油能量转化过程，使环境的湿度降 低，温度升高，恶化道路的小气候。应用植被护坡，则能调节小环境的温度和 湿度，创造一种温暖适宜、湿润舒适的行车环境。据文献【3 1 1 ，炎热的夏天，当 水泥地温度高达3 8 时，草坪面温度可保持在2 4 ，太阳照射到地面的热量约 5 0 被草坪草蒸腾所吸收，通常在夏季，草坪地表温度比裸地约低8 ，高温时 武汉理工大学硕士学位论文 数可缩短2 句小时，冬季温度则高1 4 。 ( 3 ) 景观功能 人类的眼睛能看到的是波长从3 8 0 h m 到7 6 0 h m 的光线，感觉到的最舒适的 是波长为5 5 3 n m 的绿色，由绿色引起的紧张状态最小1 3 2 l 。为什么人眼对绿色最 敏感昵? 这一点目前还没有科学的解释。绿色植物给予人们的美感效应，是通 过植物固有的色彩、形态、风韵等个性特色和群体景观效应所体现出来的，季 节的变化，光线、气温、风、雨、霜、雪等气象因子作用于植物，使植物呈现 朝夕不同、四时互异、千变万化、丰富多彩的景色变化，丰富发展着植物的美 l 叫。边坡植物的组合配置，据不同的地质状况、环境、气候条件，优选乔、灌、 藤、花、草相结合，有机的融入高速公路、铁路工程边坡中，车辆穿行在郁郁 葱葱、生机盎然的绿色环境中，在我们的视野内更显示出立体的绿色画面，花 团锦簇、苍翠葱笼、一片兴旺，让我们体验到清新、凉爽、绿色、洁净、和谐、 安定的美感，心胸开阔、感情奔放、陶冶志趣，把美传到人的内心。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章水泥的功能效应 3 1 实验设计与方法 3 1 1 实验设计 试验采用单因子试验设计，将水泥用量，作为单一因子加入到“基质混合 物”中，研究不同用量下对基质混合物的影响程度，所有实验均设3 个重复， 各功能材料用量见表3 - 1 。草坪草生长情况试验在表3 - 1 的配比下撒播狗牙根草 籽5 9 。 试验主要研究水泥用量对种植基的力学强度指标，p h 值，抗侵蚀性，以及 对草坪草的生长情况的影响。 3 1 2 生态种植基的配比 将壤土、水泥、秸杆纤维，腐殖质，肥料，保水剂六种功能材料配置成生 态种植基。先将前五种功能材料均匀混合在一起，然后加入2 3 2 5k g 溶有保 水剂的水再机械拌和均匀，制成厚度1 0 m m 的样本备用，种植基的水泥用量根 据实验需要，按质量百分比含量分别为3 、6 、9 、1 2 、1 5 、1 8 、2 1 ； 其余各功能材料的配比如表3 - 1 所示。 肥料为复混肥1 0 0 9 ，保水剂为聚丙烯酰胺( p a m ) ，颗粒状3 0 0 6 0 0 万分子 量，草籽采用狗牙根单一草种5 9 。 表3 - 1 各功能材料的配比 组分壤土水泥 有机质秸秆纤维肥料保水剂 i 含量( g ) 8 0 0 0 1 5 0 0 5 0 0 1 0 0 1 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 实验内容及方法 ( 1 ) 无侧限抗压强度 按照表3 - 1 配比制备龄期为3 d ，1 4 d ，2 8 d 的无侧限抗压强度试件，试件直 径3 9 1 c m ，高度8 c m 。养护后脱模，试件脱模后用密封塑料袋装好，袋周加水 浸泡，放入标准养护室养护至龄期。无侧限抗压强度试件在三轴剪力仪上进行， 用应变控制式，试件的压缩速率为1 3 8 n l n m i n ，压缩变形为每0 2 哪测读一次 量力环，试验至量力环读数回落或停止增大后，再读2 3 个数据即可。 通过测定不同水泥含量的试件的无侧限抗压强度，可以了解无侧限抗压强 度与水泥含量关系，并能确定合适的水泥含量以确保蕺菜混合物有足够的机械 强度。 ( 2 ) p h 值 测定方法按g b 7 8 5 9 8 7 森林土壤p h 值的测定测定，浸提液为l m o l l 的氯化钾盐溶液。分别测不种草时生态基3 d 、l o d 、3 0 d 、6 0d 的p h 值以及种 草时3 0 d 、6 0d 的p h 值。 测定不种草时不同水泥含量的试样的p h 值，可以了解基材混合物的p h 值 随水泥含量的变化情况。通过不同时间对试样的p h 值测定，可以了解基材混合 物的p h 值随时间的变化情况。通过种草与不种草试样的p h 值的对比，可以了 解种草对基材混合物的p h 值的影响。 ( 3 ) 抗侵蚀性 人工模拟降雨设备如图3 - 1 、3 - 2 所示。简易降雨装置由水箱、水管、喷头、 支撑架、流速计及阀门等组成。水箱中水面高度距地面控制在5 o m ，可模拟自 然降雨的下落速度。喷头为专用喷头，可模拟直径为2 3 r r z n 的雨滴，喷头距地 面高度2 0 l l l ，并可根据实际情况调整。降雨的雨强则通过水的流速与模拟降雨 的面积来确定。本实验装置可模拟雨强为8 0 4 0 0 m m h 的降雨。降雨实验槽用 木板制作，规格为l o o c m x 5 0 c m xl o c m ，如图3 - 1 ( b ) 所示。一方留径流口， 整体放置于坡度可调的移动支架上【3 5 j 。 在喷射施工2 8 d 后进行人工降雨试验坡度为6 0 。，降雨强度为l o o m m h ， 降雨历时2 h 。试验过程用秒表记录坡面产流时问，降雨结束后倒去上层清液， 烘干，测定泥沙含量。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 简易降雨实验装置示意图 ( b ) 降雨实验槽示意图 图3 一l 简易降雨装置示意图图3 - 2 抗侵蚀性实验实物图 测试不同水泥含量的试件的泥沙侵蚀量，可以了解基材的抗侵蚀能力。通 过种草与未种草试件泥沙侵蚀量的比较，来探索基材侵蚀的机理，以找到减少 泥沙侵蚀最佳途径。 ( 4 ) 草坪草的生长情况 草坪草的生长情况主要测量不同龄期的草坪草根扎入深度，株高以及覆盖 程度。覆盖程度以不加水泥的样( 空白样) 为基准，将其覆盖率定为1 0 0 9 6 ，其 它样品与其进行比较。 覆盖率。样品单位面积草的总$ 1 “r 空白样单位面积草的总株数x1 0 0 草的生长情况是反映基材混合物好坏的最直接的指标，如果植被不能生长， 1 6 下iili|ida川ili生 武汉理工大学硕士学位论文 就意味着该生态护坡方法在生态方面是失败的。因此植被的生长是衡量基材混 合物的主要指标，也是我们确定各功能材料含量的主要依据。本章通过草坪草 根扎入深度、株高的测试来了解植被对基材混合物这种人工土壤的适应情况， 测试覆盖率来了解草种的发芽情况和成坪状况。 3 2 试验结果分析 3 2 1 无侧限抗压强度变化 无侧限抗压强度实验结果如表3 - 2 所示。 表3 2 不同水泥含量的无侧限抗压强度。 水泥含量 a 3691 21 51 82 1 7 d3 05 l6 88 21 0 51 3 01 4 0 o 1 4 d7 21 0 81 2 11 4 02 0 92 3 32 8 5 k p a 2