綠色生態(tài)材料在高邊坡防護中的應(yīng)用研究

陳 軍，湯 東

（中國市政工程西南設(shè)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(chǔ)設(shè)施尤其是公路、高速公路等建設(shè)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(fā)眾多環(huán)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(shè)者的不能忽視的問題。

關(guān)于綠色生態(tài)材料的應(yīng)用及高邊坡防護工作的研究自21世紀以來一直持續(xù)，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(tài)護坡材料在路塹邊坡侵蝕防護中的應(yīng)用，并有效實現(xiàn)綠化。胡在良[2]為了推廣生態(tài)護坡材料在工程中的應(yīng)用，設(shè)計多組試驗分析研究生態(tài)材料顆粒內(nèi)孔徑分布特點，獲得其性能。倪海滿等人[3]關(guān)注綠色混凝土生態(tài)防護技術(shù)，對于高邊坡防護進行研究，同時實現(xiàn)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(tài)防護機理及特性，結(jié)合滇西文化走廊實際情況，借助邊坡穩(wěn)定性分析軟件鋪設(shè)生態(tài)防護膜。羅珂等人[5]對高速公路邊坡防護技術(shù)展開探討，建議要從護坡植物的選擇、邊坡生態(tài)防護技術(shù)原理、分類、應(yīng)用等4個方面考慮完成邊坡生態(tài)防護工作。李薔、朱瑞賡等人[6，7]重點研究ZZLS綠色生態(tài)材料在施工建筑、停車場建設(shè)等方面的應(yīng)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(tài)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(tài)材料的性能與結(jié)構(gòu)，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(yīng)用提供理論依據(jù)。最后以江西省某盤山公路的邊坡防護與綠化為例，應(yīng)用ZZLS綠色生態(tài)材料取得良好效果。

1 綠色生態(tài)材料介紹

（1）原材料介紹

最常見的綠色生態(tài)材料是指ZZLS綠色生態(tài)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(gòu)成成分多種多樣，其中包括天然無機非金屬礦物質(zhì)、各種營養(yǎng)物質(zhì)、植物纖維、團粒劑、水泥膠結(jié)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(zhì)，并有利于植物生存。ZZLS生態(tài)材料試驗需要用到425#常見硅酸鹽水泥、無機非金屬礦物質(zhì)、生活垃圾、沙粒、黏土、自來水等材料。

（2）微觀探究

ZZLS的微觀結(jié)構(gòu)很大程度上決定著ZZLS綠色生態(tài)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(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu)，對其做電鏡SEM掃描，獲悉ZZLS綠色生態(tài)材料的特性。

ZZLS綠色生態(tài)材料與土壤結(jié)構(gòu)類似，均是多孔結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(tài)材料SEM圖像

ZZLS綠色生態(tài)材料不僅含顆粒狀堆疊構(gòu)造、膠結(jié)式構(gòu)造，而且具有紊流構(gòu)造特點。其微觀構(gòu)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(tài)堆疊，且片狀、扁平狀顆粒呈現(xiàn)定向態(tài)勢，具有明顯的方向性。

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

（3）噴射技術(shù)特點

混合ZZLS綠色生態(tài)材料、種子、水后，借助射流理論流經(jīng)壓力管道運輸?shù)絿娚錂C處，噴射機將其混合料直接噴射到邊坡上，鋪設(shè)成厚度約1cm左右的人造土層，在種子發(fā)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(tài)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(tài)材料結(jié)構(gòu)與土壤類似，可以實現(xiàn)有效存儲與遷移水肥、空氣、熱量等，為植物生長發(fā)育提供良好的環(huán)境。

ZZLS綠色生態(tài)材料不僅可以為植被生存提供良好的環(huán)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(shè)邊坡保護層

ZZLS綠色生態(tài)材料與水、種子攪拌混合后，直接通過噴射機鋪設(shè)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(tài)材料通過活塞強制輸入氣料混合倉，倉內(nèi)的壓縮空氣與其混合后表現(xiàn)為稀薄流狀態(tài)，其混合料通過管道到達噴嘴處，因噴嘴內(nèi)設(shè)置雙水環(huán)，其自來水以水霧狀態(tài)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(tài)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(nèi)恒定，途經(jīng)起始段后進入基本段后呈現(xiàn)衰減規(guī)律。因空氣射流持續(xù)吸引周圍空氣，造成射流斷面持續(xù)增加，射流經(jīng)過一段路程后出現(xiàn)分散現(xiàn)象。具體過程見圖2，設(shè)定2θ是射流擴散角。經(jīng)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(nèi)，設(shè)沿x方向的速度值是vx。沿該軸心向外，噴射流速率降低，設(shè)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(guān)系用式（1）表示：

在固液氣三態(tài)噴射流中，氣態(tài)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(tài)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(nèi)經(jīng)過某截面的動量值應(yīng)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(nèi)混合料的密度值。

為了方便計算，假設(shè)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(jù)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(chǎn)生沖擊力，依據(jù)動量守恒定律，在單位時間內(nèi)，流體動量的變化應(yīng)該與作用于流體上全部外力單位時間內(nèi)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(yīng)用

（1）工程情況

江西省某高速公路建設(shè)在山區(qū)，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(shè)計

ZZLS綠色生態(tài)材料噴播綠化工藝是把ZZLS綠色生態(tài)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?shù)揭簤簢姴C內(nèi)，液壓噴播機依據(jù)噴射原理將混合料噴射到指定的邊坡表面，實現(xiàn)邊坡綠化功效的新型綠化工藝。其噴播后的生態(tài)邊坡結(jié)構(gòu)見圖3。

具體噴播工序有：清除整理破面、搭設(shè)腳手架，設(shè)立安全網(wǎng)、鉚釘裝設(shè)，加固坡面鐵絲網(wǎng)、混合草種、ZZLS綠色生態(tài)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(yǎng)護工作、養(yǎng)護結(jié)束。

圖3 生態(tài)護坡圖

（3）測試分析

測試的樣本和施工在相同時間內(nèi)制作完成，每組4個樣本，共設(shè)3組，樣本養(yǎng)護期是30 d。試驗設(shè)定液壓值是120 kN，借助液壓試驗機完成。試驗應(yīng)力與應(yīng)變函數(shù)關(guān)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(yīng)力與應(yīng)變函數(shù)關(guān)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(huán)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(jié)約了傳統(tǒng)綠化與護坡分開進行的施工成本，個別地區(qū)可達到30%左右。

4 結(jié)語

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

（1）ZZLS綠色生態(tài)材料環(huán)保，可以有效蓄水肥，防腐蝕性強，強度高。

（2）ZZLS綠色生態(tài)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(tài)材料是以噴射方式鋪設(shè)，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(tài)材料拌合植被種子可以依據(jù)實際情況變化，可以滿足景觀、歷史、文化等方面的需求。