論生態袋理化性能與生態護坡工程質量的內在關系

彭 超 劉穎卓

（中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京 100024）

隨著社會經濟的發展，水利樞紐、鐵路、公路、機場等基礎設施建設迅猛發展，在開發建設項目的施工過程中，開挖、回填等造成了大量裸露的巖土邊坡，破壞原有自然植被，損壞水土保持設施，容易產生邊坡沖刷、淺層滑動、土壤侵蝕等水土流失問題，同時對周圍生態和環境也造成了較大的破壞。據不完全估計，我國“十一五”期間生產及基本建設項目導致水土流失約1500多萬頃，今夏在極端天氣條件下甚至發生了舟曲特大泥石流，寧西、川黔鐵路因滑坡中斷等嚴重地質災害。山體水土流失，仍是中華大地之痛，如何在經濟建設中實現生態護坡，防止水土流失，緩解資源開發與環境建設的矛盾，愈來愈受到人們的關心和政府的重視。

1 傳統護坡技術與生態護坡的比較

護坡即邊坡防護，指采用各種工程手段對邊坡進行處理，以保證邊坡的穩定，邊坡防護的傳統做法是采用格構梁、漿砌石和噴射混凝土等剛性結構，其主要材料石料、水泥等在開采或加工時已經對自然環境產生了一次破壞，而構筑的剛性結構又對生態夠成二次破壞的潛在危險。且傳統護坡一次性投資大，難以恢復自然植被，加劇了水流對邊坡其它部位的沖刷，導致水土流失，極易引起山體坍塌與滑坡，既隔斷了動、植物的繁衍生機，破壞了山體結構及植被生態鏈，又減少了本來就很少的綠地，阻礙了人們與大自然之間的聯系，且在外觀上較為單調生硬，大多數情況下與周邊的景觀極不協調，與目前注重保護生態環境的發展趨勢相違背。在這種背景下，以新型土工合成材料-生態袋為主體的生態護坡技術應運而生，相比傳統的護坡方法的封閉性，生態護坡更具開放性，對坡面植被恢復、防治水土流失、改善生態環境起到良好效果，能夠在保證護坡工程質量的同時兼顧社會可持續發展的要求。下面結合工程實例介紹這一新型的生態護坡技術。

2 生態護坡的組成及施工

生態護坡的主體結構見圖1，施工流程圖見圖2。

圖1 生態護坡結構示意圖

圖2 生態護坡施工流程圖

由圖1而知，生態護坡技術主要是由生態袋、排水聯接扣、加筋格柵及植被等共同構成護坡主體結構。由圖2而知，生態護坡施工流程只是基層處理、土壤均化與填充、袋體堆砌與坡面清理及植被播種與養護等，施工流程相當簡單。由北京市門頭溝區某山體護坡治理工程前后對比圖3（1~4）而知，在完成整個生態護坡工程后，植被得到了快速恢復，植物根系很好的完成了防止水土流失的任務，實現了工程護坡和生態治理的完美結合。

圖3 門頭溝某山體護坡治理工程對比

相比作為輔材的排水聯接扣和加筋格柵，生態袋袋體本身無疑是整個生態護坡體系最重要的組成部分，袋體本身的性能也決定了整個生態護坡的工程質量。

3 生態袋的特點

生態袋是用高分子材料聚丙烯添加其它添加劑制成的一種新型土工合成材料，耐腐蝕性強，抗UV，不降解，對植物友善，具有透水不透土的過濾功能，既能防止填充物（土壤和營養成分混合物）流失，又能實現水分在土壤中的正常交流，使植物生長所需的水分得到了有效的保持和及時的補充，使植物穿過袋體自由生長，根系進入工程基礎土壤中，如無數根錨桿完成袋體與主體間的穩固作用，時間越長，越加牢固，實現穩定性永久邊坡，大大降低維護費用。下面就生態袋的主要理化性能、技術指標與生態護坡工程質量的內在關系及檢驗方法分別進行論述。

4 生態袋性能測試與生態護坡工程質量的聯系

4.1 生態袋力學性能

作為土工織物的最基本屬性，具有良好的力學性能是生態袋必須具備的性能，考慮到生態袋體在護坡功能中所起到的力學作用和要承擔的荷載負擔，筆者建議選用以下三類強度性能指標作為生態袋的主要控制指標：

4.1.1 拉伸性能

（1）寬條拉伸強度，可以反映袋體在縱橫向單位寬度范圍內能承受的外部拉力，以及相應方向的最大延展性。

（2）握持強度，考察袋體抵抗外來集中荷載的能力可以選擇測試相應的橫、縱向握持強度，土工織物對集中荷載的擴散范圍越大，則強度越高，在實際工程使用中就能承受更大的外部集中荷載。

4.1.2 撕裂強度，反映沿袋體某一裂口將裂口逐步擴大過程中的最大拉力，可以真實反映袋體在遭受破損時的抗破壞能力。

4.1.3 袋體抗沖擊性能，考量袋體抵抗外部沖擊荷載的能力可以選用不同的技術指標：（1）脹破強度（2）CBR頂破強度（3）圓球頂破強度，差別是試驗尺寸、頂頭尺寸和加荷方式不同。具體可以根據實際工程的外部環境特點甄選。

由于生態袋屬于土工合成織物，其力學性能指標建議參照目前比較完善的土工合成材料試驗標準進行測試（表1），在此不一一贅述

表1 生態袋力學性能測試標準

4.2 生態袋植生性能

根據生態袋在整個生態護坡系統中發揮的植生作用，袋體必須具備透水不透土的過濾功能，既要能防止袋內的填充物（植生土、養分等混合物）流失，又不能完全密封成為封閉結構，要能夠實現水分在袋體與袋體、袋體與土壤等多層面的高效流動，使得植被生長所需的水分得到有效保持和及時補充，而實現生態袋上述機能，關鍵指標就是袋體孔徑及透水性能。

4.2.1 生態袋等效孔徑

如果袋體材料過薄，孔徑太大，填充物在遭自然雨水或人為流水沖刷時會大量流失，造成整個袋體的單位重量迅速減小，使護坡的力學結構發生巨大變化，偏移原有力學設計，容易造成護坡結構的破壞。

相反如果袋體材料過厚，孔徑太小，會產生下列不利影響（1）會對植被生長以及根系延伸形成阻礙，不利于植被的快速形成，無法按時完成綠化效果及護坡目的，（2）袋體填充物的重量是在邊坡力學結構設計時的固定數值，孔徑太小，透水能力降低，當水份逐步滲入袋體時，其單位重量將大大升高，使結構受力增大，造成結構變形，坍塌。（3）透水遲緩易造成靜水壓力急增，導致護坡工程易于塌陷。

鑒于以上原因，建議使用ASTM D4751《測定土工織物表觀露縫尺寸的試驗方法》對袋體的孔徑進行測試，目前，國內大部分袋體的等效孔徑檢測結果均在0.07-0.2mm之間，工程試驗證明，這個尺寸基本可以保證填充物不會流失，且能夠滿足實際工程中生態護坡的質量要求。

4.2.2 生態袋透水性能

對于袋體透水性能的測試，可以依據GB/T 15789《土工布及其有關產品 無負荷時垂直滲透特性的測定》測定垂直滲透系數、透水率等指標，從而計算出袋體單位面積單位時間下的透水量，明確袋體的透水能力。就目前國家建筑材料測試中心對國內的幾家生態袋體廠家采樣檢測結果（表2）分析，袋體等效孔徑在0.15-0.2mm之間時，垂直滲透系數≥0.12 cm/s透水能力較好，能夠較好的執行水分自由流通的機能，因此筆者建議實際工程中盡量使用等效孔徑在該范圍的生態袋。

表2 幾種不同等效孔徑生態袋透水系數的比較

4.3 生態袋老化性能

因為生態護坡一般應用于山體修復、河道護坡、高速路邊坡綠化，通常不會頻繁翻修，因此工程壽命最少應達到30年，這對袋體的抗老化性能也提出了較高的要求。

生態袋體的老化損耗主要來自四個方面：（1）紫外線老化（2）酸雨或堿性液體的侵蝕（3）冷暖環境的變化對袋體的損壞（4）微生物的降解,其中微生物降解的情況較為復雜，本文不做討論，重點探討前三種情況對生態袋理化性能的影響。

（1）袋體抗紫外線性能

生態袋在運輸、施工過程及植被生長的初期往往直接暴露在外，接受陽光直曬，如果沒有良好的抗紫外線性能，將直接導致袋體強度的迅速損失，影響使用，因此生態袋在使用聚丙烯(PP)為原材料的同時，必須添加抗氧劑、光穩定劑和深色碳黑等，以增強其抗紫外線(光氧化)、抗老化(熱氧化)能力，在實際檢測過程中建議參照ASTM D 4355《在紫外線輻射和水浸下土工紡織品損傷的標準試驗方法》進行測試，測試時間可以根據實際光照情況進行選擇，通常有150小時、300小時、500小時三種情況下，檢測袋體在紫外線輻照下的強度保持率，在某些情況下可以參考JT/T 514《公路工程土工合成材料 有紡土工織物》標準進行分級。

表3 JT/514 《公路工程土工合成材料 有紡土工織物》中土工織物光老化分級

（2）袋體耐酸、堿性能

生態袋的絕大部分工程環境都在室外，非常容易遭受到酸性雨或堿性液體的侵蝕，酸、堿液對生態袋體的破壞或腐蝕，會降低袋體強度，破壞袋體完整性，對工程安全帶來極大的隱患，并且施工完成后，袋體被植被所覆蓋，后期不易排查袋體損壞情況，因此，此項指標在護坡設計初期就必須進行使用環境考察，建議按照土工合成材料耐酸堿性的測試標準GB/T 17632《土工布及其有關產品抗酸、堿液性能的試驗方法》對袋體進行測試，使用0.025mol/L的硫酸和2.5g/L的Ca（OH）2溶液進行浸漬試驗，考察袋體在以上酸、堿破壞介質環境下的外觀變化、質量損失、強度保持率等。袋體耐酸、堿性能是生態袋關鍵指標，尤為重要，因為該指標將直接關系到袋體的使用壽命。

（3）袋體耐候性能

生態袋的使用環境較為復雜，使用溫度基本等同于環境溫度的變化，且會經受風吹、雨淋、浸泡以及高、低溫環境的考驗，因此，有必要重點考察生態袋體在耐候環境下的力學性能變化，以保證袋體不會在極端氣候環境下發生嚴重的性能變異。筆者建議根據地域位置和實際使用環境狀況，制定具體的凍融循環等試驗方案，對袋體的耐候性進行測試。目前，國內大部分生產廠家都會采取水融12小時，加-40℃冷凍12小時為1循環的測試方法，通常進行7~15個循環的試驗，就目前試驗結果分析，袋體的凍融循環強度保持率基本都在90%以上。鑒于目前國內生態護坡使用年限還不長，此項試驗結果的適用性還有待實際工程進一步檢驗。

5 綜述

本文通過檢測和工程應用論述了生態袋及袋體關鍵理化性能與生態邊坡工程質量的內在關系，確立了影響生態袋、生態袋體及生態邊坡工程質量的關鍵物理參數、取值范圍和測試方法，為生態袋在植被坡面恢復中的應用提供更加可靠的技術支撐，希望通過以后更多的數據積累，可以直接將生態的理化性能指標與植被坡面工程的質量控制掛鉤，提供更加直觀可信的數據保障，而隨著生態袋在今后的綠色生態工程中越來越廣泛的應用，這種新型綠色建材也會逐漸被人們認同。

本文的研究成果對生態袋關鍵物理參數控制與測定都具有指導意義和廣闊應用前景。

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