植物纖維防護技術在黃土路塹邊坡防護中的應用

陳輝

【摘 要】針對中國西北黃土地區公路邊坡常出現的沖蝕、剝蝕等病害，借鑒北方農村常見的土坯墻，提出植物纖維防護技術。該技術通過前期植物纖維的聯結、加筋和分散坡面徑流等作用以及后期植被降雨截流、削弱濺蝕、抑制坡面徑流、加固坡面等作用，有效減少了黃土邊坡沖蝕、剝蝕等坡面病害的發生。同時，該技術通過不同的病害防治機理，對降水量不同的地區，也具有良好的適應性。

【關鍵詞】黃土 路基 邊坡 沖蝕 剝蝕 植物纖維

中國黃土分布面積約為64萬平方公里，作為一種特殊土，黃土顆粒分布較均勻，但結構疏松，孔隙率大，垂直節理發育，富含鈣質，遇水易崩解，抗侵蝕能力極弱。調研發現甘肅省黃土路塹邊坡開挖后，表層土體（1cm～5cm）經歷1次秋冬季節交替就變得極為疏松，易溶鹽大量析出，坡面剝蝕大面積發生，造成較嚴重的水土流失，影響了公路美觀，個別路段由于剝蝕較為嚴重，剝落下的土體阻塞邊溝，也給公路的安全運營帶來隱患。

公路工程中傳統的漿砌片石護面墻、拱形與菱形骨架、混凝土預制框格及噴射混凝土等工程防護措施雖然能在一定程度上減少坡面剝蝕和沖蝕的發生，但其造價高，施工工藝復雜，易因自身不穩定而出現坍塌，與周邊自然生態環境不協調，影響了公路的路域景觀。因此，研究新型邊坡防護措施已成為必然趨勢。

1 植物纖維防護機理分析

1.1 植物纖維防護簡介

北方農村常見的土坯墻，是用黃土混合一定比例的麥秸稈及水制成，強度高、耐侵蝕，類似于工程中的加筋土。根據黃土路塹邊坡病害，結合土坯墻的這一特點，提出一種新型植物纖維綜合防護技術：將黃土、植物纖維（麥秸稈）、草種、肥料、保水劑等按一定比例攪拌均勻，通過水泥混凝土干噴機將其與一定量的水混合后噴射至坡面，在坡面形成5～8cm的植物纖維層。由于噴出的混合物具有很強的附著力和明顯的顏色，噴射時可以不遺漏、不重復，均勻地噴射至坡面。

根據此項技術在甘肅省多條公路的應用發現，在年降水量420cm以上的地區，草種迅速發芽生長，不僅能起到防護坡面的作用，還能起到美化環境、維持路域生態環境的作用。在年降水量420cm以下的地區，植物生長緩慢，但具有加筋土作用的植物纖維層仍能較好的防護黃土邊坡，減少坡面沖蝕和剝蝕的發生。

植物纖維防護技術源于客土噴播技術，但又有所不同。客土噴播噴射基材原材料種類多、配比復雜，造價高，而植物纖維防護主要利用為北方地區常見的麥秸稈，以及公路修筑的棄方黃土，材料來源廣泛，施工成本較低，且不需要專用的噴播機，工期短、工序少、工藝簡單，較客土噴播技術經濟、靈活、簡單，適用于經濟欠發達地區的公路建設。

1.2 植物纖維防護機理分析

降水量不同的地區，因植物生長情況不同，導致植物纖維防護的主要防護機理不同。

1.2.1 年降水量420cm以上地區

甘肅省年降水量420cm以上地區，噴射物中的草種能迅速發芽生長，4～6個月內就能較好地覆蓋坡面，所以該地區植物纖維防護主要依靠生長出的植被實現防護效果。植被的防護功能主要體現在削弱雨滴動能，防治濺蝕，減少地表徑流量，阻延流速、加固坡面等方面。

（1）降雨截流。一部分降雨在到達坡面之前就被植被莖葉截留并暫時儲存在其中，以后再重新蒸發到大氣中或落到坡面。植被通過截流作用降低了到達坡面的有效雨量，從而減弱了雨水對坡面土體的侵蝕。

（2）削弱濺蝕。雨滴的濺蝕是雨滴對地面的擊濺作用，它是水蝕的一種重要形式。降雨時雨滴從高空落下，因雨滴具有一定的重量和加速度，落地時產生一定的打擊力量，裸露的表土在這種力量的打擊下，土壤結構即遭破壞，發生分離、破裂、位移并濺起。植被能夠攔截高速落下的雨滴，通過地上莖葉的緩沖作用，消耗掉雨滴大量的動能，并且能使大雨滴分散為小雨滴，從而把雨滴的動能大大減小，當植被相當旺盛時，可以明顯削弱甚至消除雨滴的濺蝕。

（3）抑制坡面徑流。地表徑流集中是坡面土體沖蝕的主要動力，土體沖蝕的強弱取決于徑流流速的大小及徑流所具有的能量。草本植物枝多，叢狀生長，能夠有效地分散、減弱徑流，而且還阻截徑流改變徑流形態，徑流在草叢間迂回流動，使徑流由直流變為繞流。由于徑流在草叢間迂回流動，從而增大了流程，水力坡降減小，加上徑流被分散和阻截，又減慢了流速。由此，依靠覆蓋的草本植物延長了地表徑流，增加了雨水入滲。徑流減小，流速減緩，沖刷能量降低，從而土體沖蝕減弱。

（4）加固坡面。坡面植物成活后，根系在坡面土體表層形成網狀構造物，將其周圍土壤縛緊，使表層松散土體形成一個加筋的整體，增加其抗剪強度。同時，由于坡面植被的存在，減輕了雨季干濕循環和季節性凍融循環對表層土體的影響，提高了邊坡整體強度，減少了坡面剝蝕的發生。

（5）促進植物生長。噴射混合物中的麥秸稈，腐爛后可為坡面植物提供充足的養分，促進坡面植物生長，減少肥料的使用，降低了工程造價。

1.2.2 年降水量420cm以下地區

甘肅省年降水量在420cm以下地區，氣候干燥少雨，噴射物中的草種發芽率低，坡面植被稀疏，所以該地區植物纖維防護主要依靠坡面覆蓋的植物纖維材料實現防護效果。

（1）聯接作用。植物纖維的存在可以增強噴射混合物間的相互聯結，避免噴播混合物的因雨季干濕循環和季節性凍融循環影響而產生開裂、剝落，進一步保護表層土體。

（2）加筋作用。植物纖維在噴射混合物中錯綜盤結，使坡面噴播混合物在植物纖維的延伸范圍內成為一體的復合材料，植物纖維可視為帶預應力的三維加筋材料。根據摩爾—庫倫強度理論，植物纖維的加筋增加了坡面土體的粘聚力，另外植物纖維的張拉限制了坡面土體的側向變形提高了坡面土的抗剪強度，能有效減少坡面剝蝕的發生。

（3）分散坡面徑流作用。混有麥秸稈的坡面覆蓋層表面粗糙，能夠有效的分散、減弱徑流，而且還阻截徑流改變徑流形態，徑流在草叢間迂回流動，使徑流由直流變為繞流，有效降低坡面徑流的沖蝕作用。

2 項目實施

2.1 施工工藝流程

植物纖維防護的施工工藝流程為：施工準備—坡面處理—備料—混合料料的攪拌（土、麥秸稈、有機肥和草種）—噴射混合料—蓋防曬網—養護管理。

2.2 主要工序

施工一般在當地的雨季進行，此時施工有充沛的雨水，且氣溫較高，能提高草種的發芽率。

（1）施工準備。首先進行坡頂和臺階處截水溝的開挖、材料的準備和臨時設施的搭建等。搭建工作平臺，準備施工安全裝備。

施工需要水泥混凝土噴射機、空壓機、攪拌機、水泵等用電設備，應提前準備好發電機或從附近拉電線。施工前應根據當地供水條件準備2輛8～10噸的水車循環使用，或在附近挖蓄水池，以保證現場連續施工。

（2）坡面處理。為增加噴射混合料的附著力，防止噴射后混合料剝落，應對原坡面進行刻槽和拉毛處理。坡面垂直距離每0.5m，挖寬度0.1m的小平臺，相鄰兩小平臺間的坡面需橫向拉毛。

（3）備料。在對坡面進行處理的同時，進行黃土備料。根據水泥混凝土噴射機的要求，將黃土粉碎至規定的粒徑，篩除其中的雜物和石塊，運至施工點附近。同時應在現場儲備一定量的麥秸稈、草籽和有機肥，麥秸稈需鍘成3-4cm長段，過長易堵塞噴射管。

（4）混合料的攪拌。一般采用攪拌機進行攪拌，將黃土和麥秸稈按1∶30（重量比）攪拌均勻，其中加入苜蓿、冰草和紫穗槐的草籽和適當的有機肥（主要是尿素、磷肥等），條件受限時也可采用人工攪拌。

（5）噴射混合料。通過水泥混凝土噴射機將攪拌后的混合料均勻噴射于坡面，噴射厚度5～8cm。噴射時保證噴射方向與坡面成75%～80%夾角。噴射過程中，負責噴射人員應根據噴出混合料的干濕狀況及時調整出水量，使混合料潮濕但不流動，保證其在坡面的附著力。

（6）蓋防曬網。噴射完成一定面積后，將防曬網由上至下覆蓋，并用木樁固定，避免強烈陽光直射，減少水分的散失。

（7）養護管理。養護管理主要是通過水分、肥料等有效管理，使植物處于良好的生長狀態，以盡快達到固坡和綠坡的目的。

2.3 施工質量控制

（1）植物纖維防護施工期應選擇在施工路段的夏季和雨季進行，以保證栽種植物的成活率。

（2）施工時，應搭建牢固、安全、便利的施工平臺，同時噴射人員和協助人員應始終系上安全繩，保證施工安全進行。搭建平臺好壞，不僅關系的施工人員的安全，同時也影響噴射速度和質量。

（3）植物纖維中麥秸稈長度應盡量保證在3～4cm之間，太短其加筋效果不明顯，太長則易阻塞噴射機管路。

（4）由于是在夏季施工，太陽輻射強烈，當一定面積的植物纖維噴射完成后，一定要及時鋪設防曬網，保證植物的成活率。

3 植物纖維防護經濟性評價

目前西北地區常用的公路路塹邊坡防護措施經濟性對比如表1所示。

單價方面，漿砌片石護面墻最高，客土噴播法次之，兩種骨架防護與植物纖維防護單價都較低；材料來源方面，骨架防護的水泥砼需預制，預制砼體積、重量大，運輸、安裝不便，綜合成本高，客土噴播法需要的材料種類較多，黑炭土、保水劑、植物纖維等材料都需專門購置，綜合成本較高，而植物纖維防護所需材料廣泛存在于公路沿線，取料、運輸方便。施工工藝方面，漿砌片石護面墻與骨架防護最優，基本只需人工，但材料運輸不便，植物纖維法所需設備較多次之，客土噴播法最為復雜；漿砌片石護面墻、骨架防護等工程防護顏色單一、大量使用片石、混凝土等材料，環保美觀性差。由此可見，植物纖維防護的經濟性明顯優于漿砌片石護面墻與骨架防護等工程防護，且美化了公路景觀，是一種非常經濟且綠色環保的坡面防護技術，具有極高的經濟、社會和生態效益。客土噴播與植物纖維防護兩者均以植被防護為主，防護效果接近，但后者的成本僅為前者1/2，同時不需專門的客土噴播施工設備，只需要混凝土噴射機、空壓機等簡單機械，且施工中不需掛網、鉆孔釘錨，大大簡化的施工工序，后續的養護管理也比較簡單，提高施工進度，十分適合在經濟欠發達地區的公路建設中使用。

4 結語

（1）植物纖維防護通過不同病害防治機理，在降水量不同的地區，均能有效減少沖蝕、剝蝕等坡面病害的發生，具有良好的適應性；

（2）植物纖維防護技術在平涼至定西高速公路邊坡防護中的成功應用，證明該技術能在較短時間內提高黃土邊坡植被覆蓋率，防止降雨沖刷，減輕干濕、凍融循環對邊坡的影響，有效減少沖蝕、剝蝕等坡面病害的發生，抑制水土流失，提高邊坡的整體穩定性，美化公路環境，具有良好的生態效益和社會效益；

（3）比較北方地區常用的漿砌片石護面墻、骨架防護等工程防護措施，植物纖維防護造價低，材料來源廣泛，施工工藝簡單，工期短；同時充分利用了公路棄方，綠色環保，具有良好的經濟效益；

（4）隨著西部大開發的不斷深入，西北黃土地區正處在公路建設的高峰期，人為的生態破壞隨之加大。隨著人們環保意識的提升，生態恢復工程將成為該地區公路建設工程的重要組成部分。同時，該技術造價低、施工工藝簡單，對于經濟欠發達地區公路邊坡防護和綠化工程，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

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