干旱半干旱區巖質邊坡生態基材防護特性與優化配比

許飛, 尹曉晴, 包含*, 曹占強, 葛亞軍, 晏長根, 敖新林, 鄭涵, 李俊霖

(1.北京首創環境科技有限公司, 北京 100028; 2.長安大學公路學院, 西安 710064; 3.長安大學水利與環境學院, 西安 710054)

近年來,采石場和礦山的開發以及公路、鐵路、管道等基礎設施的建設正在以前所未有的速度發展,形成了大量高、陡、裸露的巖質邊坡[1-2]。邊坡的形成與開挖極大地降低了邊坡的穩定性。受降雨、風化等自然氣候的影響,坡面容易產生徑流,導致水土流失嚴重,植被群落多樣性喪失,地貌景觀大幅破壞,誘發一系列生態環境災難,加劇生態環境惡化[3-4]。傳統的護坡方法片面地追求強度功能,大多采用石灰、混凝土等“灰色”材料加固邊坡表層,使工程所到之處綠水青山一去不復返,且投資成本高,生態環境效益差[5-7]。因此如何實現開挖邊坡的穩定并恢復其生態環境是一個亟須解決的問題。

生態護坡修復技術正是應時代之發展,適時而生。隨著環境要求的日益嚴格,生態防護技術受到越來越多的重視。與傳統簡易的工程邊坡防護相比,綠色生態護坡技術是當前巖土工程領域內學科前沿之一,生態護坡材料代表了該學科前沿最先進的思想[7]。巖質邊坡的生態護坡技術早已在日本和歐美等發達國家廣泛應用,在中國雖早有記載,但在其應用方面的研究起步較晚。20世紀80年代中后期,隨著廣東水利水電科學研究所對噴播機的引進,開始了中國在邊坡生態防護方面的探索。90年代以后,學者們開始結合我國的國情對不同邊坡的生態防護展開研究[8-9]。2000年左右,在借鑒日本經驗的基礎上,結合巖土體的性質,開發出了一系列基材噴播技術,為中國巖質邊坡的生態治理開辟了新方向[10-11]。此后,經多年研究的開展,中國在巖質邊坡生態修復領域取得了一定的成績[3,12-13],并逐漸形成了多樣化體系。

然而,干旱半干旱環境中,在裸露的巖質邊坡上進行生態防護極具有挑戰性。一方面,該環境極度缺水,且通常受到集中的高降雨量和極端高溫的溫度壓力的控制[3];另一方面,巖質邊坡異質性較強,不具備植被生長所必需的土壤條件,坡面的自然生態環境惡劣[14]。因此,特殊生境下巖質邊坡的修復需要依靠人工生態材料形成的基質層,既能為植被生長提供所需的合理物理結構,又能作為植物水分、養分轉化的平臺與載體。目前,國內關于干旱半干旱地區巖質邊坡生態治理的專題鮮有報道,而研發新型生態基材正是攻克其生態修復難關的一個重要突破口。

現今關于基材的研究主要集中在基材配比、水穩定性、力學強度3個方面。基質材料的合理配制是巖質邊坡生態修復技術的核心,基材性能的實現主要取決于人工添加材料的效應發揮[1,5]。Shahid等[15]研究了丙烯酰胺-丙烯酸高吸水性樹脂在砂質土壤上的保水效果,結果表明,該配方不僅能抑制水分的蒸發,還能提高團聚體的水穩性,增加植物生物量。作為一種新型土壤改性材料,聚合物黏結劑近年來受到了很大的關注。大量研究肯定了其對土壤的改性功能,可以顯著提高傾斜表面上土壤的抗沖蝕能力和穩定性[16-17]。還有學者將污泥堆肥混合物進行資源化利用,證明這些材料的使用有利于植被的生長,可以減少坡面沖刷侵蝕[18]。纖維憑借強度高、分散性好和易于拌合的特點,在巖土材料領域獲得廣泛關注,通過借助該材料的抗拉強度來改良土體的工程性能[19-20]。中國關于生態基材的研究及應用已取得了不少成果,但由于不同地區的環境條件存在差異,巖質邊坡生態修復仍面臨著諸多困難和挑戰。尤其是大溫差、集中降雨等所帶來的劣化威脅,以及坡面基材自身的穩定性、抵抗雨水的侵蝕性、基材養分的長期有效性等問題,已成為生態修復基材研究急需攻克的難題[5]。

基于干旱半干旱區雨熱同期的特點,該生境下巖質邊坡的生態修復對基材的力學、水穩定性以及肥力提出了更高的要求。在固定材料土壤改良劑、泥炭等的添加下保證了基材有足夠的肥力,在此基礎上研究基材的力學、水穩定性能具有重要意義。現利用正交實驗法確定各配比中不同材料所占百分比,結合室內試驗,分析黏結劑、保水劑以及木纖維對基材性能的影響規律。通過設置對照組,研究不同配比下基材改良效果的優劣。以適應干旱半干旱地區巖質邊坡生態修復為目標,符合生態性能的基本要求,有利于助力解決巖質邊坡生態修復難題。

1 試驗材料與方法

1.1 基質材料選取

生態基材主要由土壤和土壤改良材料組成,土壤是基材的主要組成部分。由土壤學理論可知,可優選當地的壤土,壤土兼有沙土和黏土的優點,耕作性能良好,保水保肥能力適中。基于生態基材功能性考慮,為基材選定以下添加材料。添加材料以及混合材料樣品如圖1所示。

圖1 添加材料及混合樣品圖

(1)黏結劑。為保證基材早期的形成,防止基材的沖刷流失,可在基材中加入適量的高分子黏結劑。選定的高分子黏結劑是一種生物聚合物,是可持續、碳中和、可再生的材料,拌合時會與水發生水合反應產生水凝膠,有利于噴播基材穩定于坡面。

(2)保水劑。巖質邊坡極不易貯藏水分,但種子的萌發和植被的生長對水分相當敏感,因此如何保持坡面上的水分是植物得以正常生長的關鍵。為此,在基材中加入保水劑來保證基材的持水保水性,為植被的生長創造良好的環境。

(3)木纖維。在植物未生根深入之前,木纖維是護坡基材與巖質邊坡之間良好的連接物質。木纖維是經加工成絲狀的木質材料,具有較高的彈性和韌性,可有效減少噴播后平面裂紋的產生。

(4)改良劑。改良劑主要是通過添加有機肥料、微量元素、植物生長調節劑等成分改善基材的物化生性質,調節基材的pH,促進植物的生長和發育,提高植物的抗逆能力。

(5)泥炭。泥炭含有豐富的有機質,可以吸附并保持土壤中的水分,且具有良好的透水性能,可以促進基材中水分的流動和滲透,同時也可以減少水分的積聚,減少對基材的損害。

1.2 試驗方案設計

通過查閱相關文獻,從基材的力學強度和水穩性能兩方面出發[21],主要考慮黏結劑、保水劑、木纖維3種摻量因素對基材性能的影響,3種因素的摻量設置如表1所示,其他材料摻量取固定值:0.1%的土壤改良劑,6%的泥炭。基材含水率設定為12%、16%、20% 3個梯度。以上所介紹的材料摻量均以干土質量為基礎的質量百分比表示,另外以純土壤作為空白對照組。

表1 試驗因素水平內容表

基材的具體配比方案如表2所示,按照各基材的配比進行直剪試驗、崩解和滲透試驗,并分析試驗結果的規律性,探究3種摻量因素和不同含水率對基材性能的影響。

表2 基材配比方案

1.3 試驗方法

瓜爾膠粉末易溶于冷水,因此采用濕法混合制備[22]。首先,按照配比將瓜爾膠與所需含水量混合,形成水凝膠,然后將該水凝膠均勻的澆在由土壤、木纖維等組成的基質混合料上。燜料24 h使水分均勻后開始按干密度1.45 g/cm3進行壓樣制備。其中,直剪試驗、崩解試驗試樣尺寸均為Φ61.8 mm×H20 mm,滲透試驗試樣尺寸為Φ61.8 mm×H40 mm。且為充分發揮功能材料的性能將所有試樣進行養護14 d處理,室內養護條件為溫度(20±3)℃、相對濕度≥95%。

1.3.1 直剪試驗

基材的抗剪強度體現了基材抵抗破壞的極限能力和抗侵蝕性能。直剪試驗采用LB-1型三聯直剪蠕變儀,參照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中的快剪試驗進行,剪切速率控制在0.8 mm/min,分別在100、200、400 kPa的豎向壓力下對試樣進行剪切試驗。

1.3.2 崩解試驗

崩解性是指發生濕化散解的特性,是評價土體抵抗雨水侵蝕的重要指標[19]。該試驗采用的崩解儀參考了自行研制的黏性土崩解試驗儀[23],具體如圖2所示。選用崩解質量來表征土的水穩定能力,計算公式為

圖2 崩解試驗儀

mt=πr2(Rt-R0)ρ0

(1)

式(1)中:mt為在某一時刻試樣的崩解量,g;t為試樣浸水時間,min;r為崩解儀內筒半徑,cm;Rt為t時刻指針在外筒上的讀數,cm;R0為起始時指針在外筒上的讀數,cm;ρ0為水的密度,取1 g/cm3。

1.3.3 滲透實驗

滲透系數表征流體通過土體的難易程度,關系植物的生長發育[19]。試樣經飽和后采用TST-55型變水頭滲透儀測定其滲透系數,依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)開展試驗,記錄相關試驗數據。滲透系數k可由達西定律計算得到,計算公式為

(2)

式(2)中:a為儲水管的截面積,cm2;l為滲流路徑的長度,cm;F為試樣的截面積,cm2;h1、h2分別為起始和終止水頭高度,cm;t為試驗計算時長,s;2.3為自然對數為ln與常用對數lg的換算系數。儲水管的截面積為0.785 cm2,滲流路徑的長度為4 cm,試樣的截面積為30 cm2,試驗時長為1 h即3 600 s。

2 基材力學穩定性分析

在護坡植物尚未長成之前,邊坡表面的前期防護作用主要靠護坡基材自身的強度和穩定性來實現[5],因此需要基材自身具有一定的黏結力,防止邊坡發生破壞。而其破壞在本質上是剪切破壞。因此開展直接剪切試驗來研究不同配比條件下基材的力學穩定性。根據試驗結果,可得到各基材配比在不同豎向壓力下的強度包絡線如圖3所示。

圖3 不同配比基材的強度包絡線

基材強度是指基材抵抗外力的能力,通過對比分析各條曲線可以看出,經添加材料處理后的土壤表現出高強度,顯著高于未處理的天然土壤,且二者的差距在含水率為16%時最為顯著,這說明材料效能的發揮與水的含量密切相關,適當的含水率可以使基材性能達到最優。在同一含水率條件下,配比2基材的強度均最高。

根據上述關系曲線,進行擬合分析,通過公式τf=c+σtanφ可得到不同配比不同含水率下基材的黏聚力c和內摩擦角φ的變化情況[24],具體結果如圖4所示。

圖4 抗剪強度參數變化曲線

由圖4可知,與未處理的素土相比,9種配比的基材均表現為黏聚力和摩擦角顯著增加。隨著含水率的提高,未處理土壤的抗剪強度參數值逐漸降低,而基材的黏聚力和摩擦角呈現出先增長后降低的趨勢,且在16%含水率處達到峰值。進一步分析可以發現,含水率>16%之后,黏聚力的弱化程度遠大于摩擦角。出現這種先增長后降低的現象可能與黏結劑與水發生水合反應產生的水凝膠有關,黏結劑的存在,使最優含水量增加[25]。含水率較小時,黏結劑分子與水分子之間發生相互作用,形成氫鍵等化學鍵,這種相互作用增強了基材的黏聚力。但過量的水分會導致基材內部的膠凝結構的疏松化,且水分易在基材中形成潤滑層,降低基材的抗剪強度[26]。

圖4的關系曲線顯示,配比2的黏聚力和摩擦角最大,與上述該配比剪切強度最大相吻合,這與該配比含有適量的黏結劑以及木纖維有關,黏結劑與水的相互作用,水化產生的水凝膠具有較強的黏性,黏附于木纖維與土顆粒之間,增強了接觸界面的力學強度,并促進了纖維加筋作用的發揮,實現基材整體強度的提升[19]。

3 基材水穩定性分析

3.1 崩解實驗結果與分析

半干旱地區,強降雨引起的表層土壤不穩定是植物生長早期的一大風險,植物種子萌芽與植被完全成熟之間的關鍵階段是高侵蝕風險的窗口期。因此,通過崩解實驗來測定土體在靜水中的崩解量來進一步判斷土體在水作用下的穩定性[23,25,27]。為直觀體現添加材料對基材水穩特性的改良效果,選取各配比基材和素土的崩解曲線進行分析,如圖5所示。

圖5 不同實驗條件下的崩解曲線

崩解量與時間的關系曲線稱為崩解曲線,其基本形狀為倒S形[23]。由圖5可見,在整個崩解過程中基材的崩解速率明顯低于素土,且含水率越大,基材的抗崩解性能越好。分析認為是因為基材初始含水率的提高降低了基材孔隙中的空氣含量,在水分侵入時,基材受到的孔隙氣壓變小,崩解速率降低[25]。進一步分析發現,崩解曲線被P1、P2兩臨界點分為三段,其中中間較陡的一段(P1P2段)是崩解的主要階段,在該階段試樣表面大量開裂、剝落,崩解劇烈,崩解速率較為穩定。臨界點P1是發生明顯崩解現象的起始點,也是崩解速率由慢到快的轉折點,結合配比表2可以發現黏結劑用量多的配比進入穩定崩解階段的時間比其他配比要延長,且崩解曲線較為平緩,崩解性較低。分析原因,黏結劑使得木纖維與土顆粒之間產生較強的和合交織作用,形成致密的三維結構網,加之黏結劑的水化產物填充于孔隙并膠結土顆粒,有效降低了水分侵入時的孔隙氣壓,顯著抑制了基材的崩解開裂[28]。

3.2 滲透實驗結果與分析

對于護坡基材而言,滲透性的大小會影響生態修復的效果,滲透性過小會導致未來得及入滲的水流以坡面徑流的形式流失,若滲透性過大則會造成已滲入基材的水分在基材與坡面的交界面處流失,因此,滲透系數需要控制在一個合理的范圍內[29]。

在進行滲透實驗之前將不同配合比的試樣進行飽和處理,得到的飽和含水率如表3所示(以16%含水率為例),經滲透實驗所得飽和滲透系數結果如圖6所示。

表3 不同配比基材的飽和含水率

圖6 不同實驗條件下的滲透系數

植物種子的萌發和植被的生長發育都離不開水分,而且水分也在一定程度上決定了生態系統的穩定性。因此,想要達到滿意的生態修復效果,基材必須具有充足的含水率。從表3可以發現,基材的飽和含水率明顯高于未處理純土壤的,且隨著保水劑劑量的增加而增大,這說明保水劑的使用提高了基材固持自然降水的能力。由圖6可見,飽和滲透系數隨含水率的提高而有所降低。含水率的提高意味著基材中的孔隙空間將被更多的水分所占據,使得水分流動受到限制,因此,孔隙度的減小導致了飽和滲透系數的降低[30]。進一步分析發現在同一壓實度、同一含水率條件下,各配比基材的滲透系數相較于純土壤的均較低。3種含水率下配比4的滲透系數均最大,結合配比表2分析,偏大的滲透系數均出現在黏結劑劑量少且木纖維劑量多的配比中。分析原因,滲透性的降低是由于土壤基質內部的水凝膠填充了空隙,阻礙了通過試樣的水流,相反木纖維的使用可以膨松土壤,其纖維結構提高了基材的孔隙度,進而增加了基材的滲流通道[30],因此二者的相互作用有助于將基材的滲透系數控制在一個合理的范圍內。

4 基材配比優選

4.1 正交實驗數據結果

極差是指某種因素在不同水平下考察指標的最大值與最小值之差,反映了某種因素的水平變動時,考察指標的變動幅度。極差越大表明該因素對試驗結果的影響越大,是主要因素。故依據極差大小就可以判斷試驗因素的主次[31]。其中影響基材考察指標的不確定因素有保水劑、黏結劑、木纖維,在以下分析中分別用A、B、C來代表。得到以黏聚力為考察指標的極差分析表如表4所示。

表4 以黏聚力為考察指標的極差分析表

分析表4可知,從3個因素來看,結合極差值的大小可知,因子B黏結劑是最優因素,3個因素的優劣排序為因子B(黏結劑)>因子C(木纖維)>因子A(保水劑)。具體摻量結合各因子的最佳水平可知,因子A的第1個水平即0.05%最優,因子B的第2水平即3%最優,因子C的第3水平即5%最優。綜合上述分析得到,最優因子為黏結劑,最優組合為保水劑0.05%、黏結劑3%、木纖維4%。

根據以上方法同樣可以得到以摩擦角、崩解量、滲透系數為考察指標的極差分析結果,如表5所示。

表5 以摩擦角、崩解量、滲透系數為考察指標的極差分析表

由上述分析可以得出,在以摩擦角、崩解量、滲透系數為考察指標時最優因子均為黏結劑,最優組合分別為:保水劑0.05%、黏結劑1.5%、木纖維4%;保水劑0.1%、黏結劑4.5%、木纖維3%;保水劑0.1%、黏結劑1.5%、木纖維5%。

所設置的試驗為多因素多指標試驗,得到的最優所以考察指標不同所配比也有所不同,因此為了對實驗結果進行綜合性分析,優選出最合理的配比方案,將考察指標隨各個因素的變化情況用因素水平影響趨勢圖表現出來,如圖7所示。

圖7 因素水平影響趨勢圖

4.2 因素影響分析

結合極差分析表和因素水平變化趨勢圖綜合分析各因素對不同指標的影響。

4.2.1 黏結劑對各指標的影響

從極差表分析結果可以看出,在3個因素中,黏結劑對各個考察指標的影響最大,均是最優因子。因此,在研究基材配合比時,該因素要重點考慮。

從圖7可以看出,滲透系數、崩解量以及摩擦角均隨著黏結劑摻量的增加逐漸降低,而對于黏聚力而言,黏結劑摻量的增加有一個界限值,超過該值之后黏聚力會隨其摻量的增加而減小。總結原因如下。

(1)摩擦角略有減小是因為聚合物對土顆粒表面的覆蓋作用使基材粗糙度變平滑,從而減少了土顆粒間的微凸體互鎖。

(2)聚合物的水化產物水凝膠堵塞了水分入滲的通道,且摻量越多,堵塞作用越強,從而降低滲透系數。

(3)崩解性減弱主要是因為高劑量的黏結劑使基材結構更加致密,膠結強度和填孔作用明顯。

(4)黏結劑摻量過多,不易在基材中分散開,水凝膠易在木纖維與土顆粒之間產生潤滑作用,反而降低基材的強度。但黏結劑劑量的增多仍使試樣強度維持在較高水平,由此可見,黏結劑的膠結作用是提高基材強度和微團聚體水穩性的主要原因[7]。因此綜合各指標的變化規律,黏結劑的摻量選擇3%。

4.2.2 保水劑對各指標的影響

由極差(表5)得出,保水劑對滲透系數有顯著性影響,對其他指標影響較小。結合表3可以發現,保水劑可以有效提高基材的飽和含水率,提高單位體積基材吸持的水量,這是因為施用的保水劑會吸收水分發生反應形成水凝膠,水分會在水凝膠中貯存,旱期可緩慢釋放供作物利用[32]。而圖7結果顯示,施用適量的保水劑可以使基材獲得合理的滲透系數。由于護坡基質需要良好的滲透性來保證水分的輸入量,加之較少劑量的保水劑即可對滲透性能產生較大的影響,在此保水劑的劑量選擇0.1%。

4.2.3 木纖維對各指標的影響

圖7顯示,除飽和滲透系數隨木纖維劑量的增加而增加外,其他指標均呈先增大后減小的趨勢。分析原因如下。

(1)纖維的比表面積大,與土顆粒間通過交織咬合作用產生的空間約束力較強[33]。但摻量過大時,纖維在局部位置因過于富聚而形成的“隔層”破壞了基材的整體性,從而降低其抗剪強度[34-35]。

(2)適量纖維生成的三維網狀結構會延緩其崩解的發生,而摻量過多則會造成團聚現象,遇水易脫落。

(3)對于滲透系數的變化歸因于纖維會增加基材的滲流通道,摻量越多,滲流通道也相應增多。總的來說均勻分布于基質層中的木纖維形成的網狀結構,對基材起到了加筋補強和改善土壤構型的作用,增強了基材的抗沖、抗剪的性能[36]。因此木纖維的摻量選擇4%。

通過綜合分析,影響基材性能因素的重要性大致表現為黏結劑>木纖維>保水劑,并得出基材配比較為合理的范圍為:黏結劑3%,木纖維4%,保水劑0.1%。在本研究中,考慮到基材性能隨含水率的變化情況,最優含水率宜選16%。但在實際的工程中要結合護坡的施工環境和具體的設計要求做出適當的調整。

5 結論

通過正交實驗,將黏結劑、保水劑、木纖維等混合成不同配合比的基質土。結合室內試驗研究了不同配比條件下生態基材力學穩定性和水穩定性的變化規律,并通過極差分析明確了影響生態基材性能的主要因素和最優組合。得到以下主要結論。

(1)黏結劑能有效提升基材的強度和微團聚體的水穩性,且黏結劑效能的發揮與水的含量密切相關,在16%含水率條件下,可以達到最好的改良效果。隨著黏結劑摻量的增加,抗剪強度表現為先增加后減小,滲透系數和崩解量均表現為減小。

(2)施用保水劑后基材的飽和含水率顯著增加,提高了基材固持自然降水的能力,且施用較少劑量的保水劑即可對基材的滲透性能產生較大影響。

(3)除滲透系數隨木纖維劑量的增加而增加外,其他指標均呈先增大后減小的趨勢。木纖維與黏結劑的相互作用,可以促進其對基材的加筋補強和改善土壤構型的效能的發揮,增強了基材的抗沖、抗剪的性能。

(4)根據極差大小,得到影響基材性能因素的重要性從大到小依次為黏結劑、木纖維、保水劑。綜合試驗結果,基材的最優配比為:黏結劑3%,木纖維4%,保水劑0.1%,最優含水量為16%。