关键字:挖方岩石边坡;绿化;高坝洲电厂

  岩石边坡在公路、铁路、水利、矿山等工程中是十分常见的边坡。这种边坡一般陡峭,无植生条件,靠自然力量很难恢复原有生态平衡。裸露的岩石边坡(已经喷锚支护的岩石边坡将在以后的文章中专门讨论)会带来一系列问题,如食物链的破坏,局部小气候的恶化(夏天的热岛效应),公路、铁路沿线的岩石边坡还会因为边坡表面颜色灰暗、单调而造成视觉污染。采取工程措施,在保证边坡稳定的前提下,尽快让岩石边坡披上绿装,是减轻生态恶化,美化环境的需要,也是«水土保持法»所要求的。
日本在岩石边坡绿化方面较早开展研究,也取得了较好的成果,但工程造价一般很高,不适合我国国情。本文在研究已有边坡绿化方法的同时,提出自己观点,并将这些思想应用于工程实践。
 
 
 

  1 挖方岩石边坡分类及常规绿化方法

  1.1 挖方岩石边坡分类

  工程中的岩石边坡一般为倾角大的陡峻边坡,无植生条件或植生条件差,按边坡的形成原因,可分为填方边坡和挖方边坡。填方岩石边坡的绿化在以后的文章中在讨论,本文只讨论挖方边坡。按与边坡防护绿化有关的性质对岩石边坡进行分类如下:
  ⑴按结构面与边坡的倾向的关系,可分为稳定、欠稳定、危险三种类型。
  ⑵按坡面地下水活动情况,可将边坡分为干燥、潮湿、滴水、涌泉四类。
  ⑶按边坡所处山坡位置可将其分为坡脚边坡、坡中边坡和坡顶边坡。
  ⑷按破面裂隙发育情况,可将边坡分为完整边坡,较完整边坡,破裂边坡,破碎边坡。
  ⑸按坡面岩石的耐水性,可将边坡分为水稳性边坡、水软性边坡、水溶性边坡。
  ⑹按边坡的高度分为高边坡、低边坡,划分标准为10m。
  ⑺按边坡的朝向分为向阳边坡(朝南),阴阳边坡(朝东或朝西),背阴边坡(朝北)。
  ⑻按边坡坡度可划分为:小于30°为缓坡,30°-45°为斜坡,大于45°为陡坡。
  上述划分是针对局部坡面而言的,工程实践中,一片边坡往往同时具有几种边坡类型。

  1.2 常规绿化方法

  挖方岩石边坡绿化要解决的难题是如何在陡峭的坡面上固定植生条件,即客土,为植物提供水、肥,且能经受风吹雨打。
挖方岩石边坡绿化常规方法的分类:
  ⑴按固定植生条件的方法不同,可分为客土植生带绿化法、纤维绿化法、框格客土绿化法。
  ⑵按所用植物不同,可分为草本植物绿化、藤本植物绿化、草灌混合绿化、草卉混合绿化。
  客土植生带绿化法是指人工制作一定宽度和厚度的带状物,其剖面结构一般为防护网+防水纤维层+(种子、肥料、土壤、改良剂、保水剂)+无纺布(从上而下)。施工时先清理边坡,再按一定间距铺设植生带,用铁丝等将其固定在边坡上,最后喷射一定厚度含肥料的泥土。覆盖无纺布或薄膜,植物种子长出覆盖坡面后除去。(对于软边坡可可挂网)。该工艺简单,成本低廉。但不具备护坡功能,坡面经受不起大雨或长时间降雨的冲刷,也不耐干旱,绿化效果差。
  纤维绿化法是指用植物秸杆等粉碎后制成的纤维与肥料、种子等用有机胶胶结,喷射到边坡坡面的一种绿化方法。该法早期有一定的护坡功能,能经受暴雨袭击,缺点是不耐干旱,成本较高。
  框格客土绿化法是指先在边坡上用预制框格或用石料、混凝土砌筑框格,再在框格内置土种植绿化植物。由于岩石边坡迎水面积小,浆砌框格是一般不设排水沟。为防止雨水冲刷土壤,可在其上覆盖稻草帘。该法成本低,工艺简单,绿化效果好,但对边坡的防护作用小,只适用于坡度小于30°的边坡。

  2 植被混凝土护坡绿化技术及配方

  2.1 植被混凝土护坡绿化技术简介

  植被混凝土是采用特定的混凝土配方和种子配方,对岩石边坡进行防护和绿化的新技术。它是集岩石工程力学、生物学、土壤学、肥料学、硅酸盐化学、园艺学和环境生态等学科于一体的综合环保技术。植被混凝土是根据边坡地理位置、边坡角度、岩石性质、绿化要求等来确定水泥、土、腐植质、保水剂、混凝土绿化添加剂(三峡大学专利技术)及混合植绿种子的组成比例。混合植绿种子是采用冷季型草种和暖季型草种根据生物生长特性混合优选而成的。植被混凝土边坡防护绿化技术具体做法是:先在岩体上铺上铁丝或塑料网,并用锚钉和锚杆固定。将植被混凝土原料经搅拌后由常规喷锚设备喷射到岩石坡面,形成近10cm厚度的植被混凝土。喷射完毕后,覆盖一层无纺布防晒保墒,水泥使植被混凝土形成具有一定强度的防护层。经过一段时间洒水养护,青草就会覆盖坡面,揭去无纺布,茂密的青草自然生长。植被混凝土护坡绿化技术可以一劳永逸地解决岩坡防护与绿化问题。故此,我们又称工程绿化技术所用材料选择及其功能如下:
  防护网可用塑料、铁丝、钢筋,网度和选材应根据边坡的防护要求和特征而定。防护网的功能为与锚杆一起护坡,同时构成植被混凝土的“骨架”,增强其整体性,防止其从坡面脱落。
  胶结材料,一般用425#水泥,它使植被混凝土拌和物具有粘聚性,使植被混凝土具有强度。
  植生土选用沙壤土,沙壤土具有良好的水、养、气、热状况和协调能力,适于植物生长,在植被混凝土中,沙壤土是主要部分,是植被混凝土的“肌肉”。
  有机质一般使用稻壳、锯末等,使用它们还可以增加混凝土拌和物的流动性,便于施工,另外,待腐烂后,为植物提供氮、磷、钾等养分,同时增加植被混凝土的空隙率。
  腐植质为稻壳、锯末、酒糟经腐烂制得,它能改善植被混凝土的物理性质---协调水、气、热状况和化学性质---增强保肥性与缓冲性能,同时向植被混凝土中引入大量微生物,改善植被混凝土的物理性质---协调水、气、热状况和化学性质---增强保肥性与缓冲性能,并和植物根系一起,使植被混凝土逐渐变成适于植物生长的土壤。
  长效肥是为植物生长提供长期效力的复合肥,一般采用尿素、生物肥、化学复合肥.保水剂是水分丰裕时吸收水分,天气干燥时为植物提供水分,一般采用粒度100目的保水剂。
  混凝土添加剂是三峡大学专利产品,主要功能营造植物生长环境, 混合植绿种子采用冷季型草种和暖季型草种,混合根据生物生长特性优选配制。

  2.2 植被混凝土的配方

  确定植被混凝土的配方需考虑以下几个因素:
  ⑴保证拌和物具有良好的粘聚性、流动性即易施工性。
  ⑵植被混凝土的无侧限抗压强度不低于15 Kpa,即能经受风吹雨打,不脱落。
  ⑶植被混凝土具有合适的容重及孔隙率,具体地讲孔隙率在50-65%(体积比),容重在1.3-1.7g/cm³,这样的结构有利于植物生长。
  ⑷植被混凝土有良好的植生条件,如水肥供应良好,能保证植物多年的养分供应。(植被混凝土能长期供应养料,植物也能自己补给,如枯叶及草根腐烂,细菌固氮等。)
  胶结材料、植生土、有机质、腐植质的总重量占植被混凝土的重量80%左右,因此,他们决定植被混凝土的主要性质。
  水泥是影响强度、和易性的决定因素,实验表明,水泥用量大于10%(重量比,下同)时,就能保证植被混凝土的无侧限抗压强度不低15 Kpa。水泥用量一般不超过25%。
  有机质、腐植质合称有机物,它们的含量对植被混凝土的物理性质,即强度、容重及孔隙率,水肥供应有重大影响。其含量越大,容重越小,孔隙率越大,强度越低。有机物的含量过大会造成植被混凝土的强度偏小,孔隙率过大而不利于保持水分,同时还会降低拌和物的粘聚性,喷射施工时增加回弹损失。实践表明,有机物最适宜的含量为8-16%。
  砼绿化添加剂含量一般不大于2%。含量过大不利于降低成本,过少不能营造出植物所需的生长基质。三峡大学生产的砼绿化添加剂由于配方科学合理,多个工程实践表明,其含量在1.0-2.0%能很好地满足植物需求。

  3 挖方岩石边坡的卸荷及绿化时机的把握
            
  岩石边坡的开挖过程,从力学本质上说就是卸荷。特别是深挖高边坡,地应力释放量大,卸荷量级高,卸荷范围宽,伴随卸荷,边坡产生卸荷裂隙和卸荷变形,有些开挖边坡的卸荷水平变形达到了米级,不可忽视。运用岩体力学理论,确定边坡防护的方法和时机,同时在开挖边坡上设置位移观测点,观测边坡的变形趋势,为确定边坡的支护和绿化选择合适时机提供依据。再者,岩石边坡开挖过程,改变或破坏了原有大自然的水、地气循环系统,这种改变或破坏循环系统,将随着裸露岩石的风吹暴晒时间的增加而加剧。故此,采用边开挖边支护边绿化,对岩石边坡防护质量、绿化效果都有十分关键的作用。

  4 工程实践

  植被混凝土绿化法以其防护性能好,绿化效果优良,适用范围广等优点,我们已在多个工程中使用该法,如水布垭工程岩石边坡(15000m²,坡度73°),三峡工程岩石边坡(10000 m²,坡度75°),高坝洲电厂岩石高边坡(12000m²,坡度80°)等。下面以高坝洲电厂岩石高边坡绿化工程为例,介绍植被混凝土绿化法在岩石边坡中的应用。
  4.1 地质与气候概况
  高坝洲电厂岩石高边坡位于大坝右肩至下游王家冲段,与下游航道平行,与升船机毗邻,坡底长200m,坡最高处达80m,倾角70--80°,边坡走向40°,面积12000m²,其安全稳定直接关系到航道及大坝的安全。该边坡段出露岩层为中寒武统黑石沟组第一段,其岩性为中厚层含泥质微晶白云岩,灰岩夹薄层、极薄层泥质微晶白云岩,粒砂质微晶白云岩,少量鲕状亮晶灰岩和硅质岩。岩溶不发育,为相对隔水层。岩层走向290°左右,倾向SW(倾向上游偏右岸),倾角40°左右。坡面中部有一断层,走向进于SN,倾向NW,倾角80°,为方解石及方解石胶结的角砾岩填充。大坝右岸基岩构造裂隙较发育,走向23--32°,倾向以NW为主,倾角为50--90°,宽为3—8m,最宽40m,长一般为10—30m,少量只有几米,均为方解石填充,胶结良好。构造裂隙均为高倾角张性裂隙,其发育间距一般为0.4—1.5m,线密度达5--8条/m,最大线裂隙3.2%--5%,面裂隙率9.94%。高坝洲属亚热带气候,年平均降雨量1200mm,最热平均气温7月28.8℃,最低月平均气温1月3.0℃,极端气候条件为:极低气温-9.8℃,极高气温42.0℃,最大日降雨量可达300mm。
  4.2 绿化方法的选择
  按前面的边坡分类方法,考察边坡地质状况,高坝洲电厂岩石高边坡属于稳定、干燥、破裂边坡,围岩呈弱碱性,局部有水软性泥质灰岩和白云岩。边坡虽然不会发生大面积滑坡,但因风化,局部会形成滚石。考虑航道及大坝的安全,边坡必须防护处理。同时,高坝洲电厂因其环境幽雅,具备旅游价值。因此,边坡需绿化。综合以上因素,选用植被混凝土绿化法。
  4.3 植被混凝土施工
  施工季节冬季。先清理坡面,去除杂物,在边坡上用手风钻钻孔,孔距800×800,孔深500,孔径Φ18。插入深700,Φ12螺纹钢,用注浆机注入1:1膨胀水泥浆固定锚杆。在锚杆上固定50×50间距的Φ6铁丝网。
  将425#水泥、生植土、腐植质、长效肥保水剂、砼绿化添加剂按重量比12%:74%:12%:1%:1%充分拌和,形成植被混凝土干料。
  砼绿化添加剂是三峡大学生产的,为专利产品。
  草种为狗芽根,节水草,羊胡子草的混合,重量比为20%∶60%∶20% ,每平方用量0.05kg。
  有机质、腐植质为酒糟、锯末、稻壳及其制品,生植土为干沙壤土。
  用砼喷射设备喷射植被混凝土,分两层喷射,基层厚度为90,面层厚度为10。面层喷射时加入草种,喷射完毕后,用地膜覆盖。洒水养护一个月,待草覆盖坡面揭开地膜即可。
  施工机械还有,12m³空压机,5 m³/h砼喷射机,0.35 m³拌和机,5t自卸汽车。
  4.4 绿化效果评价
  高坝洲电厂岩石高边坡喷射施工后六天,草种发芽破土,一个月,青草覆盖80%坡面,草长势喜人,两个月后,青草浓密茂盛,100%覆盖坡面,随后经历春季几场大雨和四五两个月连续二十几天梅雨的冲洗,边坡未出现植被混凝土脱落,达到边坡防护和绿化要求。
  5 结语
  岩石边坡绿化是一项新兴边缘学科,它涉及岩石力学、生物学、土壤学、肥料学、硅酸盐化学、园艺学和环境生态学等多个学科。此学科在我国刚起步,目前从事该学科的研究人员很少。我们虽然从事了多个工程实践,取得了一定经验,但仍需作进一步定量研究。今后的研究课题有:不同绿化方法成本的研究;绿化植物的筛选;边坡生态系统的建立和恢复;边坡景观规划;植被混凝土绿化法在不同边坡和气候条件下的最佳配合比的确定(从拌和物的和易性,植被混凝土的物理、化学、生物特征及三相比,植被混凝土的水肥特性等方面研究)等。我们相信,经过深入的研究和实践,在技术上一定能有更多的突破。
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