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“坡改平”生态护坡技术的研发与应用

更新时间:2011-09-21 09:49 来源: 作者: 阅读:3719 网友评论0

1 “坡改平”生态护坡技术研发背景

1.1 老式护坡存在的土壤流失问题

水土保持技术人员在多年的水土保持监测工作中发现,目前在高速公路、铁路、河道、立交桥护坡中常用的六角空心生态护坡砖(以下称“老式护坡砖”)存在着比较严重的土壤流失问题。

通过对北京境内的四环路、五环路、六环路、京承高速公路、京津高速公路、京开高速公路、延庆县康张公路及2009 年新建成的西六环等20 余处老式护坡砖工程的调查,除莲花桥等个别地处城市中心区、灌溉管护条件较好的护坡工程外,绝大多数护坡工程的老式护坡砖内土壤流失量在20%~80%。仅延庆县康张公路0.5 km长的一段挖方道路两侧护坡工程的水土流失量就达47 t。通过对坡比为1∶1.5 (坡度约为34°)的边坡上常用的外边长为20 cm、砖壁厚3 cm、砖内深10 cm的老式护坡砖(见图1)分析,1 m2 土壤流失量约在(15 ~ 60) kg,一处1 万m2 的护坡工程土壤流失总量可达到(150 ~ 600)t。

图1 老式护坡砖

由此可以推算这种在全国范围被广泛采用的“生态”护坡技术所带来的土壤流失量是相当惊人的,这无疑形成了“生态护坡反而造成剧烈土壤流失”的尴尬局面。然而,大量的文献查阅和和检索发现六角空心护坡砖引发的水土流失问题至今没有相关研究和报道──这是一种目前仍被忽视、隐蔽性极强的水土流失。

1.2 原因分析

造成老式护坡砖土壤流失的原因是由于空心部分填充的土壤处于斜面不稳定状态,当遇首次降雨或灌溉时,砖内土体会发生沉降,使砖内上部土体与砖壁间产生一个缝隙;当坡面径流继续流入砖内时,从缝隙处开始发生对土壤的冲淘,随着坡面汇集的雨水逐步累积并加速下冲,使土壤在水力冲蚀和重力作用下逐渐被冲向下部。另外,砖内的土在冬季会产生冻胀现象,使表层土壤结构变得疏松,到雨季时土壤流失加剧。随着时间的推移,直至砖内剩余土壤在砖的下边框阻挡下,表面达到趋于稳定的“水平状态”时,坡面才进入相对稳定状态,根据对北京地区现有工程调查,砖内土体稳定过程约需要(3 ~ 5) a。即使在有草或灌木防护的坡面上,这一流失过程发生的概率也在90%以上。

1.3 老式护坡砖的不足及危害

1.3.1极易发生土壤流失,影响边坡稳定,危及道路安全

老式护坡砖内的土体处于“斜面”不稳定状态,极易发生土壤流失,带来路基的局部冲塌,影响边坡稳定,危及道路基础安全。

1.3.2不利于植物生长,影响绿化效果

在实际应用中与老式护坡砖配合的植被措施以种草或铺草皮为主,虽然也有采用沙地柏、连翘、地锦等植物进行景观绿化,但灌木的树冠截流效应会在根部造成砖内土壤的加速流失,不利于水、肥的保持,造成灌木和草生长的立地条件差,且可选择的植物配置形式单一,影响绿化效果,无法发挥植物的蓄水保土作用。

1.3.3后期管护成本高

通过对20 余处老式护坡砖护坡工程的监测,90%的工程水土流失情况较为严重,只有西三环莲花桥、西四环定慧桥下的护坡效果较好,这主要是由于这两处工程的后期管理和灌溉条件较好,而其他野外管护条件差的护坡工程(如延庆县康张公路)都不同程度地发生了植被生长状况不良,水土流失现象较严重的问题,说明采用老式护坡砖护坡对后期管理的要求较高。

1.3.4流失的土壤阻塞排水系统,缩短设施使用年限

老式护坡砖内流失的土壤顺水而下,流入城市排水管网或沟道、水库,产生大量泥沙淤积,缩短了排水系统或水利工程的使用年限,使得各部门投入大量的人力、物力、财力进行清淤,造成了社会财富的极大浪费。

1.3.5造成土壤资源的流失,不符合“环境友好型社会”的发展要求

老式护坡砖具有一定的绿化和防护功能,但这种生态防护的表面现象却掩盖着较剧烈的土壤流失,失去了生态保护的意义,这种现状与全国加快经济建设和保护生态环境,创建和谐社会要求背道而驰,形成了“生态护坡反而造成剧烈土壤流失”的尴尬局面,不符合“环境友好型社会”的建设要求。

2 “坡改平”生态护坡砖的设计

2.1 “坡改平”生态护坡技术的设计原理

在分析老式护坡砖缺点的基础上,研发出了一种新型生态护坡技术,使其既具有其老式护坡砖施工简单、工程造价低的优点,又能克服其水土保持效果差的弊端。通过多方案的比选论证,提出新型的“坡改平”生态护坡砖技术(以下称“新型护坡砖”),利用“坡改平”护坡砖的特殊结构,将整个坡面分解为一个个“小平面”,以“小平面”土体的稳定,实现整个坡面的稳定,从而解决坡面土壤流失问题。

2.2 “坡改平”生态护坡砖的设计

新型护坡砖为正六边形,中空,内部为正六边形或圆形,底端面与水平面成一夹角α,α大小与所护边坡的坡度相匹配(如图2)。这样,在坡面铺设护坡砖时,砖底部与坡面相吻合,上端能够保持水平,确保砖内土体的表面保持水平稳定状态,不易流失,最大程度地保持土壤和水分。

图2 新型护坡砖透视图

为减少新型护坡砖自重分力产生的下滑力,防止重量累加可能对下部砖体的挤压破坏,底端设计至少一组阻滑齿(见图3、图4),通过阻滑齿与边坡基础“咬合”,将砖体的重力就地传导到坡面上,可以显著减少砖体向下层的重力传导。

图3 顶部侧视图

图4 底部侧视图

2.3 砖体材料及制作方法

新型护坡砖的材料可使用干硬性混凝土等适合制造护坡砖的材料(也可以采用玻璃钢或其他合成材料),制作方法采用砌块成形机压铸成形。

2.4 力学及稳定性分析

采用压力机对新型护坡砖和老式护坡砖进行力学性能上的对比。见表1。

表1 “坡改平”生态护坡砖与老式护坡砖侧向压力对比试验结果 kN

对比试验结果显示,坡改平护坡砖的抗压强度约为老式护坡砖的3.55 倍,采用坡改平生态护坡砖最大护坡高度可达14.5 m,完全满足《开发建设项目水土保持技术规范》(GB50433 — 2008) 中对削坡开级高度4 m的要求。铺砌后形成的水平方向蜂窝状镶嵌的形态使每一块砖都对水平6 个方向的其他砖的位置形成制约,即使某一块砖破碎,也不会影响坡面稳定。从力学指标和稳定性上新型护坡砖的优势远大于老式护坡砖。

2.5 施工工艺

施工工艺与老式护坡砖基本相同,坡下部应设置趾墙,铺设时按照“自下而上”的顺序进行,相邻护坡砖要挤紧,做到横、竖、斜线对齐,与老式护坡砖相比,路缘石和排水边沟高度稍高(应不小于30 cm)。

护坡砖铺设完成后,将种植土填入护坡砖中,植物措施施工完毕后轻轻拍实,以护坡砖内土壤表面低于上沿(1~2) cm 为宜,有利于蓄水保土。

2.6 护坡植物的配置

新型护坡砖把坡面植物栽植转化为平面植物栽植,更有利于植物生长,涵养水源的能力也比老式护坡砖显著增强。护坡植被的选择也可以由原来的单一植草护坡改为“灌木+草+藤本”护坡(栽植模式见图5),既提高了护坡的防护标准,也可以更好地丰富坡面绿化设计空间,满足景观设计的要求。

图5 “坡改平”新型护坡砖栽植模式图

2.7 经济性分析

根据延庆县上辛庄示范区的试验分析,新型护坡砖单块砖体生产材料用量是老式护坡砖的1.59 倍,但在施工要求上新、旧护坡砖无明显差异。另外,新型护坡砖内土壤容积变大,虽回填土的消耗量比老式护坡砖增加1.07 倍,但增量的土壤更适合护坡植物的生长。

通过对现在护坡中使用连锁护坡砖、生态混凝土、各类喷播、鱼巢砖等技术的材料成本、施工成本和后期管护等综合成本分析(见表2),新型护坡砖有着更强的优势、有广阔的应用前景和推广价值。

虽然新型护坡砖和老式护坡砖在材料费上多出约60%,但综合考虑后期管护费用的减少、水土保持效益和景观效益的增强及未来河湖清淤的费用的减少,坡改平护坡技术属于生态友好型技术,经济性显著优于老式护坡砖。

表2 与几种常用护坡措施的造价对比分析

2.8 应用领域

考虑施工、边坡稳定和经济合理性等因素,新型生态护坡砖适用于: 1∶1 ~ 1∶3 (不同坡度可定制生产)的土质或石质边坡防护;路基边坡的生态防护;河道、公路、矿山生态恢复以及公园景观建设等领域的边坡防护。

3 “坡改平”生态护坡技术的试验示范与推广应用

3.1 试验示范

经2007 年延庆县上辛庄试验区同期建设的5 m×10 m试验区的对比试验观测,老式护坡砖试验小区在建成后的1 个月后就发生了明显的土壤流失(见图6),流失土壤达189 kg,而同样管护条件下的新型护坡砖试验小区未发生土壤流失现象。2008 年,新型护坡砖内的灌木长势远远超过老式护坡砖,与老式护坡砖相比,土壤流失量减少95%以上,坡面防护和绿化效果显著。

图6 试验区同期施工的新旧护坡砖的土壤流失效果对比

3.2 推广应用

通过2009 年同期完工的怀柔宝山寺镇河道生态护坡工程和北京西六环公路护坡工程的对比(见图7),可以直观地看到“新式护坡砖”内土体处于水平稳定状态,而老式护坡砖已发生了严重流失,并呈发展趋势。

图7 2009 年同期完工工程新老护坡技术对比

2010 年对怀柔区宝山寺镇碾子村生态清洁小流域治理工程的河道治理项目监测表明,坡面植被覆盖度达95%以上,减少土壤流失90%以上,(见图8)。由于坡改平特殊的保水结构,各类植物生长迅速,试验区内的植物由1 种人工绿化的黑麦草发展到野生的酸模叶蓼、葎草、苋菜、木麻黄、水芹等13 种植物,植物群落中植物种类丰富,野生植被演替速度明显超过传统护坡措施。保土效益和绿化效果非常显著;通过调查访问,该措施可减少后期管理投入90%以上。

图8 “坡改平” 生态护坡技术实施1 a 后植被生长情况

2010 年,“坡改平”生态护坡技术先后在北京市阜石路二期工程西六环立交桥区护坡、朝阳区小厂沟河道生态治理、朝阳区常营中心沟河道生态治理和京开高速公路求贤收费站立交桥区等工程中得到应用(见表3) ,涉及河道治理工程、公路建设工程、生态清洁型小流域建设工程等。

表3 “坡改平” 生态护坡技术示范推广应用情况

在阜石路二期和朝阳区小厂沟河道治理工程中,由于施工季节等原因,护坡砖铺装完成后并未进行人工绿化,但自然植被的生长依然使坡面的植被覆盖度达到了90% 以上。这表明,坡改平生态护坡技术依靠野生植被自然生长依然可以取得良好的绿化和景观效果(见图11、图12),可以较好地适合野外河道、高速公路这类粗放化管理的护坡工程。

图11 朝阳区小厂沟河道生态治理工程
(野生植被自然恢复)

图12 朝阳区小厂沟河道生态治理工程
(野生植被完全覆盖坡面)

目前,坡改平生态护坡技术试验和推广应用面积超过2 万m2,减少水土流失量( 300 ~ 1 200) t,水土保持和景观生态效果显著。

4 结论

“坡改平”生态护坡技术是针对传统六角空心护坡砖存在的严重土壤流失问题而提出的一种新型生态护坡技术(获得国家发明专利,专利号: ZL200710187685.5),可以有效地解决河道、高速公路等开发建设项目工程建设中的水土流失。试验和应用表明具有以下优点。

(1)水土保持效果显著。工程监测表明,该技术与老式护坡砖相比可减少土壤流失量90%以上,特殊水平结构使砖内拦蓄降水和保水效果显著增强。

(2)施工方法简单,易于掌握。通过对已实施9 处试验和推广工程的施工现场技术人员的调查,该技术措施施工方法简单、易于掌握、施工速度快,适用于公路、水利等大型工程的生态护坡。

(3)植物措施配置方法多,景观效果好。已完工工程监测情况显示,该技术丰富了植物措施设计方案的选择空间,使坡面绿化从单一草本绿化拓展到灌木与草本相结合进行绿化美化,并可以根据景观需要在坡面上以灌木和草本组合出不同的图案造型,使护坡工程与周边环境融为一体。

(4)后期管护投入少。阜石路二期、朝阳区小厂沟护坡工程在没有实施人工绿化措施的时期内,自然植被长势旺盛,蓄水保土和景观效果良好,说明坡改平生态护坡技术特别适合于野外高速公路和郊区河道这类不易于管护的工程中,并可大大降低后期管护投入。

(5)具有良好的应用和推广价值。试验和工程应用结果表明,“坡改平”生态护坡技术是一种保土保水效益显著、环境友好型的水土保持创新技术,具有良好的推广价值。

参考文献

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作者简介:侯旭峰(1968—),男,高级工程师。

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