绿色生态材料在高边坡防护中的应用研究

陈 军，汤 东

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

0 引言

在我国逐渐完善交通体系过程中，交通基础设施尤其是公路、高速公路等建设力度不断加大。部分公路边坡极易受到雨水侵蚀，裸露的边坡极易诱发众多环境问题，不利于公路的使用。加强边坡防护与绿化，一直是施工建设者的不能忽视的问题。

关于绿色生态材料的应用及高边坡防护工作的研究自21世纪以来一直持续，取得可观的研究成果。张季如等人[1]以鄂北高速为例，介绍生态护坡材料在路堑边坡侵蚀防护中的应用，并有效实现绿化。胡在良[2]为了推广生态护坡材料在工程中的应用，设计多组试验分析研究生态材料颗粒内孔径分布特点，获得其性能。倪海满等人[3]关注绿色混凝土生态防护技术，对于高边坡防护进行研究，同时实现低成本高绿化的效果。谷慧敏[4]以滇西二级公路为研究对象，分析边坡生态防护机理及特性，结合滇西文化走廊实际情况，借助边坡稳定性分析软件铺设生态防护膜。罗珂等人[5]对高速公路边坡防护技术展开探讨，建议要从护坡植物的选择、边坡生态防护技术原理、分类、应用等4个方面考虑完成边坡生态防护工作。李蔷、朱瑞赓等人[6，7]重点研究ZZLS绿色生态材料在施工建筑、停车场建设等方面的应用，为其它土木工程提供参考。

本文主要利用新型的ZZLS绿色生态材料完成公路高边坡的防护与绿化工作。首先全面介绍解析ZZLS绿色生态材料的性能与结构，并基于其喷射机喷射原理计算喷射流扩散时的速率均值、扩散流对坡面的冲击力等，为工程应用提供理论依据。最后以江西省某盘山公路的边坡防护与绿化为例，应用ZZLS绿色生态材料取得良好效果。

1 绿色生态材料介绍

（1）原材料介绍

最常见的绿色生态材料是指ZZLS绿色生态材料，其具有防腐蚀、高强度的特性，并且可以供草灌植被生长。其构成成分多种多样，其中包括天然无机非金属矿物质、各种营养物质、植物纤维、团粒剂、水泥胶结材料、各类土壤成分等，这些成分均为大自然中自然成分，不含有不利于植物生长的物质，并有利于植物生存。ZZLS生态材料试验需要用到425#常见硅酸盐水泥、无机非金属矿物质、生活垃圾、沙粒、黏土、自来水等材料。

（2）微观探究

ZZLS的微观结构很大程度上决定着ZZLS绿色生态材料植物生长、防腐蚀与强度大小等功能。为了全面了解ZZLS绿色生态材料的微观结构，对其做电镜SEM扫描，获悉ZZLS绿色生态材料的特性。

ZZLS绿色生态材料与土壤结构类似，均是多孔结构，且有很多贯通的微裂缝与非毛管孔隙，同时在颗粒和微团聚体中间存在许多毛管孔隙，具体见图1。这些结构使得其具有很好的保水性与通气性能，这些利于材料中的水肥、空气等均匀分布，促进植物生长。

图1 ZZLS绿色生态材料SEM图像

ZZLS绿色生态材料不仅含颗粒状堆叠构造、胶结式构造，而且具有紊流构造特点。其微观构造单位多是片状颗粒、扁平状聚集体颗粒单元，这些单元以平行状态堆叠，且片状、扁平状颗粒呈现定向态势，具有明显的方向性。

ZZLS绿色生态材料呈现多层次的强度，其微团聚体的胶结物质含有各种游离氧化物、大量的钙离子等物质，这些都有效增强了ZZLS绿色生态材料的强度与防腐蚀性能。因水泥胶结而构成整体结构的微团聚体具有很好的粘结力与水稳性，因此ZZLS绿色生态材料不仅可以供植物生长，而且可以有效加固边坡稳定性，防止边坡侵蚀。

（3）喷射技术特点

混合ZZLS绿色生态材料、种子、水后，借助射流理论流经压力管道运输到喷射机处，喷射机将其混合料直接喷射到边坡上，铺设成厚度约1cm左右的人造土层，在种子发芽长大形成植被后，植被根系纵横，可以有效连接边坡上的植被、ZZLS绿色生态材料与边坡上的土壤等，形成一层很好的保护层。

ZZLS绿色生态材料结构与土壤类似，可以实现有效存储与迁移水肥、空气、热量等，为植物生长发育提供良好的环境。

ZZLS绿色生态材料不仅可以为植被生存提供良好的环境，而且具有很好的强度与防腐蚀能力，可以大幅度降低边坡腐蚀几率，可以利用该材料铺设边坡保护层

ZZLS绿色生态材料与水、种子搅拌混合后，直接通过喷射机铺设到边坡上，这种方式可以用于无法栽种植物的陡坡地带，有效提高了边坡绿化率。

2 喷射原理

（1）理论介绍

ZZLS绿色生态材料通过活塞强制输入气料混合仓，仓内的压缩空气与其混合后表现为稀薄流状态，其混合料通过管道到达喷嘴处，因喷嘴内设置双水环，其自来水以水雾状态与混合料再次混合并一同以较高的速度运动到边坡表面。ZZLS绿色生态材料附着到压缩空气上，压缩空气在喷嘴处向外喷射，混合料随之喷射。依照流体动力学的研究，空气射流的中心速率在起始段内恒定，途经起始段后进入基本段后呈现衰减规律。因空气射流持续吸引周围空气，造成射流断面持续增加，射流经过一段路程后出现分散现象。具体过程见图2，设定2θ是射流扩散角。经过实验测量，圆形喷嘴形成的扩散角θ=13°，渐缩形喷嘴形成的扩散角 θ=11°。

图2 喷射过程中扩散示意图

（2）扩散射流的速度均值V

在喷射流的基本段内，设沿x方向的速度值是vx。沿该轴心向外，喷射流速率降低，设沿y方向的速度值是v。在扩散半径终点y处，速度值降为0。各速度值间关系用式（1）表示：

在固液气三态喷射流中，气态喷射流惯性较小，受到周围空气的的阻力快速衰减，与之相比的固液态喷射流惯性大，不容易被周围空气淹没。速率不仅自身不断减小，受到周围气体的阻碍，其速率下降更快。

就圆形喷嘴喷射流，单位时间内经过某截面的动量值应该与在喷射机喷嘴处的动量相等，即可得到式（2）：

式中：r是喷射机喷嘴半径值；ρ0、ρx依次是喷射机喷嘴处、沿沿方向某处单位体积内混合料的密度值。

为了方便计算，假设喷射流是固定不变的流体，其密度保持恒定，那么，则得到式（3）：

式中：y0是喷射流的扩散半径值。

依据图2得到，扩散半径的计算公式（4）：

可以整理出在任何断面处喷射流扩散时的速率平均值计算公式（5）：

（3）喷射流在扩散时对截面冲击力p

喷射流在任何截面处遇到坡面产生冲击力，依据动量守恒定律，在单位时间内，流体动量的变化应该与作用于流体上全部外力单位时间内的合力相等，得到式（6）：

整理后得到式（7）、式（8）：

式（7）、式（8）是喷射流对坡面的冲击力计算，1.414y0表示喷射流的扩散范围值，0.636y0表示喷射流扩散有效作用半径值。

3 实例应用

（1）工程情况

江西省某高速公路建设在山区，作为盘山公路其边坡因多雨冲刷且多陡坡无法栽种植被，边坡侵蚀严重。为了防止对公路造成损害，其边坡必须加强保护。

（2）方案设计

ZZLS绿色生态材料喷播绿化工艺是把ZZLS绿色生态材料、草种、植物纤维、水等原材料利用搅拌机混合拌合，适当时候可以补添粘合剂，将混合料利用管道运输到液压喷播机内，液压喷播机依据喷射原理将混合料喷射到指定的边坡表面，实现边坡绿化功效的新型绿化工艺。其喷播后的生态边坡结构见图3。

具体喷播工序有：清除整理破面、搭设脚手架，设立安全网、铆钉装设，加固坡面铁丝网、混合草种、ZZLS绿色生态材料、粘合剂等、运输至喷射机喷嘴处、喷射混合料至边坡处、养护工作、养护结束。

图3 生态护坡图

（3）测试分析

测试的样本和施工在相同时间内制作完成，每组4个样本，共设3组，样本养护期是30 d。试验设定液压值是120 kN，借助液压试验机完成。试验应力与应变函数关系见图4。基材和耕植土拌混合料抗压强度必须在2～3 MPa范围，否则重新制作。

图4 试验应力与应变函数关系图

混合料可以有效防御大量雨水长时间冲刷，并且其蓄水能力较高。

混合料可以为植被提供生长环境，在36 d后其绿化率超过85%，72 d后期绿化率基本达到100%左右。

绿化与护坡工作同步完成，有效节约了传统绿化与护坡分开进行的施工成本，个别地区可达到30%左右。

4 结语

利用新型的ZZLS绿色生态材料完成公路高边坡的防护与绿化工作具有节约时间、降低成本等多种优势，具体总结如下：

（1）ZZLS绿色生态材料环保，可以有效蓄水肥，防腐蚀性强，强度高。

（2）ZZLS绿色生态材料喷射工序简单快捷，占用少量人力物力财力，降低了施工成本，并且兼并完成绿化工作。

（3）ZZLS绿色生态材料是以喷射方式铺设，对于一些高边坡喷射到位，密度均匀，绿化率高。

（4）ZZLS绿色生态材料拌合植被种子可以依据实际情况变化，可以满足景观、历史、文化等方面的需求。