信阳至南阳高速公路路堑边坡生态防护工艺及植物适应性试验研究

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  【摘 要】 通过对信阳至南阳高速公路膨胀土及风化岩路堑边坡生态防护液力喷播和客土喷播施工工艺试验研究及植物适应性研究,为制定合理的边坡防护方案提供基础数据,确保工程顺利实施,对类似工程具有一定参考价值。
  【关键词】 高速公路;施工工艺;生态防护;路堑边坡;试验研究
  1.概述
  河南省信阳至南阳高速公路项目是国家规划的西部开发大通道上海至西安(沪陕)高速公路重要组成部分,自东向西依次穿越信阳市、驻马店市、南阳市,全长182.904公里,分信阳至泌阳段、泌阳至南阳段两个项目进行建设。公路沿线地质、地形复杂,信阳境鱼塘、堰塘、水稻田分布较广,驻马店段和南阳桐柏境内为山岭重丘区,泌阳至南阳段全线分布中弱膨胀土。路线穿越丘陵及山区,路基挖方边坡和填方边坡数量众多。
  2.边坡生态防护工艺选择
  k80+620~k80+800段边坡不具备一般的绿化方法所需要的条件,原因如下:无植物生长所需的土壤环境,由于坡度较大,即使坡面有少量因岩石风化产生的土壤母质,也因雨水冲刷而流失,无法供给植物生长所需的水分和养分。客土喷播绿化技术通过在坡面上喷附一层结构类似于自然土壤且能够储存水分和养分的植物生长所需的基层材料,能够解决岩石边坡无法生长植物的难题,因此选择客土喷播绿化工艺。
  k80+800~k80+870段原始坡面粘性膨胀土,硬度、紧实度大,空隙度小,持水量不高,全磷、全氮、有效磷、有效钾、碱解氮含量均极低,土壤贫瘠化严重,局部有水渗出,沟蚀较多。经改良后可具备植物生长的条件,故选择液力喷播绿化工艺。
  2.1液力喷播工艺介绍
  液力喷播植草是将草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机喷射到预定区域建植草坪的高效绿化技术。
  喷播材料主要由草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂与水组成。喷播材料的性能和供应是保证喷播成功的重要因素之一。由喷播材料在土壤表面形成的喷播层,实质是保证草种迅速萌芽、生长的养生覆盖物。首先,它应具有良好的稳定性、能牢固的附着在边坡表面,有效防止风吹和雨水冲刷而不脱落;其次,应具有良好的吸水、保水、和保肥的性能,使喷播时的水和肥料不易顺坡流失,当浇水或下雨时能在吸水,并能防止喷播层中的水分过快蒸发,使草种在生长初期始终处于湿润状态;第三,喷播材料应完全无毒害性,保证对草种、幼苗无害,对环境无污染。
  (1)草种:结合当地气候和土质,选择具有抗逆性的草种,尽量做到草种本地化。
  (2)木纤维由天然林木经特殊加工而成,可与泥炭土按一定比例配合使用。
  (3)保水剂是一种交联密度很低、不溶于水、高水膨胀性的高分子化合物。具有自身数十倍乃至千倍的高吸水能力和加压也不脱水的高保水性能。用于干旱时提供植物水分。
  (4)粘合剂的主要功用是提高木纤维对土壤的附着性能和使纤维之间相互粘结,以保证喷播层抗风吹雨冲而不脱落。
  (5)肥料用来提供草坪植物生长所需的养分。根据土壤肥力状况,喷播时配以植物种子萌芽和幼苗前期生长所需的营养元素,一般采用氮磷钾复合肥。
  (6)染色剂是为了提高喷播时的可见性,便于喷播者观察喷播层的厚度和均匀性。
  (7)水作为主要溶剂,将各种材料溶合。水量的多少应根据喷植坡面情况和草种量进行调整。
  (8)应用地区:各地区均可应用,但在干旱、半干旱地区应保证养护用水的持续供给。
  (9)边坡状况:一般用于土质路堤边坡,土石混合路堤边坡经处理后可用,也可用于土质路堑边坡。常用坡率1:1.5-1:2.0,坡率超过1:1.25时应结合其它方法使用。每级高度一般不超过10m的稳定边坡。
  2.2客土喷播工艺介绍
  客土喷播绿化工艺是采用喷射机把基材与植被种子的混合物按照设计厚度均匀喷射到需防护的工程坡面的绿色护坡技术。主要由锚杆、网和基材混合物三部分组成。
  3.护坡植物选择原则
  3.1植物选择原则
  (1)由于本地气候湿润多雨,所选植物应抗潮湿。
  (2)喷植坡面地质复杂,所选植物需根系发达。
  (3)土地贫瘠,所选植物需抗瘠,抗病虫害。
  (4)以本地乡土植物为主,选引外地优良植物为辅,植物繁殖方便,适应性、抗逆性强。
  (5)选择植物以多年生草本、藤本、花卉植物为主,乔木、灌木为辅,种源植物多样性,以便因地制宜地配置不同的组合方式。
  (6选用植物以抗旱、耐瘠性为主要指标,性状、生长特性为次要指标,确保选用植物的适应性。
  (7)选用植物以种子繁殖材料、无性繁殖材料、栽植材料为主,以便机械化操作。
  4.試验中发现的问题和解决办法
  4.1部分植物不适应情况
  在这次试验中,部分植物不能很好的适应当地的气候。试验夏季雨季进行,高温高湿的气候使部分植物不能适应,以小冠花、胡枝子尤为明显,出芽初期即有死苗现象,随着夏季到来,气温升高和降雨增多,死苗现象更加严重,其他适应植物逐渐替换。到目前为止,小冠花、胡枝子存活量很小,成活几率过小。故建议在信阳至南阳高速公路中不要或者尽量少使用小冠花、胡枝子作为护坡植物。
  4.2单播不能满足护坡及景观要求情况
  一种植物往往不能满足各方面的需要,如狗牙根是一理想的护坡植物,但绿期短。高羊茅也是理想的护坡植物,绿期长,但越夏困难。草本植物生长速度快,但根系浅,护坡效果不理想。灌木根系深,护坡效果好,但生长速度慢。在试验中,单播植物更容易受到杂草的侵食,单一草种易退化,且难以恢复。而混播植物则受到杂草的侵食情况较轻,多种植物混合可以增加植物群体的多样性和稳定性。因此建议将不同的草种按一定的比例混合起来,使其得以发挥各自的优势。如将冷季草与暖季草,草本植物与灌木相混合,冷季草与暖季草相混合保证了植被的绿期,草本植物与灌木相混合,草本植物生长速度快,可实现快速绿化,且根据草本植物与灌木地下根系分布范围不同,形成地下层次根系网络,有效防止地表冲刷,又对坡体起到加筋锚固的作用,实现稳固坡体、保持水土的功能。   4.3杂草侵入严重情况
  在试验中,部分草种杂草侵入程度严重。杂草以狗尾草、青葙、荭草为主,狗尾草别名谷莠子、莠草,属禾本科一年生草本植物。分布在全国各地。一年生杂草,发芽适宜温度为15—30℃,10℃也能发芽,但发芽率低而出苗缓慢,在土层中出苗深度为0—8cm。在黑龙江5月初开始出苗,可持续到7月下旬,7—8月开花,8—9月种子成熟,成熟种子须经越冬休眠才能发芽。上海地区4月中、下旬出苗,5月下旬达高峰,9月上、中旬还有一个发生高峰,一年可发生2—3代。青葙别名野鸡冠、白鸡冠、昆仑草,原产热带美洲,一年生草本,茎直立,高30~100公分,全株无毛,单茎或分枝。叶互生,有柄披针形或狭卵形,长3~10公分,宽1~3公分先端锐形。穗状花序顶生或腋生,花白色或粉红色,种子黑色扁圆形,有光泽,径约1.5公厘。荭草原产我国和澳大利亚,生于路旁和水边湿地。喜阳光、温暖和湿润,耐瘠薄,不择土壤,在阴湿地成片野生。
  由于杂草根系不发达,护坡能力差,且绿期短,景观效果不好,因此播种植物必须能够压制杂草的生长。在试验中,单播植物如狗牙根、高羊茅、胡枝子、紫花苜蓿都不同程度的受到当地杂草的侵入,部分播种植物由于被杂草压制,无法正常生长,有死苗现象。而草灌混播如狗牙根、高羊茅、胡枝子、紫穗槐草灌混播和紫花苜蓿、高羊茅、小冠花、紫穗槐草灌混播中,由于为混播,草种竞争力强,杂草很难侵入。
  经过分析,杂草形成原因有三:(1)客土喷播过程中,喷植所用的生植土为当地土,土中含有很多当地杂草种子;(2)客土基材提供了非常适合植物生长的、保水、保肥、ph适中的具有高次团粒结构的基质,肥力充足使杂草快速生长;(3)在喷播完成后,喷播草种尚未建成草坪前,给杂草留下了充足的生长空间。
  针对以上原因,可以采用以下方法控制杂草的侵入:
  (1)在选用生植土时,尽量选择远离荒地,含杂草种子少的生植土。
  (2)在坡顶设置临时排水沟,阻止下雨时将杂草种子冲向坡面;在坡顶荒地表面,含有大量的杂草种子,下雨时通过地表径流,又由于坡面上播种植物的叶茎截流而留在坡面上,在坡顶设置临时排水沟,既防止杂草种子冲到坡面上,又有利于坡体的稳定。
  (3)采用多种草本植物与灌木混播。在试验中,单播植物如狗牙根、高羊茅、胡枝子、紫花苜蓿受到当地杂草侵入情况较为严重,部分播种植物特别是胡枝子由于被杂草压制,无法正常生长,有大量死苗现象。而多种草本植物与灌木混播如狗牙根、高羊茅、胡枝子、紫穗槐草灌混播和紫花苜蓿、高羊茅、小冠花、紫穗槐草灌混播中,采用多种草本植物与灌木混播,能够实现各种植物之间的优势互补,便于迅速建植成坪,封锁坡面,同时提高了喷播植物的竞争力,杂草很难侵入。
  (4)及时、定期清理坡面杂草,以控制杂草的生长。
  4.4膨胀土上直接液力喷播效果
  k80+800~k80+870段原始坡面粘性膨胀土,硬度、紧实度大,空隙度小,持水量不高,全磷、全氮、有效磷、有效钾、碱解氮含量均极低,土壤贫瘠化严重,局部有水渗出,沟蚀较多。受液力喷播施工工艺限制,只能对坡面表面1~2mm进行处理,不能有效的解决膨胀土的土壤贫瘠和水分保持问题,随着降雨,膨胀土中的养分易流失,故绿化效果不好。对于此类粘性膨胀土挖方边坡应采用换填种植土后再液力喷播或直接采用客土喷播工艺。
  5.试验成果
  5.1液力喷播和客土喷播工艺适用性
  (1)液力喷播:液力喷播施工工期短,施工速度快,造价较低,但草的长势受坡面土壤肥力、酸碱性等因素影响大。在实验中,液力喷播工艺不能很好的解决粘性膨胀土挖方坡面的贫瘠、不保水问题,植被覆盖率不高,坡面沟蚀比较严重,故对于此类膨胀土挖方坡面应先进行坡面种植土改良,然后进行液力喷播。但对于信南高速中的其它填方边坡,可直接使用液力喷播工艺绿化。
  (2)客土喷播:客土喷播施工由于营造了非常适合植物生长的、保水、保肥、ph适中的具有高次团粒结构的基质,团粒结构是粒子的集合体,团粒内部与团粒之间具有大小不同的空隙,团粒间的大空隙则发挥着排水、通气的作用。另外,团粒结构中的粘土粒子通过静電的作用吸附着大量的养分以供植物生长,同时团粒的空隙中栖息着大量的微生物,微生物可以将土壤中的有机质转化为可供植物吸收的养分。在实验中,植物生长良好,一个月后植被覆盖率即达到100%。因此,客土喷播施工工艺适用于信南高速公路中的土质及石质挖方坡面。
  5.2.材料配比和草种配比
  (1)液力喷播材料配比和草种配比见下表
  (2)客土喷播材料配比
  客土喷播工艺喷播用喷射机自上而下作两次喷植,分基层和面层。基层不加草种,基层和面层的基材配比也不同。
  6.结论及建议
  (1)通过对客土喷播和液力喷播两种施工工艺和多个草种方案进行试验研究,为信南高速公路全线边坡绿化设计提供了可靠参数。
  (2)对当地植物与所选绿化植物进行了比较,对如何解决当地植物对边坡的侵入问题进行了实验研究,对膨胀土边坡提出了绿化意见。
  (3)对挖方边坡坡率与绿化效果的关系进行试验,提出了边坡绿化最经济的边坡坡率,提出了最佳的客土喷播基层厚度。
  (4)通过试验得出了年降水量和边坡绿化基层配比的关系,基层配比和材料比例随季节和边坡情况进行调整。
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