環(huán)境巖土工程及其錨固三維網(wǎng)生態(tài)護坡

淺析環(huán)境巖土工程及其錨固三維網(wǎng)生態(tài)護坡摘要：基于當前環(huán)境巖土工程的研究進展和發(fā)展歷史，分析其研究內(nèi)容、特點和面臨的主要問題；系統(tǒng)地論述了基于錨固三維土工網(wǎng)的巖質(zhì)邊坡生態(tài)護坡的基本原理和方法，并結合工程實例的試驗結果分析了該技術的應用效果；巖質(zhì)邊坡生態(tài)環(huán)境差，運用錨固三維土工網(wǎng)生態(tài)護坡，在貧瘠的巖質(zhì)邊坡為表層創(chuàng)造了植物生長的條件，有效地防止水土流失，起到邊坡防護和恢復生態(tài)環(huán)境的目的。關鍵詞：環(huán)境巖土工程巖質(zhì)邊坡生態(tài)邊坡三維土工網(wǎng)環(huán)境工程是以研究大氣與水污染的防治、固體廢物的處理與利用、環(huán)境污染的綜合防治及環(huán)境系統(tǒng)工程的統(tǒng)稱；巖土工程是以巖土體為工作對象，以工程地質(zhì)學、巖石力學、土力學和基礎工程為基本內(nèi)容，涉及巖土體的利用、整治、改造和與建筑物基礎相互作用與影響的綜合性技術科學；環(huán)境巖土工程是在巖土工程的基礎上，考慮了巖土工程及其與環(huán)境的相互影響和對環(huán)境進行保護的交叉科學。環(huán)境巖土工程覆蓋了在大氣圈、生命圈、地水圈、巖石圈及地質(zhì)微生物圈等各種環(huán)境下，巖土及其與周邊地質(zhì)、生態(tài)和建筑物等相互影響、作用和保護等問題。本文主要介紹環(huán)境巖土工程研究進展、內(nèi)容和特點，以錨固三維土工網(wǎng)生態(tài)護坡為例分析面臨的主要環(huán)境巖土工程問題及其應用效果。l關于環(huán)境巖土工程1．1環(huán)境巖土工程研究進展1982年在舊金山召開的第1O屆國際土力學與基礎工程學術會議上，有學者提出了題為《環(huán)境巖土工程現(xiàn)狀報告》的文章，引起同行的注意。此后環(huán)境巖土工程逐漸從巖土工程中分化出來。國際上公認以1986年在美國里海大學召開的第一屆國際環(huán)境巖土工程學術討論會作為環(huán)境巖土工程成為一門獨立學科的標志。8O年代先后在美國、德國和上海同濟大學召開了三次與環(huán)境巖土工程有關的國際學術會議；1989年，國際土力學與基礎工程學會成立了第31個學委會，即：環(huán)境巖土工程技術委員會，主席為德國的Jessberger，并于1994年在加拿大的Edmonton召開了第一屆國際環(huán)境巖土工程學術會議(ICEG)，1996年在日本Osaka召開了較大規(guī)模的第二屆國際環(huán)境巖土工程學術會議，極大地推動了環(huán)境巖土工程學科的建立、充實和發(fā)展；1998年在葡萄牙Lisbon召開了第三屆國際環(huán)境巖土工程學術會議；2002年8月在巴西janeiro召開了第四屆國際環(huán)境巖土工程學術會議。國際環(huán)境巖土工程技術委員會決定今后每4年舉辦一次國際會議。當時國際上有重要影響的美國《土力學與基礎工程雜志(JournalofSoilMe-chanicsandFoundationEngineering)》也更名為《巖土與環(huán)境工程雜志(JournalofGeotechnicalandGeo—environmentalEngineering)》。近年來，環(huán)境巖土工程發(fā)展迅速。根據(jù)美籍華人方曉陽教授的觀點.認為：環(huán)境巖土工程不僅覆蓋了傳統(tǒng)的巖土工程問胚，而且已延伸到：1)有害有毒廢料的控制，2)濕地、海岸、疏浚和海相沉積物。3)干旱和沙漠地區(qū)，4)敏感性生態(tài)地質(zhì)環(huán)境及考古技術等領域，進而提出了環(huán)境巖土工程學及相關理論一粒子能量場理論；施斌介紹了國際上環(huán)境巖土工程的發(fā)展現(xiàn)狀和定義、與傳統(tǒng)巖土工程的區(qū)別以及研究內(nèi)涵，指出了我國在這一領域中的差距，列出了環(huán)境巖土工程的一些重要課題；文海家[3]等就環(huán)境巖土工程基礎理論體系的建立及其特色進行初步探討；蘇燕和周健介紹了國內(nèi)外在小環(huán)境巖土工程研究方面的現(xiàn)狀和進展；李相然等研究了基坑開挖中的環(huán)境巖土工程問題；羅國煜]等從地學角度對環(huán)境巖土工程的基本概念、特色、初步分類和內(nèi)涵系統(tǒng)作了探討；蔣建平等對環(huán)境巖土工程內(nèi)涵、問題、用巖土工程解決環(huán)境問題、環(huán)境和巖土工程的協(xié)調(diào)等方面進行了探討。對于環(huán)境巖土工程主要問題中的生態(tài)護坡方面，婁仲連和董志良f8對巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復工程新技術的基本原理和方法進行了研究；楊俊杰對生態(tài)邊坡客土穩(wěn)定性進行了實驗研究；趙華和黃潤秋一對巖石邊坡生態(tài)護坡特點及其關鍵技術問題進行了探討。目前生態(tài)護坡在高速公路邊坡中應用越來越廣泛，且生態(tài)防護形式多樣化.]。1．2環(huán)境巖土工程的特點．(1)系統(tǒng)性：環(huán)境巖土工程作為人類社會活動的一部分，其目標的選擇與實現(xiàn)依賴于社會整體利益和可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)。(2)復雜性：巖土體是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，又處在自然和人類活動的作用之下，其自身非常復雜。(3)廣泛性：環(huán)境巖土工程涉及的問題非常廣泛，同時在時間和空間上的跨越也非常大。(4)綜合性：環(huán)境巖土工程主要是應用巖土工程的觀點、技術和方法為治理和保護環(huán)境服務，但還遠遠不夠。環(huán)境巖土工程的系統(tǒng)性、復雜性和廣泛性決定了對其進行研究和環(huán)境巖土工程問題的解決必須是多學科的綜合，同時還要學習借鑒其他門類科學技術的思路和方法。1．3環(huán)境巖土工程內(nèi)容環(huán)境巖土工程的研究內(nèi)容較之巖土工程范圍要廣，幾乎涵蓋了所有環(huán)境問題。從目前涉及的環(huán)境問題的成因，環(huán)境巖土工程的研究內(nèi)容可歸納為如下兩大類：第一是人類與自然環(huán)境之間的共同作用問題。這類問題的動因主要是由自然災害引起的。第二是人類的生活、生產(chǎn)和工程活動引起的與環(huán)境之間的共同作用問題。它的動因主要是人類自身。在環(huán)境巖土工程領域，可分為3個分支：1)地質(zhì)環(huán)境工程，2)生態(tài)環(huán)境工程和，3)工程建設項目及其施工過程中的環(huán)境巖土工程問題。地質(zhì)環(huán)境工程主要強調(diào)有害有毒廢料控制系統(tǒng)的管理與修正、填料場的選擇、填料的穩(wěn)定性分析、土清污和監(jiān)控技術等。生態(tài)環(huán)境工程是指環(huán)境巖土工程的敏感性生態(tài)和地質(zhì)方面問題。工程建設項目及其施工過程中的環(huán)境巖土工程問題是指建筑及其工程施工過程中對地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的影響、保護并恢復方面的巖土工程問題。目前面臨的主要環(huán)境巖土工程問題有：1)水土流失與生態(tài)環(huán)境問題；2)滑坡、泥石流、塌陷和落石問題；地震災害與區(qū)域穩(wěn)定性問題；3)河流治理與城市防洪搶險問題；4)岸坡工程防護；5)廢棄物的巖土工程處置；6)工程建設項目及其施工對環(huán)境的影響；7)大量抽汲地下水引起地面沉降和海水入侵等。2典型環(huán)境巖土工程分析無論從理論到方法，環(huán)境巖土工程是在巖土工程大框架基礎上，對巖土、結構物和環(huán)境及其相互作用等進行深入、全面并系統(tǒng)研究的學科。環(huán)境巖土工程范圍比較廣泛，下面以巖質(zhì)邊坡三維土工網(wǎng)生態(tài)護坡為例分析環(huán)境巖土工程技術與應用效果。2．1巖質(zhì)邊坡三維土工網(wǎng)生態(tài)護坡技術巖質(zhì)邊坡生態(tài)護坡是基于生態(tài)工程學、工程力學、植物學、水力學等學科的基本原理，利用活性植物并結合三維土工網(wǎng)等工程材料，在坡面構建一個具自生長能力的功能系統(tǒng)，通過生態(tài)工程系統(tǒng)的自支撐、自組織與自我修復等功能來實現(xiàn)邊坡的抗沖刷、抗滑動、邊坡加固和生態(tài)恢復，以達到減少水土流失、維持生態(tài)多樣性和生態(tài)平衡以及美化環(huán)境等目的。在植被充分發(fā)育之前，由于三維土工網(wǎng)等工程財力順著邊坡表面的直接覆蓋，可以對坡面土體起錨固、包裹作用，增加坡面土體的法向應力，相應地增加了抗滑力。隨著植被在坡面的形成，工程材料與密布的植被根系緊密交織，有助于植被根系更均勻、緊密地連在一起，形成牢固的工程材料與植被緊密復合體，對邊坡淺層土體起到加筋作用，這種加筋土體可起到擋土墻及坡面防護結構的作用，具有較高的耐久性，從而可長期保護邊坡免受沖刷和滑動破壞。在雨水較多且邊坡以土坡為主的山體滑坡，大多表現(xiàn)為土體滑動，且土坡中浸水太多是造成其滑坡的重要因素。在這種情況下除了在邊坡表面和淺層設置排水名、暗溝外，尚需在邊坡的深層埋設排水管溝，以降低邊坡土中的孑L隙水壓力，減少邊坡下滑力矩并保持邊坡的抗滑穩(wěn)定性。值得注意的是為了旱季邊坡植物生長的需要，在山坡設置排水措施時，必須考慮保持不影響邊坡安全穩(wěn)定的水體和水分的設置需要。如在經(jīng)分析計算是穩(wěn)定的自由水浸潤線以下部位應設保水膜等保水措施。邊坡水土流失一般從下落的雨點滴濺在坡面開始，隨著降雨量的增加逐漸形成面流、細流、沖溝侵蝕，因此水土流失實質(zhì)上包括兩個過程，即土顆粒在雨點高速沖擊或坡面徑流拖曳力的作用下脫離母體和土顆粒運移過程。錨固土工網(wǎng)復合植被護坡技術通過降低雨點對裸露土顆粒的沖擊和減少坡面水流的流量和速度以及增加土顆粒間的連接強度，可有效地減少水土流失。在植被充分發(fā)育之前，三維土工網(wǎng)的凹凸結構在坡面上形成的坎坷，可減緩坡面徑流的沖刷速度，有效防止種子和幼苗被雨水沖走；由于三維土工網(wǎng)網(wǎng)孔較小，僅夠草苗穿過，較大的土顆粒難以通過，所以可包裹土顆粒，同時還起到保水、保溫的效果，有利于植被的生長發(fā)育。在植被充分發(fā)育之后，形成茂密的地表植被覆蓋，可以有效抑制雨水對邊坡的沖刷，首先植被的莖葉可能對高速雨點進行消能，減緩雨點對土顆粒的沖擊，其次植被可攔截、減緩邊坡上的水流速度，減少沖刷力，植物發(fā)達的根系特別是土壤表面密布的裸露根系緊密包裹邊坡表層土顆粒，增加了土顆粒間的連接強度，固定邊坡表層土壤以減輕沖刷。因此植被具有較強的水土保持能力。生態(tài)護坡恢復了動植物的生長和生存，其中最關鍵的是植物與巖土、動物等建立可持續(xù)、協(xié)調(diào)平衡的系統(tǒng)環(huán)境。植物(植被)除對水土有保持作用外，還對環(huán)境有如下保護作用：(1)凈化空氣作用。如：吸收二氧化碳，制造氧氣；吸收二氧化硫、氟化氫、氯氣等有害氣體；吸滯灰塵；殺菌和吸收放射性物質(zhì)等作用。(2)減少噪音。濃密的植物葉子能不定向反射與吸收聲波，密窄林帶可減少噪音3—7dB，成片樹林可減低噪音到26—43dB(接近對人無害)。(3)凈化污水。植物能吸收污水中細菌、酚和氰等有害物質(zhì)，鳳眼蓮、浮萍、蘆葦?shù)人参飳τ袡C物、氯化物、磷酸鹽等有較好的凈化作用。(4)調(diào)節(jié)小區(qū)氣候(溫度、濕度)和監(jiān)測污染環(huán)境(如氯氣使樹葉失氯變黃)等作用。2．2應用效果實例分析試驗邊坡位于惠陽市永湖鎮(zhèn)，該坡為石英霏細斑巖微一中風化巖質(zhì)邊坡，最大坡高15．5m、坡角65。，坡體土質(zhì)貧瘠、呈酸性，不利于植物的生長。在試驗之前，邊坡上幾乎沒有任何植被覆蓋，邊坡頂部強風化層水土流失嚴重。邊坡區(qū)在地形上處于山坡的匯水部位，地表水和地下水豐富，地形起伏變化大，邊坡周邊果園和農(nóng)耕地分布較多，對不利環(huán)境的影響比較敏感。為了避免邊坡滑動的危險，以及消除水土流失對周邊環(huán)境的影響，應采取錨固土工網(wǎng)復合植被技術進行生態(tài)護坡。邊坡考慮槽內(nèi)回填營養(yǎng)土和坡面覆蓋營養(yǎng)土的方式進行坡面土質(zhì)改良，營養(yǎng)土采用u型釘錨土工網(wǎng)固定。營養(yǎng)土主要由砂質(zhì)粘土和肥料組成，肥料主要由氮、磷、鉀無機肥和富營養(yǎng)的有肥按一定的比例組成，肥料、砂質(zhì)粘土和配合比由現(xiàn)場土質(zhì)營養(yǎng)試驗確定?？紤]地形、環(huán)境、氣候、光照、水、溫度、土質(zhì)、邊坡特點、植物特性等因素，盡量選擇耐瘠、耐酸堿，耐干濕、冷暖均適宜的優(yōu)良植物組合，以維持物種多樣性和生態(tài)平衡，減少后期維護工作。本工程選擇的植物主要包括赤桉、五色梅、南美蟛蜞菊、百喜草、百慕大草、黑麥草等。首先開挖坡頂截水溝，進行削坡處理，沿坡面縱向大致每5m設一道截水溝。然后鋪設30cm厚的營養(yǎng)土，用u型釘對土工網(wǎng)進行錨固。土工網(wǎng)使用耐特龍高強土工網(wǎng)，草種為南亞熱帶耐濕組合草種，每間隔lm間距種植低矮灌木叢，播種40天后坡面植被覆蓋率達80％以上，3個月后覆蓋率達100％，參見圖1。莖高平均達21cm，最大根深約30cm，在草叢中不時還可看到食草昆蟲、甲殼蟲、青蛙、蜥蜴、小鳥的蹤跡，基本上恢復了邊坡的生態(tài)系統(tǒng)。由于植被在雨季到來之前根系比較發(fā)育，已與土工網(wǎng)完整地結合在一起，隨后的多次大雨襲擊下，邊坡完好無損，防護效果非常好。圖1巖質(zhì)邊坡生態(tài)護坡工程3月后對比圖為了定量地分析錨固土工網(wǎng)復合植被系統(tǒng)的功能，特地選擇了坡度、高度、土質(zhì)基本相同的裸露邊坡和該錨固土工網(wǎng)復合植被防護的邊坡進行了模擬降雨沖刷試驗。試驗區(qū)坡度68。，從向長度lOm，橫向長度4m，土質(zhì)為全風化紅土?？?/p>