土壤生态自修复增强材料及技术在开春高速公路的应用

姜国正,秦 伟

(中交第四航务工程局有限公司，广州 510290)

0 引言

水土流失治理与生态保护是生态文明国家战略的基本内容。《国家第十三个五年(2016-2020年)规划纲要》着重指出：要推进荒漠化、石漠化、水土流失综合治理；《全国水土保持规划(2015-2030年)》强调：要“强化水土保持基础理论研究、关键技术攻关和示范推广”；《全国水土保持科技发展规划纲要(2008-2020)》强调：要“强化水土保持若干重大基础理论与关键技术研究”，“全面推动水土保持科技发展”，可见水土流失治理与生态防护在国家发展战略中占有举足轻重的地位。

1 工程概况

开春高速公路是中山至阳春高速公路中的开平至阳春段工程，该工程所在区域为广东省的三大暴雨中心之一，常年受台风影响，年降雨量达2 400mm，坡体冲刷严重，水土流失治理成为该工程中较为突出的问题。而目前采用常规添加材料难以满足工程水土保持和生态修复的长期要求，喷混支护对生态环境影响较大，水土保持与生态修复压力大。为此，某企业引进中山大学周翠英教授团队的科研成果—土壤生态自修复增强材料及技术，在开春高速公路进行示范应用。

2 关键技术

2.1 新型土壤自修复增强材料

土壤酯类粘合剂是一种有机酯类材料，常温下呈白色粘稠乳液状，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，可与水按照一定比例配制成均匀分散液使用。粘合剂中的有效高分子成分在水溶液的分散液中以乳胶粒的形式存在，并具有强烈的粘附性，在自然干燥条件下具有成膜性，其成膜富有弹性和韧性。将粘合剂分散液喷洒在边坡表面可以利用该性质有效地固化土体，适用于岩质/土质等各类边坡生态防护与水土保持工程。粘合剂在自然条件下可缓慢降解，降解周期为24个月，最终降解产物为CO2和H2O，且材料本身和降解过程中无毒、无害、无污染。

高强吸水合成树脂其主要成分在常温干燥状态下为白色颗粒(≤0.02mm)，吸水饱和后呈透明水凝胶状，吸水率高达250%，吸水膨胀，释水收缩，可经受20 000次胀缩作用；在自然环境条件中自行降解，最终降解产物为Na+、CO2和H2O，降解周期约为36个月，相当于植物3个生长周期。

2.2 构建土壤自修复增强系统

材料复配优化技术结合土壤、气候、植被和工况等条件，研制成了高性能土壤自修复的酯类粘合剂A、高强吸水合成树脂B、补充功能材料C，及其最优配比，研制成了具有固土培根、涵水改性、抑菌除病等的高性能土壤自修复增强剂(图1)。

图1 技术原理

土壤生态自修复增强材料与技术原理：在土体中高强吸水合成树脂能高效涵养水分，供植被根系使用，在吸水、释水过程中，树脂材料体积胀缩变化，膨松土壤，能有效改良土壤结构，促进植被根系生长；补充功能混合酯类材料是根据不同植被、气候、土壤等条件，针对植被高发病率的病菌，所添加的补充功能材料，可增强植被的抗病能力，提高其成活率。基本作用原理如图2所示。

图2 土壤生态自修复增强材料与技术原理

2.3 低成本最优控制模式

基于新型功能材料的土壤生态自修复增强系统，建立了不同条件下的高性能酯类材料的配比标准、施加标准，以及工程养护标准、评价标准，形成低成本最优控制模式，如图3所示。

图3 低成本最优控制模式

2.4 实施流程与工艺

新材料边坡绿化施工工艺：边坡清理→挂网→配制喷播基材(素土+树脂)→表面喷播(种子+肥料+树脂)→喷洒粘合剂→覆盖无纺布→养护。使用新材料进行绿化施工时，需要按照以下要求，对树脂和粘合剂这两个因素进行控制。

2.4.1 树脂施加

客土喷播根据土壤搅拌时是否加水可分为干喷法和湿喷法。使用干喷法施工时，树脂随着土壤一同加入到喷播机中，搅拌均匀后喷出。树脂的添加量与喷播机的功率有关，树脂和土壤的质量比需控制在4×10-4～8.57×10-4；使用湿喷法施工时，在将树脂加入喷播机前需做饱和处理，即将树脂和水按照1×10-2～5×10-3的质量比在容器中充分混合，随后加入喷播机中，与已充分吸水的土壤搅拌均匀后喷出。树脂和土壤的质量比需控制在3.5×10-4～2.4×10-4。

2.4.2 粘合剂配制

中山大学研发的土壤酯类粘合剂使用前需要稀释，根据边坡现场的工程条件，配制成不同浓度的水溶液。为了保证最佳的效果，土壤酯类粘合剂稀释应按如下步骤实施：首先，称取一定量的土壤酯类粘合剂于桶中，加入设计水量1/3的水，以300转/min的转速搅拌10min；随后，加水至设计水量的2/3，继续搅拌8min；最后，加水至设计水量，搅拌2min后停止。

3 应用成果

3.1 示范建设

针对开春高速公路边坡现场的土质、气候、工况等特点，开展室内配比试验，确定适合该工程的土壤生态自修复增强材料配比。根据《中山至阳春高速公路开平至阳春段两阶段施工图设计》，选择K5格构边坡示范工程，本边坡为砂岩组成的岩质边坡，高约20m，宽约100m，坡度40°～60°，坡面基岩裸露，岩体结构完整，节理裂隙基本不发育。该边坡采取三级开挖，其生态护坡示范工程为第一级边坡，总面积约3 000m2。

3.2 植被效果对比

结合现场观察结果分析，播种后第210d，与未施加材料的坡面相比，施加材料的坡面其灌木的平均长度提高了30%～75%。由此说明，在岩-土质边坡工程条件下，将土壤生态自修复增强材料应用于边坡工程的生态防护，有助于提高坡面植被(尤其是灌木)的出芽率，缩短出芽时间，促进植被植株和根系的快速生长，加快坡面植被覆盖速率。灌木具有生命周期长和固土效果好的优势，所以，灌木数量和生长速率的加快，更有利于提升坡面土体的稳定性和长期的绿化效果。

3.3 土壤各项物理指标

使用德国STEPS生产的土壤紧密实度仪和AQUATERR公司生产的T-350土壤温度湿度测试仪来测量土壤的温度、湿度和紧密实度，从而对比土壤生态自修复增强材料对土壤各项物理指标的改良作用和效果。

(1)紧密实度对比。施加功能材料的土壤紧密实度大于不添加材料的土壤，证明土壤生态自修复增强材料可以有效提高土壤的强度，增强边坡的抗冲刷能力。

(2)温湿度对比。施加材料后，土壤中的湿度和温度均高于不施加材料，但是受气候影响波动较大，总体来说，土壤生态自修复增强材料能提高土壤的保温、保湿能力，改善土壤环境。

(3)抗冲刷效果对比。边坡附着足够厚度的土壤以维持植物生长是边坡生态修复是否成功的决定性因素，施工完成后150～210d，虽然经历了一个雨季，但是冲蚀率也没有显著增加，因为此时坡面已经被植物完全覆盖。植物一方面通过叶面减弱了雨水对客土的溅蚀作用，让降雨无法直接作用于坡面土体；另一方面植物的根系快速发展，加固了土体，增强了客土的抗冲蚀性能。

(4)透气透氧性。土壤孔隙中氧气和二氧化碳含量的多少是评价土壤透气性质的重要指标，一般而言，土壤氧气含量越高，土壤二氧化碳含量越低，土壤与大气的气体交换能力就越强，土壤的透气性质就越好，植被根系生长越旺盛。施加材料的坡面土壤二氧化碳变化范围为0.18%～0.40%，平均土壤二氧化碳含量为0.27%；未施加材料的坡面土壤二氧化碳变化范围为0.20%～0.46%，平均土壤二氧化碳含量为0.32%，比施加功能材料坡面提高18.5%。因此，在土体中施加土壤生态自修复增强材料能改善土体透气性能，提升土体中的氧气含量，降低土体中二氧化碳的含量。

4 主要技术指标对比

主要技术指标对比见表1。

表1 主要技术指标对比

5 结语

根据对边坡植被和土壤物理指标的监测显示，施加土壤生态自修复增强材料，不但能促进植物生长、发芽，提高灌木的存活率，还能改善土壤水理性质，提高边坡土体的透气、透水、透氧性能，增强土壤的生态自修复能力，从而达到较好的边坡生态防护和水土保持效果。