“水土保持”生态护坡砌块.doc

“水土保持”生态护坡砌块北京金阳新建材有限公司摘 要在水土保持监测工作中发现，日益增多的立交桥、河道、公路、铁路等基础设施的护坡工程中普遍存在着极其严重的土壤流失问题。根据多处六角空心砖护坡工程的数据分析，单块砖内土壤流失体积40%80%的现象普遍存在，经计算，每1m2土壤流失量约在30.1360.53 kg，折合3-6万t/km2。这种目前被忽视的“剧烈”土壤流失，形成了“生态护坡反而造成剧烈土壤流失”的尴尬局面，是与发展经济和生态环境建设的大背景严重不符的。通过创新性地提出“坡改平”生态护坡理念，利用新式“坡改平”生态护坡砌块把不稳定的坡面分解为若干个小的水平面，实现整个坡面的稳定，使坡面的土壤流失状况由“剧烈”程度，变成少流失，甚至不流失。这种保土效果显著的“坡改平”生态护坡理念和技术一旦得到推广，将在全国范围内减少上亿吨土壤流失的同时，开辟一片生态护坡的新领域。关键词：土壤流失，生态护坡，坡改平IV目 录摘 要II目 录III绪 论- 1 -一、问题的提出- 2 -1、一种“隐蔽”的土壤流失- 2 -2、原因分析- 3 -3、老式护坡砖存在的不足- 3 -（1）砖内土体不稳定- 3 -（2）植物措施单一- 3 -（3）后期管理成本高- 3 -4、危害分析- 4 -（1）造成土壤资源的浪费- 4 -（2）对排水系统构成严重威胁，缩短设施服务年限- 4 -（3）形成了“生态护坡措施不生态”的尴尬局面- 4 -二、新型护坡砖的研发- 4 -1、常见生态护坡技术的现状分析- 4 -2、新型“坡改平”生态护坡砖的研发- 5 -（1）新型护坡砖的设计原理- 5 -（2）新型护坡砖的设计- 5 -（3）稳定及力学性能- 6 -（4）砖体与不同坡面的兼容性（5）施工工艺- 6 -（6）护坡植物的选择- 6 -（7）应用领域- 7 -3、试验示范及推广工作- 8 -（1）试验示范- 8 -（2）推广工作- 8 -三、结论及建议- 9 -新型护坡砖具有良好的推广价值和发展前景- 10 -绪 论“水土流失是中国头号环境问题”1，这一结论已经得到全社会的认可。从1995年开发建设项目水土保持方案编报审批管理规定(水利部第5号令)颁布实施以来，全国的开发建设项目水土保持监督管理工作走上一个新的台阶，水土保持科研、开发建设项目水土保持方案编制和监测工作也在生产实践中不断地创新，不断地发展完善，在全国生态环境建设中发挥着主力军的作用。基础设施建设快速发展的同时也带来了新的水土流失问题，在近年来的水土保持监测工作中发现，公路、河道等开发建设项目护坡工程中使用量非常大的六角空心护坡砖也存在着剧烈土壤流失问题。大量的查询和检索表明，六角空心护坡砖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。所以，更加坚定了我们解决这一技术难题的决心。在与多年从事水土保持应用技术研究和水土保持监测工作的科研机构及专家们一起研究的基础上，我们创新性地利用“坡改平”治坡理念，研发了一种施工简单、保土效果显著、经济合理的生态护坡产品，为解决生态护坡工程中这种“隐蔽”的土壤流失问题探索了一条切实有效的途径。可以预见，这种产品在全国推广将会减少上亿吨的土壤流失，为全国的生态环境建设和开发建设项目水土保持工作立下新功。一、问题的提出1、一种“隐蔽”的土壤流失在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”）存在着极其严重的土壤流失问题。通过对北京境内的多处六角砖护坡工程的调查，除个别处于城市中心区、灌溉条件充分的护坡工程外，绝大多数护坡工程的老式护坡砖内土壤流失体积约在40%80%。仅延庆县康张公路0.5km长的一段挖方道路两侧护坡工程的水土流失量就约为47.3t。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20cm,砖壁厚3cm，砖内深10cm的老式护坡砖分析（见图1-1、图1-2），1m2土壤流失量约在30.2660.53kg，由此推算，一处10000m2的护坡工程在施工结束后的几年中其土壤流失总量有可能达到302.64605.31t，折合3.026.05万t/km2（甚至更多）。图1-2 冬季的护坡砖图1-1 夏季的护坡砖由此我们可以推算在全国范围内这类被普遍采用的护坡措施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。经查询检索，目前国内还未有过对此类问题的研究和报道，由此可见，这是一种被人们忽视且隐蔽性极强的土壤流失。2、原因分析造成这种土壤流失的原因是由于老式护坡砖是顺坡铺设，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。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，坡面才进入稳定状态，但遇强降雨时，土壤流失仍会继续这就是坡面土壤流失的过程。根据在北京地区的调查数据分析，这一过程约需要35年。3、老式护坡砖存在的不足（1）砖内土体不稳定老式护坡砖内的土体处于“斜面”不稳定状态，存在土壤流失的可能，虽然植被具有保持水土的作用，但当植被的生长状况不良，不足以提供保持水土的功能时，斜面上不稳定的土体将发生流失。（2）植物措施单一实际应用中老式护坡砖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的，但保土效果较差，主要原因是砖内的客土量较少（土层<10cm），可选择的植物措施配置形式不多。（3）后期管理成本高通过对老式护坡砖护坡措施的监测，个别植被护坡效果较好的后期灌溉成本较高。而其它后期灌溉条件较差的护坡工程，植被生长状况不良，没有发挥起到固土护坡的作用。可见，采用老式护坡砖护坡要想取得较好防护效果，后期管护成本将会很高。4、危害分析（1）造成土壤资源的浪费在经济发展与资源环境矛盾日趋尖锐的今天，老式护坡砖带来大量土壤流失，浪费了宝贵的土地、土壤资源，既不符合经济与生态环境可持续、协调发展的原则，又与全国正在开展的节能减排行动相背离。（2）对排水系统构成严重威胁，缩短设施服务年限开发建设型水土流失已经成为危害生态环境建设的重要问题之一，引起了人们的高度重视。大量流失的土壤顺水而下，流入城市排水管网或沟道、水库，产生大量淤积，缩短了排水系统或水利工程的服务年限，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。（3）形成了“生态护坡措施不生态”的尴尬局面老式护坡砖具有一定的绿化和防护功能，但却伴随着在生态防护表象掩盖下的大量土壤流失，失去了生态保护的意义，护坡工程反而存在剧烈土壤流失，形成了“生态护坡措施不生态”的尴尬局面，与全国加快经济建设和保护生态环境的社会背景严重不符，在某种意义上甚至是背道而驰。二、新型护坡砌块的研发1、常见生态护坡技术的现状分析目前常见的生态护坡技术包括老式护坡砖、连锁护坡砖、植生袋、生态混凝土、土工格室、各类喷播、鱼巢砖等，老式护坡砖的使用较为普遍，这主要是由于同其它生态护坡技术相比具有施工简单、工程造价低、开孔率高等优点，但这项技术却存在着土壤流失量巨大的弊端。2、新型“坡改平”生态护坡砌块的研发（1）新型护坡砌块的设计原理在分析各种护坡技术优缺点的基础上，我们着手研发了一种新型生态护坡砖，它既具有其它护坡技术的优点，又能克服其它护坡技术的弊端。受山区梯田、水平条等工程形式的启发，我们设想通过把坡面分解为若干个水平面，达到护坡工程土壤稳定的技术，解决坡面土壤流失问题。通过多方案的论证，最终确定了一种新型的“坡改平”生态护坡砌块（以下称“新型护坡砌块”），通过“坡改平”技术把整个坡面分解为一个个“小平面”，以“小平面”土体的稳定，进而实现整个坡面的稳定。（2）新型护坡砌块的设计新型护坡砌块为正六边形，中空，内空部分为正六边形或圆形，底端面与水平面成一夹角，夹角的大小与所护边坡坡度相匹配（如图2-1），这样，在坡面铺设护坡砌块时，护坡砌块底部也与坡面相吻合，上端能够保持水平，确保砌块内土体的表面保持水平稳定状态，最大程度地保持土壤。坡面砖体20cm5cm3cm图2-1 新型护坡砖透视图通过论证和试验，新型护坡砌块形式的变化，带来了自重变大的问题，为了克服砌体自重分力产生的下滑力，减少因重量累加可能对坡面下部砌体的挤压破坏，新型护坡砌块的底端设计至少一组阻滑齿（见图2-2、图2-3），齿长2cm（可23cm），护坡砖通过阻滑齿与基础的“咬合”，可以将每块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2-3 底部侧视图图2-2 顶部侧视图（3）稳定及力学性能由于新型护坡砌块的材料沿用了混凝土，一般混凝土与坡类基土之间的摩擦系数f为0.60.65，加之底部设有23cm阻滑齿以削减斜面重力分量，可确保砌块整体稳定。护坡砌块砌筑采用面-面镶嵌连接，经分析砖内无土，砖壁应力最大时能够满足稳定要求。初步对比试验表明，新型护坡砌块的横向抗压强度远大于老式护坡砖。（4）施工工艺施工工艺与老式护坡砖基本相同，坡下部应根据坡长计算并设置趾墙，铺设时按照“自下而上”的顺序进行，相邻护坡砌块要挤紧，做到横、竖、斜线对齐。护坡砌块铺设完成后，将种植土填入护坡砌块中，植物措施施工完毕后轻轻拍实。首次灌溉或降雨后砌块内土壤发生沉降，以土壤表面低于上沿12cm为宜，有利于蓄水保土。对于靠近边墙和趾墙的空档，可以铺砾石，以防土壤流失。（5）护坡植物的选择这种新型护坡砌块把坡面植物栽植转化为平面植物栽植，由于新型护坡单块砖体内栽植植物的土壤容积由现有护坡砖的6394cm3增大到13256cm3，是老式护坡砖容积的2.07倍，更有利于植物生长，涵养水源的能力也比老式护坡砖大大增强，护坡植被的选择也可以由原来的单一植草护坡改善为“灌木+草+藤本”护坡，甚至还可以栽植小乔木（栽植模式见图2-4），既提高了护坡的防护标准，也可以更好地满足了景观建设要求。图2-4 “坡改平”新型护坡砖栽植模式图（6）性能对比项目 老式护坡砖 新型生态护坡砖 土壤资源 浪费 节约 砖内土体 不稳定 稳定 植物措施 单一 多样 植物保存率 低 高 景观效果 一般 美观 后期管理 成本高 成本低 土壤流失 剧烈 基本不流失 排水系统 严重威胁 缩短设施服务年限 有效保持 延长设施服务年限 （7）应用领域考虑施工、边坡稳定和经济合理性等因素，这种新型生态护坡砌块适用于1：11：4的土质边坡防护，尤其适用用高速公路路基边坡的生态防护，能够有效解决老式护坡砖带来的土壤流失问题，可广泛应用于公路、铁路、河道边坡防护以及公园景观建设等领域。3、试验示范及推广工作（1）试验示范经2007年延庆县上辛庄试验区同期建设的5m×10m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2-5)，流失土壤达189kg，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，保土效果非常显著，1 年后，坡改平护坡砖内的灌木长势远远超过老式护坡砖，可有效提高坡面防护标准和绿化效果。坡改平护坡砖、坡改平护坡砖（灌木长生良好）（2）推广工作2009年8月在北京怀柔碾子河护坡工程采用，护坡坡比1:1.5施工前 2009年8月施工完2010年8月施工一年后现场调查表明，由于坡改平特殊的保水结构，各类植物生长迅速，试验区内的植物由一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种植物等，植物群落内容丰富，人工与野生植被演替速度明显超过传统护坡措施，有利于野外护坡植物群落的良性持续发展，并大幅度减少后期人工管护费用。通过现场观测，试验区植被以草本为主，间有荆条等灌木小草，植被盖度达到95%以上，减少土壤流失90%以上，并通过访问得知，后期管理投入减少90%以上。保土效益和绿化效果非常显著，用户反映良好。阜石路西延工程阜石路西延工程四个月后完全植被自然恢复朝阳小厂沟边坡治理工程（未使用该产品前）施工后朝阳小厂沟边坡治理工程（使用两个半月后）使用半年后凉水河管理处莲花河生态护坡（原状）施工后示范工程：京开高速公路求贤收费站 示范工程：京开高速公路求贤收费站 丰富的绿化造型，使生态护坡工程不再机械、呆板。三、结论及建议新型护坡砌块具有良好的推广价值和发展前景新型护坡砌块的研究和试验表明，它具有保土蓄水效果好、坡面绿化措施选择空间大、稳定性好、施工简单、经济实用、后期成本低等特点，是一种保土保水效益显著、实用性强的创新产品，“坡改平”生态护坡技术在国内属首例，具有良好的推广价值和发展前景。初步的示范推广，使我们看到这是一项生态友好、减少土壤侵蚀和蓄水保墒效益显著、具有巨大生态、经济和社会效益的自主知识产权的水土保持应用好技术。将在全国范围内减少上亿吨土壤的流失，为全国的生态环境建设和水土保持作出贡献。“剧烈”为土壤侵蚀强度分级标准表的最高级别。土壤侵蚀分类分级标准(SL190-96)，P7。- 20 -