本发明涉及一种棉花秸秆纤维土坡面加固系统以及施工方法，属于边坡防护技术领域。
背景技术：
由于地面径流、水流和船行波等因素的影响，大多航道岸线尤其是砂性土岸线需要采取保护措施。目前，大家主要关注的是水面变动范围内的整治措施，如建设驳岸或者护坡，可以起到良好的保护效果。但是由于建设成本的限制，通常这些整治航道护坡的顶高程设置在常水位以上1m左右，再向上的范围常常采用自然土坡的形式，并辅以简单固坡方法。很多未保护的坡面水土流失严重，坍塌得不到控制，河堤上树木倾倒于航道的情况屡见不鲜。
目前，对航道边坡上部的土坡进行防护，也已经备受关注，且已涌现了许多边坡防护方法,主要有框格工程(砼连锁块、六角空心块、铰链式砼块)，网袋工程(生态袋、模袋砼)、厚层混喷植草、客土喷播、生态植被毯、稻秸秆泥皮、三维网、椰纤维网以及sns柔性防护网等方法。
框格工程方法，主要采取在坡面上砌筑拱形或菱形的框格，或铺装预制砼连锁块、六角空心块、铰链块等形式，在框格或块体的空隙中填土植草，一般坡面上预铺土工布，防止水土流失。这类方法较为常见，也有较好效果；但是砼消耗量较大，施工复杂，且框格或块体间隙中填充的坡面土体及草籽易为雨水冲刷流失，从而影响草的生长，甚至导致坡面不稳甚至坍陷下沉。
网袋工程方法，通常以袋装土或砼，再覆盖至坡面上。这类方法，适应性强，应用广泛，但是成本高，难度大，且袋体易老化，袋体破裂后土体易松散，生态效果不佳，砼裸露在外，也很大程度地影响景观效果。
厚层混喷植草和客土喷播方法，是在坡面上喷以水、土、填充物的混合物，在其中和以草种或将草种喷洒于表面。这类方法运用较成熟，效率高，但成本高程序繁琐，需要大量的客土，施工机械要求高，现场处理较复杂，在施工初期要加强防护，此法主要适用于石质或硬质土边坡。
生态植被毯，已形成工厂化生产，成本较低，施工快捷，一定时间内可有效防止雨水冲刷，护坡及植被生长效果良好；但秸秆腐烂后，对坡面的保护作用减弱，尤其对砂性土边坡，雨水冲刷可能导致坡体变化较大甚至影响植物的正常生长，导致防护效果大打折扣。
三维网法在植物长成后可与网体和坡面土体形成整体,护坡效果较好,但施工工艺较复杂,网中填土不好操作，难以密实，施工后需要覆盖养护；另外，塑料制品不易降解，不利环境保护。
稻秸秆泥皮护面，对防止冲刷、抑制土体含水量变化均有较好效果，也可形成较好植被；但是施工效率低，且早期需要覆膜保护。
椰纤维网，对坡面土体进行加筋，可以增强土体的稳定性和抗冲刷能力，但对于表面土的保护效果不好。
sns柔性防护网技术，在防止岩质高边坡坡体崩塌落石方面具有较大优势，但施工较复杂，成本高，对于小型土坡不适用。
另一方面，棉花、芦苇、亚麻、芭蕉、椰丝、竹子、稻麦秸秆等农业伴生废弃物(也称自然植物纤维naturalplantfiber，以下简称为npf)，产量巨大。若处置不当，将对环境产生恶劣影响。2015年9月，印尼烧芭所引发的林火雾霾袭城，引发新加坡等周边国家外交争端；2016年11月，印度火耕秸秆引发雾霾，造成市民恐慌；2016年11月，燃煤秸秆焚烧引起我国东北重污染，10城雾霾“爆表”；这些事件只是农业大国农业伴生废弃物原始粗放处置、严重污染环境的的冰山一角。加强npf合理处置，拓宽其合理利用途径，刻不容缓。
npf是优良的土质改良筋材，早在远古就有工程应用。迄今为止，npf已用于增强混凝土，加筋水泥土、盐渍土及软黏土，在地下工程、道路工程、边坡及堤坝防护工程、软基加固工程中得到一定应用。到目前为止，用于边坡防护的自然植物纤维主要为稻秸秆、麦秸秆以及椰丝等，其形式有用于边坡、堤坝工程的临时固坡的秸秆编织物，用于解决边坡临时沉积控制和临时边坡侵蚀防护的秸秆棒或秸秆条或秸秆辊，以及用于边坡防护的椰纤维网以及稻秸秆泥皮护面等，尚未发现有利用棉花秸秆等形成坡面防护系统的论文或报道。
技术实现要素：
本发明要解决技术问题是：弥补上述技术所存在的缺陷，提供一种坡面固土防护效果好、施工方便快捷且施工成本低、绿色环保、适用面广的新型坡面生态防护系统及其施工方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种棉花秸秆纤维土坡面加固系统，包括沿所述坡面纵向设置的坡面排水沟、沿所述坡面横向设置的坡顶排水沟以及铺设在由所述坡面排水沟、坡顶排水沟和预设在所述坡面底部的挡墙混凝土压顶所包围区域的加筋土预制块；所述加筋土预制块由上混合土层、下混合土层以及设置在上混合土层、下混合土层之间的草籽层构成，所述上混合土层、下混合土层均由棉花秸秆纤维、砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后得到的加筋混合土制成。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种棉花秸秆纤维土坡面加固系统的施工方法，包括以下步骤：
1）制作所述棉花秸秆纤维——将棉花秸秆去根后，放入螺旋挤压榨汁机加水进行挤压，即制得棉花秸秆纤维；
2）制作加筋土预制块——将棉花秸秆纤维、砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后制得加筋混合土，将加筋混合土装入模具五分之四高度处，形成下混合土层，再在下混合土层表面均匀洒布草籽形成草籽层，振实后再补填加筋混合土至模具顶部形成上混合土层，振实后养护至预设强度后拆模即制得加筋土预制块；
3）铺装加筋土预制块——对坡面进行整平压实，在坡面上砌筑坡面排水沟和坡顶排水沟，在由所述坡面排水沟、坡顶排水沟和预设在所述坡面底部的挡墙混凝土压顶所包围区域铺装加筋土预制块。
优选的，所述加筋混合土中各组分的质量比为：所述加筋混合土中各组分的质量比为：棉花秸秆纤维为0.2%～2%，矿粉为4%～6%，保水剂为0.05%～0.1%，团粒剂为0.05%～0.1%，余量为砂土和粘土，其中粘土与砂土的质量比为1:2～4，砂土优选施工现场的当地砂土。
本发明带来的有益效果是：1）本发明采用加筋土预制块铺设在由所述坡面排水沟、坡顶排水沟和挡墙混凝土压顶所包围区域，加筋土预制块可由定制模具进行预制，实现工厂规模化生产，不但标准统一、质量可靠，而且现场安装方便快捷，施工效率高，降低了施工成本。另外，坡顶排水沟收集沟面后方的地面径流，防止其直接漫流于坡面；坡面排水沟将坡顶排水沟中的雨水分段排泄至压顶顶面进入河流。
2）本发明中加筋土预制块利用棉花秸秆纤维作为加强筋，与传统的加强筋材料比如顺直稻秸杆或者光滑麦秸杆相比，棉花秸秆纤维具有抗拉强度高和弯曲柔韧的特性，可以充分发挥其在加筋混合土中的弯曲、交织等加筋功效，从而实现其显著的固土功效。
另外，稻秸秆、麦秸秆在雨水冲刷下，极易快速腐烂，且腐烂程度较高，从而导致其坡面防护效果大打折扣。而棉花秸秆纤维的耐腐性要大大优于稻、麦秸秆纤维，在等待草籽层的草木根系萌芽发育直到茂盛的较长时段内，其腐烂程度较低，不会对预制土块结构产生大的影响，其固土效果可以有效保证。
3）本发明无需大量客土，施工后覆盖养护时间短，且在实现砼框格法同样甚至更好效果的情况下，本系统避免了砼材料和土工布的使用，在砂石料禁采力度不断加大、水泥等材料越来越稀缺、价格越来越高的形势下，本发明具有明显的材料成本优势，经济效益高。
4）本发明中加筋土预制块保湿性好，掺入的草籽层位于加筋土预制块的中部，在上混合土层、下混合土层的保护下，草籽具有良好的生长环境，可大大减少现场植被维护成本，且预制土块中棉花秸秆纤维在加筋混合土中的弯曲、交织等加筋固土功效，可有效避免土粒及草籽易被雨水冲刷流失的问题发生。
本发明中，所述棉花秸秆纤维是将去根的天然棉花秸秆放入螺旋挤压榨汁机中制成的丝状柔韧弯曲纤维段。
本发明中，所述草籽层中的草籽优选为速生种籽与慢生种籽相结合的混合草灌种籽。草籽最好选用当地适生草种，速生种籽实现快速生长，快速形成坡面覆盖，而在棉花秸秆纤维预制土块和快速覆盖草坪防护下，慢生种籽往下扎根，可以大幅增加植被根系的固土效应，最终实现茂密根系的固土护坡功能。
上述技术方案之一的进一步改进是：所述加筋土预制块上设有棉花秸秆钉，所述棉花秸秆钉为一端部尖锐的棉花秸秆，在使用时所述棉花秸秆钉贯穿该加筋土预制块后插入坡面土体。本系统用粗壮的棉花秸秆钉，将坡面土块与下混合土层较好连接，护面结构稳定性好。优选的，所述加筋土预制块上设有供棉花秸秆钉穿过的通孔，所述棉花秸秆钉预制成可插入通孔的标准件。在实施时，可将棉花秸秆根部粗壮部位削成端部尖锐的棉花秸秆钉，并使其拥有标准长度，直径在2-3cm范围内，在每一块加筋土预制块中部，将棉花秸秆钉插入到下层坡面的土层中，从而将标准加筋土预制块较好地固定在下面的土坡上。在插入棉花秸杆钉前，先在加筋土预制块的通孔内放入少许加筋混合土，然后再插入，从而使得棉花秸秆钉与通孔结合紧密。
上述技术方案之一的再进一步改进是：所述加筋土预制块分为上下两部分，其中上部分的两相邻侧面向内收缩形成第一台阶，下部分的另外两侧面也向内收缩形成与第一台阶相匹配的第二台阶；相邻的加筋土预制块通过第一台阶和第二台阶的配合紧密搭接。这样，可以充分考虑现场铺装加筋土预制块时，上下左右相邻的加筋土预制块形成紧密搭接，确保所铺装的加筋土预制块形成无缝的土表覆盖层。与空心六角块、边锁块、铰链块等相比，本发明采用加筋土预制块对坡面实现无缝覆盖，能有效阻挡水流下渗，对坡面给予有效的保护，避免空心六角块、边锁块、铰链块块体孔隙中填土及草种易被雨水冲刷流失的问题发生。
上述技术方案之二的进一步改进是：铺装加筋土预制块时，按平行于坡面排水沟逐列进行铺装，并按后退法施工。
上述技术方案之二的再进一步改进是：对排水沟接缝处的缝隙，用所述加筋混合土填充密实后抹平。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例中坡面加固系统的结构示意图。
图2是图1中加强筋预制块的示意图。
图3是图2的俯视示意图。
附图标记：1-挡墙混凝土压顶，2-坡面，3-坡顶排水沟，4-加筋土预制块，5-坡面排水沟，7-下混合土层，8-上混合土层，9-草籽层。
具体实施方式
实施例一
本实施例为一种棉花秸秆纤维土坡面加固系统，如图1所示，包括沿坡面2纵向设置的坡面排水沟5、沿坡面2横向设置的坡顶排水沟3以及铺设在由坡面排水沟5、坡顶排水沟3和预设在坡面2底部的挡墙混凝土压顶1所包围区域的加筋土预制块4。
加筋土预制块4由上混合土层8、下混合土层7以及设置在上混合土层8、下混合土层7之间的草籽层9构成，上混合土层8、下混合土层7均由棉花秸秆纤维、砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后得到的加筋混合土制成。加筋混合土中各组分的质量比为：棉花秸秆纤维为0.2%～2%，矿粉为4%～6%，保水剂为0.05%～0.1%，团粒剂为0.05%～0.1%，余量为砂土和粘土，其中粘土与砂土的质量比为1:2～4。
棉花秸秆纤维是将去根的天然棉花秸秆放入螺旋挤压榨汁机中制成的丝状柔韧弯曲纤维段。申请人对砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后得到的混合土中，分别混入整根棉花秸秆、1/8秸秆（将棉花秸秆沿长度方向机械劈裂成8份得到的条状秸秆）以及混入丝状柔韧弯曲纤维段进行强度测试，其中团粒剂使用聚丙烯酰胺高分子共聚物，结果如表1所示：
表1
由表1可知，整根棉花秸秆掺入上述混合土中，并未启到加筋固土效果，而是使土抗压强度及cu值下降，下降原因是由于棉花秸秆整根的掺入，破坏了土的整体稳定性；将棉花秸秆沿长度方向机械劈裂成8份所得的条状秸秆掺入土中，可使土抗压强度及cu值有所提高，但提高值有限；将丝状柔韧弯曲纤维段掺入土中，可使土抗压强度及cu值较大幅度提高，棉花秸秆纤维加筋固土效应明显。
同时，申请人对未劈裂的麦秸秆掺入砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后得到的混合土中，进行对比实验，其结果如表2所示：
表2
从表2可以看出，麦秸秆掺入量小时，加筋固土效果非常有限，且随着掺入量的增大，土强度和粘聚力衰减剧烈。
需要说明的是，本发明中将去根的天然棉花秸秆放入螺旋挤压榨汁机中制成的丝状柔韧弯曲纤维段掺入土中，能大幅提高土的加筋和固土效应，是申请人在无意中发现的。如表1所示，申请人最开始采用棉花秸秆掺入土中，加筋和固土效果很差，而将棉花秸秆机械劈裂后得到的细条掺入棉花秸秆，加筋和固土效果依然有限。而申请人偶然发现掉入榨汁机中的棉花秸秆，经榨汁机挤压后会形成纤维状，而将纤维状的棉花秸秆掺入土中，得到了如表1所示的显著加筋固土效果。
本实施例还可以作以下改进：
1）草籽层中的草籽为速生与慢生相结合的混合草灌种籽。速生种籽实现快速生长，快速形成坡面覆盖，慢生种籽往下扎根，可以大幅增加植被根系的固土效应。
2）加筋土预制块上设有棉花秸秆钉，棉花秸秆钉为一端部尖锐的棉花秸秆，在使用时棉花秸秆钉贯穿该加筋土预制块后插入坡面土体。这样，可将坡面土块与下层混合土较好连接，从而有效地分散了坡面的荷载，护面结构稳定性好。
3）如图2和图3所示，加筋土预制块分为上下两部分，其中上部分的两相邻侧面向内收缩形成第一台阶，下部分的另外两侧面也向内收缩形成与第一台阶相匹配的第二台阶；相邻的加筋土预制块通过第一台阶和第二台阶的配合紧密搭接。这样，可以充分考虑现场铺装加筋土预制块时，上下左右相邻的加筋土预制块形成紧密搭接，确保所铺装的加筋土预制块形成无缝的土表覆盖层。
本实施例中为保证加筋土预制块的良好搭接，加筋土预制块设计为边长40厘米的正方形，厚度10厘米；相邻两边的上面层边缘同时切去截面为5厘米厚5厘米宽的长方体，对角的另外两相邻边则在下面层边缘切去同样的长方体，形成如图2和图3所示的形状。为保证棉花秸杆预制土块足够的强度，同时满足施工和护坡功能要求，根据试验验证，预制块的厚度不小于10厘米，搭接处的厚度不小于5厘米。块体中心设直径2厘米的通孔，可以插入棉花秸杆钉用于固定块体；棉花秸秆钉可预制成可插入通孔的标准件。
实施例二
本实施例为实施例一中的棉花秸秆纤维土坡面加固系统的施工方法，包括以下步骤：
1）制作棉花秸秆纤维——将棉花秸秆去根后，放入螺旋挤压榨汁机加水进行挤压，即制得棉花秸秆纤维。
2）制作加筋土预制块——将棉花秸秆纤维、砂土、粘土、矿粉、团粒剂、保水剂混合搅拌后制得加筋混合土，将加筋混合土装入模具五分之四高度处，形成下混合土层，再在下混合土层表面均匀洒布草籽形成草籽层，振实后再补填加筋混合土至模具顶部形成上混合土层，振实后养护至预设强度后拆模即制得加筋土预制块。
优选的，加筋土预制块均分为上下两部分，其中上部分的两相邻侧面向内收缩形成第一台阶，下部分的另外两侧面也向内收缩形成与第一台阶相匹配的第二台阶；相邻的加筋土预制块通过第一台阶和第二台阶的配合紧密搭接。
3）铺装加筋土预制块——对坡面进行整平压实，在坡面上砌筑坡面排水沟和坡顶排水沟，在由坡面排水沟、坡顶排水沟和预设在坡面底部的挡墙混凝土压顶所包围区域铺装加筋土预制块；在实施时，排水沟间距可事先按预制块尺寸模数控制，尽量做到整块安装。
本实施例还可以作以下改进：
1）铺装加筋土预制块时，按平行于坡面排水沟逐列进行铺装，并按后退法施工。
2）对排水沟接缝处的缝隙，用混合土填充密实后抹平。有可能的话，还可以用薄膜覆盖后进行养护，一般养护3天以上即可。
3）将棉花秸秆根部粗壮部位削成端部尖锐的棉花秸秆钉，并使其拥有标准长度，直径在2-3cm范围内，将棉花秸秆钉穿过每一块加筋土预制块中部的通孔中插入到下层坡面的土层中，从而将标准加筋土预制块较好地固定在下面的土坡上。在插入棉花秸杆钉前，先在加筋土预制块的通孔内放入少许加筋混合土，然后再插入，从而使得棉花秸秆钉与通孔结合紧密。
本发明不局限于上述实施例的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。