噴混植生技術在暖溫帶石灰?guī)r山地破損山體生態(tài)恢復治理中的應用

趙永軍 ,葛 磊 ，翟 利 ，丁 平 ，楊海平 ，劉 鵾 ，王 寧 ，劉 濤

（1.山東省林木種質(zhì)資源中心，山東 濟南 250014；2.山東鴻林工程技術有限公司）

噴混植生技術是以工程力學和生物學理論為依據(jù)，利用錨桿加固、土壤混合基料制備、植物群落恢復和分層噴播技術，將土壤、肥料、有機質(zhì)、保水材料、粘結(jié)材料、植物種子等混合料噴射到坡面上，形成使植被得以恢復、又不被沖刷的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)建植層，從而達到防護邊坡、恢復植被、改善環(huán)境的目的。噴混植生技術的機械化程度高、作業(yè)速度快，在復雜及惡劣條件下能強制快速恢復植被。遺憾的是這項技術目前還沒有成熟的理論和技術標準,在工程應用中出現(xiàn)了建植層滑移、植物群落單一、植物退化等問題，筆者主要通過對暖溫帶石灰?guī)r山地噴混植生關鍵技術的應用研究，對坡面治理后的長期穩(wěn)定性、植物群落恢復等方面進行有益的探索，以達到防護體系的長期穩(wěn)定。

1 噴混植生技術的工藝流程

噴混植生的作業(yè)流程一般為:作業(yè)準備、清理邊坡、打設錨桿、掛網(wǎng)、制備土壤混合料、噴射混合料、養(yǎng)護管理等。

1.1 作業(yè)準備

作業(yè)前對邊坡地形地質(zhì)情況、設計方案、現(xiàn)場作業(yè)條件進行核實；落實各種材料設備來源并保障按計劃進場；熟悉規(guī)范、準予上崗的作業(yè)人員充足。

1.2 清理邊坡

清理邊坡主要是清除懸石和危石,防止發(fā)生新的地質(zhì)災害，保障邊坡治理的作業(yè)安全。作業(yè)時先清理浮石、浮土，后清理危巖石，從上到下逐層清理；清理采用人工清除和機械破碎、擠壓、鑿孔相結(jié)合的方法進行。清理作業(yè)中安全監(jiān)控、觀察記錄坡體的動態(tài)變化，并采取相應的技術措施。對于光滑巖面，通過挖掘橫溝等措施進行加糙處理。

1.3 打設錨桿

1.3.1 打設錨桿

錨桿一般為HRB335級或HRB400級鋼筋，鋼筋直徑、筋長、錨固深度、錨桿間距按照專業(yè)方案作業(yè)；土層、強風化巖層中的錨桿進行防腐處理，錨頭的錨具經(jīng)除銹、防腐后采用鋼筋網(wǎng)罩，并采用C30膨脹細石混凝土封閉，混凝土保護層厚度不小于50mm。錨桿作業(yè)應進行性能試驗和驗收試驗，確保主要性能指標達標。

1.3.2 注漿

錨固孔內(nèi)注漿采用純水泥砂漿 （水泥用P.O42.5、中細砂粒徑≤2.5mm，水泥砂漿配合比宜為1:1～1:1.2， 水灰比宜為 0.38～0.45）， 強度不低于M30，一次注漿壓力為0.5～1.5Mpa。漿液隨攪隨用、在初凝前用完，注漿管路保持暢通。采用注漿泵將漿液經(jīng)注漿管輸送至孔底，再由孔底返回孔口，待孔口溢出漿液或排氣管停止排氣時，可停止注漿。注漿管拔出應邊拔出邊灌漿，并保持管口處于漿面以下，待漿液溢出孔口時全部拔出。

1.4 掛網(wǎng)

在坡面上掛設網(wǎng)片，一般采用鍍鋅鐵絲網(wǎng)或高強纖維網(wǎng)。網(wǎng)目間距宜為 50mm×50mm～200mm×200mm之間，抗拉強度一般不低于380kPa。網(wǎng)片幅邊采用鐵絲綁扎聯(lián)接，與錨釘施工交叉作業(yè)，網(wǎng)片通過加強筋與錨釘固定，網(wǎng)片與坡面之間的距離約為種植基材厚度的一半，以使種植基材在坡面形成整體穩(wěn)定的板塊。坡面設50mm的軟式透水管排水孔，矩形布置，間距、孔設可隨扭距部位適當調(diào)整，孔位沿坡面走向盡可能在一條線上。

1.5 制備土壤混合料

土壤混合料的組成材料（種植基材)主要有種植土、有機質(zhì)、肥料、保水劑、粘合劑、殺蟲劑、植物種子、團粒劑、穩(wěn)定劑、PH緩沖劑和水等。將各種材料充分混合，攪拌均勻。

1.5.1 種植土

種植土可因地選材；為避免肥力不夠，可調(diào)配部分大田耕作土，同就地選擇的土壤混合使用。種植土應保持適宜的含水率，酸堿度適中、無毒害、不含雜質(zhì)雜草。

1.5.2 有機質(zhì)

有機質(zhì)主要為促進土壤結(jié)構(gòu)形成、改善土壤物理性質(zhì)、提高保水保肥能力，促進植物生長發(fā)育。噴混植生中主要采用增施有機肥，添加泥炭、秸稈、鋸末、腐質(zhì)土等來提高土壤有機質(zhì)含量。

1.5.3 肥料

肥料采用控釋復合肥料和經(jīng)消毒、害蟲處理、充分發(fā)酵后的農(nóng)家肥。1.5.4 保水劑

保水劑是無毒無害，反復釋水、吸水的功能高分子材料。因建植層厚度通常較薄，噴播植物的生長發(fā)育對氣候相當敏感，選擇適宜的保水劑是坡面上植物得以正常生長發(fā)育的有效措施。噴混植生中可選擇使用周期、壽命較長的聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鉀、聚丙烯酸銨等共聚交聯(lián)物。

1.5.5 粘合材料

粘合材料的使用主要為保持建植層不被沖刷、促使混合料與坡面粘結(jié)、增強建植層自身強度。常用的粘合材料有硅酸鹽水泥、高分子粘合劑，水泥起主要粘合作用，粘合劑起輔助粘合作用。水泥拌和混勻后的堿性特征對植物生長發(fā)育有嚴重影響，用量應嚴格控制；粘合劑存在老化現(xiàn)象，因此水泥、粘合劑宜配合使用。

殺蟲劑主要為防治混合料中的害蟲，提高混合料的質(zhì)量。

1.5.7 植物種子

植物種子的選擇配置應考慮植物適應性、抗旱抗逆性、抗侵蝕沖刷、抗污吸污、易粗放管理等因素，達到快速生長覆蓋，兼顧植物多樣性、群落多層次原則。

1.5.8 團粒材料

團粒材料主要為改善土壤,形成粒徑在0.25～10mm之間的團聚體，使土壤趨向于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上理想的2～3mm團粒結(jié)構(gòu)。噴混植生中常用的團粒材料包含團粒劑、團粒穩(wěn)定劑，兩種材料搭配使用。團粒劑呈白色粉末狀，水溶液呈中性，無毒、無味、無害、無污染,能迅速溶于水；團粒穩(wěn)定劑一般為膏體，水溶后為白色乳膠狀。

1.5.9 PH緩沖劑

緩沖劑是用來穩(wěn)定溶液酸堿度的物質(zhì)，一般由弱酸和弱酸鹽或弱堿和弱堿鹽組成，可使溶液在遇到堿或酸時，PH值的變化幅度縮小。

1.6 噴射混合料

選擇專用噴混植生噴播設備，就位后調(diào)節(jié)輸送泵壓力、出風量，將混合料均勻地噴射至坡面。噴射厚度是植物生長的關鍵所在，一般為100±30mm，應隨時檢查以保證作業(yè)質(zhì)量。

1.7 養(yǎng)護管理

噴射混合料后，初期養(yǎng)護采用無紡布（降雨較多時）或草簾（春秋季）覆蓋，防止雨水沖刷、水分蒸發(fā)過快，并起保溫作用利于種子發(fā)芽；植物生長至一定程度后揭開覆蓋材料。后期視天氣情況適時澆水、噴霧進行養(yǎng)護。

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2 土壤混合料的制備配比

噴混植生技術的核心是通過成孔物質(zhì)的合理配置，在坡面上營造一個固、液、氣三相物質(zhì)基于平衡的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)建植層。混合料基質(zhì)材料的配比合理性是噴混植生能否成功的關鍵，適宜的配方既應滿足一定強度、抗雨水沖刷，又具有空隙率、肥力以保證植物生長。

2.1 土壤混合料的試配設計（配合比試驗）

試配設計的目的是經(jīng)濟合理、因地制宜地比選出混合料中各組成材料的用量。總結(jié)近年來實施的山東、山西、河北、河南等地11項工程應用實踐，一般情況下，土壤混合料主要基質(zhì)初始配合比，見表1。

表1 土壤混合料主要基質(zhì)初始配合比（按每1㎡=每0.1m3用量)

表2 混合料主要理化指標特征表

2.2 混合料配合比的優(yōu)化

配合比的優(yōu)化主要為提高植被保存率、增強內(nèi)部質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本、作業(yè)難度。制備過程中嚴格控制加水量,避免用水量過多嚴重損害強度、影響后續(xù)噴射作業(yè)。初始配合比設計、試配完成后，進行試噴作業(yè)，并將混合料樣本、試噴模塊送實驗室化驗，對混合料的主要指標（PH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、CEC、含鹽量、通氣性等）和試噴模塊的無側(cè)限抗壓、抗剪強度等進行檢測。根據(jù)檢測報告，對不能滿足要求的指標，通過更換問題基質(zhì)來源、調(diào)整配合比設計進行優(yōu)化。混合料主要理化指標特征，見表2。

檢測顯示，加入水泥后的土壤混合料PH值為8.0～8.5。在混合料中加入紅黏土、硫酸亞鐵和PH緩沖劑，利用其酸堿性、緩沖性和水解產(chǎn)生酸度進行PH調(diào)節(jié)，使混合料的PH值由堿性（PH8.0～8.5）降低到中性（PH6.8～7.2），適合植物生長。具體使用時，對緩沖劑的濃度、添加量進行分組測定，針對不同的混合料理化特征，確定適宜的緩沖劑劑量。任何緩沖劑都只在一定的pH范圍內(nèi)有較好的緩沖作用，超過允許的pH范圍，它的緩沖作用較差或沒有緩沖作用。應采用比較成熟的PH值調(diào)節(jié)技術使混合料的PH值調(diào)節(jié)到適宜植物生長的范圍。常用緩沖劑濃度及PH值范圍，見表3。

3 植物群落的構(gòu)建

暖溫帶氣候冬季寒冷干燥，春季干旱少雨、多風沙，秋季云雨較少,降水主要集中在夏季，年平均降水量少，年平均蒸發(fā)量大，植被恢復的普遍性問題是水資源的不足。

3.1 植物種類選擇的原則

噴混植生技術實際上是通過播種造林的方式實現(xiàn)植被恢復，植物種類的選擇遵循以鄉(xiāng)土植物為主，兼顧物種多樣性，喬木、灌木、草本及地被植物相結(jié)合的原則，突出植物的易繁殖性和適應性（耐旱、耐瘠薄、生命力頑強、綜合抗性強），注意植物群落演替與營養(yǎng)循環(huán)（選擇具有一定固氮能力的豆科植物)，避免易老化、生態(tài)退化的現(xiàn)象。

表3 常用緩沖劑濃度及PH值范圍

3.2 可選擇的主要植物種類

植物種類的選擇主要以能夠營造針葉林、闊葉林、灌叢、灌草叢、草甸等各種類型植被為目的。由于植物的播種繁殖、生長習性等特點不同，暖溫帶地區(qū)常綠植物的選擇應用受到局限。可選擇的主要植物種類，見表4。

3.3 森林型植被結(jié)構(gòu)的演替形成

植物種子萌發(fā)后，吸收營養(yǎng)元素迅速生根、生長；根系組織將建植層固定在坡體表面或伸入坡面縫隙，逐步對土壤層進行加固，逐漸取代工程措施對山體的防護。坡面建植完成后，一年生草本群落、多年生雜草與禾草群落、灌木群落和喬木依次出現(xiàn)，直到一片森林再度形成。由于植物之間、植物與環(huán)境之間的相互作用,以及這種作用的不斷變化，必然發(fā)生植被的自然演替現(xiàn)象，直至發(fā)展成為與建植環(huán)境條件協(xié)調(diào)一致、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的植物群落。植被演替過程中的枯枝落葉進一步改善土壤結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)營養(yǎng)成分，促進并完成植物群落的物質(zhì)循環(huán)，有效改善群落環(huán)境。即使建植的草本植物出現(xiàn)退化，通過自然選擇與群落演替形成的森林型植被結(jié)構(gòu)，也能達到植被恢復的長期穩(wěn)定性，進而實現(xiàn)山體的生態(tài)化、群落化、自然化。

4 傳統(tǒng)工藝的改造

4.1 土壤團粒化反應的改進

噴射混合料分為干式噴播和濕式噴播，前者由氣力輸送干拌混合料，在噴嘴處與壓力水混合后噴出；后者由氣力或輸送泵輸送泥漿混合物經(jīng)噴嘴噴出。實踐中以濕式噴播作業(yè)居多，濕式噴播的團粒化反應發(fā)生在混合料拌合期間，往往團粒化率比較低。

工藝改進后，噴播設備有2個罐體，一個罐體內(nèi)加入混合料、團粒穩(wěn)定劑，另外一個罐體內(nèi)加入團粒劑。通過對壓力、流量進行控制和微調(diào)，泥漿混合料與團粒劑經(jīng)2條不同的管道同步輸送，一起匯集在噴嘴處噴出，在噴槍口與空氣充分接觸，懸浮在空氣中的瞬間發(fā)生團粒化反應，噴射出具有穩(wěn)定、均勻團粒結(jié)構(gòu)的土壤混合料。改進后的團粒化反應發(fā)生在噴射期間，產(chǎn)生的建植層土壤具有良好的氣密結(jié)構(gòu)、疏水能性和水土保持能力，充分模擬自然落土進行建植層的營造，為植物生長提供適宜的生存環(huán)境。

表4 暖溫帶石灰?guī)r山地噴混植生可選擇的主要植物種類

續(xù)表4

4.2 噴射工藝的改進

傳統(tǒng)噴射作業(yè)大多一次成型，期間往往發(fā)生滑移流淌、干斑、厚度不達標等現(xiàn)象。另外，噴播植物種子的時機不合理，往往單獨噴播種子或表層噴射混合料時加入種子，導致種子被風吹走、被動物蠶食等，發(fā)芽率低、植被效果不理想。改進的噴射工藝主要解決上述問題。

噴射作業(yè)時，工藝改進為分層、分段在坡面上噴播。第1層噴射厚度為30～50mm,待穩(wěn)定后 （約10～20min）再噴射第2層至設計厚度，在巖體破碎、巖質(zhì)堅硬、坑凹嚴重部位可適當增加噴射厚度。噴射混合料應分段分片依次進行，同一段內(nèi)噴射順序自下而上，段片之間、層與層之間做成45°斜坡，以使混合料凝結(jié)成整體。

噴頭操作是噴射工藝改進的另外—個重要環(huán)節(jié)。噴頭與噴射面盡量保持垂直，視情況保持0.8～1m左右的距離；噴射料束環(huán)形旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)直徑約為150～300mm,轉(zhuǎn)速均勻,一圈壓半圈,行間搭接 20～30mm。以一次噴至不墜落的臨界狀態(tài)為限,避免產(chǎn)生干斑或滑移流淌現(xiàn)象。一般一次噴射厚度不超過80mm,采用針探法控制。

改進植物種子噴播的時機，將植物種子加入混合料中一并進行噴射作業(yè)。在下層噴播時，加入選用植物種子總量的20%～30%，并拌合均勻；在上層噴播時加入剩余植物種子。

4.3 養(yǎng)護方法的改進

混合料噴射完成后,若養(yǎng)護措施不當,極易發(fā)生早期干裂,影響建植層的強度和植物的生長發(fā)育。養(yǎng)護方法的改進為:采用霧化程度高、霧滴細小、對建植層打擊強度小、均勻度好的微噴方式，在噴射表面終凝后1～2d內(nèi)開始養(yǎng)護。噴水次數(shù)以保持建植層的濕潤狀態(tài)為準，具體養(yǎng)護方法見表5。

5 高陡邊坡作業(yè)的適用性

高陡邊坡一般在75o以上、坡高30～40m以上。對于高陡邊坡而言，對原坡面進行加固、保持坡面的安全穩(wěn)定，是噴混植生能否應用的關鍵因素。抗滑樁、格珊梁、抗滑擋墻和排水固結(jié)等坡體加固技術，在高陡邊坡治理的工程措施中已經(jīng)廣泛應用。

表5 建植層的養(yǎng)護方法

理論上，植物生長所需的光照、溫度、濕度、營養(yǎng)、土壤等外部條件滿足，利用噴混植生技術進行高陡邊坡的植被恢復，特別是恢復攀援植物、灌草叢、草甸植被，應該可行。但是，在混合料制備配比、植物群落選擇等方面，應該做出同高陡邊坡地質(zhì)特性相匹配的技術方案，以保持治理后坡面的長期穩(wěn)定性。目前，噴混植生技術在高陡邊坡治理中應用成功的案例比較少，今后應做進一步的觀測和應用研究。

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