邊坡固結植生生態防護技術試驗研究及應用

劉慧 李振國 宋萬增

摘 要：為了使西北寒旱地區工程邊坡在惡劣立地條件下盡快實現生態恢復，以新疆某水電站引水渠道右岸開挖形成的砂礫石邊坡和鹽堿質黃土邊坡為工程背景，開展了固結植生生態防護技術試驗研究。通過室內試驗確定有利于植物生長的護坡復合基材各組分的最佳配比，并進行現場應用試驗，驗證了固結植生生態防護技術的效果。研究表明：復合基材混合物中高摩爾比脲甲醛緩釋肥是影響護坡植物長勢的主導因素，含水量為次要影響因素;邊坡固結植生生態防護技術應用效果良好，草種萌芽率高，植被覆蓋度高;邊坡植物根系具有加筋及錨固作用，可顯著提高邊坡穩定性。

關鍵詞：邊坡防護;復合基材;固結植生;生態恢復;現場試驗

中圖分類號：TV62;S157.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.028

Abstract：In order to realize the ecological restoration of the engineering slope in the cold and dry areas of northwest China under the site factov conditions as soon as possible， the sand and gravel slope and the saline loess slope formed by the excavation of the right bank of the diversion channel of a hydropower station in Xinjiang were taken as the engineering background to carry out the experimental research on the consolidation plant ecological protection technology. The optimum ratio of each component of slope protection composite substrate favorable to plant growth was determined by laboratory test， and field application test was carried out to verify the protective effect of consolidated ecological technology. The results show that the high molar ratio urea-formaldehyde slow-release fertilizer is the main factor affecting the growth of slope protection plants， and the water content is the secondary factor. The application effect of slope consolidation and ecological protection technology is good， grass seed germination rate is high and vegetation coverage is high. The root system of the slope has the reinforcing and anchoring function， which can improve the stability of the slope.

Key words： high and steep slope protection; the composite substrate; consolidation vegetative; ecological restoration; field test

隨著經濟、社會及技術的快速發展，我國各類基建工程項目與日俱增。工程建設過程中造成的大面積裸露邊坡，特別是在西北寒旱地區開挖造成的高陡邊坡，受到雨水沖刷和凍融的影響，坡面土壤潰散，極易發生溜滑、滑坡等水土流失現象，嚴重破壞生態環境[1-2]。諸多學者對水電工程邊坡防護、植被恢復等開展了研究與探討[3-5];Waldron、Wu等通過對植物根系加筋土的室內直剪試驗，建立了植-土復合力學模型[6-7];付海峰等采用數值模擬方法，探討了植物根系力學效應、邊坡穩定性系數的計算方法[8-10];張東強等針對龍開口水電站邊坡，提出了植被護坡、生態混凝土護坡、植被+工程復合護坡等邊坡生態恢復措施[11]。為了使西北寒旱地區工程邊坡在惡劣立地條件下盡快實現生態恢復，筆者以新疆某水電站引水渠道右岸開挖邊坡為工程背景，以巖土工程學、園林植被學、土壤學為理論指導，采用室內試驗與現場試驗相結合的方式，探討砂礫石和鹽堿質黃土邊坡生態防治方法，構建了適用于西北寒旱地區惡劣生態環境條件的生態護坡技術體系。

1 工程概況

新疆某水電站位于伊犁哈薩克自治州。工程區屬大陸性北溫帶半干旱氣候區，光熱資源豐富，多年平均氣溫8.8 ℃，極端最高氣溫39 ℃、極端最低氣溫-32 ℃，多年平均無霜期145 d，晝夜溫差13～16 ℃;降水多集中在春秋兩季，多年平均降水量274 mm，多年平均水面蒸發量1 403 mm。工程區可分為風積黃土區和山前沖洪積礫質土傾斜平原區，邊坡基體穩定，未發現滑坡、斷層破碎帶等不良地質現象，但受區域環境因素限制，植被自然恢復緩慢，與周邊環境形成強烈反差。為減少水電站施工對環境造成的影響，應盡快恢復邊坡植被，對邊坡進行有效的生態防護。

2 固結植生生態防護技術室內試驗

2.1 試驗邊坡基體特征參數

針對工程實際，現場取典型邊坡基體樣本2組，分別測定基體物理參數和養分含量，結果見表1、表2。

2.2 固結植生生態復合基材

固結植生生態復合基材是實現邊坡生態恢復的物質基礎，不僅可以長期為植物生長提供養分，還能實現固土、保水、保肥、促生等功能，具備養分釋放均勻、不易流失、利用率高等特點。其主要成分包括：①噴播土，一般為酸堿度適中的壤土;②草種，選取適合當地地質、氣候情況的品種，多為披堿草、黑麥草、草木樨等須根發達、耐寒能力強的鄉土草種;③生態固化劑，其材料水溶性好，能夠有效固結土壤顆粒并在其表面形成防護膜;④高摩爾比脲甲醛緩釋肥，屬于有機微溶性緩釋肥料，在土壤生物或化學作用下，可緩慢分解為無機氮而被植物吸收利用。

2.3 復合基材參數優化

在室內選取披堿草、黑麥草等草種進行栽培預選試驗，以生態固化劑和高摩爾比脲甲醛緩釋肥的含量為主要優化參數，開展分組正交試驗，在容器中等量均勻播種（見圖1），置于室內向陽位置，并保持溫度為20 ℃左右。

在預栽培試驗過程中，每天實時記錄草種發芽率、株高等數據，根據植物生長效果確定各組分的最佳配比，為野外現場試驗提供技術支持。試驗結果如圖2所示，可以看出：植物的株高受基材中肥料含量的影響較大;基材含水量與植物株高正相關，含水量超過3 000 mL/m2時植物的生長趨勢減緩;生態固化劑的含量越大，對植物生長的抑制作用就越強。因此，高摩爾比脲甲醛緩釋肥是影響植物長勢的主導因素，含水量超過3 000 mL/m2時成為植物長勢的次要影響因素。

根據試驗結果分析，確定基材各組分的最佳配比為：草種，30 g/m2;固化劑，30 g/m2;水，3 000 mL/m2;緩釋肥150 g/m2 ;漿液濃度1.4～1.5 g/cm3。

3 固結植生生態防護現場試驗

3.1 試驗區域及方案設計

該水電站引水渠道呈東西走向，右岸開挖邊坡基體裸露，邊坡高度30～70 m，自然坡度30°～50°，分為砂礫石邊坡和黃土邊坡兩類（見圖3），坡比分別為1∶1和1∶1.25。

試驗邊坡地質結構復雜，砂礫石邊坡土壤少、土質及肥力極差，黃土邊坡鹽堿化嚴重，兩種邊坡的生態恢復難度都非常大，在現場試驗中依據基體特征分別進行了特殊處理：對砂礫石邊坡，植草護坡采用雙層設計，底層噴灑調配后具有最佳配比的復合基材泥漿，以提高砂礫石基質的含泥量和肥力，改良土壤;表層使用基材混合物形成植生層，厚度一般不超過2 cm。對黃土邊坡進行處理時，基材混合物中噴播土的主要作用是輸送草種和肥料，因不易形成有效厚度，故噴播厚度一般不超過1 cm。

3.2 現場試驗工藝流程

如圖4所示，現場試驗主要工藝流程為篩土→拌制基材混合物→漿液濃度測試→噴播→噴播厚度測試→灑水養護。

3.3 試驗結果評估

3.3.1 植物生長情況

按照試驗方案，在噴播作業結束后，進行為期3個月的養護，結合實時攝影系統觀察邊坡植物萌芽及生長狀況。現場觀察表明，邊坡表層附著的基材混合物與基體黏結在一起，形成邊坡表部防護層，基材混合物良好的團粒結構為植物提供了萌芽生長的養分和水分。砂礫石邊坡在基材混合物噴播后2周左右草籽開始萌芽，黃土邊坡在基材噴播后10 d左右草籽開始萌芽，黑麥草、披堿草等先鋒型種子發芽率在90%以上。養護2個月時，植物已長勢良好（見圖5、圖6），并經過了暴雨、干旱等惡劣天氣（極端低溫4 ℃，極端高溫36 ℃）的考驗，土質邊坡植被覆蓋度達到65%，砂礫石邊坡植被覆蓋度達到50%。在冬季對固結植生效果進行跟蹤監測，可知植物根系生命力旺盛，呈綠根狀，且覆蓋效果顯著，可抵御工程所在地高寒天氣影響。

3.3.2 根系、基材復合體穩定性

評價固結植生生態防護技術的另一指標是護坡效果。通過對邊坡植物根系（見圖7）的監測可知：邊坡植物根系、基材和巖體己經形成一個整體，體現出須根對基體復合材料的加筋作用，主根將淺層基體風化帶固定到深層穩定巖土體上（即具有錨固作用），能夠有效抑制邊坡垮塌、滑坡等。黑麥草地面以上莖葉長50～80 cm，主根長30～50 cm（穿進巖縫20 cm左右），須根長5～10 cm;草木樨地面以上莖葉長50～120 cm，主根長80～100 cm、根粗2～4 cm，須根長10～20 cm;披堿草地面以上莖葉長50～120 cm，主根長25～80 cm。

4 結 論

（1）對復合基材混合物影響植物生長規律的研究表明，高摩爾比脲甲醛緩釋肥是影響植物長勢的主導因素，含水量超過3 000 mL/m2時成為次要影響因素。

（2）現場試驗表明，固結植生生態防護技術應用效果良好，草種萌芽率高，植被覆蓋度高，且能抵御工程所在地惡劣氣候影響。

（3）在植物生長過程中，須根與基材、表層巖土體形成了緊密的根土復合體加筋保護層結構，具有一定的水土保持功效;主根延伸至深層巖土體形成錨桿，具有錨固作用，提高了土體抗剪強度、增強了邊坡穩定性。

參考文獻：

[1] 董哲仁.水利工程對生態系統的脅迫[J].水利水電技術， 2003，34（7）： 1-5.

[2] 曹永強，倪廣恒，胡和平.水利水電工程建設對生態環境的影響分析[J].人民黃河，2005，27（1）：56-58.

[3] 侯濤，王丹，黃滔.生態修復在水電水利工程水土保持生態建設中的應用分析[J].建材與裝飾，2018（31）：288-289.

[4] 潘樹林，王麗，辜彬.論邊坡的生態恢復[J].生態學雜志，2005，24（2）：217-221.

[5] 高小虎，黃翔，田露.水利水電工程邊坡防護和植被恢復設計[J].水資源開發與管理，2017（9）：38-42.

[6] WALDRON L J. The Shear Resistance of Root-Permeated Homogeneous and Stratified Soil[J]. Soil Science Society of America Journal， 1977，41（5）：843-849.

[7] WU T H， MCOMBER R M， ERB R T， et al. Study of Soil-Root Interaction[J]. Journal of Geotechnical Engineering，1988，114（12）：1351-1375.

[8] 付海峰，姜志強，張書豐.植物根系固坡效應模擬及穩定性數值分析[J].水土保持通報，2007，27（1）：92-94.

[9] SWITAA B M， WU W. Numerical Modeling of Rainfall-Induced Instability of Vegetated Slopes[J]. Géotechnique， 2018， 68（6）：481-491.

[10] 安然，柴軍瑞，覃源，等.植被根系形態對邊坡穩定性的影響分析[J].水利水電技術，2018，49（3）：150-156.

[11] 張東強，宋鈺紅.龍開口水電站邊坡生態恢復措施研究[J].安徽農業科學，2011，39（8）：4596-4597.

【責任編輯 張智民】