基于聚氨酯復合基材的巖質邊坡客土生態修復試驗研究

喻永祥，郝社鋒，蔣 波，劉 瑾，李 明，李 偉，宋澤卓

（1.自然資源部國土(耕地)生態監測與修復工程技術創新中心，江蘇 南京 210018；2.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；3.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

大規模的工程建設以及礦山開采等人為活動遺留了大量裸露的巖質邊坡[1]。這些巖質邊坡在大氣營力和降水作用下經歷干濕循環，表面巖石容易發生風化剝落和崩塌，對周圍建筑和人民群眾的生產生活造成威脅。同時，這些裸露的巖質邊坡往往坡高壁陡、基巖裸露，植被無法生長，水土流失嚴重，生態環境十分惡劣，對其周圍環境造成影響。

目前，國內外用于巖質邊坡生態修復的方法主要有草皮、植生袋、魚鱗坑等[2-4]。鐘春欣等[2]針對草皮護坡的坡面抗侵蝕性能進行了研究，發現草皮可以有效地提升邊坡的抗侵蝕能力。楊翔等[3]對植生袋護坡的技術特點及施工方法進行了論述，并確定了生態護坡效果。白麗華[4]對魚鱗坑技術在黃土高原邊坡保護中的效果進行了研究，發現該技術可有效防止溝蝕和潛蝕的發生。

近年來客土護坡成為巖質邊坡生態修復的主要方法，該方法能夠在裸露巖質坡面、硬質土砂地等綠化困難地帶為植被提供生長環境，不僅可以減少削坡工作量，而且能同時滿足生態修復和護坡的雙重要求[5-7]。目前，客土護坡已成為國內外相關工作者研究的一個重要方向，并在邊坡工程中得到廣泛的推廣和應用，積累了豐富的工程經驗和研究成果[8-11]。Li等[12]將污泥作為一種新的客土基質組分，發現污泥可改善客土基質的化學物理性能并促進植被生長，并且在一定摻入量范圍內，能夠減少水土、種子流失。陳意昌等[13]通過現場試驗研究了日光照射對公路邊坡植被生長的影響，建議公路邊坡生態修復應充分考慮當地的地形和氣候條件。但是由于這類巖質邊坡的坡比大多在1∶0.75 以上，客土層長期受雨水沖刷侵蝕，容易造成表土流失和種子滑落，致使坡面喪失適宜植被生長的條件。此外，客土層與巖質坡面的相互附著力差，客土層易沿坡面發生整體滑塌或剝離，不斷削減坡面客土層的厚度，導致客土層保水、保肥能力下降，影響植被生長，難以滿足高陡巖質邊坡生態修復的需求。

高分子聚合物具有改善土體結構、提高土體力學機械性能、增強土體抗沖刷特性等優點，目前已在土體改良中得到廣泛應用。有學者嘗試將有機高分子聚合物應用于加固客土基材，以提高復合基材機械性能，增強抗沖刷特性、保水性等，并取得一批重要的研究成果[14-21]。王銀梅等[18]對比了新型高分子材料（SH）與水泥對黃土力學性能的影響，結果表明SH 改良后的黃土強度高、耐低溫、水穩定性好。Liu 等[20]通過室內研究表明有機聚合物能夠有效改善砂土的抗壓、抗剪、抗拉強度特性。Yang 等[21]研究發現聚天冬氨酸改良后的砂土具有良好的抗壓強度與耐久性能，并且易于生物降解，使用安全。上述研究成果為進一步研究有機高分子聚合物改良客土基質，生態修復高陡巖質邊坡提供了良好的基礎。

本文采用聚氨酯有機高分子材料與土體結合組成聚氨酯復合基材，通過室內試驗對其強度、抗沖刷性以及影響植被生長情況進行研究，并選擇典型巖質邊坡進行了現場試驗，對聚氨酯復合基材的有效性進行了驗證。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土體為南京地區廣泛分布的晚更新世下蜀土，土體經自然風干后過2 mm 篩使用。土體整體呈黃褐色，其基本物理性質如表1所示。

表1 下蜀土基本物理性質Table 1 Basic physical properties of the Xiashu soil

試驗所用聚氨酯有機高分子材料為淡黃色油狀液體，密度為1.8 g/cm3，其中聚氨酯的含量在85%左右。常溫下該有機高分子材料的黏度為650～700 mPa·s，可以與水按照任意比例混合。遇水后，與水發生化學反應，由淡黃色轉變為乳白色，整體呈乳液狀。

1.2 試驗方法

1.2.1 強度試驗

為了研究聚氨酯有機高分子濃度對復合基材強度的影響，本文對不同濃度的復合基材進行了無側限抗壓試驗。試驗中，將試樣的含水率和干密度分別控制為19.5%和1.72 g/cm3，將聚氨酯有機高分子的濃度分別調節為1%、2%、10%、20%，同時增加了未添加聚氨酯有機高分子的試樣（0%）作為對照。試樣采用靜力壓制法制備，土體與按設計比例稀釋后的聚氨酯有機高分子混合后壓制為直徑39.1 mm、高80.0 mm的圓柱狀試樣。制備好的試樣放入20 ℃恒溫恒濕的養護箱中養護48 h。無側限抗壓試驗采用南京南土儀器設備有限公司生產的YYW-2 型無側限土體壓力儀，根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）要求[22]，控制壓力儀的速率為2.4 mm/min。為減少試驗誤差，各試樣均設置了3 個平行試樣，采用3 個試樣的平均值作為結果進行分析。

1.2.2 抗沖刷試驗

為了研究聚氨酯有機高分子濃度對復合基材抗沖刷性的影響，本文對不同濃度的復合基材進行了抗沖刷試驗。試驗中試樣的具體參數和制備過程與強度試驗相同。試驗尺寸為19.5 cm×12 cm×2.5 cm。制備好的試樣放入20 ℃恒溫恒濕的養護箱中養護48 h。完成養護后，試樣被放置于坡度為65°的沖刷架上進行抗沖刷試驗。試驗中，模擬實際降雨方式進行沖刷，降雨強度設置為2.5 L/min，沖刷時間為20 min。在試驗過程中收集各試樣每分鐘的沖刷混合物，經沉淀與烘干后獲得各試樣表面每分鐘流失土體的干重。試驗結束后，用式（1）計算各試樣的累計沖刷率：

式中：R—試樣的累計沖刷率/%；

Δm—試樣表面每分鐘流失土體干重的總和/g；

M—各試樣的初始干重/g。

1.2.3 植被生長試驗

在本試驗中，試樣分為上下兩層進行制備。各試樣中下層土體相同，均為未添加聚氨酯有機高分子的土體，其含水率和干密度分別為20%和1.7 g/cm3。土體混合后被置入相同的長方體植物培養盒中，并將其表面用刮刀進行粗糙化處理。上層土體中聚氨酯有機高分子的濃度分別為1%、2%、10%、20%，同時增加了未添加聚氨酯有機高分子的試樣（0%）作為對照，其含水率和干密度分別為19.5%和1.72 g/cm3。土體混合后將其置入對應的植物培養盒中。

本試驗使用苜蓿、紫穗槐和馬棘三種草本植物，植被種子的總重量為10 g。所用的種子均品質優良、飽滿、無病蟲害，且在試驗前均進行清洗、熱水浸泡和消毒。植被種子被均勻地撒在各土體試樣的表面。完成播種后，試樣表面噴灑相同濃度和質量的植被營養液，以保證植被發芽和生長過程中所需的營養。植被培養盒放置于植被培養箱中，每三天澆水一次。每天均記錄種子發芽的數量和植被的生長情況。本試驗歷時30 d。

2 試驗結果與分析

2.1 強度試驗

通過無側限抗壓試驗對不同濃度聚氨酯有機高分子條件下試樣的強度特性進行研究，試驗結果如表2所示。

表2 強度試驗結果Table 2 Strength test results

由表2可知，試樣的峰值強度隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加逐漸增加。對比濃度為0%和1%試樣的峰值強度可以發現，聚氨酯有機高分子的存在可以有效增加試樣的峰值強度。濃度為1%試樣的峰值強度為113.63 kPa，與濃度為0%的試樣比，增加了55.49 kPa，增長幅度約為95.45%。其余各試樣峰值強度相對增長量隨聚氨酯有機高分子濃度增加基本保持穩定，在10 kPa左右波動。試樣的殘余強度隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加也呈現出增加的趨勢。當聚氨酯有機高分子濃度在2%及其以下時，濃度對于殘余強度的增加影響較大。當濃度超過2%，濃度對于殘余強度的影響較小，殘余強度趨于穩定。

圖1為試樣在無側限抗壓強度試驗中典型的應力-應變曲線。由圖1可知，各個濃度試樣的應力-應變曲線均呈現出先增大后減小的趨勢，濃度的增加提高了試樣的應力峰值。除此之外，隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，試樣的脆性逐漸增強，這說明聚氨酯有機高分子的加入可以有效增強試樣的整體性，增強其本身強度。

圖1 試樣在無側限抗壓強度試驗中典型的應力-應變曲線Fig.1 Typical stress-strain curve of the specimen in the unconfined compressive strength test

2.2 抗沖刷試驗

邊坡表層土體抗沖刷性強，就可以有效地減少修復后邊坡在降水等因素下發生水土流失的可能性，為植被生長提供足夠的養分和適宜的環境。本文通過室內小型模型試驗對不同聚氨酯有機高分子濃度試樣的抗沖刷性進行測定。圖2為各試樣在沖刷過程中每分鐘流失土體的干重。由圖可知，未添加聚氨酯有機高分子的試樣存在兩個峰值，分別為沖刷開始后2 min 和13 min，沖刷量分別為99.8 g 和101.0 g。在沖刷過程中，試樣下部首先發生水土流失現象，進而在沖刷前期形成第一個沖刷峰值，隨著沖刷不斷進行，下部土體流失嚴重，上部土體失穩滑落，從而在第13分鐘形成第二個沖刷峰值。達到第二個峰值后，試樣每分鐘流失土體的干重逐漸減小并趨于穩定。添加了聚氨酯有機高分子的試樣每分鐘流失土體的干重隨著沖刷時間的不斷增加呈現出大致相同的趨勢，即先增加后減小最后趨于穩定。各試樣的沖刷峰值隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加逐漸減小。20%濃度試樣的沖刷峰值為28.8 g，僅為0%濃度試樣第一個峰值（99.8 g）的28%。由此可見，聚氨酯有機高分子可以有效提高試樣抵抗外力沖刷的能力。

圖2 沖刷過程中試樣每分鐘流失土體的干重Fig.2 Dry weight of soil loss per minute during scouring

圖3為各試樣的累計沖刷率。由圖可知，隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，試樣的累計沖刷率逐漸降低，并且坡面破壞程度也逐漸降低（圖4）。當試樣中未添加聚氨酯有機高分子時，試樣的累計沖刷率達到95.13%。而隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，坡面的破壞程度也在逐漸改善，當濃度達到20%時，試樣的累計沖刷率僅為9.87%，說明聚氨酯有機高分子可以有效提高試樣整體性，起到抵抗外力沖刷、保持坡面完整的作用。

圖3 各試樣的累計沖刷率Fig.3 Cumulative scour rate of each specimen

2.3 植被生長試驗

在完成試樣的準備后，對試樣進行為期30 d 的培養，每天記錄各試樣中種子發芽數量和植被生長情況。表3為試驗過程中各試樣種子發芽率統計表。由表可知，隨著聚氨酯有機高分子濃度增加，種子發芽率呈現出先逐漸增大后迅速減小的趨勢。當聚氨酯有機高分子濃度由0%提高到10%時，種子發芽率由12%提升到68%，增加量為56%，效果顯著。這說明聚氨酯有機高分子可以明顯地促進植被的發芽與生長，提升植被種子發芽率。當聚氨酯有機高分子濃度由10%提高到20%時，發芽率發生大幅度降低，整體水平與0%的試樣接近。這說明當聚氨酯有機高分子濃度過高時，它會對植被的發芽與生長起到抑制作用。

由表3可知，聚氨酯有機高分子的存在對于苜蓿和紫穗槐均起到促進作用。其中，當聚氨酯有機高分子濃度由0%提升到10%時，苜蓿的發芽占比提高到了35%，為該條件下的優勢物種。相反的，聚氨酯有機高分子對于馬棘的發芽與生長起到了抑制作用。當聚氨酯有機高分子的濃度為0%時，馬棘的發芽占比約為4%。但隨著聚氨酯有機高分子濃度的提升，該占比逐漸下降。當聚氨酯有機高分子的濃度為10%時，馬棘的發芽占比僅為1%。在濃度為20%的試樣中，無法找到發芽的馬棘植株。

表3 各試樣種子發芽率Table 3 Statistics of seed germination rate of each specimen

圖5為試驗進行30 d 時各試樣的照片。由圖可知，植被的總體生長狀態與其發芽率呈現出統一性。即，隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，植被的生長狀態呈現出先逐漸趨于良好后迅速惡化的趨勢，總體的轉折點也為10%濃度的聚氨酯有機高分子。對各試樣的土體表層進行觀察可知，隨著濃度增加，土體表層裂隙的數量、寬度和深度均呈現下降趨勢。特別是10%和20%濃度的試樣，其表層土體完整，難以發現明顯的裂隙。

圖4 各試樣的沖刷破壞圖Fig.4 Erosion failure diagram of each specimen

圖5 試驗進行30 d 時各試樣的照片（從左至右濃度依次為：0%，1%，2%，10%，20%）Fig.5 Photos of each specimen at 30 days of test（From left to right:0%,1%,2%,10%,20%）

3 現場試驗

3.1 試驗場地概述

現場試驗場地位于江蘇省南京市棲霞山山腳，該場地為一個由周圍房屋建設人工開挖形成的巖質邊坡，坡度為65°～75°（圖6）。由于邊坡坡度較大，表層土體難以附著在邊坡表面，尤其在強降雨條件下，邊坡表層土體流失嚴重。同時由于該邊坡距離周圍建筑物距離僅5 m 左右，大量的水土流失對于房屋的安全性也造成一定威脅。

圖6 現場試驗場地Fig.6 Field test site

3.2 試驗步驟

根據相關室內試驗結果以及現場條件，制定現場試驗具體步驟（圖7）：

圖7 試驗步驟Fig.7 Test steps

（1）坡面整平階段：該邊坡為人工開挖邊坡，坡面存在一定的松散塊石和雜物，為了避免影響后續現場試驗的正常進行，對其表面平整，以滿足后續現場試驗條件。

（2）掛網階段：該邊坡坡度較陡，表層巖體較為平整、光滑，土體難以附著，因此需要在邊坡表面鋪設金屬網。本實驗采用雙層金屬網，下部金屬網網孔直徑為5 cm，上部金屬網網孔直徑為10 cm。

（3）復合基材配置以及噴播階段：根據室內試驗結果以及試驗成本等因素，現場試驗中聚氨酯有機高分子濃度設定為10%。根據南京地區土質特點、氣候因素以及室內試驗的結果，植被種子以苜蓿和紫穗槐為主。將水、聚氨酯有機高分子、下蜀土、植被種子以及其他輔助材料（肥料、稻草、泥炭等）混合均勻后，利用土體噴播機將聚氨酯復合基材噴灑至巖質邊坡表面。噴播時采用多次分層噴播方法，使復合基材均勻地覆蓋在巖質邊坡表面。噴播后復合基材層厚度為10 cm。為了有效地進行對比，試驗中設置對照坡面。對照組采用未添加聚氨酯有機高分子的普通基材，其他條件完全相同。

（4）養護及評價階段：完成噴播后，在坡面上鋪設遮陽網以保護植被不受陽光的直接照射，待幼苗高度達到 4～5 cm 時拆除。定期對試驗坡面和對照坡面澆水。同時，對植被的發芽和生長情況以及試驗坡面和對照坡面表層的狀態進行連續記錄。

3.3 試驗結果

圖8（a）（b）為完成鋪設后1 個月的現場照片。對比可知，試驗坡面植被發芽率較高，植被生長狀態良好。植被平均高度為4～5 cm，遮陽網可以拆除。聚氨酯復合基材表層濕潤、完整，無明顯裂隙，坡面整體修復效果較好。對照坡面植被發芽率在10%左右，植被生長狀態較差，植被平均高度1～2 cm。表面存在較多的裂隙，部分坡面發生較大規模滑動，底部金屬網出露，坡面整體修復效果較差。對兩個坡面進行取樣并測定其含水率，試驗坡面聚氨酯復合基材的含水率為22.21%，明顯高于對照坡面普通基材的11.85%。這說明聚氨酯有機高分子可以明顯提高復合基材的持水能力。

圖8（c）（d）為完成鋪設5 個月后現場的照片。對比可知，試驗坡面植被生長狀態良好，坡面完整，無明顯降水沖刷破壞痕跡，邊坡修復效果良好。對照坡面植被生長狀態較差，僅上部存在一定植被。坡面發生較大規模的水土流失，中下部土體已經完全流失，邊坡表面降水沖刷痕跡明顯，整體修復效果較差。

圖8 現場試驗坡面狀態Fig.8 Slope condition of field test

4 結論

（1）聚氨酯有機高分子的存在對于復合基材的強度具有顯著提高作用。與濃度為0%的相比，濃度為1%聚氨酯復合基材的峰值強度為113.63 kPa，相對增長量為55.49 kPa，增長幅度約為95.45%。隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，聚氨酯復合基材的強度也隨之增加。

（2）聚氨酯有機高分子可以有效提高復合基材抵抗外力沖刷的能力；且隨著聚氨酯有機高分子濃度的增加，聚氨酯復合基材的抗沖刷能力也隨之提高。與濃度為1%的試樣相比，20%濃度試樣的沖刷峰值為28.8 g，僅為0%濃度試樣第一個沖刷峰值（99.8 g）的28%。

（3）聚氨酯有機高分子可以有效促進植被種子的發芽與生長。當聚氨酯有機高分子濃度由0%提高到10%時，種子的發芽率由12%提升到68%。但當聚氨酯有機高分子濃度過大時，復合基材本身強度較大，內部空間較少，難以提供植被種子發芽和生長所需的條件。

（4）聚氨酯復合基材具有較強的實用性。對比現場試驗坡面和對照坡面發現，試驗坡面植被發芽率較高，植被生長狀態良好，復合基材表層濕潤、完整，無明顯的開裂，坡面整體修復效果較好；而對照坡面植被生長狀態較差，表面存在較多的裂隙，部分坡面發生較大規模的滑動，底部金屬網出露，坡面整體修復效果較差。