穩定巖質邊坡陡巖的植被護坡可行性研究

高素芳 盛志戰 吳曉媧 王勇 劉青松 胡高偉

（北京市勘察設計研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

在我國經濟快速發展形勢下，建筑、礦山、水利和能源等基礎設施大多是以破壞地表生態為特征的建設項目，對原有植被覆蓋層造成了嚴重破壞，形成范圍次生裸地，這些次生裸地往往成為突出的水土流失源，每年新增水土流失面積高達1×104km2，其中有20%～30%最終形成寸草不生的裸露巖質邊坡［1］。若依靠自然恢復生態平衡往往需要很長時間，同時易加劇生態系統的退化［2-3］，不利于環境保護與生態平衡。這些工程創面改變原有地形地貌、地表坡度和原有地形穩定性［4］，極易產生滑坡、風化剝落等邊坡危害現象［5］，嚴重影響工程建設安全。為了保證工程項目的建設安全、周邊地區的環境安全，以及區域社會經濟的可持續發展，在生態修復設計中必須采取相應的生態修復措施，建立起1 個穩定的生態系統，長久保持工程創面的綠化景觀和生態功能［6-7］。遵循系統優化原則，對工程創面進行生態恢復設計，需綜合運用土木工程措施、機械工程措施和生物措施，重建土壤基礎，恢復植物群落，實施綜合管理［8］。

在給定立地條件下，急需創造一個維持需求低且有一定生產力，生態功能較齊全的生態系統［9-11］。目前，常用于巖質邊坡綠化的方法主要有客土噴播、厚基材噴射、植生網袋等［12-14］。由于巖質邊坡堅硬、裂隙發育、保水性差、坡度較大、固土條件差［8-9］，現有綠化方法都有一定局限性，在實際應用過程中存在諸多不足，如客土噴播只適用于坡度較小且平整的坡面，基層厚度有限，固土保水能力差，在強降雨條件下容易侵蝕流失；厚層基材的穩定性差、抵抗雨水的侵蝕性弱、基材養分的長效性差［10］，且以植草為主，后期退化比較嚴重；三維植被網只適用于坡度較緩的邊坡，且其材質在土壤里形成二次污染［14］。因此，開展適用于高陡巖質邊坡的植被綠化新技術方法頗有必要。針對現有巖質邊坡綠化方法的不足，提出了針對北京地區利用植生孔覆土栽植植被的綠化方法，為高陡巖質邊坡植被恢復提供新的思路與方法。

1 陡巖邊坡覆綠可行性調研

1.1 試驗場地概況

北京的氣候為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，全年降水的80%集中在夏季6、7、8 三個月，7、8 月偶有大雨。本文基于張家口下花園項目和2020 年的北京礦山生態環境修復項目提供的場地（見圖1），利用鉆孔機在坡面鉆鑿植生孔，配置土壤，選擇低養護、經濟實惠、多年生、抗病蟲害能力強、耐酸堿、耐干濕等特點的沙地柏、黃櫨、酸棗、油松進行孔植；同時在北京市勘察設計研究院室內，利用定制的不同管徑PVC 管模擬坡面植生孔，孔植相同樹種進行樹種篩選試驗（專利申請號：202022633211.2）。

圖1 試驗場地工程創面圖

1.2 植物生長立地條件

植物的生長與其周邊環境密切相關，一般將植物的生長環境分為：地上生境，包括光照和溫濕度等；地下生境，包括水分、根系發育空間等條件［15-16］。在地上生境適宜植物立地的條件下，只需構建可使植物存活所需的兩個基本條件：①水土條件相對穩定；②根群圈理化指標組態的各瞬間值在該物種的耐受范圍內［17］。

高陡巖質邊坡由于立面高、坡面陡、坡表裸露，不易于留存土壤和水分，而土壤和水分是植物生長的載體和必須營養源，沒有這兩個元素，植物難以成活［18-20］。

1.3 植物護坡力學響應

受損的邊坡進行生態植物修復后相比單獨的工程護坡措施具有一些無法比擬的優點，工程力學角度上主要體現在植株的淺根加筋作用和根部的錨固作用［21-22］。

植物根部抗拉強度與根徑成正比，見公式（1）。

式中：T 為根部抗拉強度；n 為樹種經驗常數；D 為樹根或草根直徑。一般D 為2 mm～5 mm 的植株，其根部抗拉強度在8 MPa～80 MPa，能較為良好地錨固邊坡。

2 試驗方案及工藝

2.1 裂隙滲水試驗

對于高陡巖質邊坡來講，巖壁節理裂隙可以存留一定的植物所需水分和養分，營造植物生長的小生境。因此，對于裸露坡面無土壤層的高陡巖質邊坡，巖石裂隙是植物生長的重要立地條件。根據植物生長所需基本條件推斷，高陡巖質邊坡應滿足以下地下生境要求：裂隙較為發育的巖壁；裂隙內存有供植物生長的水分和養分且能得到及時補給；裂隙內的溫濕度等條件在自然條件下處于植物生長的耐受范圍內；裂隙內有植物生長發育的空間等［21］。

裂隙發育程度決定著巖壁植生中的透氣程度和溫濕度等因素，而這些因素是植物生長不可或缺的必須條件［21］。為了測算裂隙水的影響范圍，本試驗選取張家口下花園項目提供的場地扇狀布置孔穴，并選取壁面上裂隙發育點打孔。野外植生孔呈梅花形布置，豎向、水平間距1.0 m，植生孔與水平面夾角不小于30°，5、6 號孔為注水孔，其余孔為觀測孔，詳見圖2、圖3。

圖2 巖質陡坡孔位布置示意圖

圖3 巖質陡坡植生孔圖

向5、6 號孔持續注水，一直保持注水孔內有2/3 的水，試驗持續6 h。試驗結果表明，各觀測孔內未觀測到有水滲出，因此該巖壁裂隙較為發育。注水孔內的水通過裂隙下滲，流向山體內部，巖壁可以滿足植物生長的水分需求，其透氣性好，能為植物生長提供足夠的空氣。

2.2 室內可視化試驗

通過對裸露巖質邊坡特征進行分析歸納，將其概化并建立物理覆綠機構（PVC 管），利用PVC 管模擬植生孔，PVC 管底部開孔模擬巖石裂隙，因地制宜結合北京地區自然氣候條件，選擇性價比上乘的植株種類，模擬高陡巖質邊坡工程創面的實際內部和外部條件。室內試驗中的16 組試驗筒研究時采用單因素試驗法，使植株實有效覆綠物理機構（PVC 管），削弱因覆綠過程中時效等外界因素的不確定性而影響覆綠結果。其中，種植土采用東北泥炭∶有機肥∶纖維物∶保水劑∶粘結劑∶復合肥∶微量元素∶土=1∶1∶1∶3∶3∶10∶4∶30 的比例預置在植生孔（筒）內，植被選擇黃櫨、酸棗、油松、沙地柏進行種植，并將其放置于具有類似野外溫度、濕度、邊坡坡度的環境中養護，筒徑分別為110 mm 和160 mm，考慮到現實條件下大氣環境隨機多變性，種植初期通過人工手段諸如澆水、補營養液等手段對植物初期養護45 d，待植物生長發育成熟穩定后，使其通過自組織與調控力進行生長并與生境融合，詳見圖4～圖6。

圖5 室內試驗初期培植圖

圖6 室內試驗冬季生長監測圖

此次室內試驗選擇6 月～11 月，11 月中旬因長勢緩慢暫停記錄。通過在PVC 管預置營養土，斜向放置，PVC 管上部鋪設蓋板防止暴曬下筒內溫度過高灼燒根群，采用溫濕度計監測試驗筒內不同深度處溫度和濕度數據，深度為數據采集點與筒口的距離。樣筒設置重復對照組一組，共計16 個樣筒，對照組數據取平均值，按字母順序編號A1～D2。筒內20 cm～80 cm深度空氣的溫度和濕度的測量結果見表1，樣筒植物長勢記錄見表2。

表1 樣筒溫、濕度記錄表

表2 樣筒植物長勢記錄表

各筒濕度在20 cm～50 cm 深度區間內急速升高，50 cm～80 cm 深度區間內濕度升高變得緩慢；各筒溫度在20 cm～80 cm深度區間均與外界環境溫度差異不明顯。在人工養護澆水量、氣溫、環境濕度相同條件下，較小筒徑比大筒徑試驗筒內不同深度處濕度略大。

植物在種植后20 d～60 d 生長最快；在停止人工養護之后生長速率逐漸放緩，10 月份逐漸從生長期進入休眠期后，酸棗出現落葉情況，黃櫨發生季節性黃葉，油松和沙地柏基本停止生長。其中酸棗抗旱能力強，適宜在高陡邊坡暴曬南向邊坡和坡邊種植；黃櫨旁支繁盛，生長迅速，適宜大面積種植；油松耐寒耐旱，進入冬季植株高度仍持續生長；沙地柏根群嬌弱，需減少擾動，耐旱耐寒。

經過室內試驗篩選對比，建議現場試驗時灌木選擇觀賞性極佳的黃櫨，喬木選擇常綠抗旱的油松、酸棗作為陡巖邊坡覆綠試驗研究。

3 結論與建議

（1）因地制宜結合北京地區自然氣候條件選配性價比上乘的植物種類，模擬工程的實際內部、外部條件，減少因覆綠過程中時效的不確定性而影響覆綠結果，并使植株呈現出優良的長勢，室內試驗中的16 組覆綠機構研究時采用單因素試驗法，結果達到預期目標，即植物在成活之下也得以優良的長勢將“覆綠機構”（PVC 管斜面）有效覆綠。

（2）按照本試驗所給的營養土配方與植株選取的選配結合，基本可滿足普適條件下巖質邊坡的覆綠目的，表明了不同變量對植物長勢的影響程度，為今后的巖質邊坡綠化護坡工作提供新的思路和方法。

（3）在實際工程中進行巖質邊坡覆綠時，考慮到外界氣候環境多變，可在初期和冬季通過人工手段（譬如澆水及營養液添加）做一定的干預進行植物的初期保護，待植物生長發育成熟穩定后，植物可自組織生長并與生境融合。

（4）通過對巖壁植生孔裂隙導水性研究以及溫濕度監測，巖體比土壤更具導熱率和溫濕度存儲率，高陡巖質邊坡采用客土種植情況下，巖壁植生孔綠化護坡方式比客土噴播更易于植物耐寒耐熱，存活更佳。