邊坡固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)試驗研究及應(yīng)用

劉慧 李振國 宋萬增

摘 要：為了使西北寒旱地區(qū)工程邊坡在惡劣立地條件下盡快實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)，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(zhì)黃土邊坡為工程背景，開展了固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)試驗研究。通過室內(nèi)試驗確定有利于植物生長的護坡復(fù)合基材各組分的最佳配比，并進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，驗證了固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)的效果。研究表明：復(fù)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(dǎo)因素，含水量為次要影響因素;邊坡固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)應(yīng)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(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：邊坡防護;復(fù)合基材;固結(jié)植生;生態(tài)恢復(fù);現(xiàn)場試驗

中圖分類號：TV62;S157.1 文獻標(biāo)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(jīng)濟、社會及技術(shù)的快速發(fā)展，我國各類基建工程項目與日俱增。工程建設(shè)過程中造成的大面積裸露邊坡，特別是在西北寒旱地區(qū)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(fā)生溜滑、滑坡等水土流失現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[1-2]。諸多學(xué)者對水電工程邊坡防護、植被恢復(fù)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(nèi)直剪試驗，建立了植-土復(fù)合力學(xué)模型[6-7];付海峰等采用數(shù)值模擬方法，探討了植物根系力學(xué)效應(yīng)、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)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(tài)混凝土護坡、植被+工程復(fù)合護坡等邊坡生態(tài)恢復(fù)措施[11]。為了使西北寒旱地區(qū)工程邊坡在惡劣立地條件下盡快實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)，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(xué)、園林植被學(xué)、土壤學(xué)為理論指導(dǎo)，采用室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，探討砂礫石和鹽堿質(zhì)黃土邊坡生態(tài)防治方法，構(gòu)建了適用于西北寒旱地區(qū)惡劣生態(tài)環(huán)境條件的生態(tài)護坡技術(shù)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(qū)屬大陸性北溫帶半干旱氣候區(qū)，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(fā)量1 403 mm。工程區(qū)可分為風(fēng)積黃土區(qū)和山前沖洪積礫質(zhì)土傾斜平原區(qū)，邊坡基體穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)滑坡、斷層破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，但受區(qū)域環(huán)境因素限制，植被自然恢復(fù)緩慢，與周邊環(huán)境形成強烈反差。為減少水電站施工對環(huán)境造成的影響，應(yīng)盡快恢復(fù)邊坡植被，對邊坡進行有效的生態(tài)防護。

2 固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)室內(nèi)試驗

2.1 試驗邊坡基體特征參數(shù)

針對工程實際，現(xiàn)場取典型邊坡基體樣本2組，分別測定基體物理參數(shù)和養(yǎng)分含量，結(jié)果見表1、表2。

2.2 固結(jié)植生生態(tài)復(fù)合基材

固結(jié)植生生態(tài)復(fù)合基材是實現(xiàn)邊坡生態(tài)恢復(fù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅可以長期為植物生長提供養(yǎng)分，還能實現(xiàn)固土、保水、保肥、促生等功能，具備養(yǎng)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(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、氣候情況的品種，多為披堿草、黑麥草、草木樨等須根發(fā)達(dá)、耐寒能力強的鄉(xiāng)土草種;③生態(tài)固化劑，其材料水溶性好，能夠有效固結(jié)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(xué)作用下，可緩慢分解為無機氮而被植物吸收利用。

2.3 復(fù)合基材參數(shù)優(yōu)化

在室內(nèi)選取披堿草、黑麥草等草種進行栽培預(yù)選試驗，以生態(tài)固化劑和高摩爾比脲甲醛緩釋肥的含量為主要優(yōu)化參數(shù)，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(nèi)向陽位置，并保持溫度為20 ℃左右。

在預(yù)栽培試驗過程中，每天實時記錄草種發(fā)芽率、株高等數(shù)據(jù)，根據(jù)植物生長效果確定各組分的最佳配比，為野外現(xiàn)場試驗提供技術(shù)支持。試驗結(jié)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(guān)，含水量超過3 000 mL/m2時植物的生長趨勢減緩;生態(tài)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(dǎo)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(jù)試驗結(jié)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(jié)植生生態(tài)防護現(xiàn)場試驗

3.1 試驗區(qū)域及方案設(shè)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(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂礫石邊坡土壤少、土質(zhì)及肥力極差，黃土邊坡鹽堿化嚴(yán)重，兩種邊坡的生態(tài)恢復(fù)難度都非常大，在現(xiàn)場試驗中依據(jù)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(shè)計，底層噴灑調(diào)配后具有最佳配比的復(fù)合基材泥漿，以提高砂礫石基質(zhì)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(xiàn)場試驗工藝流程

如圖4所示，現(xiàn)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(yǎng)護。

3.3 試驗結(jié)果評估

3.3.1 植物生長情況

按照試驗方案，在噴播作業(yè)結(jié)束后，進行為期3個月的養(yǎng)護，結(jié)合實時攝影系統(tǒng)觀察邊坡植物萌芽及生長狀況。現(xiàn)場觀察表明，邊坡表層附著的基材混合物與基體黏結(jié)在一起，形成邊坡表部防護層，基材混合物良好的團粒結(jié)構(gòu)為植物提供了萌芽生長的養(yǎng)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(fā)芽率在90%以上。養(yǎng)護2個月時，植物已長勢良好（見圖5、圖6），并經(jīng)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(zhì)邊坡植被覆蓋度達(dá)到65%，砂礫石邊坡植被覆蓋度達(dá)到50%。在冬季對固結(jié)植生效果進行跟蹤監(jiān)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(fù)合體穩(wěn)定性

評價固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)的另一指標(biāo)是護坡效果。通過對邊坡植物根系（見圖7）的監(jiān)測可知：邊坡植物根系、基材和巖體己經(jīng)形成一個整體，體現(xiàn)出須根對基體復(fù)合材料的加筋作用，主根將淺層基體風(fēng)化帶固定到深層穩(wěn)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(jié) 論

（1）對復(fù)合基材混合物影響植物生長規(guī)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(dǎo)因素，含水量超過3 000 mL/m2時成為次要影響因素。

（2）現(xiàn)場試驗表明，固結(jié)植生生態(tài)防護技術(shù)應(yīng)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(fù)合體加筋保護層結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性。

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