岩质边坡生态防护研究现状及发展趋势

李 灿，周海清，，赵尚毅，王庆鑫，彭 岳

（1陆军勤务学院军事设施系 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401331；2重庆科技学院，重庆 401331；3中建隧道建设有限公司，重庆 401147）

0 引言

伴随着我国经济建设的快速发展，矿山、水利、城镇、交通等基础设施建设方兴未艾。其中大量的挖方工程，破坏了原有地貌与植被，导致水土流失，造成了严重的生态破坏，可能诱发泥石流、滑坡等地质灾害[1]，而且在城市空间中形成了裸露的土坡和岩质边坡，裸岩边坡颜色单调灰暗，和城市环境格格不入，造成了严重的视觉污染。裸露岩石边坡立地条件差于土质边坡，缺乏植被生长的土壤和养分条件，难以快速恢复生态水平。而且，边坡高度和坡面角一般较大，依靠单纯生物护坡很难恢复原有植被。通常采取工程措施、土木工程技术与植被防护相结合的方法，在保证岩质边坡稳定的情况下，对其进行生态恢复与水土保持[2]。

1 国内外发展历史及现状

1.1 国外研究现状

日本、欧美国家在岩质边坡生态防护方面开展的研究工作较早，如美国在1936年，开始使用生态护坡技术处理公路边坡治理问题[3]。从总体上看，日本边坡绿化技术研究处于全球领先地位，其绿化建设与公路建设同步发展，至今50多年，获得了40多项边坡治理技术的专利。日本在岩质边坡绿化技术的研究开发也走在前沿，先后开发出了纤维土绿化工法和TG绿化工法，属于厚层基材喷射工法，是岩质边坡绿化建设开始的标志。此外，日本于90年代对多孔生态混凝土也作了一定的研究并取得一定成效，不过考虑到成本较高，目前没有得到广泛应用[4]。

1.2 国内研究现状

岩质边坡土壤难以覆盖、岩体持水能力差、临空面较陡较高，其生态防护技术研究难度较大，发展稍落后于土质边坡。1995年陈振盛采用植生袋方法处理泥岩边坡绿化问题[5]。1998年重庆交科院提出了用于风化破碎岩石边坡绿化建设的复合营养土喷播植被技术。同年刘桂年采用栽植葛藤、松树处理软岩边坡生态防护问题[6]。2001年关杰雄提出了三维植被网结合喷播植草防护高陡及碎石英片岩土边坡的应用[7]。2000年以来，张俊云对于岩石边坡植被护坡的厚层基材喷射种植基进行了研究并开展了系列试验，初步得出了厚层基材喷射种植基对于植被生长的主要影响因素[8]。三峡大学对岩质边坡绿化建设这一问题进行了系列研究，研发出绿化基材喷锚护坡技术并成功应用于岩石边坡的生态防护上[9]。经过二十余年的研究和发展，我国岩质边坡生态防护技术得到了较大的发展，开发出了多种既能对边坡进行防护，又能改善工程环境的生态防护技术。目前主要集中于植被混凝土技术、客土喷播技术、三维植被网喷播技术、厚层基材喷播技术、植生袋生态重建技术等方面的研究。

2 岩质边坡生态防护的主要形式

2.1 植被混凝土

植被混凝土技术是一种喷混植生护坡方法，将胶结材料、植生土、草种、有机质腐植质按一定比例混合配置混凝土拌合物[10]，再采用液压喷播技术喷播于裸露的岩质边坡，形成一层具有一定强度、抗侵蚀性，并且能够稳定附着于岩石表面的绿化基材，其性质与水泥土[11]有一定的相似性，该技术具有施工简便、机械化程度高、材料来源广、成本低、安全性好的优点，是集土壤学、植物学、岩石力学、土力学、肥料学、化学、环境生态学、园艺学等学科于一体的综合绿化技术。该技术主要通过研究植生基材的合理配比来解决岩质边坡生态防护问题，对工程环境较差处效果显著，如软岩、砾石层和破碎岩等[12]。

在植被混凝土基材材料选择及其配置研究方面，孙永军等通过无砂大孔混凝土的改性研究，研制出了环保型绿色植被混凝土，解决了孔隙率与强度的矛盾，一定程度上改善了混凝土碱性环境，利于植被生长[13]。纪慧宇等[14]为了较好解决颗粒团聚和堵管现象，在植被混凝土中掺入碎石。目前一些研究者在植生基材中添加纤维对植被混凝土进行改性，并取得了一定的成效。高文涛等[15]通过在植生基材中加入纤维、砂、建筑胶粉和适量引气剂的方法来提高植被混凝土的抗冻性，同时进行了正交试验，确定了基材的最佳配比。陈毅与梁永哲等[16]掺入棕纤维和黄麻纤维对植被混凝土进行冻融循环试验，结果表明植被混凝土抗剥落能力随着纤维的总含量的增加呈先增大后减小的趋势，并分别对两种纤维做了敏感性分析。在有机质、保水剂质量配比和降低基材pH值的研究方面，刘大翔等[17]通过制备含有不同类型的有机质及配比的植被混凝土，进行孔隙率和无侧限抗压强度试验，结果得出，小粒径粉末状有机质最为合理，建议配比7%～9%。秦健坤等[18]研究了保水剂粒径差异对植生基材持水能力的影响，结果表明使用保水剂能够增加植生基材在失水过程中的持水能力，孔隙持水作用强于分子持水作用，建议以大粒径保水剂0.5%的质量配比。夏栋等[19]测定了多个基材样品的pH值、有机质和速效氮、磷、钾的含量并分析了其中的相关性。

上述学者对植被混凝土基材配比做了系列的理论与实践研究，促进了植被混凝土技术在边坡生态防护中的发展应用。但对植被混凝土与岩石相互作用机理、整体稳定性研究不够深入，在工程应用中，也未充分考虑岩体高度、坡面角、岩面特征等因素对生态防护造成的影响。

2.2 三维植被网

三维植被网绿化技术是在坡面上采用土工合成材料，撒播或喷播草种，使活性植物具有一定的自我生长能力，同时通过植物的生长和发育根系对边坡进行加固，形成生态防护系统。三维植被网一般也称作土工网垫或固土网垫，是以热塑性树脂，如聚丙烯和聚乙烯高分子聚合物为原料，经过挤出、拉伸、焊接、收缩等工序制成的三维结构孔网，底层作为基础层采用双向拉伸技术，强度高、弹性好，使植被网固形能力增强，能有效防止水土流失。表层具有蓬松的网包，有足够空间可以容纳客土，以供植被生长。该绿化技术具有工程造价低、环境景观效果好、工程效果好、施工简单且效率高等优点，具有较大的发展前景。

三维植被网技术也是解决岩质边坡绿化建设的重要技术手段之一，国内许多工程技术人员和研究者开展了系列理论和实践研究。黄寅[20]采用碳纤维材料，研制了一种碳纤维-三维植被网边坡绿化技术，该技术较普通金属网具有高强度、耐腐蚀、美观的优点。谢建明等[21]通过实际工程案例，认为三维植被网不适用于砂岩边坡，适用于页岩边坡及介于页岩与土质边坡之间的岩石边坡。姚雪贵等[22]在某现场边坡采用3种绿化手段进行对比试验，验证了三维植被网经济性较好的特点。张玮等[23]对36组草皮试件的糙率进行了系统的实验研究，得出草皮糙率随生长期而增加，加筋草皮的糙率普遍大于天然草皮糙率的结果。关杰雄[7]首次将三维植被网运用在高陡及碎石质土边坡绿化建设上。罗艺伟等[24]验证了三维植被网是花岗岩边坡生态防护的最优方式。Chen等[25]论述和总结了三维植被网在渠道边坡柔性防护技术中的运用。Theisen[26]系统论述了三维植被网护坡的理论依据、应用效果和注意事项，认为三维植被网能够起到加固土壤和减弱侵蚀的作用。

上述学者对于三维植被网技术的应用和理论研究取得了一定的成果，特别是国外学者对三维植被网在背水坡的应用以及抗侵蚀机理研究成果较多。总体上看，三维植被网技术在岩质边坡的研究还不够深入，在工程应用中未考虑到边坡高度、坡面角以及坡面特征等因素，目前较多停留在工程层面，对三维植被网理论研究较少，如三维网与客土、植被的受力关系、整体稳定性，三维网与岩石表面的整体稳定性等。

2.3 客土喷播技术

客土喷播技术是通过客土喷混泵机将土壤混合物均匀喷射到裸露的岩质或土质坡面上，坡面一般需提前挂网处理，土壤混合物为根据合理配比配置好的基材土壤、肥料、保水剂、pH调节剂、水、选配好的各种植物种子等，最终在坡面起到生态防护、美化景观的作用。该技术具有护坡效果好、适用范围广、经济美观、可持续性强等优点。

欧哲等[27]针对客土喷播技术中的挂网处理，提出以人工台阶加固引流系统来代替铁丝网，以保证高陡边坡喷播客土厚度，满足设计要求，同时能够提高加固效果和抗冲刷性能。粟娴等[28]针对炭质页岩边坡受雨水影响大的问题，在客土喷播技术的基础上采用土工膜对坡面进行封闭处理，取得了较好的绿化防护效果。李映等[29]开展了在客土基材中添加木质素的系列试验，结果表明木质素的添加能显著提高土壤抗剪强度，为客土基材配比研究提供了参考。曹子龙等[30]在客土喷播技术中采用表层土壤作为客土进行了试验验证，得出表层土壤可促进边坡植被向着乡土化植物群落演替的结论。汪益敏等[31]定量研究了边坡在不同条件下的抗冲刷能力，得出了客土喷播技术能够有效提高边坡抗冲刷性的结论。Kazutoki[32]开展了系列试验，观察根系的变形和土体剪切区的变化，推导出了根系对坡体抗剪强度的影响公式。

上述学者对于客土喷播技术的应用和理论研究取得了一定的成果，实践表明该技术能够有效处理坡度不大的岩质边坡生态防护问题。但在工程应用和理论研究中，没有考虑到坡体表面特征和坡面角，对根土复合体与坡面的整体稳定性研究还不够深入，停留在工程实践层次较多。

3 现阶段岩质边坡生态防护存在的问题及展望

（1）植物的选配方面，需要因地制宜，根据气候、土壤、水文等自然条件，合理选配乡土植物，包括各类乔、灌、草、藤本植物的组合栽植。我国最初引进国外生态防护技术时未采用乡土植物，导致防护和绿化效果不理想，虽然经过多年的发展，但对乡土植物的重视程度还不够，只有适合本地的乡土植物才能够形成稳定的植被群落，达到良好的防护和绿化效果。同时也可对外来植物有选择性的引进。

（2）适用于岩质边坡的植生基材还需要进一步的研发，合理选取基材配比，规范施工工艺，在保证具有较好的绿化效果下降低成本。同时还要重视新技术、新工艺的引进。

（3）根土复合体与坡面的相互作用机理和整体稳定性目前研究还不够深入。在进行试验的基础上，开展数值模拟研究，如采用颗粒流软件模拟根系与土体的相互关系，对比分析模拟与试验结果，探索根土复合体力学特性、根系对边坡浅层稳定性的影响等问题，为岩质边坡生态防护提供理论指导。

（4）针对岩质边坡立地条件差的问题，单靠生态护坡难以保证边坡的稳定性，可组合运用绿化和工程防护方法处理岩质边坡，建立稳定的生态防护体系。