边坡固结植生生态防护技术试验研究及应用

刘慧 李振国 宋万增

摘 要：为了使西北寒旱地区工程边坡在恶劣立地条件下尽快实现生态恢复，以新疆某水电站引水渠道右岸开挖形成的砂砾石边坡和盐碱质黄土边坡为工程背景，开展了固结植生生态防护技术试验研究。通过室内试验确定有利于植物生长的护坡复合基材各组分的最佳配比，并进行现场应用试验，验证了固结植生生态防护技术的效果。研究表明：复合基材混合物中高摩尔比脲甲醛缓释肥是影响护坡植物长势的主导因素，含水量为次要影响因素;边坡固结植生生态防护技术应用效果良好，草种萌芽率高，植被覆盖度高;边坡植物根系具有加筋及锚固作用，可显著提高边坡稳定性。

关键词：边坡防护;复合基材;固结植生;生态恢复;现场试验

中图分类号：TV62;S157.1 文献标志码：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

隨着经济、社会及技术的快速发展，我国各类基建工程项目与日俱增。工程建设过程中造成的大面积裸露边坡，特别是在西北寒旱地区开挖造成的高陡边坡，受到雨水冲刷和冻融的影响，坡面土壤溃散，极易发生溜滑、滑坡等水土流失现象，严重破坏生态环境[1-2]。诸多学者对水电工程边坡防护、植被恢复等开展了研究与探讨[3-5];Waldron、Wu等通过对植物根系加筋土的室内直剪试验，建立了植-土复合力学模型[6-7];付海峰等采用数值模拟方法，探讨了植物根系力学效应、边坡稳定性系数的计算方法[8-10];张东强等针对龙开口水电站边坡，提出了植被护坡、生态混凝土护坡、植被+工程复合护坡等边坡生态恢复措施[11]。为了使西北寒旱地区工程边坡在恶劣立地条件下尽快实现生态恢复，笔者以新疆某水电站引水渠道右岸开挖边坡为工程背景，以岩土工程学、园林植被学、土壤学为理论指导，采用室内试验与现场试验相结合的方式，探讨砂砾石和盐碱质黄土边坡生态防治方法，构建了适用于西北寒旱地区恶劣生态环境条件的生态护坡技术体系。

1 工程概况

新疆某水电站位于伊犁哈萨克自治州。工程区属大陆性北温带半干旱气候区，光热资源丰富，多年平均气温8.8 ℃，极端最高气温39 ℃、极端最低气温-32 ℃，多年平均无霜期145 d，昼夜温差13～16 ℃;降水多集中在春秋两季，多年平均降水量274 mm，多年平均水面蒸发量1 403 mm。工程区可分为风积黄土区和山前冲洪积砾质土倾斜平原区，边坡基体稳定，未发现滑坡、断层破碎带等不良地质现象，但受区域环境因素限制，植被自然恢复缓慢，与周边环境形成强烈反差。为减少水电站施工对环境造成的影响，应尽快恢复边坡植被，对边坡进行有效的生态防护。

2 固结植生生态防护技术室内试验

2.1 试验边坡基体特征参数

针对工程实际，现场取典型边坡基体样本2组，分别测定基体物理参数和养分含量，结果见表1、表2。

2.2 固结植生生态复合基材

固结植生生态复合基材是实现边坡生态恢复的物质基础，不仅可以长期为植物生长提供养分，还能实现固土、保水、保肥、促生等功能，具备养分释放均匀、不易流失、利用率高等特点。其主要成分包括：①喷播土，一般为酸碱度适中的壤土;②草种，选取适合当地地质、气候情况的品种，多为披碱草、黑麦草、草木樨等须根发达、耐寒能力强的乡土草种;③生态固化剂，其材料水溶性好，能够有效固结土壤颗粒并在其表面形成防护膜;④高摩尔比脲甲醛缓释肥，属于有机微溶性缓释肥料，在土壤生物或化学作用下，可缓慢分解为无机氮而被植物吸收利用。

2.3 复合基材参数优化

在室内选取披碱草、黑麦草等草种进行栽培预选试验，以生态固化剂和高摩尔比脲甲醛缓释肥的含量为主要优化参数，开展分组正交试验，在容器中等量均匀播种（见图1），置于室内向阳位置，并保持温度为20 ℃左右。

在预栽培试验过程中，每天实时记录草种发芽率、株高等数据，根据植物生长效果确定各组分的最佳配比，为野外现场试验提供技术支持。试验结果如图2所示，可以看出：植物的株高受基材中肥料含量的影响较大;基材含水量与植物株高正相关，含水量超过3 000 mL/m2时植物的生长趋势减缓;生态固化剂的含量越大，对植物生长的抑制作用就越强。因此，高摩尔比脲甲醛缓释肥是影响植物长势的主导因素，含水量超过3 000 mL/m2时成为植物长势的次要影响因素。

根据试验结果分析，确定基材各组分的最佳配比为：草种，30 g/m2;固化剂，30 g/m2;水，3 000 mL/m2;缓释肥150 g/m2 ;浆液浓度1.4～1.5 g/cm3。

3 固结植生生态防护现场试验

3.1 试验区域及方案设计

该水电站引水渠道呈东西走向，右岸开挖边坡基体裸露，边坡高度30～70 m，自然坡度30°～50°，分为砂砾石边坡和黄土边坡两类（见图3），坡比分别为1∶1和1∶1.25。

试验边坡地质结构复杂，砂砾石边坡土壤少、土质及肥力极差，黄土边坡盐碱化严重，两种边坡的生态恢复难度都非常大，在现场试验中依据基体特征分别进行了特殊处理：对砂砾石边坡，植草护坡采用双层设计，底层喷洒调配后具有最佳配比的复合基材泥浆，以提高砂砾石基质的含泥量和肥力，改良土壤;表层使用基材混合物形成植生层，厚度一般不超过2 cm。对黄土边坡进行处理时，基材混合物中喷播土的主要作用是输送草种和肥料，因不易形成有效厚度，故喷播厚度一般不超过1 cm。

3.2 现场试验工艺流程

如图4所示，现场试验主要工艺流程为筛土→拌制基材混合物→浆液浓度测试→喷播→噴播厚度测试→洒水养护。

3.3 试验结果评估

3.3.1 植物生长情况

按照试验方案，在喷播作业结束后，进行为期3个月的养护，结合实时摄影系统观察边坡植物萌芽及生长状况。现场观察表明，边坡表层附着的基材混合物与基体黏结在一起，形成边坡表部防护层，基材混合物良好的团粒结构为植物提供了萌芽生长的养分和水分。砂砾石边坡在基材混合物喷播后2周左右草籽开始萌芽，黄土边坡在基材喷播后10 d左右草籽开始萌芽，黑麦草、披碱草等先锋型种子发芽率在90%以上。养护2个月时，植物已长势良好（见图5、图6），并经过了暴雨、干旱等恶劣天气（极端低温4 ℃，极端高温36 ℃）的考验，土质边坡植被覆盖度达到65%，砂砾石边坡植被覆盖度达到50%。在冬季对固结植生效果进行跟踪监测，可知植物根系生命力旺盛，呈绿根状，且覆盖效果显著，可抵御工程所在地高寒天气影响。

3.3.2 根系、基材复合体稳定性

评价固结植生生态防护技术的另一指标是护坡效果。通过对边坡植物根系（见图7）的监测可知：边坡植物根系、基材和岩体己经形成一个整体，体现出须根对基体复合材料的加筋作用，主根将浅层基体风化带固定到深层稳定岩土体上（即具有锚固作用），能够有效抑制边坡垮塌、滑坡等。黑麦草地面以上茎叶长50～80 cm，主根长30～50 cm（穿进岩缝20 cm左右），须根长5～10 cm;草木樨地面以上茎叶长50～120 cm，主根长80～100 cm、根粗2～4 cm，须根长10～20 cm;披碱草地面以上茎叶长50～120 cm，主根长25～80 cm。

4 结 论

（1）对复合基材混合物影响植物生长规律的研究表明，高摩尔比脲甲醛缓释肥是影响植物长势的主导因素，含水量超过3 000 mL/m2时成为次要影响因素。

（2）现场试验表明，固结植生生态防护技术应用效果良好，草种萌芽率高，植被覆盖度高，且能抵御工程所在地恶劣气候影响。

（3）在植物生长过程中，须根与基材、表层岩土体形成了紧密的根土复合体加筋保护层结构，具有一定的水土保持功效;主根延伸至深层岩土体形成锚杆，具有锚固作用，提高了土体抗剪强度、增强了边坡稳定性。

参考文献：

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[11] 张东强，宋钰红.龙开口水电站边坡生态恢复措施研究[J].安徽农业科学，2011，39（8）：4596-4597.

【责任编辑 张智民】