坡改平生态护坡技术在兰州市南北两山水土保持生态综合治理工程中的应用

王成元，李朝晖，肖彩玲，侯旭峰

(1.兰州市南北两山绿化灌溉管理处，甘肃 兰州 730030； 2.北京市水科学技术研究院，北京 100048)

城市水土保持工程是生态建设工程的一个重要组成部分，是甘肃省会兰州市园林城市建设的重要基础，也是城市基础建设中一项长期而艰巨的任务。多年来，兰州市在南北两山绿化建设中坚持以保护水土资源为基础，已完成人工造林4.13万hm2，植树1.6亿多株，使其成为兰州的生态屏障、市民休闲旅游的胜地。在兰州市南北两山实施水土保持综合治理，要做到水土保持设施与城市景观相融合，不能单一强调生态保护而疏于城市美观。兰州市南北两山经过多年的治理，目前立地条件较好的区域基本已绿化，剩下的主要是已绿化区的高陡坡面等困难立地类型，这些裸露空白区域景观效果不佳，影响城市形象。为此，2019年实施了兰州市南北两山水土保持生态综合治理工程(九州台片区)，对石质裸露坡面等困难立地条件区引进先进的坡改平生态护坡技术[1]，以提高林草覆盖率和治理程度，全面提升九州台片区景观效果。

1 项目区概况

1.1 自然概况

九州台片区位于兰州市主城区黄河北岸九州台南坡，区域地貌类型为梁状丘陵沟壑，地势北高南低、西高东低。最高点九州台海拔2 067 m,最低点马槽沟沟口海拔1 535 m，相对高差532 m。工程区沟坡普遍较陡，一般在15°～45°之间，部分区域达到50°以上，个别区域70°左右，几近垂直。片区主要由北南向的3条小沟道组成，均为黄河一级支沟，沟头汇合于九州台。沟道平均比降24.33%～47.99%，平均沟壑密度4.12 km/km2。

区域气候属温带大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，极端最高气温39.1 ℃，极端最低气温-23.1 ℃,历年最大冻土深1.2 m；≥0 ℃年积温3 816.3 ℃,≥10 ℃年积温3 242 ℃,无霜期179 d；年平均日照时数2 607.6 h,年太阳辐射4 800～5 500 MJ/m2；年平均风速2.8 m/s，年最大风速21 m/s；年均降水量326.8 mm，4—9月降水量192.8 mm,占年降水量的60.5%;年均蒸发量为1 437.7 mm。

九州台片区土壤类型为黄土母质上发育而成的灰钙土，有机质含量0.5%～1.5%，pH值8～9。土壤具有粒状架构，粒间胶结强度弱，土粒间水稳性较低，湿陷性较强，质地疏松，抗蚀性差，容易崩塌，极易产生水土流失。

1.2 水土流失及其防治情况

项目区土壤侵蚀以水力侵蚀为主，同时伴有重力侵蚀。水力侵蚀以面蚀、沟蚀为主，主要分布在陡坡地和沟道内。根据影像解译结果，结合调查分析，九州台片区总面积2.4 km2，水土流失面积1.73 km2，占总面积的84.8%。对照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，水土流失面积中：轻度侵蚀面积1.40 km2，占水土流失面积的80.9%；中度侵蚀面积0.18 km2，占10.4%；强烈侵蚀面积0.15 km2，占8.7%。强烈侵蚀区主要分布在西侧榆树洼流域下游渣场以下裸露区，以及其他土石质陡沟坡严重裸露区。工程区没有土壤侵蚀模数实测资料，按照水力侵蚀强度分级表中的平均侵蚀模数值加权计算，九州台片区平均土壤侵蚀模数为1 970 t/(km2·a)[2]。

2 坡改平生态护坡技术施工流程及技术要点

2.1 坡改平生态护坡技术应用区情况简介

兰州市南北两山水土保持生态综合治理工程中，设计马槽沟下游左侧道路边坡(268-1图斑)如图1所示。边坡为土石坡面，总面积729 m2，平均坡度43°，坡面比较完整、平整。植被盖度平均25%，主要生长有虎尾草、山蒿、狗娃花、波斯菊等草灌植被，右侧坡面已采用混凝土框格护坡处理，框格内长有波斯菊、虎尾草等。

图1 坡改平生态护坡技术应用区位置

2.2 坡改平生态护坡技术的优化

2.2.1 钢筋混凝土护坡网格梁加固坡面

考虑施工、边坡稳定性等因素，原坡改平生态护坡砖(专利号：ZL 200710187685.5)适用于1∶1～1∶3坡比的土质或石质边坡防护[1]。项目区坡度40°～51°，平均坡度43°，坡比趋近于1∶1，施工难度大，边坡失稳风险较高。经优化技术措施，增设构筑物(钢筋混凝土护坡网格梁)分解承载力，按片区水平铺装坡改平生态护坡砖，有效消除了边坡失稳隐患。

2.2.2 优化坡改平生态护坡砖结构

原坡改平生态护坡砖为正六边形，中空内圆，底面与水平面夹角为α，α大小与实际坡面相匹配(25°～35°之间生产厂家可调节)。针对项目区极限坡度，本项目技术方案从抗压强度和稳定性两方面对原坡改平生态护坡砖结构进行了优化完善(见图2)。一是砖壁最小厚度由原5 cm增加为5.5 cm；二是外口径由34.8 cm减小为34 cm；三是砖底端中部阻滑齿变为2 cm平口；四是砖体上倾斜口高度由5 cm增加为8 cm以提升抗压强度,砖体高度由原28 cm增加为41.5 cm以增加极限α大小，使砖底面与坡面完全咬合，确保砖铺设在坡面上时，砖的上面保持水平，砖内填充栽植土的表面保持水平，将重力就地传导到坡面上。

图2 坡改平生态护坡砖结构对比

2.3 坡改平生态护坡施工工艺流程

2.3.1 前期准备工作

坡改平生态护坡技术施工前，首先要根据设计方案和施工现场的实际情况，编制施工配置图及施工方案，做好前期准备工作，如平整坡面、测量放样、制作与运输坡改平生态护坡砖、准备浇筑网格梁的各种机械与主材等。兰州市南北两山水土保持生态综合治理工程设计中，268-1图斑紧邻护林防火通道，我们采取半幅通行的办法，将会车段作为施工临时场地。首先对施工坡面进行平整，铲除坡面垃圾及碎石，保证坡面没有凸起物，并防止坡面塌陷、沉降；然后按照配置模式(见图3)放线确定网格梁位置及生态砖铺装位置。

图3 坡改平生态护坡技术的配置模式

本工程坡改平护坡砖内栽植藤本和混播草种，藤本选用铁线莲(Clematisflorida)，草本选用适应性强、色彩分明、景观效果明显同时具备保持水土效果的羊茅(Festucaovina)、波斯菊(Cosmosbipinnatus)、早熟禾(Poaannua)、冰草(Agropyronmongolicum)、黄花矶松(Limoniumaureum)等混合播种,并配置微喷灌设施，以此来提高护坡的景观效果，提升改造标准。

2.3.2 钢筋混凝土护坡网格梁浇筑

方案中设计钢筋混凝土护坡网格梁采用C30现浇混凝土现场立模一次性浇筑完成。测量放样：根据设计的格构梁、压顶及镶边的平面位置及高程在坡面上放样，测量定位后使用施工绳对网格位置进行最终控制。格构凿槽、桩:因格构断面较小，故本工程采用人工开挖方法开凿沟槽、桩，构造梁截面尺寸35 cm×60 cm，桩身截面尺寸35 cm×35 cm，桩深200 cm。模板加工及钢筋绑扎:采用木模板，在制作场地加工和拼装好后运到现场安装；钢筋在制作场地制作好后运到现场绑扎，钢筋入模前需将锈迹、黏泥清理干净。完成钢筋绑扎，隐蔽工程验收合格后，方可进行网格梁浇筑。混凝土制备和浇筑:混凝土按C30配合比在现场拌和后人工浇筑，之后再使用插入式振动棒进行振捣。养护:在混凝土浇筑12～24 h后进行洒水养护，养护时间不少于7 d。

2.3.3 坡改平生态护坡砖铺设

坡改平生态护坡砖铺设施工从坡下部趾墙开始，铺设时按照“自下而上”的顺序进行，相邻护坡砖要挤紧，做到横、竖、斜线对齐(见图4)。

图7 坡改平生态护坡砖铺设

坡改平生态护坡砖铺设完成后,将种植土填入砖中,开启微喷灌设施，使砖内种植土自然沉降，以土壤表面低于砖上沿2 cm为宜。待土壤层湿润沉降稳定后，人工栽植藤本，播种混合草籽。根据种植土土壤墒情及时补充灌溉，保证灌木成活、种子萌发生长，提高区域景观效果及水土流失防治效果。

2.4 坡改平生态护坡技术应用成效

2020年4月，坡改平生态护坡砖铺设完工,并按照林草栽种技术要求，相继完成换填种植土和林草措施施工。项目实施后，新增林草面积729 m2，裸露区植被盖度由原来的25%增加为75%以上，增加了地表湿度，减少了地面沙尘，为南北两山打造九州台特色景区拓宽了建设思路，满足了兰州市民对美好生活的需要，也促进了区域生态系统良性循环和社会经济发展。

通过本项目实施可知，护坡植物选择藤本和混合草种，效果各不相同。草本植物混播方法简单、费用低、生长快，工程初期效果较好，但是与藤本相比，草本植物根系较浅，固土护坡效果较差，在干旱少雨或补充灌溉不及时时容易发生枯萎；同时，草本植物易发生衰退，与周围景观不协调。建议栽植多年生的灌木或藤本植物，如沙地柏(Juniperussabina)、五叶地锦(Parthenocissusquinquefolia)等，以使护坡效果逐年提升，达到护坡与景观兼顾并相互促进的效果。

3 结 语

坡改平生态护坡技术在兰州市南北两山水土保持生态综合治理工程(九州台片区)中成功应用，充分表明在西北立地条件差的自然或人工高陡裸露坡面绿化中采取坡改平生态护坡技术的可操作性，补充完善了九州台片区水土保持综合治理体系，提升了九州台片区景观效果，为全面推进南北两山水土保持生态建设，乃至城市水土保持生态建设工作提供了实践经验。