客土喷播植草技术在冻土区公路边坡中的应用

鲍德章BAO De-zhang；明锋MING Feng

（①青海省湟源公路工程建设有限公司，西宁810000；②中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州730000）

0 引言

随着国民经济的快速发展以及一带一路战略的实施，越来越多的基础设施在冻土区开工建设[1]。在公路工程修建过程中，因地形及线路设计的限制，将不可避免的出现路堑边坡开挖的情况。路堑开挖打破了区域原有的地应力平衡，在气候及人为因素影响下，极易引发滑坡、坍塌等次生灾害，引发行车事故并破坏路基等设施[2]。此外，路堑边坡开挖使得大量岩土体裸露在地表，不仅导致场区水土流失严重，而且引起局部生态环境恶化。党的十八大以来，生态文明建设被放在首要地位，旨在建设美丽中国。因此，如何实现边坡生态恢复是践行生态文明建设的关键。

近年来，随着人们环境保护意识的提高，工程建设对生态环境的破坏，引起了工程建设者们的高度重视，尤其是公路路堑边坡的稳定和绿化问题在整个公路生态保护中起着至关重要的作用[3]。为贯彻生态文明建设方针，学术界和工程界采用自主创新或引进国外先进技术措施，推出一系列绿色护坡技术。这些技术大体按其功能可分为两类：一类是以恢复表面植被为任务的生态恢复技术，其中以喷播技术和土工材料绿化技术为代表；另一类则是兼顾坡面稳定和植被恢复的边坡综合防护技术，主要有生态砖植草防护技术和格构式护坡绿化技术等。从施工效果来看，由于客土喷播技术能在裸露坡面上产生土壤，为植被生长提供环境，使得该技术已广泛应用于公路及矿山边坡的绿化施工[6]。李永强等以废弃矿山整治工程为例，对边坡客土喷播施工工艺进行了阐述，并与其它施工技术进行了对比，明确了客土喷播工艺的优势[6]。张敏将客土喷播技术应用于山区高速公路中边坡坡面绿化，对施工工艺及方法的细节进行了描述，并对施工工艺进行了改进[7]。彭禧柱等总结了客土喷播技术在边坡植被恢复中的优缺点，对未来边坡的绿化恢复技术指明了创新方向[8]。叶建军等分别采用水平篱笆拦土、湿式客土喷播以及三维网客土绿化3种工法进行生态护坡施工，通过观察1年内试验段上植物密度、盖度及水土保持效果等指标，明确了水平篱笆拦土工法的优势[9]。

青藏高原地区降雨较少、蒸发量大、年平均气温较低且昼夜温差较大，适合植被生长的周期较短，属于典型的生态脆弱区。然而，冻土工程的施工更是直接破坏了施工区域周边的生态环境。工程实践证明，在青藏高原地区恶劣的气候条件下，冻土区脆弱的生态在破坏后很难进行恢复[10]，因施工破坏的植被自然恢复的几率几乎为零。因此，需要采用人工干预的方法对施工创面的生态条件进行恢复。目前，在公路边坡生态修复采用的技术主要有：拱形骨架搭配坡面覆盖表土绿化工法、湿式客土喷播、三维网客土绿化法等3种工法。鉴于客土喷播技术非冻土区得到了广泛应用，也取得了很好的绿化恢复效果。然而，该技术能否应用于冻土区恶劣的环境，还是未知数。鉴于此，本文以青海省S102西宁绕城环线某标段的施工为例，探讨客土喷播技术的应用效果。

1 工程概况

青海省S102西宁绕城环线平安经互助至大通段公路，位于青海省西宁市及海东市境内，是以西宁为中心的东部城市群的主干道路，经互助县五十镇、丹麻镇、威远镇、五峰镇，大通县长宁镇，至终点景阳镇。该区域隶属于青藏高原东部，属于高原大陆性气候。试验段属于越岭线，大量土方开挖造成原地貌及植被严重破坏。气候冬寒夏凉，年平均气温在零度以下，最低气温可达-15℃，负温出现时间可达4个月，冻深约1.80m。地下水主要来自大气降水，径流速度较低。区域内年降雨量在300~500mm，且降雨主要分布在6~8月，占全年降雨量的70~75%。试验段边坡土质主要为砂砾石土，部分地段覆盖浅层黄土。

试验段最初采用浆砌石框架防护技术来加强坡面稳定性，但收效甚微。一方面在负温驱动力的作用下，土体内部水分将向地表迁移，将会产生一定的冻胀及冻胀力，这势必会破坏浆砌片石的整体性。由于边坡表层含水率较高，在春融期间，边坡表层经常出现浅层滑坡。在多次冻融后，将造成浆砌片石的脱落，失去护坡的作用。另一方面，浆砌石框架防护技术需要在坡面进行拉沟预埋钢筋，由此导致坡面整体性遭到破坏。加之受到冻胀的影响，混凝土框架整体被破坏，导致边坡防护功能失效。为解决该路段边坡稳定性问题及冻灾害问题，在分析气象资料和土壤成分的基础上，决定采取客土喷播植草方法对路堑边坡进行绿化。

2 客土喷播工艺原理

客土喷播植草绿化是将乡土草木种子、木纤维、保水剂、黏合剂与防止水土流失的土壤稳定剂等掺入配制的客土中（配比见表1），利用搅拌机充分拌匀，然后在干料状态用空压机和混凝土喷射机输送。干料在喷射口前与水混合，并喷射到岩面，逐步形成喷射厚度较大、粘稠度较高、能促进植物长期生长所需的基质材料。通过选择适宜在当地环境下生长的植物种子，使种子在三维网空隙中生根、发芽、生长。黏合剂和土壤稳定剂能够在硬化过程中逐渐形成强度，可抵挡雨水冲刷，防止雨水冲刷坡面。同时，也起到了促进边坡周围的植被恢复，从而实现永久固坡和美化环境的目的。由于客土喷播在施工时，提供了满足植被生长的基本条件，所以其植被成活率较高。当客土喷播植草绿化技术使用于土质或强风化岩石挖方边坡时，其边坡坡率不陡于1:1.25。适用于微风化、弱风化、全风化岩石挖方边坡时，其边坡坡率不陡于1:0.5~1:1。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

客土喷播施工主要涉及坡面处理、铺设网片、喷播材料准备和后期养护等过程。具体施工流程如图1所示。

图1 施工工艺流程

3.2 客土喷播材料选择

①喷播种子：结合区域环境优选乡土植物，适合于当地气候条件、易于生长。喷播前，应试验其萌芽情况，萌发率均应达到80%以上。此外，在选择种子时，还应考虑植被建成后的景观效果应接近自然，能够融合于周边山体景观。

②土壤：应为松散的、具有透水性并含有有机物质的土壤，利于植物生长，不应含有盐、碱土，且无有害物质以及大于20mm的石块、棍棒、垃圾等。在施工中首选路基的清表土，其次为弃方土，严禁破坏路基范围之外植被体系。

③复合料：根据植被类型，按国家标准GB15063-2001选择相应的复合料。

④保水剂：粉末状，吸水率应大于400g/g，不溶于水。

⑤水：应符合《农田灌溉水质标准》（GB 5084-1992）的要求，且无油、酸、碱、盐或其它对植物生长有害的物质。

⑥三维植被网：一种具有质地松散、柔韧性好的三维结构网垫。结构内不仅留有90%的空间可充填泥土、沙砾和细石，而且植物根系可以穿过其间孔隙并扎入基土以下30~40cm而生长，使得网垫、草皮、土壤表面连为一体，组成了一层稳固的绿色复合维护层。本项目采用的是聚乙烯材质的三层式植被网，其技术指标应满足：抗拉强度≥1.4kN/m，克重≥240g/m。

客土基材为植被生长提供必备条件，其由土壤、有机肥、长效肥、保水剂等材料混合而成。客土喷射层厚度决定了植被根系的长度，而客土的肥力则决定了植被的生长质量。因此，客土的配比极为重要。经过试验，确定了表1的配方用量。根据场区的坡率、地质以及气候条件，确定草籽用量每1000m2为25~30kg。

表1 土壤配合比（质量百分比）

3.3 操作要点

3.3.1 坡面整理

自上而下清除表面的石块、垃圾、杂草及有害物质，确保坡面的不平整度小于10cm。坡面若有较大裂缝，应先嵌补牢密，使坡面平顺整齐。对于场区内地表低洼处，应在回填前清除坑内积水、杂物等，然后分层回填压实。为增强草种在坡面的附着力，对光滑岩面要进行粗糙处理，即沿坡面水平方向开挖一定深度的沟槽。在喷播前，应用风和水冲洗需要喷播的坡面。但对于遇水易潮解、泥化的岩层，只能用空压机出风清扫。

3.3.2 三维植被网施工

清坡施工完成后，按照图纸进行测量放样，标出挂网范围以及主锚杆、次锚杆的钻孔位置。根据岩破面岩土体强度和坡率确定主、次锚杆的直径、锚固长度及间距，锚固件采用梅花状布置方式。锚杆施工完成之后，采用M7.5水泥砂浆封孔，待其可以受力之后方可进行挂网作业。将采用直径3mm、规格为50mm×50mm的镀锌钢丝网挂在锚杆上。确保用于固定厚层基材喷射的镀锌铁丝网靠近坡面，防止坡面出现局部崩塌。

三维植被网的施工应自上而下进行。三维植被网的顶部应埋入坡顶以下15cm，边坡两端边缘卷边10cm，植被网的底部需埋入边沟边缘以下15cm。上下两张网搭接时，下部的植被网应置于底层。网间搭接宽度应大于10cm，并间隔20~300cm用铁丝绑扎牢固。工人在进行三维植被网施工时，需将锚固钢筋外露端从中间位置回折，以便将植被网固定，三维植被网施工后确保紧贴坡面。在完成三维植被网操作之后，应检查是否出现外漏锚杆、钢筋头，而且要保证植被网紧邻坡面。

3.3.3 湿润坡面

完成三维植被网挂网之后，在喷播前应对坡面洒水1～2次，并保持坡面充分湿润。渗透深度不得小于15cm，等到土壤表面无明显水渍后，就可以准备实施喷播作业。

3.3.4 客土喷播施工

起动空压机和水泵，调整空气压力达到0.3MPa，然后起动搅拌机将混合料卸入喷射机的料斗。将喷射混合材料搅拌均匀，最后起动喷射机。喷播前对喷播作业区进行分段、分片，然后自上而下进行客土喷播作业。根据喷射机的压力和坡面的地质情况，选择合理的喷射角度和喷射距离，应尽量避免仰喷，保证客土能够粘在坡面上不离不散。最终喷射厚度应控制在8~12cm，可在岩石坡面段适当的增加喷层厚度。草灌种籽与土壤一起拌和，使种籽均匀分布于整个喷播层。严禁首先喷播客土，然后表层喷播草灌种籽的做法，因为该方式会降低草灌种籽的成活率。

3.3.5 养护管理

①洒水养护。为保证草籽发芽，顺利度过育苗期，合理养护是必备条件。在面层喷播后及时覆盖无纺土工布，不仅可以减少太阳的直射，降低水分的蒸发速度，而且还可以防止下雨时在坡面形成汇流，冲刷坡面。此外，应根据天气情况及时对坡面进行喷水养护，保证草种出苗前及小苗生长阶段始终保持坡面湿润。喷水养护时应用喷湿机进行雾化洒水，严禁用水龙头直接喷洒，防止水量过大造成客土和草种地冲刷。②补种。本工程结束于春夏交接之际，在喷播结束后一个月，应检查植被生长情况。对生长不理想或死亡、损坏严重的部位，应在养护期适时补种和补喷同规格同品种的植物，确保植被覆盖率大于90%。此外，若因病虫害导致植被生长不理想，则应在补种时喷适量的甲基托布津或多菌灵。③追肥。在幼苗长出一段时间后，应适当进行追肥作业。追肥一般采用速效氮肥，或缓释复混肥、缓释氮肥。追肥一般选在春秋时节，追肥的数量应取决于草种类型、土壤的质地、季节和植被的长势。追肥时主要采用叶面喷施或撒施，在喷肥时应注意液体浓度。施肥后应立即浇水，以防止烧苗。

4 治理效果

青海省S102西宁绕城环线平安经互助至大通段公路某合同段，路堑边坡面积约8万平方米。利用客土喷播技术，仅四个月就完成该工程路堑边坡的绿化施工。在工程竣工后第一年，边坡绿化率就达到70%，没有出现水土流失现象，边坡稳定性较好。在工程竣工后第三年，边坡坡面整体覆盖植被，达到预期设计效果（图2）。通过客土喷播植草有效保护边坡表面免受雨水冲刷，延缓土体表面的进一步破碎和滑塌，进而保护了路堑边坡的整体稳定性。通过植被恢复，消除了边坡水土流失问题，营造路域内优美的自然环境，人工构造物与自然环境相协调，践行了生态文明建设方针。

图2 植被成坪后的边坡实景

为了明确客土喷播三维网植草技术的成本优势，选取常用的坡面支护方式（窗孔式护面墙护坡+窗孔内客土喷播绿化）进行对比。根据工艺的单价以及本项目涉及面积，计算了绿化恢复施工总造价，具体比较结果见表2。

表2 不同施工方案造价对比

从表2中不难看出，客土喷播三维网植草绿化施工造价约为窗孔式护面墙护坡+窗孔内客土喷播绿化造价的一半，按照试验段路堑边坡面积约8万平方米计算，可节约近700万的施工成本。不仅如此，客土喷播三维网植草绿化技术具有施工速度快，施工机具简单，劳动强度低等优点，而且减少了混凝土使用量，在一定程度上减少了碳排放量，属于绿色生态恢复模式。因此，客土喷播三维植草技术给冻土区边坡绿化恢复提供了一条新的路径。

5 结论

①客土喷播技术可以用于冻土区公路边坡植被恢复。实践表明客土喷播技术是一种可以兼顾边坡稳定和植被恢复功能于一体的生态防护措施。利用该技术使裸露边坡重披绿装，并融入周边自然环境。

②客土喷播技术具有施工工艺简单、操作方便、机械化程度高等特点，若能控制好施工中的关键点，则能大幅降低施工成本，且能达到植被恢复的效果，切实践行了习近平生态文明思想。