广西贺巴高速来都段石漠化边坡植被恢复和生态防护技术的应用分析

高山, 付涛, 周成*, 罗祺, 周泽昶, 陈晓明, 杨礼明

(1.广西新发展交通集团有限公司, 南宁 530029; 2.四川大学水利水电学院, 成都 610065; 3.广西交通设计集团有限公司, 南宁 530011; 4.广西路桥工程集团有限公司, 南宁 530002)

目前中国西南喀斯特地区的岩溶发育程度强烈,导致喀斯特地区的边坡呈现严重的石漠化。由于石漠化边坡存在着地表和地下双层地质结构,会产生一系列特殊复杂的地表水土流失和地下漏失等问题[1-3],致使不连续风化的岩石大面积裸露于坡面,生态环境退化。在公路的施工过程中,也会形成很多路堑边坡创面,如果不及时进行生态修复[4-5],会造成严重的水土流失问题。

边坡的植被恢复和生态防护已经成为目前绿色公路建设的热点问题[6],以植物的水文效应和力学效应[7]为重点研究对象的植被护坡技术,也成为众多学者的研究课题。水土保持领域公认植物是天然的工程师,认为植物除了可恢复裸露边坡的绿色生态,还可以在一定程度上防治水土流失和浅层滑坡,兼顾边坡的稳定性和生态性。目前热议的“工程边坡”与“生态边坡”之间的矛盾逐渐凸显,中国也已经开始重点关注生态环境的保护,因此亟须在道路工程中研发和推广应用行之有效的植被恢复和生态防护技术。

在边坡创面的植被恢复工程中,边坡坡度是决定植被恢复方式的重要制约因素。当边坡创面坡度较缓时,目前主要通过撒草种、铺草皮、客土液压喷播植草、三维网植草、格构梁骨架(框格)内填土植草等方法对边坡进行生态防护[8-9],如张志刚等[10]采用框格种草的方法,提高公路边坡防护效果,同时美化了生态环境。当边坡创面坡度较陡时,多采用先植筋挂网,然后再液压喷播的“外挂式”方法,进行挂网基材和挂网植被混凝土喷播,以实现边坡创面的植被恢复[11-12]。在一些干旱、强风化的泥岩、页岩边坡或黄土边坡上,还可以采用人工机械成孔后“内嵌式”种植的边坡创面植被恢复方式。

对于较陡的石漠化边坡或公路路堑边坡创面,植物生境条件通常较差,且由于坡度原因,坡面喷射物基材往往较薄,植被恢复时存在持水保土难度大、耐久性差、养护模式难以持久、不能生长灌木等问题,导致此类边坡的生态修复难度较大,生态修复技术尚不成熟。在2016年12月,国家能源局发布了《水电工程陡坡植被混凝土生态修复技术规范》(NB/T 35082—2016)[13],为陡坡的生态修复提供了技术指导,但仍不能够全面满足陡坡植被恢复的要求。为了满足边坡创面上植被生长土层厚度的要求,技术人员一般愿意采用格构梁骨架(框格)内填土植草等方法,在坡面上先开挖沟槽,浇筑混凝土形成格构梁或拱梁,再在混凝土框格内填土种植植被。然而,在边坡创面植被恢复中,人们经常会看到植被“雨季生长,旱季荒芜,最后枯死”的现象。另外,由于喀斯特坡地基岩裸露且分布不均,在石漠化边坡上开挖和浇筑混凝土形成格构梁或拱梁,也存在很大的施工难度。

由于石漠化边坡缺土或者土壤结构极为疏松且土层浅薄,会发生严重的地表水土流失和地下水土渗漏,在雨后暴晒下也常出现蒸发量大于降水量的干燥期,造成土壤季节性干旱,这些因素在很大程度上制约着石漠化边坡的植被恢复[2,8]。因此,有必要针对石漠化边坡植被恢复和生态防护技术的应用开展分析和研究,减少水土流失,提高石漠化边坡的保水功能及其适应植物生长的能力,特别是增强其水土共蓄能力,增大持水容量。有了适合植被快速稳定生长的土壤和水分,植被才能在短期内恢复,并长期保证植被恢复的良性循环。

现针对石漠化公路边坡治理,由水土流失发展到水土保持,及至水土共蓄的植被恢复和生态防护技术,渐进地开展3个层次分析。首先分析目前边坡防护中最常用的只考虑水土流失防治和边坡绿化要求的框格植被恢复技术;然后结合在本团队负责的广西贺巴高速来都段石漠化边坡框格植被恢复技术应用过程中发现的问题,分析石漠化边坡框格植被恢复和水土保持失败的主要原因,提出框格内填土局部稳定技术的新型解决方案;在此基础上,认识到石漠化边坡植被恢复的首要难题是如何实现水土共蓄,因此在广西贺巴高速来都段石漠化边坡上,进一步推广应用采用水土共蓄的新型板槽进行植被恢复和生态防护的最新发明技术,以期对类似工程的石漠化边坡的植被恢复提供更好的技术措施,促进石漠化地区绿色公路建设的发展。

1 非石漠化边坡创面框格植被恢复和生态防护技术应用分析

对于非石漠化的常规边坡创面的防护,一般只考虑水土流失防治和边坡绿化要求,可参照《水利水电工程边坡设计规范》(NB/T 10512—2021)[14]以及《滑坡防治设计规范》(GB/T 38509—2020)[15]的规定,选用干砌石、浆砌石、砂浆、混凝土、钢纤维混凝土、合成纤维混凝土、石笼网垫、钢筋石笼垫层、预制现浇混凝土、钢筋混凝土板、钢筋混凝土格构,以及土工网、主动柔性防护网、草皮和其他新型生态环保材料等防护边坡。

其中,设计部门常采用浆砌石格构梁或钢筋混凝土格构梁形成坡面骨架,然后再在框格内填土植草的方法,既防护边坡表层岩土体,又美化环境。为了保证坡面骨架的稳定性,一般需要先进行边坡的稳定性计算分析。依据浅层滑坡体自重、静水压力、渗透压力、孔隙水压力、地震力等设计荷载,计算出边坡的稳定系数作为设计依据。对于整体稳定性好,并满足设计安全系数要求的边坡,可采用浆砌石格构梁进行坡面防护,坡度不宜大于1∶1.5,当边坡高度超过30 m时,应设置马道并放坡,马道宽2.0～3.0 m。对于整体稳定性好,但前缘出现溜滑或坍滑,或坡度大于35°的边坡,可采用现浇钢筋砼的格构梁进行护坡,并用锚杆进行固定,锚杆应穿过潜在浅层滑面1.5～2.0 m,采用全黏结灌浆。对于整体稳定性差、滑坡推力过大,且前沿坡面应防护的边坡,可采用预制预应力钢筋砼格构梁与预张拉锚索进行联合防护。

浆砌石和钢筋混凝土格构梁,可选择方形、菱形、人字形、门洞形或弧形等形式。格构梁框架之间应设变形缝,缝间距不宜大于20 m。浆砌石格构梁的间距不宜大于3 m,现浇钢筋混凝土格构梁的间距不宜大于5 m,若格构梁同时作为锚杆外的锚头时,应采用钢筋混凝土格构梁,其形式和尺寸应按锚杆布置形式和间距确定。初步选定格构梁的断面尺寸时,浆砌石格构梁的断面高度为400～500 mm,宽度为300～450 mm。现浇混凝土和钢筋混凝土格构梁的断面高度为300～400 mm,宽度为200～300 mm,如图1所示。钢筋砼格构梁可嵌置于边坡中或上覆在边坡上,钢筋砼格构梁护坡坡面应平整、夯实,无溜滑体、蠕滑体和松动岩块,开挖的弃渣应按设计或建设单位的要求在弃渣场堆放,尽量开展弃渣料的资源化利用,不应造成次生灾害。

图1 现浇砼拱形骨架及框格内填土植草方案图

在边坡创面上采用框格内填土植草的植被恢复和生态防护技术时,应查阅当地历史上最大降雨强度和典型的降雨历时等数据,按照整个坡面的汇流面积和框格数量,进行地表排水工程的水力计算,并据此设计用于坡面(或马道平台上)排水的截水沟和排水沟。在进行坡面径流量和格构梁框格内填土的孔隙蓄水量计算时,还应考虑纵横向格构梁的导流排水和水土拦截作用(图1)。

由图1可以看出,一般设计方案中只考虑在框格内回填10 cm左右厚的土壤作为植被生长层,纵横向的格构梁本身,可作为坡面排水结构和挡土结构,但设计方案未考虑雨水的收集和利用,这意味着框格内的草本植被将可能会在旱季因为缺水而荒芜直至死亡。

2 石漠化边坡框格植被恢复和生态防护技术应用分析

相较于非石漠化的边坡创面,石漠化边坡特殊的双层地质结构所引致的水土流失和生态退化将更加严重。在石漠化边坡上利用上述的坡面框格内填土的工程措施,可以在一定程度上减缓雨水对边坡表层的冲刷破坏,加快石漠化边坡坡面的植被恢复。但是在广西贺巴高速来都段石漠化边坡框格植被恢复和生态防护技术应用的工程实践中,也发现了一些问题,代表性路段如图2所示,因此亟须分析该石漠化边坡框格植被恢复失败的主要原因。

图2 边坡植被恢复代表性的失败区(左侧)与成功区(右侧)的现场照片对比

在图2的右侧坡段,框格内的植被在雨季到来前就已经发育好,因此植被恢复的效果较好。而在图2的左侧坡段,由于在施工期间没有做好雨季施工,人工撒播在框格内填土中的草籽因干旱未能及时发芽长成草皮,加上雨季到来后雨水冲刷、水土流失严重,致使格构梁的框格内植被恢复失败,在该情况下,需要进行二次施工,又恰逢夏季,增加了植被恢复非季节性施工所带来的难度。对应图2右侧一些框格植草的植被恢复情况,具体分析该石漠化边坡框格植被恢复存在的问题,如图3所示。

图3 边坡植被恢复失败的现场代表性照片

如图3所示,图3(a)表现为框格内填土流失导致植被恢复失败;图3(b)表现为框格内填土滑落导致植被恢复失败;图3(c)表现为框格内填土坍塌导致植被恢复失败,裸岩几乎全露;图3(d)表现为填土塌落,分布不匀,导致植被恢复失败;图3(e)表现为填土坍塌导致植被荒芜,只有一些爬藤种子发挥了植被恢复的作用;图3(f)表现为填土坍落,框格中部无土,植被荒芜,而底部雍土,植被恢复较好。

总体而言,石漠化边坡土层太薄、坡面框格内填土不匀或填土局部失稳,是导致框格内植被恢复失败的主要原因;再者,撒播草籽的时机和养护条件(如是否雨季播撒、是否在雨季及时出苗、出苗是否能抵抗暴雨冲刷等)也是植被恢复的重要影响因素。这些因素均会造成诸多不便,例如难以在石漠化边坡上挖孔种植小灌木、现场人工撒播草籽均匀性差、日晒出芽慢、发芽率低、易死苗、成坪慢以及陡坡洒水养护难等问题,不能快速有效地成功实施石漠化边坡上灌草结合的植被恢复技术。

从图2和图3可以看出制约植被恢复的一个关键的技术性问题,即1∶1.75坡比以上的边坡,坡面框格内填土会遇水下滑,植被土层不能保持平整。因此,为了稳定框格内填土,进一步提出了应用框格内局部稳定的新技术方案,例如在框格内逐层往上填筑装土的生态袋,或者加入土工格室后逐个往上填土植草,以便保证框格内填土不致下滑到底部,如图4和图5所示。

图4 框格内用生态袋装土植草保证填土的局部稳定性

图5 框格内用土工格室装土植草保证填土的局部稳定性

在应用上述框格内局部稳定的技术时,应先清理框格内的残渣及坡面碎石、松散层等。由于部分框格内凹陷处深度较大,不仅影响植被的生长,而且影响美观,所以应预先在这部分框格内回填土找平,尽量使边坡上各个框格内的深度基本达到一致。再将种植土、有机肥、复合肥、保水剂、水等按一定的比例拌合,配制成有机土装进生态袋,或者填入框格内铺设的土工格室内。注意不能将土壤过于压实,以便为植物提供良好的土壤生长环境。

也可以采用发明专利技术[16],在框格内填入植被水泥土,在满堂的预留孔中种植预先培植好的灌草容器苗,如图6所示。使用该技术进行现场植被恢复前,农户可以帮助解决植株养护的难题。现场施工后,人工浇水或降雨不会冲刷破坏坡面水泥土,雨水径流会汇聚到植株孔。还可参照李露等[17]的土体微生物矿化做法,利用微生物矿化框格内填土,改善坡面土体的强度特性。

1为填筑的水泥土;2为格构梁;3为小锚杆;4为潜在滑面;5为满堂预留植株孔;6为植株

在石漠化边坡植被恢复中,边坡表土、坡面工程施工所产生的弃渣弃土的合理利用,也逐渐成为学者们研究的课题,如陶双成等[18]利用表土进行临时用地植被恢复。

对于少土的石漠化地区,珍贵的表土利用显得非常重要。因此进一步创新性提出,对于钢筋砼格构梁的坑槽施工开挖的弃渣料,应尽量开展资源化利用。在路堑边坡开挖施工时,可以把石漠化边坡上裸露的石渣收集起来,填筑在坡面石笼里形成石笼网梁或钢筋石笼梁,并作为坡面格构梁使用,这样可以充分利用路堑开挖的废弃石渣,节约混凝土梁的材料和施工费用。同时,应尽量增加框格内填土厚度、合理拦蓄和疏导雨水,实现石漠化边坡雨水的收集利用。

3 石漠化边坡新型板槽植被恢复和生态防护技术应用分析

从框格植被恢复的工程实例分析中可以看出,混凝土框格梁本身只作为挡土结构和坡面排水结构,不能实现石漠化边坡植被恢复的雨水收集和利用。每段框格一般4～5 m长或宽,其内填土不匀或填土在降雨和自重作用下局部失稳,也会导致框格内植被恢复失败。

因此,石漠化边坡植被恢复需要解决水土共蓄和持水养护两大关键问题,首要任务便是雨水收集和蓄积。在石漠化边坡的集雨与积雨中,最重要的难题就是集雨面与积雨段的建造。

在坡面集雨面的选择上,目前国内外常见的一些集雨面材料有混凝土、水泥土、三七灰土、塑料薄膜、油毡等[19],也有一些成本较高的如石蜡、沥青、橡胶等化工材料,也有使用地衣[20-21]、苔藓以及高分子聚合物[22]如土壤固化剂、有机硅[19]、树脂等作为集雨面材料的。

在积雨段的建造上,由于岩溶裂隙通道会随着水作用的时间不断发展,很难找到岩溶通道的分布规律,所以进行灌浆堵漏也很难奏效。

针对上述问题,研发了水土共蓄生态护坡和组合蓄水持水养护的板槽新技术[8,23],并在广西贺巴高速来都段同一路段的石漠化边坡上推广应用。在坡面铺设“两布一膜”形成人工集雨面,并建造蓄水板槽作为积雨段,以此进行石漠化边坡的植被恢复和生态防护。

石漠化坡面的植被恢复措施主要是在梯级板槽的土壤中种植草本植物和开花灌木,形成梯级景观带,并分别在梯级板槽中种植爬山虎或葛藤,待爬藤植物爬满石漠化坡面,同时遮盖了坡面集雨的“两布一膜”后,防止紫外线造成老化破坏,便完成了该段工程的植被恢复。板槽施工代表性照片如图7所示,板槽设计图如图8所示。

图7 贺巴高速来都段石漠化边坡植被板槽施工阶段图

图8 贺巴高速来都段石漠化边坡植被板槽设计图

石漠化坡面的降雨集蓄措施包括:石漠化坡面上“两布一膜”的人工集雨面加爬藤植被毯、坡面各级板槽及板槽内的土体孔隙、板槽底部的蓄水腔;坡面上的梯级板槽底部的蓄水腔会从板槽两端的堵头,类似一个“溢流坝”,可以排出多余的积雨,防止涝灾。坡面固土技术措施主要是在坡面梯级分布的板槽中存蓄种植土,而不是在渗漏严重的石漠化坡面上喷播一层较薄的土壤后再播撒草籽。石漠化边坡的截排水措施包括:坡面上的各级板槽包括平台上的板槽(或平台截水沟),以及坡脚的排水沟。

关于“蓄水植被板槽+两布一膜集水面+爬藤植被毯”的石漠化边坡植被恢复和生态防护新型方案,其设计和施工技术的实施步骤如下。

(1)在石漠化坡面上,按照一定的梯级间距例如每隔3 m,设置一道板槽。在每一级板槽处,先设置一排长100 cm、水平间距为150 cm的防锈小锚杆,其嵌岩锚固段长度至少为50 cm。然后按照一块混凝土板与2根小锚杆的位置相对应的原则,贴紧小锚杆,架立5 cm厚、300 cm长、50 cm宽的钢筋混凝土挡土板。混凝土板的重量宜适合用滑竿机或吊机起吊运输到坡面小锚杆处。若3 m长的混凝土板过重,可以在预制时缩短板长为2 m,相应地,小锚杆水平间距变成1 m。在顺坡方向,各级板槽的间距不宜大于3 m,可保证爬山虎或葛藤在较短时间内能爬满坡面。

(2)在石漠化坡面上,每一道板槽的结构组成包括:贴紧依靠在坡面小锚杆上的混凝土挡土板、两布一膜止水层、两侧分别斜撑在坡面和挡土板上的刷漆钢筋和竹排、穿过竹排缝隙的尼龙编织的吸水带、板槽两端的“溢流坝”式堵头等。竹排上方为回填的种植土,竹排下方为平均15 cm深的蓄水腔。板槽内所蓄水量加上边坡底部蓄排水沟中所存水量,再扣除蒸腾蒸发量后,剩余水量应满足植物在旱季长期存活和生长的需水量要求。

(3)在设置竹排把板槽分成上下两层,即蓄土层和蓄水层时,应该注意的是,由于市场上脚手架工程常用的竹排都是定型的宽度,为了保证板槽底部的蓄水腔不小于平均15 cm的蓄水深度,可以将间距1 m、长约50 cm的刷漆钢筋,倾斜抵住坡面和混凝土板壁上划定的水平线处,然后把竹排铺设在钢筋斜撑上。也可以在板槽底部每隔1.5 m的间距,堆放15 cm高的石块支墩,作为竹排的支撑点,把竹排架立在稳定的石堆支墩上,由于石堆强透水,不影响板槽的排水功能。

(4)每束竖向穿过竹排缝隙的吸水带,长约50 cm、宽2～4 cm,水平间距设置为20 cm。吸水带的底端要触及板槽最底部,以便最大限度地通过吸力把蓄水腔内的水慢慢输送到竹排上面的种植土中。裁剪好的每根吸水带的顶端穿过竹排缝隙后须拉直再填土,以便保持吸水带的吸力水头差。也可以在板槽内采用整条未经裁剪的吸水带,按水平间距20 cm正弦波式穿过竹排缝隙,吸水带在竹排下方的垂直长度为20 cm,为保证竹排上方的吸水带在填土施工时立起,可在板槽两端固定一绷紧的吊绳,拉起正弦波式的吸水带,再开始填土。

(5)在板槽施工完成后,由3人分别沿着斜坡上板槽的水平方向,先滚动约3 m幅宽的“两布一膜”卷,形成板槽间“两布一膜”集雨面。可以采用通长的“两布一膜”集雨面,如果需要搭接,搭接宽度应不少于20 cm。如果石漠化坡面完全用等长的两布一膜封闭,意味着所有降雨都会形成坡面径流,而板槽的蓄水能力有限,且暴雨发生时雨水可能会对板槽中的种植土产生溢流冲刷侵蚀。因此,应允许紧靠板槽下方几十厘米长度的坡面可以发生降雨渗漏,一方面把降雨引流到板槽的土体中以及下渗到蓄水腔中,另一方面使板槽表土免受坡面暴雨径流的激流冲刷。板槽内的爬山虎或葛藤通过攀爬到坡面两布一膜的粗糙表面上,形成植被毯,构成人工集水面,爬山虎和葛藤覆植还可以减缓紫外线对两布一膜造成的老化损伤。

(6)基于经验,方案中采用的两布一膜应具有一定的抗拉、抗撕裂和抗刺破的强度,吸水带一定是尼龙材质而且编织致密。要优选品种较好、生长速度较快的爬山虎或葛藤种苗,爬山虎或葛藤种植后要把其枝茎牵引到上坡面的无纺布上。在板槽中回填种植土后,可以按照0.6 m左右的水平间距,种植耐旱性较好的三角梅等开花灌木,形成梯级景观。

(7)在边坡坡脚的截排水沟槽的内侧表面和底面,为预制或现浇混凝土护面,并用水泥砂浆勾缝。截排水沟的降雨积水不应排光,应导流到蓄水池中,以备旱季抽提水给板槽中的蓄水腔。在板槽施工完成后,应该要求施工单位利用洒水车往各级板槽预先蓄水,一则给植物供水,二则验证板槽蓄水性能。如果出现渗漏,应及时在相应位置作防漏措施处理,否则雨季时板槽的蓄水效率将大打折扣。养护单位应在长期干旱的情况下做好应急预案,用洒水车向各级板槽的蓄水腔内注水。

(8)在板槽内宜填筑种植土,若填筑弃渣土,其碎石含量不应超过10%,碎石最大粒径不应超过2 cm。板槽内填土的孔隙比、含水量、疏松度和通透性,应满足植物生长对土壤的要求,并适当采取措施增加土壤肥力。另外,可以采用抗旱新型高分子材料添加剂,帮助填土在雨季吸收和保持水分,并在旱季释放出来。在板槽中的种植土表面,应覆盖一层草皮或碎石,防止降雨击溅冲刷造成板槽的水土流失。

(9)在石漠化坡面上施工梯级板槽时,应注意对小锚杆、钢筋斜撑和竹排等材料进行防锈蚀、防腐烂处理,预先刷涂保护漆。钻孔打进岩石的钢筋可直接灌砂浆,不用刷防锈漆,但裸露在岩石外面和碎石层内的锚杆钢筋,都必须先刷一道防锈漆,再涂一层沥青。小锚杆钻孔直径不小于5 cm,钻岩深度不应少于50 cm,小锚杆钢筋的直径宜为28 mm以上,砂浆宜MU10以上。

4 结论

通过跟踪调研本团队负责的广西贺巴高速来都段一石漠化边坡植被恢复工程技术的现场应用情况,揭示了石漠化边坡的框格植被恢复和生态防护技术在应用中出现的一些技术问题,提出了框格内填土局部稳定技术的新型解决方案,进一步推广应用了水土共蓄的新型板槽进行植被恢复和生态防护的最新发明技术,并给出了一些针对这些新技术应用的建议,归纳总结如下。

(1)虽然坡面格构工程措施可以减缓边坡雨水冲刷破坏,加快坡面的植被形成,但是结合广西贺巴高速来都段石漠化边坡植被恢复项目的应用情况发现,如果在框格内填土后播种没有做好雨季施工,草籽将不能及时发育长成草皮,加上雨季到来后雨水冲刷、水土流失严重,都会致使框格内植被恢复失败。

(2)框格内填土层不稳定,例如填土流失、滑落、坍塌,都会使裸岩几乎全露和植被荒芜,导致植被恢复失败。在石漠化边坡上还存在着不便于挖孔种植小灌木、现场养护难等问题,不能快速有效地形成石漠化边坡上灌草结合的植被恢复技术。

(3)虽然可以在混凝土梁框格内采用填筑装土的生态袋,或铺设土工格室后填土的局部稳定新型技术,以保证框格内填土不会下滑到底部,但是相对于技术的经济性而言,建议在框格内填入植被水泥土,在满堂的预留孔中种植预先培植好的灌草容器苗,可以降低现场植被恢复的难度。

(4)建议在土壤贫瘠的石漠化地区开展弃渣料的资源化利用,例如利用石漠化边坡上裸露的石渣制作坡面石笼网梁或钢筋石笼梁格构,代替传统的钢筋混凝土梁格构,以节约材料和施工费用,同时尽量增加框格内填土的厚度,合理拦蓄和疏导雨水,实现石漠化边坡雨水的收集利用。

(5)与石漠化坡面框格植被恢复技术相比,“新型蓄水植被板槽+两布一膜集水面+爬藤植被毯”的石漠化边坡植被恢复和生态防护最新发明技术,可以实现水土共蓄生态护坡和组合蓄水持水养护,形成石漠化坡面上的梯级景观带,可以快速有效地形成石漠化边坡上灌草结合的植被恢复技术。