陕南千枚岩地区护坡基材优化及抗侵蚀性能

李卫红 周秀武 郭向兵 李海潮 刘洋 宋宗昌

摘要：为了进一步探究适宜于陕南千枚岩地区的边坡生态防护基材，以陕南当地废弃的千枚岩碎石为主要基材，添加秸秆、硅酸盐水泥、有机肥、草炭土和保水剂，组成护坡基材。设计正交试验，选取陕南地区的乡土草本植物高羊茅作为试验草种进行盆栽种植。运用综合评分法和极差分析法分析护坡基材的最佳配比和各因素对高羊茅生长影响的重要性程度，最后用室内模拟降雨侵蚀试验来验证基材的强度。结果表明，在陕南地区，适合高羊茅生长的最优基材配比为秸秆含量4%、水泥含量4%、有机肥含量5%、草炭土含量8%、保水剂含量0.25%。根据极差结果分析可知，各因素对高羊茅生长因素的影响从大到小依次为水泥、秸秆、草炭土、保水剂、有机肥。室内模拟降雨侵蚀试验表明，本研究的护坡基材具有较好的抗侵蚀能力，实用性较强。

关键词：千枚岩；护坡基材；正交试验；抗侵蚀；性能；陕南

中图分类号：U213.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0201-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.035            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Optimization of slope protection substrate and anti erosion performance in the phyllite area of Southern Shaanxi

LI Wei-hong1，ZHOU Xiu-wu2，GUO Xiang-bing1，LI Hai-chao1，LIU Yang2，SONG Zong-chang2

（1.Shanxi Lixi Expressway Co.， Ltd.，Lvliang  033400， Shanxi，China； 2.Highway College， Changan University， Xian  710064，China）

Abstract： In order to further explore the suitable slope ecological protection substrate for the Southern Shaanxi phyllite area， the abandoned phyllite gravel in Southern Shaanxi was used as the main substrate， and straw， cement， organic fertilizer， peat soil， and water retaining agent were added to form the slope protection substrate. An orthogonal experiment was designed and the local herbaceous plant tall fescue from Southern Shaanxi was selected as the experimental grass species for potted planting.Using comprehensive scoring method and range analysis method to analyze the optimal ratio of slope protection substrate and the importance of various factors on the growth of tall fescue， and finally indoor simulated rainfall erosion test was used to verify the strength of the substrate. The results showed that in the Southern Shaanxi region， the optimal substrate ratio suitable for the growth of tall fescue was 4% straw content， 4% cement content， 5% organic fertilizer content， 8% peat soil content， and 0.25% water retaining agent content. According to the analysis of range results， it could be concluded that the factors affecting the growth of tall fescue were cement， straw， peat soil， water retaining agent， and organic fertilizer in descending order. The indoor simulated rainfall erosion test showed that the slope protection substrate in this study had good erosion resistance and strong practicality.

Key words： phyllite； slope protection substrate； orthogonal experiment； anti erosion； performance； Southern Shaanxi

收稿日期：2022-07-14

作者简介：李卫红（1979-），男，山西临汾人，高级工程师，主要从事公路工程技术研究，（电话）18603573907（电子信箱）626138963@qq.com；

通信作者，周秀武（1994-），男，河南南阳人，在读硕士研究生，研究方向为地质灾害防治，（电话）17796849584（电子信箱）

1063235476@qq.com。

李卫红，周秀武，郭向兵，等. 陕南千枚岩地区护坡基材优化及抗侵蚀性能［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：201-206．

近年来，陕南地区公路建设发展迅速，由此出现了大量石质路堑边坡。边坡绿化对边坡的稳定和环境的协调至关重要，特别是在千枚岩等特殊岩石地区，寻求合理有效的护坡技术已成为该类地区公路建设的当务之急。

地质灾害防治部门对滑坡进行防治时越来越重视与当地环境的协调，比较经济环保的护坡方式是生态护坡［1］。目前主要生态护坡手段有植生袋、绿化网、片石骨架植草、植生混凝土等技术。国内外学者相继对经济实用的护坡技术进行了研究和探索，在云南地区，张富有等［2］用泥炭、水泥、土壤改良剂等组成护坡基材对狗牙根的生长特征进行了研究，植被覆盖率提高了20%。针对较陡的岩质边坡，Aocun等［3］提出了装配式和现浇岩质边坡2种组合式生态护坡技术，这2种技术可以将边坡与自然空气隔离，避免降雨对边坡的危害，该护坡技术还具有吸收道路噪声和净化空气的作用。针对较松散的土壤类型，Lou等［4］利用纳米蒙脱土改性粉煤灰生态材料，研发了更加密实且有利于植物生长的生态坡防护材料。在高寒地区，Ma等 ［5］提出一种可以导电和加热的生态基材，发现合适的配合比可以实现基材保温效果，保护寒区植物不受冻害。针对沙土地区，刘大翔等［6］以苹果树枝生物炭为对象，探究了植被混凝土中不同炭土质量比对狗牙根生长的影响，并找出比较适合的生物炭含量。为进一步提高沙土地区边坡的稳定性，利用垃圾焚烧的飞灰提高护坡基材的强度，万娟等［7］将垃圾焚烧的飞灰掺入护坡基材中，这种措施不仅促进了植物生长，还增强了边坡的稳定性。周翠英等［8］引入生态脂类材料纳米水性黏合剂，通过测试与分析，得出该黏合剂有着较佳的固土作用，有助于边坡的长效生态防护。在堤防工程中，黄哲等［9］提出了镂空驼峰型生态护坡技术，研究证明镂空驼峰稳固边坡具有较好的效果。王晓春等［10］对沙土岸坡的植被护坡问题进行了分析，将土工织物与植草结合起来，形成加筋生态护坡，在增强护坡强度的同时，保障了工程的生态性。以上护坡技术针对不同地区和不同岩土类型提出了适合的护坡技术，可为本研究提供参考和借鉴，但是陕南地区护坡基材的研究还很少。

陕南地区分布了大量的千枚岩，千枚岩遇水易软化，工程性质差，但千枚岩蕴含丰富钾元素，全钾含量达23.7 g/kg，可满足植物生长的基本要求。因此，本研究以废弃的千枚岩为主要材料，通过试验提出一种适合陕南千枚岩地区的护坡基材，在提高边坡强度的同时利用好废弃的千枚岩，达到经济、绿色、实用的效果，为陕南千枚岩地区的边坡生态防护提供参考。

1 试验设计

1.1 试验目的

经过实地考察和查阅文献，选取对护坡基材影响比较大的5个因素来进行基材配比研究，分析出各影响因素的强弱关系并确定一种适合陕南地区的生态护坡基材。

1.2 试验材料

本着就地取材、经济的原则，该试验选取废弃的千枚岩碎石、水稻秸秆、42.5#普通硅酸盐水泥、鸡粪有机肥、酸性草炭土、100目高分子吸水性树脂作为基材，选取乡土植物高羊茅作为试验草种进行盆栽种植。材料的基本性质如表1所示。

1.3 正交试验设计

以秸秆、水泥、有机肥、草炭土、保水剂的含量为试验因素，采用正交试验法，其因素和水平如表2所示。利用SPSS软件进行正交试验分组［11］，分为25组（表3），千枚岩碎石作为对照组，共26组。

1.4 盆栽试验

根据表3的设计称取相应质量的原材料于搅拌盆中，每次混合基材的总质量为 5 kg。每个花盆底内部放置1张滤纸，将搅拌好的混合基材倒入花盆中，高羊茅种子200粒均匀撒入盆中，并用基材覆盖，厚度约2 cm，播种后定期浇水。为了能够有效记录高羊茅的生长情况，将花盆进行编号，如图1所示。种植初期，每天观察高羊茅的出苗情况并进行记录，每2周对高羊茅株高进行测量。

2 结果与分析

2.1 各因素对高羊茅种子出苗率的影响

将发芽开始的第1天作为起始日，直到发芽数稳定，分析各因素与高羊茅出苗率的关系。在分析时，5个水平组取出苗率、株高、pH等指标的平均值。

2.1.1 不同秸秆含量对高羊茅出苗率的影响 由图2可知，不同秸秆含量处理的高羊茅出苗率均高于对照组（55.0%）。随着秸秆含量的增加，高羊茅出苗率呈先增大后减小的趋势。在秸秆含量为4%时，出苗率达到最大值，为79.2%。导致该现象的主要原因是随着秸秆含量的增加，基材的孔隙度增大，加快了植物根系的呼吸，有助于防止坏根的产生。同时，秸秆可以释放有机质，为植物的生长提供必要的养分。此外，秸秆的添加还可以增加基材的毛管孔隙度，促进水分的储存，有利于植物根毛的生长。然而，当秸秆含量过多时，基材会过于疏松，难以形成适合植物生长的团粒结构，这会导致高羊茅容易倾倒，并且使护坡基材中的水分和养分流失，对高羊茅的生长不利。

1～5分别为水平组1至水平组5，图3至图6同

2.1.2 不同水泥含量对高羊茅出苗率的影响 由图3可知，随着水泥含量的不断增大，高羊茅的出苗率逐渐减小。水泥含量为4%时，出苗率为82.3%，而当水泥含量为12%时，出苗率减少至54.5%，低于对照组。导致该现象的主要原因是水泥为碱性，当水泥含量过高时，基材的碱性增大，植物的生长环境遭到破坏，植物生长受到抑制。同时由于水泥的加入，基材硬度增大，幼苗破土困难，导致出苗率较低。

2.1.3 不同草炭土、有机肥和保水剂含量对高羊茅出苗率的影响 由图4可知，添加不同含量草炭土、有机肥和保水剂处理的出苗率均高于对照组。试验中使用的草炭土为酸性草炭土，具有中和水泥碱性的作用，从而改善植物的生长环境，草炭土的疏松性可以增加基材的透气性，而且草炭土含有丰富的有机质，可为植物提供所需的营养物质；保水剂具有吸收水分的能力，能够在降雨或浇水较多时吸收水分，并在干旱时释放水分，从而起到调节基材水分的作用。

2.2 各因素对高羊茅株高的影响

由图5可知，草炭土含量与高羊茅的株高呈正相关关系。随着草炭土含量的增加，高羊茅的株高也随之增加，导致该现象的主要原因是草炭土具有酸性特性，能够中和水泥中的碱性成分，改善植物的生长环境，草炭土还能为植物提供所需的有机质。当秸秆含量为1%时，株高最低，为224 mm，当秸秆含量为4%时，株高最大，为323 mm，增加了44%；然而随着秸秆含量继续添加，基材难以形成植物生长所需的团粒，株高降低至261 mm，因此应控制秸秆的添加量。高羊茅的株高与水泥含量呈负相关关系，随着水泥含量的增加，植物的株高减小速率不断增加。因此，在保证基材强度的前提下，应尽量减少水泥的使用。

2.3 最优护坡基材配比的筛选

在进行护坡基材选取时，需要综合考虑出苗率、株高和成本3个评价指标。为了评估不同指标的综合表现，采用综合评分法［12］进行评分。其中，排队评分法［13］可用于对指标进行评分，该方法将每项指标的最优值评为满分（10.00分），最差值则评为最低分（1.00分）。其他值介于最差值和最优值之间，通过插值的方式进行评分。以出苗率为例，出苗率越高，说明护坡基材的质量越好。处理16的出苗率达83.0%，可以将其视为最优，赋值10.00分；而处理5的出苗率仅为42.5%，表现最差，因此赋值1.00分；处理25的出苗率为50.0%，通过插值法计算其分值为2.67分。综合评分如表4所示。处理16的综合评分最高，为25.70分，即生态护坡基材的最优配比为秸秆含量4%、水泥含量4%、有机肥含量5%、草炭土含量8%、保水剂含量0.25%。

2.4 高羊茅生长影响因素重要性分析

对影响高羊茅生长因素的相关性［13］进行分析时，只考虑出苗率和株高的影响，不考虑成本。由表5可知，各因素对高羊茅高羊茅生长因素的影响从大到小依次为水泥、秸秆、草炭土、保水剂、有机肥。

2.5 水泥、草炭土对基材pH的影响

由图6可知，各试验组护坡基材pH均高于对照组。随着水泥含量增加，护坡基材pH明显增加。这是因为水泥主要成分是硅酸三钙，其水化产物呈碱性，释放出氢氧根离子（OH-），从而导致基材的pH增大。护坡基材pH也受草炭土的影响，随着草炭土含量增加，护坡基材pH呈下降趋势。草炭土具有一定的酸性，能够中和水泥中的氢氧根离子，从而降低护坡基材的碱性。保水剂、秸秆、有机肥表现为中性，对基材pH的影响较小。

2.6 室内模拟降雨侵蚀

按照最优基材配比（秸秆含量4%、水泥含量4%、有机肥含量5%、草炭土含量8%、保水剂含量0.25%）制成护坡基材，并掺入高羊茅种子，然后喷射在自制的边坡上，喷射厚度为10 cm。如图7、图8所示。15 d后高羊茅基本完成出苗，45 d后高羊茅植被覆盖率超过95%，采用不同的降雨强度进行降雨侵蚀试验，如图9、图10所示。侵蚀模量的计算公式如下。

Q=[mS×t]             （1）

式中，Q为侵蚀模量，单位为g/（m2·h）；m为冲刷流失的护坡基材质量，单位为g；S为坡面冲刷面积，单位为m2；t为冲刷时长，单位为h。

由图11可知，随着降雨强度的增加，侵蚀模量也不断增加。随着高羊茅覆盖率和株高的增加，护坡基材的侵蚀模量不断变小，主要原因是随着株高的不断增加，植物的茎叶阻挡了降雨，降低了降雨落下的速度，从而降低了雨滴落地的动能，减少雨水对基材的直接侵蚀。植物的根系也比较发达，起到加筋的作用。本研究的护坡基材具有良好的抗侵蚀能力，实用性较强。

3 小结

本研究以秸秆、水泥、有机肥、草炭土、保水剂的含量为试验因素，采用正交试验法，分析各因素对高羊茅生长指标的影响并最终确定生态护坡基材的最优配比。根据综合评分结果，在陕南地区，适合高羊茅生长的最优基材配比为秸秆含量4%、水泥含量4%、有机肥含量5%、草炭土含量8%、保水剂含量0.25%。根据极差分析，各因素对高羊茅生长的影响从大到小依次为水泥、秸秆、草炭土、保水剂、有机肥；草炭土含量与高羊茅的株高呈正相关关系，植物的株高与水泥含量呈负相关关系。随着水泥含量增加，护坡基材pH明显增加，对植物生长带来负面影响。草炭土具有酸性特性，可以中和基材的氢氧根离子，从而改善植物生长环境，并进一步促进植物生长；保水剂、秸秆、有机肥表现为中性，对基材pH的影响较小。室内模拟降雨侵蚀试验表明，本研究的护坡基材具有较好的抗侵蚀能力，因此具有良好的实用性。

本研究充分利用千枚岩富含钾元素的特点，将废弃的千枚岩重新利用起来，使其成为护坡植物生长中重要的基材组成部分，对于指导陕南地区护坡基材的配比具有一定的指导作用，可以有效减少废弃物产生并实现资源的循环利用，同时为护坡工程提供了一种经济、环保的解决方案。

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