巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李 燦，周海清，，趙尚毅，王慶鑫，彭 岳

（1陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；2重慶科技學(xué)院，重慶 401331；3中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401147）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，礦山、水利、城鎮(zhèn)、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方興未艾。其中大量的挖方工程，破壞了原有地貌與植被，導(dǎo)致水土流失，造成了嚴(yán)重的生態(tài)破壞，可能誘發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[1]，而且在城市空間中形成了裸露的土坡和巖質(zhì)邊坡，裸巖邊坡顏色單調(diào)灰暗，和城市環(huán)境格格不入，造成了嚴(yán)重的視覺污染。裸露巖石邊坡立地條件差于土質(zhì)邊坡，缺乏植被生長的土壤和養(yǎng)分條件，難以快速恢復(fù)生態(tài)水平。而且，邊坡高度和坡面角一般較大，依靠單純生物護(hù)坡很難恢復(fù)原有植被。通常采取工程措施、土木工程技術(shù)與植被防護(hù)相結(jié)合的方法，在保證巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的情況下，對(duì)其進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)與水土保持[2]。

1 國內(nèi)外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

日本、歐美國家在巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)方面開展的研究工作較早，如美國在1936年，開始使用生態(tài)護(hù)坡技術(shù)處理公路邊坡治理問題[3]。從總體上看，日本邊坡綠化技術(shù)研究處于全球領(lǐng)先地位，其綠化建設(shè)與公路建設(shè)同步發(fā)展，至今50多年，獲得了40多項(xiàng)邊坡治理技術(shù)的專利。日本在巖質(zhì)邊坡綠化技術(shù)的研究開發(fā)也走在前沿，先后開發(fā)出了纖維土綠化工法和TG綠化工法，屬于厚層基材噴射工法，是巖質(zhì)邊坡綠化建設(shè)開始的標(biāo)志。此外，日本于90年代對(duì)多孔生態(tài)混凝土也作了一定的研究并取得一定成效，不過考慮到成本較高，目前沒有得到廣泛應(yīng)用[4]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

巖質(zhì)邊坡土壤難以覆蓋、巖體持水能力差、臨空面較陡較高，其生態(tài)防護(hù)技術(shù)研究難度較大，發(fā)展稍落后于土質(zhì)邊坡。1995年陳振盛采用植生袋方法處理泥巖邊坡綠化問題[5]。1998年重慶交科院提出了用于風(fēng)化破碎巖石邊坡綠化建設(shè)的復(fù)合營養(yǎng)土噴播植被技術(shù)。同年劉桂年采用栽植葛藤、松樹處理軟巖邊坡生態(tài)防護(hù)問題[6]。2001年關(guān)杰雄提出了三維植被網(wǎng)結(jié)合噴播植草防護(hù)高陡及碎石英片巖土邊坡的應(yīng)用[7]。2000年以來，張俊云對(duì)于巖石邊坡植被護(hù)坡的厚層基材噴射種植基進(jìn)行了研究并開展了系列試驗(yàn)，初步得出了厚層基材噴射種植基對(duì)于植被生長的主要影響因素[8]。三峽大學(xué)對(duì)巖質(zhì)邊坡綠化建設(shè)這一問題進(jìn)行了系列研究，研發(fā)出綠化基材噴錨護(hù)坡技術(shù)并成功應(yīng)用于巖石邊坡的生態(tài)防護(hù)上[9]。經(jīng)過二十余年的研究和發(fā)展，我國巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)得到了較大的發(fā)展，開發(fā)出了多種既能對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，又能改善工程環(huán)境的生態(tài)防護(hù)技術(shù)。目前主要集中于植被混凝土技術(shù)、客土噴播技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)、厚層基材噴播技術(shù)、植生袋生態(tài)重建技術(shù)等方面的研究。

2 巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)的主要形式

2.1 植被混凝土

植被混凝土技術(shù)是一種噴混植生護(hù)坡方法，將膠結(jié)材料、植生土、草種、有機(jī)質(zhì)腐植質(zhì)按一定比例混合配置混凝土拌合物[10]，再采用液壓噴播技術(shù)噴播于裸露的巖質(zhì)邊坡，形成一層具有一定強(qiáng)度、抗侵蝕性，并且能夠穩(wěn)定附著于巖石表面的綠化基材，其性質(zhì)與水泥土[11]有一定的相似性，該技術(shù)具有施工簡便、機(jī)械化程度高、材料來源廣、成本低、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，是集土壤學(xué)、植物學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)、肥料學(xué)、化學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、園藝學(xué)等學(xué)科于一體的綜合綠化技術(shù)。該技術(shù)主要通過研究植生基材的合理配比來解決巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)問題，對(duì)工程環(huán)境較差處效果顯著，如軟巖、礫石層和破碎巖等[12]。

在植被混凝土基材材料選擇及其配置研究方面，孫永軍等通過無砂大孔混凝土的改性研究，研制出了環(huán)保型綠色植被混凝土，解決了孔隙率與強(qiáng)度的矛盾，一定程度上改善了混凝土堿性環(huán)境，利于植被生長[13]。紀(jì)慧宇等[14]為了較好解決顆粒團(tuán)聚和堵管現(xiàn)象，在植被混凝土中摻入碎石。目前一些研究者在植生基材中添加纖維對(duì)植被混凝土進(jìn)行改性，并取得了一定的成效。高文濤等[15]通過在植生基材中加入纖維、砂、建筑膠粉和適量引氣劑的方法來提高植被混凝土的抗凍性，同時(shí)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，確定了基材的最佳配比。陳毅與梁永哲等[16]摻入棕纖維和黃麻纖維對(duì)植被混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明植被混凝土抗剝落能力隨著纖維的總含量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，并分別對(duì)兩種纖維做了敏感性分析。在有機(jī)質(zhì)、保水劑質(zhì)量配比和降低基材pH值的研究方面，劉大翔等[17]通過制備含有不同類型的有機(jī)質(zhì)及配比的植被混凝土，進(jìn)行孔隙率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果得出，小粒徑粉末狀有機(jī)質(zhì)最為合理，建議配比7%～9%。秦健坤等[18]研究了保水劑粒徑差異對(duì)植生基材持水能力的影響，結(jié)果表明使用保水劑能夠增加植生基材在失水過程中的持水能力，孔隙持水作用強(qiáng)于分子持水作用，建議以大粒徑保水劑0.5%的質(zhì)量配比。夏棟等[19]測定了多個(gè)基材樣品的pH值、有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀的含量并分析了其中的相關(guān)性。

上述學(xué)者對(duì)植被混凝土基材配比做了系列的理論與實(shí)踐研究，促進(jìn)了植被混凝土技術(shù)在邊坡生態(tài)防護(hù)中的發(fā)展應(yīng)用。但對(duì)植被混凝土與巖石相互作用機(jī)理、整體穩(wěn)定性研究不夠深入，在工程應(yīng)用中，也未充分考慮巖體高度、坡面角、巖面特征等因素對(duì)生態(tài)防護(hù)造成的影響。

2.2 三維植被網(wǎng)

三維植被網(wǎng)綠化技術(shù)是在坡面上采用土工合成材料，撒播或噴播草種，使活性植物具有一定的自我生長能力，同時(shí)通過植物的生長和發(fā)育根系對(duì)邊坡進(jìn)行加固，形成生態(tài)防護(hù)系統(tǒng)。三維植被網(wǎng)一般也稱作土工網(wǎng)墊或固土網(wǎng)墊，是以熱塑性樹脂，如聚丙烯和聚乙烯高分子聚合物為原料，經(jīng)過擠出、拉伸、焊接、收縮等工序制成的三維結(jié)構(gòu)孔網(wǎng)，底層作為基礎(chǔ)層采用雙向拉伸技術(shù)，強(qiáng)度高、彈性好，使植被網(wǎng)固形能力增強(qiáng)，能有效防止水土流失。表層具有蓬松的網(wǎng)包，有足夠空間可以容納客土，以供植被生長。該綠化技術(shù)具有工程造價(jià)低、環(huán)境景觀效果好、工程效果好、施工簡單且效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的發(fā)展前景。

三維植被網(wǎng)技術(shù)也是解決巖質(zhì)邊坡綠化建設(shè)的重要技術(shù)手段之一，國內(nèi)許多工程技術(shù)人員和研究者開展了系列理論和實(shí)踐研究。黃寅[20]采用碳纖維材料，研制了一種碳纖維-三維植被網(wǎng)邊坡綠化技術(shù)，該技術(shù)較普通金屬網(wǎng)具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、美觀的優(yōu)點(diǎn)。謝建明等[21]通過實(shí)際工程案例，認(rèn)為三維植被網(wǎng)不適用于砂巖邊坡，適用于頁巖邊坡及介于頁巖與土質(zhì)邊坡之間的巖石邊坡。姚雪貴等[22]在某現(xiàn)場邊坡采用3種綠化手段進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了三維植被網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性較好的特點(diǎn)。張瑋等[23]對(duì)36組草皮試件的糙率進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，得出草皮糙率隨生長期而增加，加筋草皮的糙率普遍大于天然草皮糙率的結(jié)果。關(guān)杰雄[7]首次將三維植被網(wǎng)運(yùn)用在高陡及碎石質(zhì)土邊坡綠化建設(shè)上。羅藝偉等[24]驗(yàn)證了三維植被網(wǎng)是花崗巖邊坡生態(tài)防護(hù)的最優(yōu)方式。Chen等[25]論述和總結(jié)了三維植被網(wǎng)在渠道邊坡柔性防護(hù)技術(shù)中的運(yùn)用。Theisen[26]系統(tǒng)論述了三維植被網(wǎng)護(hù)坡的理論依據(jù)、應(yīng)用效果和注意事項(xiàng)，認(rèn)為三維植被網(wǎng)能夠起到加固土壤和減弱侵蝕的作用。

上述學(xué)者對(duì)于三維植被網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和理論研究取得了一定的成果，特別是國外學(xué)者對(duì)三維植被網(wǎng)在背水坡的應(yīng)用以及抗侵蝕機(jī)理研究成果較多。總體上看，三維植被網(wǎng)技術(shù)在巖質(zhì)邊坡的研究還不夠深入，在工程應(yīng)用中未考慮到邊坡高度、坡面角以及坡面特征等因素，目前較多停留在工程層面，對(duì)三維植被網(wǎng)理論研究較少，如三維網(wǎng)與客土、植被的受力關(guān)系、整體穩(wěn)定性，三維網(wǎng)與巖石表面的整體穩(wěn)定性等。

2.3 客土噴播技術(shù)

客土噴播技術(shù)是通過客土噴混泵機(jī)將土壤混合物均勻噴射到裸露的巖質(zhì)或土質(zhì)坡面上，坡面一般需提前掛網(wǎng)處理，土壤混合物為根據(jù)合理配比配置好的基材土壤、肥料、保水劑、pH調(diào)節(jié)劑、水、選配好的各種植物種子等，最終在坡面起到生態(tài)防護(hù)、美化景觀的作用。該技術(shù)具有護(hù)坡效果好、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)美觀、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

歐哲等[27]針對(duì)客土噴播技術(shù)中的掛網(wǎng)處理，提出以人工臺(tái)階加固引流系統(tǒng)來代替鐵絲網(wǎng)，以保證高陡邊坡噴播客土厚度，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)能夠提高加固效果和抗沖刷性能。粟嫻等[28]針對(duì)炭質(zhì)頁巖邊坡受雨水影響大的問題，在客土噴播技術(shù)的基礎(chǔ)上采用土工膜對(duì)坡面進(jìn)行封閉處理，取得了較好的綠化防護(hù)效果。李映等[29]開展了在客土基材中添加木質(zhì)素的系列試驗(yàn)，結(jié)果表明木質(zhì)素的添加能顯著提高土壤抗剪強(qiáng)度，為客土基材配比研究提供了參考。曹子龍等[30]在客土噴播技術(shù)中采用表層土壤作為客土進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出表層土壤可促進(jìn)邊坡植被向著鄉(xiāng)土化植物群落演替的結(jié)論。汪益敏等[31]定量研究了邊坡在不同條件下的抗沖刷能力，得出了客土噴播技術(shù)能夠有效提高邊坡抗沖刷性的結(jié)論。Kazutoki[32]開展了系列試驗(yàn)，觀察根系的變形和土體剪切區(qū)的變化，推導(dǎo)出了根系對(duì)坡體抗剪強(qiáng)度的影響公式。

上述學(xué)者對(duì)于客土噴播技術(shù)的應(yīng)用和理論研究取得了一定的成果，實(shí)踐表明該技術(shù)能夠有效處理坡度不大的巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)問題。但在工程應(yīng)用和理論研究中，沒有考慮到坡體表面特征和坡面角，對(duì)根土復(fù)合體與坡面的整體穩(wěn)定性研究還不夠深入，停留在工程實(shí)踐層次較多。

3 現(xiàn)階段巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)存在的問題及展望

（1）植物的選配方面，需要因地制宜，根據(jù)氣候、土壤、水文等自然條件，合理選配鄉(xiāng)土植物，包括各類喬、灌、草、藤本植物的組合栽植。我國最初引進(jìn)國外生態(tài)防護(hù)技術(shù)時(shí)未采用鄉(xiāng)土植物，導(dǎo)致防護(hù)和綠化效果不理想，雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，但對(duì)鄉(xiāng)土植物的重視程度還不夠，只有適合本地的鄉(xiāng)土植物才能夠形成穩(wěn)定的植被群落，達(dá)到良好的防護(hù)和綠化效果。同時(shí)也可對(duì)外來植物有選擇性的引進(jìn)。

（2）適用于巖質(zhì)邊坡的植生基材還需要進(jìn)一步的研發(fā)，合理選取基材配比，規(guī)范施工工藝，在保證具有較好的綠化效果下降低成本。同時(shí)還要重視新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)。

（3）根土復(fù)合體與坡面的相互作用機(jī)理和整體穩(wěn)定性目前研究還不夠深入。在進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展數(shù)值模擬研究，如采用顆粒流軟件模擬根系與土體的相互關(guān)系，對(duì)比分析模擬與試驗(yàn)結(jié)果，探索根土復(fù)合體力學(xué)特性、根系對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定性的影響等問題，為巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

（4）針對(duì)巖質(zhì)邊坡立地條件差的問題，單靠生態(tài)護(hù)坡難以保證邊坡的穩(wěn)定性，可組合運(yùn)用綠化和工程防護(hù)方法處理巖質(zhì)邊坡，建立穩(wěn)定的生態(tài)防護(hù)體系。