濕噴植被混凝土生態護坡技術在水渠邊坡工程中的應用

葉建軍， 陳陽陽， 黃 濤

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068； 2.武漢康習環保科技有限公司， 湖北 武漢 430000)

大規模工程建設形成的工程邊坡，帶來了生態環境破壞和地質災害隱患。對邊坡進行防護的同時修復坡面生態系統，近年來成為工程界努力追求的目標。這催生了一個新的領域——生態護坡。在過去的30 a多時間里，伴隨大規模基礎建設，國內工程技術人員在借鑒國外先進經驗的基礎上，開發出了種類繁多的生態護坡新技術，如客土噴播技術、厚層基材噴播技術、植被混凝土生態護坡技術(初稱植被混凝土護坡綠化技術)、防沖刷基材生態護坡技術、液壓噴播護坡技術、框格梁填土護坡技術、噴混植生護坡技術、植生帶生態防護技術、三維植被網護坡技術、土工格室生態護坡技術等[1]。其中，2000年前后三峽大學許文年等[2]、王鐵橋等[3]發明的植被混凝土(vegetation-compatible concrete，VCC)生態護坡技術是其中杰出代表。該技術是將水泥、壤土、有機質、植物種子、肥料及植被混凝土添加劑按配比混合得到植被混凝土基材(簡稱基材)，再利用噴射機噴射到需要生態防護的邊坡(一般要先在坡面施工錨桿和掛網)上，最后灑水養護。該技術自問世以來一直采用干噴工藝(使用干式噴錨機)，已大規模應用在各類生態護坡工程中[4]。通過大量工程實踐，發現該技術(干噴工藝)具有施工機械設備易獲得(可利用現有干式噴錨設備，不必專門開發機械設備)、基材噴層護坡性能和抗沖刷性能良好的優點；但也存在基材板結、pH值較高、部分植物發芽率低的缺點。另外，干噴工藝固有的缺點—效率低、粉塵污染大、噴槍手勞動強度大和安全風險高也無法避免。雖然過去的10 a多期間陸續開發了一系列專利技術(如改進型植被混凝土綠化添加劑制備方法[5]，一種植被混凝土改良型微生物菌劑及其制備方法[6]等)，克服了原有技術的部分缺點(如基材板結和發芽率低)，但干噴工藝固有的缺點一直存在。

為了克服植被混凝土生態護坡技術干噴工藝存在的問題，擴大該技術的應用范圍，我們通過借鑒濕式客土噴播工藝[7]，改進植被混凝土基材配方和開發新型添加劑等技術途徑，開發了濕噴植被混凝土生態護坡技術[8]。本文介紹了該發明的主要技術特征和首次在水渠邊坡治理工程中的應用情況，以期驗證其先進性和實用性，為工程邊坡生態防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 濕噴植被混凝土生態護坡技術

濕噴植被混凝土生態護坡技術在原有植被混凝土基材配方、植被混凝土添加劑、噴射機械等方面進行了改進，濕噴植被混凝土的配方見表1，該技術相對于原有技術的主要區別見表2。

表2 植被混凝土干噴工藝與濕噴工藝對比

表1 新拌濕噴植被混凝土配方

表1給出的濕噴植被混凝土配方選用材料常見，多數材料是當地材料，能夠有效控制建設成本。配方中用量最大的是壤土，在使用前需要了解壤土的類型及其他性質(含水量、pH值、養分含量)，以便優化配方設計。濕噴植被混凝土添加劑為研發的新型專利產品[9]，經過多道工序加工制備而成，能顯著改善植被混凝土基材的施工性能、土壤結構及pH值等性能。該濕噴基材配合錨桿、鐵絲網或鋼筋網等坡面防護體系，共同為邊坡創造穩定的生態系統提供基本物質基礎。

通過上表兩種施工工藝對比表明，在基材配方上，濕噴植被混凝土配方在原有干噴植被混凝土配方的基礎上，使用長效肥替代部分普通復合肥改善濕噴基材后期的營養狀況；加入草纖維及土壤黏合劑提高了基材整體性與附著性；以濕噴植被混凝土添加劑替代以往的綠化添加劑不僅能有效改善基材的pH值和養分供給，還能顯著提高新噴基材的早期黏聚性，防止基材脫落，提高植物抗旱能力，加速邊坡植被恢復進程并建立穩定坡面生態系統。

相對于干噴工藝中噴槍手需要用安全裝置站在陡坡上手持噴頭噴射植被混凝土基材，濕噴工藝中的濕噴機械上有專供操作人員工作的平臺，濕噴的泥漿狀基材可以噴射數10 m遠，操作人員不必上到坡面，因而濕噴操作更加輕便和安全，幾乎沒有噴射灰塵。濕噴機械設備已實現國產化，成本比干噴低10%～15%；濕噴每天噴射量≥500 m2/d，施工效率是干噴的2.5倍以上，節約人工費5%～10%，綜合經濟成本可節約5%～15%。這表明，對于路上邊坡(或施工平臺以上的邊坡)，濕噴工藝占有明顯的優勢。

在濕噴基材噴射施工中，存在一對根本的矛盾需要解決，即：為保證基材噴射不堵管和噴射距離遠，需要基材黏度小、流動性大；而為了使基材在坡面附著，需要新噴基材的黏度大和流動性低。這對矛盾必須妥善解決，才能讓濕噴植被混凝土技術有廣泛的應用(特別是可用于陡坡)。本發明通過以下措施解決：在濕噴基材中使用吸水型土壤黏合劑，這種有機土壤黏合劑連同無機膠凝材料——水泥、石膏(主要是水化作用時產生的陽離子)共同作用，使分散在水中的黏土顆粒發生絮凝，在保證基材拌合物的有合適流動性的前提下，顯著提高了新噴基材的附著性；在基材中加入了短植物纖維，能顯著提高新拌基材的整體性；在濕噴植被混凝土添加劑中加入適量石膏，利用石膏本身的快速凝結與硬化、鋁酸三鈣、硅酸三鈣的快速水化生成的凝膠以及石膏與硅酸三鈣、鋁酸三鈣反應生成鈣礬石, 迅速降低新噴基材的流動性；伴隨著水泥中硅酸鈣的繼續水化反應和游離水分的蒸發，進一步提高新噴基材的黏聚性和抗侵蝕性。采用多次分層施工工藝，減少每次噴射厚度，使新噴基材能黏結在硬化后的噴層上，且新噴基材中水分能被舊噴層吸收一部分，降低新噴層的流動性。這些措施聯合作用解決了濕噴工藝的流動性與黏聚性之間的根本矛盾。后期的工程應用也驗證了這個觀點。

1.2 新技術在花馬湖水渠邊坡工程的首次應用

1.2.1 工程概況 花馬湖水系連通渠連接花馬湖上湖、中湖，位于鄂州市沙窩鄉新灣村。渠道總長度1 004.2 m，寬度40 m，渠底至坡頂截水溝高度在5～67 m之間，邊坡坡度在35°～80°之間。該連通渠左岸有施工料場，右岸毗鄰當地池塘，上游與下游各有施工便道穿行，上游設置有閘口，下游設有涵管，防汛排澇。根據甲方要求，邊坡覆綠植物以草灌為主，草本、灌木、花卉相結合，施工完成后3個月內覆綠率達到90%。該工程的典型斷面見圖1。

圖1 花馬湖水渠邊坡綠化工程YJ0+250樁號斷面圖

1.2.2 自然地理概況

(1) 氣候條件。該區域位于亞熱帶季風性濕潤氣候區，屬鄂東南和鄂南的沿江平原氣候區，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，梅雨期較短。年均氣溫16.8 ℃，年均降水量1 282.8 mm，年均無霜期266 d，常年主導風向為東南季風。

(2) 水文地質條件。本水渠設計蓄水位深度為3.5 m，在每年6—10月汛期來臨時蓄水排洪；地形主要以東西走向的低山丘陵為主，境內主要有白雉山、峰尖子山和早山；地貌較為單一，以丘陵地貌為主，遍布有較多的稻田、棉花地以及少數的溝渠、池塘，表層均為耕植土與腐植土；坡面巖石以含泥質長石石英砂巖層、風化灰巖、含泥質粉砂土巖層為主，巖層破碎、風化嚴重，局部存在倒坡現象。

(3) 植被狀況。該區域土壤肥沃、氣候適宜，草本、灌木、喬木、花卉類植物眾多，整體植被覆蓋率高達90%，對花馬湖流域典型植被進行調查，主要有以下植被類型：①喬木。有刺槐、楊、柳、馬尾松、桑、馬尾松、香樟、構樹、臭椿、廣玉蘭、油茶、山雞椒、冬青、楠木、苦楝、白玉蘭、枇杷、合歡、欒樹、柿、泡桐樹、側柏、水杉、榆樹、槭樹等；②灌木。有牡荊、連翹、薔薇、紫荊、火棘、胡枝子、杜鵑、鹽膚木、多花木蘭、小葉女貞、黃楊、枸骨、黑莓、烏藥、木槿、紫丁香、夾竹桃、無花果、檸條、紫穗槐等；③草本。有馬唐、狗尾草、牛筋草、青蒿、茴蒿、白茅、芭茅、竹、黃背草、馬鞭草、夏枯草、益香草、陰行草、車前草、水菖蒲、芒草、香附子、鬼針草、芍藥、野菊花、雞冠花、紫羅蘭等。

1.2.3 主要設計技術參數

(1) 生態護坡設計。連通渠邊坡原設計采用噴C20混凝土護坡方式，后來考慮到生態環境保護及工程景觀效果，決定渠底至3.5 m高程采用現澆混凝土擋土墻，3.5 m以上(包括一級、二級平臺)采用濕噴植被混凝土生態護坡。邊坡設置坡頂截水溝及坡面排水溝，其內截面尺寸均為60 cm×60 cm；在坡面打錨桿(包括長錨桿和短錨桿)掛鐵絲網或鋼筋網(鋼筋網只在局部坡面使用，直徑為Φ6.5 mm光圓鋼筋，間隔500 mm×500 mm)，實現對邊坡的防護；噴射植被混凝土基材噴層厚度10～12 cm。

(2) 機械設備選擇。施工現場選用的機械設備有：JS1000強制式攪拌機，ZL930型農用裝載機，50型震動篩土機，HKP-125型濕式噴播機。它們搭配合理，施工效率高、用工較少，能夠滿足正常施工需求，節約施工成本。

(3) 基材配比。根據施工創面的特點和坡面立地條件，確定濕噴植被混凝土基材由壤土、水泥、濕噴植被混凝土添加劑、有機質、長效肥、普通復合肥、土壤粘合劑組成，包括基層和面層，基材配比為：基層(壤土0.5～0.6 m3/m3，水泥30～40 kg/m3，濕噴植被混凝土添加劑30～40 kg/m3，有機質0.12～0.15 m3/m3，長效肥0.6～0.8 kg/m3，復合肥0.5～0.7 kg/m3，土壤黏合劑0.1～0.2 kg/m3)，面層(壤土0.5～0.6 m3/m3，水泥20～25 kg/m3，濕噴植被混凝土添加劑20～25 kg/m3，有機質0.1～0.12 m3/m3，長效肥0.9～1.0 kg/m3，復合肥0.6～0.8 kg/m3，土壤黏合劑0.2～0.3 kg/m3，植物種子150～200 g/m3)。

其中，有機質中草纖維的體積占40%～50%，腐爛的稻殼或酒糟的體積占50%～60%；草纖維采用長度為20～80 mm的碎稻草或碎麥草。土壤黏合劑選用聚丙烯酰胺，兼作保水劑。長效肥采用長效復合肥，其中氮磷鉀含量分別占37.5%,50%,12.5%；普通復合肥中氮磷鉀含量分別占50%,25%,25%。

(4) 植物選擇與配比。依據恢復生態學的理論總結出的裸露的巖石邊坡的生態修復規律[10-11]，在進行植物配置時應遵循不同生態位的植物相搭配的原則，即深根和淺根植物相結合，草本和木本植物均兼顧，先鋒和建群植物都使用。

根據上述植物配置原則及邊坡植被對耐旱、耐寒、耐貧瘠要求，結合考慮市場供應，確定了使用植物種類為：多花木蘭(Indigoferaamblyantha)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、白三葉(Trifoliumrepens)、鹽膚木(Rhuschinensis)、狗牙根(Cynodondactylon)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、高羊茅(Festucaarundinacea)、早熟禾(Poapratensis)、野花組合(俏江南)。植物種子在春夏秋冬季節對暖季型草種與冷季型草種用量進行了相應調整(必須指出的是，冬季和深秋施工時植物發芽率低，應盡量減少或避免)，具體配比見表3。

表3 植物種子配比 g/m2

(5) 濕噴植被混凝土生態護坡技術施工工藝。本項目的施工分兩個階段，第一階段為施工長錨桿(局部鋼筋網)護坡。待注漿完工后，開始第二階段施工——濕噴植被混凝土施工。施工長錨桿護坡為成熟工藝，本文不詳述。

濕噴植被混凝土生態護坡技術施工工藝流程：清理坡面→截排水施工和錨桿掛網施工→噴射植被混凝土→養護管理→竣工驗收。由于清理坡面、截排水施工、錨桿掛網、養護管理、竣工驗收等環節與以往干噴植被混凝土施工工藝并無顯著差異，此處不再詳細論述；僅在配置植被混凝土基材時與干噴工藝存在差別，具體為：①濕噴植被混凝土配制。按照給定的基材配比，將種植土先過網篩去除大于0.75 cm的砂礫，再將篩出的細土置入強制式攪拌機，加水拌合成泥漿，通過鐵皮制作的溜槽流入客土噴播機料斗，然后加入水泥、有機質(草纖維、稻殼、酒糟)、長效肥、普通復合肥，充分拌合2～3 min使其均勻；最后將濕噴植被混凝土添加劑、土壤粘合劑、植物種子一起倒入料斗中攪拌，完成植被混凝土的配制。攪拌完成后的待噴時間不應超過10 min。②噴射植被混凝土。植被混凝土噴層包括基層和面層，多次分層噴射，基層噴射3～5次，面層(含植物種子)噴射1～2次。使用容量為7.2 m3的HKP-125客土噴播機噴射基材。噴射時間控制在15 min以內。

1.3 現場試驗觀測與指標計算

2019年3月施工后持續觀測護坡、水土保持和植物生長情況，期間的天氣狀況見圖2。

圖2 施工期間天氣狀況

濕噴基材噴射3個月后(即2019年6月)采用樣方調研法[12]，在人工邊坡上選取兩個典型坡面(陡坡和緩坡，大于60°為陡坡，小于40°為緩坡)，在上、中、下坡面等不同坡位分別設置以個1 m×1 m的樣地，每個樣地豎向間距至少為3 m，共選取6個樣地，同時按照相同的方法在自然邊坡選取樣地。再統計人工邊坡和自然邊坡的植物類型、種類、數量，記錄每個樣方中植物的平均高度(選取測量20個樣本取平均值)、植株密度(1 m2內植物的數量)、植物蓋度(使用手機拍照，利用Photoshop軟件處理，植被覆蓋度像素與整張照片像素的比值就是植被的蓋度)等指標的具體情況。根據現場試驗采集結果，依據計算公式計算相關指標[13-17]，并利用Excel制作表格。

(1) Shannon-Wiener多樣性指數。是反映物種多樣性的重要指標，其指數越大，說明物種數目越多，不確定性也越大，公式如下：

(1)

(2) Pielou均勻度指數。反映樣地中所有物種的分布狀況，與豐富度有關，其指數越大，表明物種分布越均勻，公式如下：

(2)

(3) Simpson優勢度指數。是對物種集中性的反映，其指數大，表明物種集中性高，公式如下：

(3)

式中：i=1，2，3…，s為物種序號；S為群落內物種總數；Pi為第i個物種的重要值比值。

2 結果與分析

2.1 護坡與水土保持效果分析

2.1.1 護坡效果 邊坡在長錨桿(局部鋼筋網)和植被混凝土噴層的防護下，未發生深層滑坡；坡頂未出現新的裂紋或既有裂紋擴展現象；長錨桿未出現折斷和脫落；鐵絲網沒有破裂和下滑；濕噴基材能夠穩固地附著于坡面，在雨天邊坡坡面未發生淺層滑坡；坡腳設置剛性擋土墻(鋼筋混凝土擋土墻)，應力分布均勻，沒有出現明顯結構變形，保證了坡腳穩定；總體上，護坡效果顯著，沒有出現工程地質災害現象。

2.1.2 水土保持效果 在施工后的3個月里，噴層先后經歷過4次暴雨考驗(最大一次降雨量大于100 mm)，經歷幾場暴雨后基材能夠覆蓋絕大多數坡面和鐵絲網，僅在局部陡坡(如倒坡、坡面滲水處)處出現了噴層流淌和剝落，不能覆蓋鍍鋅鐵絲網的問題(后期通過引離坡面水流和補噴的方式加以補救)。坡頂截水溝攔截了山體匯聚的雨水，避免了坡面直接受水流侵蝕；從基材新噴到植物發芽期間，遭遇大暴雨時，坡面出現過輕微面蝕和細溝侵蝕(平均厚度約1～2 mm)。但隨著植物的快速生長，植物的莖葉越來越茂盛，坡面植被覆蓋逐漸增強，雨水侵蝕逐步減弱；同時隨著植物根系也對基材的加筋作用的增強，進一步增強了基材的抗侵蝕性。2個月后坡面水土保持效果很好，大暴雨時，坡面徑流保持清澈。

2.2 植被恢復效果與分析

2.2.1 植被覆蓋效果 噴射施工1個星期后，緩坡區(小于40°)高羊茅最先發芽，接著狗牙根、百日菊、紫花苜蓿、紫穗槐相繼發芽。陡坡區(大于60°)前期植物發芽率普遍較低，植物長勢也低于緩坡區，但1個月后植被也能基本覆蓋坡面，整體覆蓋率達到90%以上。整體的工程景觀綠化效果較為美觀，能與周圍的自然景觀融合在一起，達到了預期的植被恢復效果，見圖3。

圖3 護坡植被恢復后狀況

2.2.2 物種恢復效果 在植物生長的過程中，發生了由基材壤土中攜帶草種或原地宿根或附近草種被風吹入坡面等本地植物入侵。主要入侵物種為稗草、狗尾草、藜、草木犀、鳳仙花、商陸、竹、地膚、馬唐、牛筋草、飛蓬、苧麻、黑麥草。這些本地物種雖一定程度上搶占了生存空間、土壤養分及水分，但也提高了坡面物種豐富度及物種多樣性，避免坡面人工植物出現退化，利于早日建立穩定的適合當地氣候的生態系統。根據以上試驗觀測數據與計算得到如表4結果。

表4 花馬湖水渠邊坡植被觀測指標

從表4可知，施工3個月后，緩坡區的植被蓋度、植物平均生長高度、植株密度明顯高于陡坡區，植物中后期長勢也更好；在Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Simpson優勢度指數上緩坡區與陡坡區接近，與自然邊坡存在明顯差異，說明邊坡人工生態恢復難以在短時期內達到與自然邊坡相同的狀態。主要原因在于該邊坡物種種類與數目和自然邊坡存在差別，并且部分外來物種跟本地鄉土植物相比適應性較差。可以預計，隨著時間的推移，本地物種更多地侵入邊坡，邊坡生態系統的物種和結構將越來越接近當地生態系統。

3 結 論

(1) 噴植被混凝土生態護坡技術作為干噴植被混凝土生態護坡技術的升級版，通過在配方、施工機械和施工工藝等多個方面的創新，解決了拌合基材可噴射性和新噴基材的坡面附著性的矛盾；具有施工工藝簡單、施工效率高、粉塵污染小、安全性更高、造價更低的優點；其適用性和先進性經受了實際工程應用檢驗，可推廣應用。

(2) 花馬湖水渠邊坡采用濕噴植被混凝土生態護坡技術實現了邊坡的防護和生態修復目標：邊坡穩定；噴射施工1個月后植被基本覆蓋坡面，整體植被覆蓋率達到90%以上，形成的工程覆綠景觀與自然景觀協調一致。施工3個月后入侵的鄉土植物提高了坡面物種豐富度及物種多樣性。

(3) 在濕噴植被混凝土施工過程中，我們也遇到了以下突發情況和技術問題：有水施工，前期施工采用車輛運輸客土噴播機，中后期水渠開始蓄水，車輛無法通行轉而改用船舶施工。限于篇幅，用船施工的工藝將在隨后的論文中進行詳細介紹。