貴州甕馬鐵路邊坡生態(tài)護坡技術研究

王林峰，吳發(fā)友，曾韜睿，程 平，胡才龍

(1. 重慶交通大學 山區(qū)公路水運交通地質(zhì)減災重慶市高校市級重點實驗室，重慶 400074；2. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

近年來，隨著山區(qū)公路、鐵路工程的大量修建，道路沿線施工開挖出了大量邊坡，產(chǎn)生大量次生裸地，破壞了原有植被，導致水土流失、生態(tài)破壞。同時，不僅對邊坡穩(wěn)定性造成不同程度的影響，而且還可能會引發(fā)次生地質(zhì)災害，嚴重影響交通安全。當今，國家大力提倡生態(tài)文明建設，工程建設中應更加注重生態(tài)保護、生態(tài)修復。

巖質(zhì)邊坡中能夠提供植物生長所需的土壤基質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、水分等有限，故巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復難度較大，尤其是高陡巖質(zhì)邊坡[1]。巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復難題受到了國內(nèi)外學者的關注，目前已從各個方面進行了大量研究[2-9]。王英宇[10]采用客土噴播法開展了公路巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復試驗，通過觀測坡體表面土壤裂隙發(fā)育情況，研究了地表徑流、底層滲漏及土壤儲存等水分分配過程，并分析了灌溉及降雨條件下坡面水分分配特征；C.GONZLEZ等[11]利用軟件模擬了流域坡度與灌溉均勻性的關系；張瓊瑛等[12]通過水量平衡原理提出了估算公路巖質(zhì)邊坡綠化灌溉需水量的方法；李冰美等[13]基于正交實驗和盆栽實驗，研究了綠化基質(zhì)的理化性質(zhì)及出苗率特征。國內(nèi)外學者在巖質(zhì)邊坡坡面綠化技術方面也做了大量研究[14-21]。蔣建良等[22]以生態(tài)混凝土、土工格室、鐵絲網(wǎng)和錨釘聯(lián)合組成的結構系統(tǒng)為新拌生態(tài)混凝土提供托舉，并對基材進行有效固定，研究出一套巖質(zhì)邊坡綠化技術，并經(jīng)工程應用驗證了基材和生態(tài)混凝土可為植物創(chuàng)建良好的生長環(huán)境；王華俊等[23]通過在植被混凝土中引入高性能生態(tài)修復纖維防侵蝕系統(tǒng)，提出了一種新的綠化技術；秦鑫等[24]提出了一種自適應公路高陡巖質(zhì)邊坡快速高效生態(tài)恢復的技術。

筆者依托甕馬鐵路甕安站邊坡綠化工程，調(diào)查了沿線及站場地區(qū)植物、土壤基質(zhì)成分；開展了10種配比植物分別在4種配比基材中的室內(nèi)栽培試驗，研究了不同配比下植物生長高度、種子發(fā)芽率和不同基材的保水性、和土體抗剪強度；最后基于層次分析法(AHP)和多因素準則得到了最優(yōu)基材配比和最優(yōu)植物配比。

1 植物生長試驗研究

1.1 試驗材料

根據(jù)甕馬鐵路甕安站周圍自然環(huán)境、氣候特征及植物種類調(diào)研結果，選取了試驗所需植物種類，植物配比方案如表1。試驗中的基材主要由菌渣、鉀鹽型高分子保水劑(簡稱：保水劑)、蛭石、高濃度硫酸鉀型復合肥(簡稱：復合肥)、土壤、水組成。各種成分按不同配比進行配置形成具有不同肥力和保水能力的基材，4種基材配比方案如表2。

表1 植物配比方案Table 1 Plant proportioning scheme

表2 基材配比方案Table 2 Base material proportioning scheme %

邊坡綠化中，植物播種量應結合植物種類、重量、純凈度、發(fā)芽率、發(fā)芽條件以及植被護坡施工的特點來確定[25]。植物種播種量可按式(1)、式(2)計算：

(1)

(2)

式中：W為植物播種量，g/m2；A為坡面植被恢復后期望形成的數(shù)量，株/m2；B為噴射厚度的矯正率；C為立地條件校正率；D為施工期矯正率；E為種子發(fā)芽率，%；F為種子千粒重，g；P為種子的純凈度，%；M為試樣質(zhì)量，g；m為混雜物質(zhì)量，g。

由式(2)可得到本次試驗中選用的各植物種子的純凈度分別為：黑麥草70%，三葉草85%，狗尾草92%，美國四季春88%，百喜草90%。一般坡面植被恢復后期望形成的數(shù)量為5 000～10 000株/m2，根據(jù)甕馬鐵路甕安站邊坡治理的格構大小，取A=8 000株/m2，B=1.0，C=1.0，D=1.0。根據(jù)式(1)計算出每平方的單種植物播種量如表3。

表3 種子播種量Table 3 Seed sowing amount g

1.2 試驗方法

通過試驗測量不同植物在不同基材中的生長高度和基材含水率，并對選用的植物生長情況及基材保水性能進行適用性評價。

用冷水浸泡植物種子，以提高種子發(fā)芽率。選用長方形塑料盆作為試驗盆進行種植試驗，其尺寸如圖1。塑料盆頂面面積為0.088 m2，算出單個塑料盆中所需單種植物的播種量，如表4。

圖1 試驗盆尺寸(單位：cm)Fig. 1 Plastic basin size

表4 單個試驗盆單種植物播種量Table 4 Sowing amount of seeds in a single plastic basin g

根據(jù)表2中的基材配比，將各組成成分按比例稱重，充分與土壤拌合，形成基材。然后裝入試驗盆，基材入盆過程中不澆水，按照10種植物配比分別在4種基材中種植，總計配制40組試驗基材。為避免基材初始含水量過高對植物種子發(fā)育造成影響，在基材配制完成后，置于室內(nèi)，每隔5 d用杰科斯JK-100F土壤水分測定儀對40組基材的含水量進行測定。當基材中水分下降到60%～70%時，按照設計方案進行種植，然后將試驗盆置于室外，用防塵網(wǎng)遮蓋防護，定期澆水，持續(xù)觀測記錄植物的出苗數(shù)、高度、株徑等生長狀況。

1.3 試驗結果分析

1.3.1 基材保水性

保水性是反映土壤在長時間不降水條件下抗旱保墑性能優(yōu)劣的一個重要指標。通過試驗測得了各試驗組40 d含水率，4種基材的平均含水率與時間的變化曲線如圖2。

圖2 不同配比營養(yǎng)土的含水率變化曲線Fig. 2 Variation curve of moisture content of nutrient soils withdifferent proportions

由圖2可知：可得隨著保水劑、蛭石、復合肥增加，基材保水能力也隨之增加。基材Ⅳ的含水率在40 d時仍有20.92%，基材Ⅱ、Ⅲ分別有17.27%，18.45%，基材 Ⅰ 僅僅只有9.82%。表明當保水劑含量大于4%，蛭石含量大于5%，復合肥含量大于1.5%時，土壤保水性能開始有明顯提升。若石漠化地區(qū)遭受較長干旱天氣，基材Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可更好的為植物生長提供所需水分，增加植物抗旱效果。

1.3.2 植物生長高度

基材中營養(yǎng)物質(zhì)含量是保證植物能持續(xù)生長的關鍵，植物生長高度則可反映出植物生長過程中的生長態(tài)勢。表5為從2019年5月5日植物種子入盆后40 d內(nèi)的各試驗組所對應植物生長高度，表5方案編號中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表基材方案，1-10代表植物配比方案，如“Ⅰ-1”表示基材配比方案Ⅰ與植物配比方案1的試驗組合。

由表5可知：基材 Ⅱ 對植物的生長高度最有利，其次為基材 Ⅰ、Ⅲ，影響最小的為基材 Ⅳ。基材 Ⅱ 中的植物在前10 d內(nèi)生長較緩慢，在10 d之后高度會突然增加，增加幅度為12%～43.75%，在此后的30 d內(nèi)保持勻速生長。這是由于保水劑使得土壤中的水分過多，導致種子發(fā)芽時限被延長；由基材Ⅲ、Ⅳ同樣的發(fā)芽延遲情況來判斷，可得出保水劑4%時對于植物前期發(fā)芽生長最有利。

單種植物生長高度最高依次為Ⅱ-4(14.6 cm)、Ⅱ-3(13.5 cm)和Ⅱ-2(13.2 cm)；多種植物搭配種植試驗中生長高度最高依次為Ⅱ-8(15.6 cm)，Ⅱ-6(12.8 cm)，Ⅱ-7(12.8 cm)，表明這些植物發(fā)育態(tài)勢最好。發(fā)育最快的則為Ⅰ-1、Ⅰ-7、Ⅲ-4、Ⅲ-7，在前5 d 時間后就生長到2 cm以上。植物生長的關鍵是基材具備很好的保水、保肥效果。不同配比將影響基材的三相組成、pH值、養(yǎng)分和水分含量，從而影響植物生長狀況。由生長態(tài)勢最好的幾組方案來看，這幾組配比基材的結構性合理、保水性能好，養(yǎng)分含量豐富，適宜于植物生長。

表5 植物生長高度時間變化結果Table 5 Time variation results of plant growth height mm

1.3.3 植物種子發(fā)芽率

用植物種子發(fā)芽率表示基材配比及植物配比適用性。本次試驗中，用盆內(nèi)長出草的面積除以盆表面積表示為植物種子發(fā)芽率，如式(3)：

(3)

式中：F為種子發(fā)芽率，%；a1為單個植物數(shù)量，根；S1為發(fā)芽種子表面積，m2；Sc為盆表面積，m2。

植物種子入盆后，每5 d測一次盆內(nèi)發(fā)芽種子面積，得到40 d內(nèi)各個試驗組的種子發(fā)芽率如圖3。由圖3可知：基材 Ⅱ 中種子發(fā)芽率達到了100%；基材 Ⅰ 中種子發(fā)芽率為86.5%；基材 Ⅲ、Ⅳ 發(fā)芽率分別為62.4%和41.5%，種子發(fā)芽率較低。基材 Ⅱ 的種子發(fā)芽時間較晚，但種子發(fā)芽率較高。

達到100%種子發(fā)芽率用時最短的為Ⅱ-8〔圖3(h)〕，在15 d左右就已全部發(fā)芽；Ⅱ-3～Ⅱ-7在20 d左右發(fā)芽完畢〔圖3(c)～圖3(g)〕；Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-8、Ⅱ-9在25 d左右發(fā)芽完畢〔圖3(a)、圖3(b)、圖3(h)、圖3(i)〕。

基材Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的種子發(fā)芽時間不均勻，相對而言發(fā)芽速度較慢。其中：基材Ⅳ種子發(fā)芽速度最慢，最高的為Ⅳ-9〔圖3(i)〕，其發(fā)芽率也才83.5%，其余發(fā)芽率都在21%～60%。圖3(i)中基材 Ⅰ、Ⅲ 都是在25 d時發(fā)芽率達到100%，說明發(fā)芽率也與植物搭配有關。基材 Ⅲ 發(fā)芽率達到100%的有Ⅲ-2、Ⅲ-5、Ⅲ-9、圖3(b)、圖3(e)、圖3(i)〕；基材 Ⅰ 中Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-9、Ⅰ-10發(fā)芽率都達到100%〔圖3(a)、圖3(b)、圖3(e)、圖3(f)、圖3(i)、圖3(j)〕，其數(shù)量僅次于基材 Ⅱ，同樣也非常適合植物生長。

單個植物種植發(fā)芽率達到100%平均用時22 d，混合種植植物發(fā)芽率達到100%平均用時21 d，略低于單個植物，但混合植物發(fā)芽時間要長于單個植物，這是由于混合植物之間相互競爭的結果。

圖3 各植物配比方案種子發(fā)芽率Fig. 3 Plant germination rate of various plant matching schemes

綜上可得：

1)基材 Ⅰ 配比方案最適宜植物發(fā)芽，基材 Ⅱ的配比最適宜植物生長，基材 Ⅱ、Ⅲ 因保水性和肥力過高，使得植物生長營養(yǎng)過剩、溢水過多，從而延緩了植物的生長發(fā)育。

2)單種植物生長高度最高依次為Ⅱ-4中美國四季春14.6 cm，Ⅱ-3中三葉草13.5 cm和Ⅱ-2中狗尾草13.2 cm；混種植物生長高度最高依次為Ⅱ-8中百喜草、狗尾草、美國四季春、黑麥草15.6 cm、Ⅱ-6中百喜草、狗尾草、三葉草、美國四季春12.8 cm，Ⅱ-7中百喜草、狗尾草、三葉草、黑麥草12.8 cm。

3)就發(fā)芽率而言，最高的是Ⅱ-8，其在15 d左右就已經(jīng)全部發(fā)芽。基材 Ⅱ 中的植物發(fā)芽率達到了100%；基材 Ⅰ 中的植物發(fā)芽率達86.5%；基材 Ⅲ、Ⅳ 的發(fā)芽率分別為62.4%和41.5%，發(fā)芽率較低。因此可知：基材 Ⅱ 和植物配比方案8的組合最適宜植物生長。

2 植物土體抗剪強度參數(shù)研究

抗剪強度是土體的重要力學性能指標之一，其值大小也決定著邊坡的穩(wěn)定性。植物的根須對土體起到加固作用，使得土體顆粒間結構聯(lián)結特征發(fā)生改變，故植物生長作用也會對土體抗剪強度產(chǎn)生影響。基于此，有必要研究植物生長后土體抗剪強度及內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化規(guī)律。

根據(jù)JTGE 40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對試驗前后的土壤開展直剪試驗。取種植前的土壤，植物生長40 d后的基材和除去植物根系的土壤進行對比，按照GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》取原狀土根據(jù)規(guī)范進行制樣，去除植物根須應先測定土壤含水率，然后將土烘干后過2 mm篩，按照式(4)計算制備土樣時所需加水量。

(4)

式中：mw為土樣所需加水量，g；m為土樣烘干時土樣質(zhì)量，g；wh為土樣烘干含水率，%；w為土樣所需含水率，%。

由試驗得到各個試驗組帶根須土體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ如表6。可知：帶有植物根須土樣的黏聚力c為14.7～49.5 kPa，內(nèi)摩擦角φ為15°～44°，不同植物、不同基材搭配對于土壤c和φ影響較大。c值最大為Ⅱ-8，c=49.5 kPa，φ值最大為Ⅱ-7，φ=44°。混搭植物中土壤抗剪強度參數(shù)c=32.6 kPa，φ=31.1°；單種植物下土壤抗剪強度參數(shù)c=29.9 kPa，φ=29.5°。由此可得混搭植物土體抗剪強度參數(shù)大于單種植物，這是由于混搭植物根須因長短不同，相互結合得更為緊密，增加了土體的抗剪強度。

表6 植物土體抗剪強度參數(shù)Table 6 Shear strength parameters of plant soil

基材Ⅰ的抗剪強度參數(shù)c、φ平均值分別為32.16 kPa、 35°；基材 Ⅱ 的c、φ平均值分別為44.07 kPa、 38°；基材 Ⅲ 的c、φ平均值分別為28.52 kPa、 25.3°；基材 Ⅳ 的c、φ平均值分別為20.36 kPa、 23°。該規(guī)律與植物生長情況所反映的規(guī)律相似，由于植物沒有全部生長出來，導致土的抗剪強度較低。

3 植物配比最優(yōu)方案選取

為評價植物配比的方案，筆者選取植物高度h、種子發(fā)芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ共5個因素作為評價指標。利用AHP求得權重，利用多因素準則[26-27]對植物配比方案進行分析，最終選取植物配比的最優(yōu)方案。

對指標采取[0, 100]分制進行打分，并按其對植物生長影響程度不同進行賦值。如式(5)：

(5)

式中：R為植物配比方案綜合得分；λi為第i個指標的權重；Pi為第i個指標的分值。

當權重改變時，得到改變后的植物配比方案綜合得分R′，如式(6)：

(6)

式中：Pe為其他指標的得分值。

隨著單個指標變化，植物配比方案評價結果也發(fā)生改變。絕對變化率用Ck來表示，如式(7)：

(7)

式中：R0為初始計算的植物搭配方案的得分。

計算植物高度h、種子發(fā)芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，其評價指標權重集W={0.158, 0.336,0.092, 0.189, 0.225}，經(jīng)一致性檢驗合格。由于植物配比方案指標沒有相應的評價標準，因此參照相關研究成果[26-28]，結合甕馬鐵馬甕安站實際情況，得到植物護坡性能評價標準分級如表7。

表7 植物護坡性能評價標準分級Table 7 Classification of evaluation criteria for plant slope protectionperformance

指標分級標準中的①～④，按[0, 100]的分制標準依次從高到低賦予100、75、50、25。根據(jù)試驗得到的植物高度h、種子發(fā)芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，計算出各個試驗組的得分值如表8。由表8可得：單種植物最優(yōu)搭配組合為 Ⅱ-4(美國四季春，保水劑4%，蛭石5%，肥料1.5%)，混搭植物最優(yōu)搭配組合為Ⅱ-7(百喜草、狗尾草、三葉草、黑麥草，保水劑4%，蛭石5%，肥料1.5%)。

表8 植物搭配分值Table 8 Plant matching score table

4 工程治理

甕馬鐵路甕安站位于貴州省甕安縣，站場附近有甕安縣道及在建的C5公路，交通便利。站場建設開挖形成了一個約40 m高邊坡，坡面面積約7 000 m2，采用格構進行邊坡防護。

筆者采用最優(yōu)植物配比方案進行草種搭配。單種植物與基材最優(yōu)搭配為：

美國四季春，保水劑4%：蛭石5%、肥料1.5%。

混搭植物與基材最優(yōu)搭配為：

百喜草、狗尾草、三葉草、黑麥草，保水劑4%、蛭石5%、肥料1.5%和百喜草、狗尾草、美國四季春、黑麥草，保水劑4%、蛭石5%、肥料1.5%。

將配置好的基材拌和植物種子用施工車一次性成型，連續(xù)噴播到坡面上，噴播厚度不低于10 cm，從而保證噴薄層覆蓋格構室。考慮到季節(jié)對施工及植物生長環(huán)境影響并保證植物種子成活率，在噴播后采用三維防曬網(wǎng)將邊坡覆蓋，防止植物生長早期被雨水沖刷，同時避免太陽暴曬，保證草種幼芽正常生長。巖質(zhì)邊坡中，邊坡保水能力弱，初期定時對進行邊坡澆水。草種播下一周左右，有少數(shù)草種破土，長出葉子，與研究過程植物發(fā)芽期完全一致。草種噴播2個月后已完全長齊，達到了預期綠化效果。

5 結 論

筆者選取甕馬鐵路甕安站沿線地區(qū)植物、基材配比，通過種植試驗，對配比基材保水性、土體抗剪強度參數(shù)和配比植物生長高度、種子發(fā)芽率進行了研究，得出結論如下：

1)隨著保水劑、蛭石、肥料增加，土壤保水能力也隨之增加。基材 Ⅱ 對植物的生長高度最有利，其次為基材 Ⅰ、基材 Ⅲ，影響最小的為基材 Ⅳ。單種植物生長高度最高為美國四季春，混搭植物生長高度最高為百喜草、狗尾草、美國四季春、黑麥草組合。植物配比與基材配比組合最優(yōu)方案為：單種植物美國四季春與保水劑4%、蛭石5%、肥料1.5%；混搭植物為：百喜草、狗尾草、三葉草、黑麥草與保水劑4%、蛭石5%、肥料1.5%的組合。

2)基材 Ⅱ 中的植物發(fā)芽率都達到了100%，基材 Ⅰ 中植物發(fā)芽率達86.5%，僅次于基材 Ⅱ。基材 Ⅲ、Ⅳ 的發(fā)芽率分別為62.4%和41.5%。單個植物種植發(fā)芽率達到100%平均時間為22 d，混搭植物發(fā)芽率達到100%平均時間為21 d，略低于單個植物，但混搭植物發(fā)芽時間要長于單個植物，這是因為混搭植物之間相互競爭的結果。

3)不同植物與不同基材搭配對于土體的c和φ值影響較大。不同基材抗剪強度參數(shù)均值大小一次為：基材 Ⅱ >基材 Ⅰ >基材 Ⅲ >基材 Ⅳ。