系統工程原理在邊坡生態防護工程中的應用

譚小英

（貴陽市城市軌道交通集團有限公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

在公路、鐵路、水利、電力、采礦等工程中，因大規模開挖造成了原始植被的破壞，大片土地裸露，水土流失、滑坡、泥石流、局部小氣候惡化、噪聲污染、生物鏈損失等問題日益嚴峻。傳統的護坡方案側重于工程效應，而生態護坡是在保證邊坡穩定性的基礎上，從生態與生物兩方面進行防護，從而達到保護生態環境、保證生物多樣性、實現人與自然和諧相處的目的。

1 系統工程原理分析

系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、實驗和使用的科學方法，系統的功用和性能由各元素決定，而且與各元素之間的相互作用密切相關。邊坡生態治理工程是一項典型的系統工程，由諸多模塊構成。傳統的邊坡工程系統更多是從工程的各個方面考慮問題，而生態護岸工程則是從系統工程的各個角度出發建立起來的一套由多種要素組成的系統，既要關注每個要素，也要關注整個系統的運行情況。如何運用科學手段達到生態護岸的生態效益與工程效益，并提高其經濟效益，是使用系統工程時需要解決的重要問題。

2 系統工程原理在邊坡生態防護工程中的應用現狀

系統工程經過不斷發展，在保護邊坡、改善工程環境、美化環境的前提下，將多種新技術與傳統的斜坡工程技術相結合，構建了一套全新的植物保護系統。針對不同土層情況，根據不同的施工方法和技術措施，可以將護坡植物保護技術劃分為以下幾種：人工植草護坡、平鋪草皮護坡、液壓噴播植草護坡、土工網植草護坡、OH液植草護坡、行栽香根草護坡、蜂巢式網格植草護坡、客土植生植物護坡、噴混植生植物護坡。各種邊坡植物保護技術的主要作用及應用條件各不相同[1]。

2.1 人工植草護坡

人工植草護坡是一種在邊坡上進行人工植物播種的傳統植被保護方法，主要應用于坡面較低、坡度較緩、適合草種生長的土石路塹邊坡上，具有施工簡單、造價低廉的優點。然而，由于種植不均、雨水沖刷、幼苗成活率差，導致邊坡沖溝、表土流失，帶來邊坡病害整治、修復工程多等問題，因此這一技術實際應用不多。

2.2 平鋪草皮護坡

平鋪草皮護坡是用人工方式在坡面上鋪設天然草皮的一種傳統植物保護措施，其優點是結構簡單、成本較低，在邊坡保護工程中常用于邊坡植物保護。但由于后期維護管理難度較大，草皮容易被沖刷，而且植物成活率較低，工程質量不能得到很好保障，經常導致坡面沖溝、表土流失、坍滑等病害的產生，增加了坡面病害的治理與修復工作難度，加之草原資源的日益匱乏，因此，平鋪草皮護坡作用日益受限，應用不多。

2.3 土工網植草護坡

土工網植草護坡技術是近年來國外發展起來的一種綜合性綠化技術，是一種將坡面加固與植被養護相結合的新技術。土工網作為一種新型的邊坡防護材料，屬于一種獨特的三維立體網，不僅能增強邊坡的穩定性，而且可以防沖刷，隨著植物的生長和成熟，坡面會被植物所覆蓋。目前，土工網植草護坡技術在我國公路、堤岸邊坡保護中被廣泛采用，而在鐵道系統中則應用比較少[2]。

2.4 OH液植草護坡

這是近十年來國外新研制的一種化學防治方法，該方法是利用專業的機械設備，將新型化學產品HYCELOH溶液與草籽混合均勻，在斜坡上快速固化，形成一層彈性的固體薄膜，在植草初期起到防護作用。OH液植草護坡雖然在防護和綠化方面取得了很好的效果，但是由于OH液植草護坡技術尚未完全國產化，導致其工程成本高達40元/m2，因此至今尚不能被廣泛應用。

2.5 蜂巢式網格植草護坡

蜂巢式網格植草護坡是一種類似于干砌塊石護坡的方法，采用六邊形混凝土框架磚塊，在邊坡上鋪設蜂窩狀網孔，再在網孔內填滿植土，然后在網孔內種上野草。該方法所使用的框架磚塊可以在地下進行大規模的制造，其受力結構合理，拼鋪在斜坡上可以起到分散降雨、減慢水流、預防坡面沖刷、保護草坪生長等作用。具有施工簡便，外形整齊、美觀的特點，起到防護邊坡和綠化的雙重作用，而且成本不高，只比漿砌片石框架護坡稍高，是一種常用的填方邊坡防護技術。

2.6 客土植生植物護坡

客土植生植物護坡是在坡地上通過機械（或人工）噴灌進行覆蓋，以形成適宜植被生長的土壤或基質（客土）和種子。其特征是根據地質、氣候等因素，選用適宜的土壤和種子，使之適應范圍廣泛，但一般不能用在綠化或低矮的斜坡上。由于客土采用機械攪拌，便于懸掛，所以施工簡單、快速，無論是效率還是造價都要優于漿砌片石和掛網噴混凝土，并且具有很好的保護作用，無需維護就能保持植物的正常生長[3]。目前，該技術已廣泛用于高速公路邊坡保護，日本等國家已將其作為一種常用的邊坡綠化技術。

3 系統工程原理在邊坡生態防護工程中的應用策略

采用系統工程的基本原則與方法，有效組織各學科間的科研活動，保證各環節的緊密聯系，使該體系更具關聯性、系統性，從而有效獲得生態效益與工程效益。

3.1 工程概況

巖質邊坡生態恢復工程坐落在一座水電站附近，該地擁有立體氣候，橫跨南北亞熱帶和中亞熱帶地區，以中亞熱帶的濕潤季風氣候為主，具有明顯的季風性、季節性、高熱、水熱并存的特點。一年中，日照不足，年平均溫度為16.2 ℃，最高溫度32 ℃，最低溫度約5 ℃，極少有霜凍，年積溫5 400 ℃。年降水量為1 205.1～1 656.8 mm，降水豐沛。新開挖的巖體為石灰巖、沉積砂巖，坡度陡峭，且不穩定[4]。

3.2 工程準備及設計階段

工程前期的主要工作是為建設工程提供各種必需的條件，進行合理規劃。根據系統工程原則，必須對已修復的邊坡進行全面調查，才能進行有針對性的、系統的生態設計。因此，應根據這個原則，將工程前期要處理的問題進行分解、優化，不僅要廣泛搜集與工程有關的地質、水文數據，而且還要對項目所在區域的土壤、植物進行全面調查，以便為設計工作做好充足準備。在設計階段，要從系統工程的角度來選擇植物，并確定生態基質的配比。在選育過程中，為保證所選植物能更快適應生長環境，在前期研究中，需要盡可能地選擇本地植物，并考慮冬季和夏季溫度的影響，以保證坡面上的植被可以持續生長。在確定生態基質配合比時，要把基質看成是一個體系，保證在項目完成后達到設計、建造和完工后的要求。

3.2.1 工程調查

根據業主提供的有關資料，進行實地觀察、測量，對項目所在地的水文地質條件、區域土壤、植被分布情況進行調查。

3.2.2 確定草種配比

從系統工程的角度出發，綜合考慮生態工程與生態修復的關系，并根據實際情況，確定混播的品種和比例。通過對溫度、濕度、風、光、土壤等因素的分析，篩選出適合本地區生長的植物，并將引入草種作為先導品種[5]。

3.3 確定基材配合比

根據現有同類項目數據，結合當地的實際條件，經過大量模擬實驗，對照明發電站的基本物料配比進行研究。水泥基是由固體、三種不同成分的液體和氣體構成的多孔土壤。固態物質包含：土壤礦物微粒、膠合物質、水泥、有機物質，這些孔洞之間存在著各種形狀和尺寸的縫隙，縫隙里都是水和空氣。土壤是基本結構的主體，水泥是各種構件的黏合材料，鋸末、酒糟等有機物可以為植物提供營養，而植物混凝土添加劑則是調整土壤酸堿度、提高土壤基質物理性能的主要物質。若只加入一兩種材料，不但無法起到應有的作用，而且還會起反作用。比如，單純加入水泥和有機物質，可以增強底材的強度，但也會造成土壤酸性過高，對作物生長不利。若僅加入其他物質，則會造成土壤侵蝕，對作物的長期養分供給有一定負面影響。只添加一些助劑和水泥，雖然能確保土壤的 pH值趨于中性，對作物的生長有利，卻無法提供足夠的營養。

各種基材之間的關系是密不可分的，只有比例恰當才能為坡面植物生長創造有利條件。對10種不同配比的水泥、有機質、綠化基質等進行對比研究，發現水泥是堿性的，外加劑是酸性的，水泥與助劑的摻入比為1.5∶1左右時，基質土壤趨于中性，有利于植物生長[6]。沙壤土與有機質比例為20∶1時，可為作物提供所需要的水分和營養。

3.4 工程施工階段及養護階段

邊坡生態保護工程的施工與養護是工程建設的重要環節。養護工作是一項長期的工作，直接關系到工程的最終效益。系統工程的基本原則是：通過對技術、組織、管理等的綜合分析，確定出最優的施工方案和維護方案，既要考慮工藝的先進性，又要考慮工程的經濟性。在邊坡生態保護工程施工與養護階段，應該利用系統工程理念，結合前期試驗成果及多年的工程實踐經驗，采用科學的施工方法制定一套合理的生態護岸工程施工方案，并在工程完成后進行有效維護。

在此基礎上，提出坡面清理、土方治理、掛網錨固、噴灑植物混凝土、后期維護等具體措施。在工程完工后，對邊坡的生態防護工程進行加固和日常養護，在加固期間，要確保坡面植被有足夠的水供給，不能出現干旱情況。在日常養護中，要密切關注病蟲的發生情況。此外，在對現有成果進行保護的同時，還要密切關注坡地植被的恢復情況，以避免因管理不當造成整個坡地植被倒伏[7]。

3.5 工程效果

在項目執行的各個階段，研究結果是相互聯系的，在工程準備、施工、養護階段應用系統工程的原則，科學合理地安排各個階段的工作和進度。利用植物混凝土生態防護技術，將坡面基本覆蓋，景觀效果良好，植被混凝土基體強度高，抗雨水侵蝕能力強，有效降低土壤侵蝕，從而達到治理邊坡的目的。

3.6 邊坡生態防護工程系統的特性

3.6.1 整體性

邊坡生態保護工程體系是將多種工程措施與生物措施有機結合在一起，其中工程措施通常以水泥、石料等硬物質的利用為主，生物措施主要是以植物、微生物等生物的利用為主。邊坡生態保護工程體系既要確保邊坡的力學穩定，又要兼顧生態環境和景觀需要，邊坡生態保護工程體系所發揮的作用是單一措施無法達到的，其具備“整體大于局部”的基本特征。

3.6.2 動態性

邊坡生態保護工程體系的動態性包括內部動態和外部動態兩個方面，外部動態是指其是一個整體結構，內部動態是指其處于不斷變化的狀態。一個系統若處于固定不變的狀態，其熵增加小于零時，就會自然地向無序、無組織的解體方向發展。

3.6.3 相關性

邊坡生態保護工程體系的組成因素是相互聯系的，這樣的結構特征決定了其必然涉及多個學科知識，比如地質學、土壤學、巖土力學等，必須對各種學科間的相互關系進行全面認識，才能逐步完善邊坡生態保護工程，將其技術水平推向一個新的高度。

4 結論

邊坡生態保護工程是一項涉及地質學、力學、土木工程學、植物學、園林學、生態學、肥料學等諸多學科的工程，這些學科對邊坡生態保護工程的各個方面都有不同的影響。在對這樣一個跨學科的工程進行研究時，只有把系統工程的基本理論與思想方法結合起來，才能達到預期的研究效果。將生態護岸工程作為一個整體來看待，不僅可以優化設計和建設工作，而且可以更好地解決當前的問題，提高經濟效益和社會效益。由于坡面生態修復工程具有特殊性，在工程完成和維護一年后，往往會進行一次招標，在移交過程中，通常會產生一段空閑期，對現有坡面植被造成一定影響。因此，需要將建設和維護工作相結合，進行施工方和養護方聯合競標，從根本上消除維修缺口。在治理邊坡時，往往采用錨桿、錨索等施工方法。而在邊坡的生態保護工程中，一般是采用懸臂式和框式工程方法。例如，在封錨索的時候，要把框架梁的施工也考慮進去，預留合適的鋼筋，以保證框架梁與錨索的結合。把工程防護與生態保護相結合，可以有效改善邊坡穩定性，節約投資，既能獲得生態效益，又能提高經濟效益。