杜技能,王中玨,段繼琪,王忠良,段青松

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院,云南 昆明 650201; 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201)

改革開放四十年來,我國水利、市政、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展,在促進(jìn)區(qū)域發(fā)展和交通便利方面取得了顯著的成果。在工程建設(shè)過程中,挖掘邊坡是很常見的,如果不及時(shí)治理,將會帶來水土流失、生物多樣性缺失等生態(tài)問題,甚至?xí)l(fā)崩塌、泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)丨h(huán)境,影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。為解決上述問題,傳統(tǒng)方法采用漿砌片石、漿砌片石(混凝土)骨架、混凝土預(yù)制框格及噴射混凝土等工程防護(hù)技術(shù),這些技術(shù)不僅造價(jià)高、勞動強(qiáng)度大、受水流影響容易產(chǎn)生沖溝局部溜坍等病害[1],而且生態(tài)恢復(fù)緩慢。因此利用植物進(jìn)行邊坡防護(hù)技術(shù)應(yīng)時(shí)而生,已成為工程建設(shè)技術(shù)的重要組成部分[2]。邊坡生態(tài)防護(hù)叫植被護(hù)坡,也叫生物防護(hù)、植物固坡、邊坡生態(tài)工程等,生態(tài)護(hù)坡一般定義為:利用活植株,與土木、非活植料結(jié)合或單獨(dú)使用,以減少坡面的不穩(wěn)定和沖刷[3]。邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)主要包括土木工程學(xué)、工程力學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科。近年來,隨著水土保持工程學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,人們對邊坡治理的認(rèn)識不斷提高[4]。大量研究結(jié)果表明,植物的存在對于防治邊坡水土流失、淺層滑坡、降低邊坡土體開裂程度、提高坡面穩(wěn)定性具有重要作用,植物護(hù)坡的理論研究和應(yīng)用受到眾多學(xué)者的重視[5-9]。目前,在全球氣候變暖的背景下,研究生態(tài)護(hù)坡理論及技術(shù),不僅對保護(hù)“綠水青山”具有重要意義,而且對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、提升生態(tài)服務(wù)功能意義重大[10-11]。為了更好地闡述相關(guān)研究成果并為未來的研究提供基礎(chǔ)和方向,通過文獻(xiàn)資料查閱和資料收集等方法,系統(tǒng)梳理生態(tài)護(hù)坡理論及技術(shù)研究現(xiàn)狀,并結(jié)合實(shí)際提出相應(yīng)的建議,為生態(tài)護(hù)坡工程理論研究和技術(shù)實(shí)踐提供參考。

1 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外生態(tài)護(hù)坡技術(shù)大規(guī)模的運(yùn)用主要集中在日本、中歐、北美等發(fā)達(dá)國家[5,12-18]。上世紀(jì)30年代德國、奧地利等中歐國家開始引入生態(tài)護(hù)坡技術(shù),自此該技術(shù)開始迅速發(fā)展并影響著全球的研究和運(yùn)用;北美最早于1926年引入生態(tài)護(hù)坡技術(shù)并成功應(yīng)用于道路建筑有關(guān)活動的坡面治理;1965年美國便制定了關(guān)于高速公路綠化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);在20世紀(jì)40年代末,該方法在英國開始盛行,用于陸地景觀的穩(wěn)定、堤岸和交通線路邊坡的防護(hù)治理;直到1994年首次以植物護(hù)坡為主題的學(xué)術(shù)會議在牛津大學(xué)舉行,標(biāo)志著利用植物進(jìn)行護(hù)坡開始受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。日本由于特殊的國情和地理環(huán)境,他們對于水土保持和綠化十分重視,在大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí),就開始對工程擾動中遭破壞的植被和邊坡進(jìn)行治理和綠化,其綠化的工藝、技術(shù)、設(shè)備具有國際先進(jìn)水平,形成了一套成熟的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用較早,但系統(tǒng)研究相對歐美國家較晚。1989年廣東省水利水電科學(xué)研究所引進(jìn)第一臺噴播機(jī)進(jìn)行液壓噴播試驗(yàn)取得了成功,揭開了我國邊坡建植機(jī)械化的序幕;1993年我國引進(jìn)了土工材料植草護(hù)坡技術(shù);1997年云南昆曲高速公路的建設(shè)中引進(jìn)了瑞士噴播技術(shù)來進(jìn)行路塹邊坡綠化,在堅(jiān)硬貧瘠的坡面上建立了有效的植被保護(hù)系統(tǒng)[14,19-20]。二十世紀(jì)以來,中國的護(hù)坡技術(shù)飛速發(fā)展,一些學(xué)者開始對巖質(zhì)邊坡的防護(hù)進(jìn)行研究,如張俊云等[3,21-22]、李紹才等[23]總結(jié)了巖石邊坡的生態(tài)特點(diǎn)和護(hù)坡工程原理,并介紹了框架內(nèi)植草護(hù)坡、植被型生態(tài)混凝土技術(shù)、厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)等,還建立了巖石邊坡生態(tài)護(hù)坡效果評價(jià)指標(biāo)體系,為巖石邊坡生態(tài)護(hù)坡的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,形成了以下四類代表性關(guān)鍵技術(shù)[24]:以植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)[25]和厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)[26]為代表的噴播類,以框架梁[27-28]和土工格室[29]填土為代表的組合結(jié)構(gòu)類,以鉆孔、開槽構(gòu)筑植生基材[30]的刻槽鉆孔類,以生態(tài)袋[31]和格賓石籠擋墻[32]為代表的生態(tài)擋墻類。這四類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)不僅能夠長期穩(wěn)定工程建設(shè)中產(chǎn)生的土石邊坡、巖質(zhì)邊坡、圬工材料邊坡,還具有較好的生態(tài)恢復(fù)作用。

2 生態(tài)護(hù)坡理論與影響因素

2.1 生態(tài)護(hù)坡理論

邊坡生態(tài)防護(hù)主要是指在裸露的坡面上重建植被的行為,以達(dá)到綠化邊坡、穩(wěn)定坡面、保持水土的目的。而根系是植物重要的器官,具有穩(wěn)定植株、吸收土壤中水分、合成運(yùn)輸養(yǎng)分等重要功能,通過根系與土體的緊密接觸,可以明顯提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度,從而增大邊坡的穩(wěn)定性。目前植物根系對土體的加固作用主要有加筋和錨固兩大理論,即植物的水平淺根可視為帶預(yù)應(yīng)力的三維加筋材料對坡面起到了穩(wěn)固的作用,垂直生長的深根和預(yù)應(yīng)力錨索或錨桿一樣,穩(wěn)定坡體[15,33-36]。植物根系在生長的過程中會形成復(fù)雜的根系網(wǎng)絡(luò),并與周圍的土體粘結(jié)、吸附、咬合形成根-土復(fù)合體,在對土體加載的過程中,土體中的剪切力會轉(zhuǎn)變?yōu)楦档睦瓚?yīng)力,從而增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度[37]。

植物護(hù)坡另一個(gè)重要的機(jī)理就是植物的水文效應(yīng)。降雨時(shí)植物的根系會吸收土體中的孔隙水,降低土壤中的孔隙水壓力,增大基質(zhì)吸力,提高淺層邊坡穩(wěn)定性[37];植物葉片能攔截降雨并吸收一部分雨水,抑制地表徑流,減少對坡面的沖刷、侵蝕[38-39]。吳俊杰等[40]對非飽和土體研究指出基質(zhì)吸力對邊坡的穩(wěn)定性有重要影響,邊坡滑坡主要是因?yàn)榛|(zhì)吸力消失。王軒等[41]通過試驗(yàn)對比裸坡和香根草植物邊坡的土-水特征曲線指出,植物根系能有效提高土壤進(jìn)氣值,增大土體基質(zhì)吸力,提高抗剪強(qiáng)度。

2.2 生態(tài)護(hù)坡影響因素

影響植物固坡穩(wěn)定的因素有很多,其中最重要的因素為植物根系的分布形態(tài)和降雨強(qiáng)度。

根土加筋復(fù)合體強(qiáng)度受植物根系的空間分布形態(tài)影響,當(dāng)植物的根系數(shù)量增多以及與土接觸的表面積增大時(shí),相應(yīng)的固土能力也會增強(qiáng)[42-43]。孔綱強(qiáng)等[44]通過透明土試驗(yàn)技術(shù)觀測了植物根系生長過程中的分布形態(tài),指出根系分布形態(tài)對含根復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度影響顯著,增強(qiáng)效果由大到小為混合、相交、傾斜、水平、豎直。肖宏彬等[45]發(fā)現(xiàn),貧瘠土壤中香根草根系的數(shù)量和橫截面積沿深度呈遞減趨勢,根徑和長度對抗拉強(qiáng)度影響明顯。楊文輝等[46]利用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)配合土工格柵的深淺根混種法能有效提高邊坡穩(wěn)定性,且宜采取坡下密坡上疏方式種植。劉宇飛等[47]和段青松等[48]研究了草本植物根土復(fù)合體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量與根系分布特征關(guān)系,同時(shí)對混播草本植物根系對土體抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)混播根系土體的固土能力高于單播。曾紅艷等[49]對不同傾角下的根-土復(fù)合體開展大型直剪試驗(yàn),指出根系傾角若增加,則根系斷裂時(shí)產(chǎn)生的拉伸變形量增加,根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度相應(yīng)提高。

根系的吸水及蒸騰作用將會增大邊坡土體內(nèi)的基質(zhì)吸力,提高坡土強(qiáng)度,但根系在坡土內(nèi)生長過程中會形成大孔隙,降雨時(shí)產(chǎn)生優(yōu)勢流,在一定程度上削弱了根系固土效果[50]。嵇曉雷等[51]對植物根系固土邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)隨著降雨強(qiáng)度增大,植物根系對邊坡表層土體位移的控制效果將會減弱,邊坡穩(wěn)定性也隨之降低。植物根系對土壤滲透性具有顯著影響[52],廖田婷等[53]對比了tap、plate和heart 3種根型在降雨條件下對坡體內(nèi)水分運(yùn)移影響和淺層固土效果,發(fā)現(xiàn)植被根系能夠很好地有效阻擋坡面水分滲透。大量研究表明:雨水不僅對邊坡有明顯的沖刷作用,還影響著土體中的含水率,如果降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長對坡面的侵蝕程度也會加強(qiáng),植物根系不斷被掏刷直至出現(xiàn)表面裸露或全部裸露的形態(tài),導(dǎo)致不同土層間根系分布存在差異,進(jìn)而影響根系對土體的加固效果[54-60]。

3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國目前的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要有噴播、組合結(jié)構(gòu)、刻槽鉆孔和生態(tài)擋墻四類關(guān)鍵技術(shù)[24]。

3.1 噴播生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

噴播類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是最為常見的防護(hù)措施,它是將植物種子、保水材料、黏結(jié)材料、疏松多孔材料、pH調(diào)節(jié)劑、客土、肥料等混合起來,利用噴播機(jī)等機(jī)械噴射到坡面上,形成有利于植物生長的土壤基層,實(shí)現(xiàn)植被的快速恢復(fù)和穩(wěn)固邊坡的目的[61-62]。該類護(hù)坡技術(shù)一般適用于裂隙發(fā)育的巖石坡面、坡度較陡、砂地、貧瘠地、鹽堿地等植物生長困難的地域,結(jié)合掛網(wǎng)、格構(gòu)梁等施工工藝,具有施工簡單高效、安全美觀、防護(hù)性能好、生態(tài)恢復(fù)效益高等優(yōu)點(diǎn),在鐵路、公路、水利工程、礦山等邊坡生態(tài)修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[63-65]。常見的噴播類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要有液壓噴播技術(shù)、客土噴播技術(shù)、厚層基材噴播技術(shù)、植被混凝土技術(shù)、高次團(tuán)粒噴播技術(shù)、三維植被網(wǎng)噴播技術(shù)、CF網(wǎng)噴播技術(shù)等[66-71]。其中,由張俊云等[72]開發(fā)的厚層基材噴播技術(shù)和許文年、葉建軍等[73-74]開發(fā)研究的植被混凝土技術(shù)是目前噴播類護(hù)坡技術(shù)的主要代表。

噴播生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的核心是植生基材的配比?；氖侵参镔囈陨娴奈镔|(zhì)基礎(chǔ),研究材料配比時(shí)必須兼顧穩(wěn)定性和滿足植物生長的需要[75]。國內(nèi)學(xué)者從基材的配比、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、物理化學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容進(jìn)行了大量研究,如楊釗等[76]通過實(shí)驗(yàn)探明水泥摻量為8%時(shí),摻入0.5%CMC(羧甲基纖維素鈉)、1.0%麥秸稈纖維,可使改性植被混凝土基材的力學(xué)性能與黑麥草的生長性能達(dá)到最佳;張富有等[77]得出采用泥炭、水泥、土壤改良劑、pH值調(diào)節(jié)劑等配制基質(zhì)的最優(yōu)配合比;劉大翔等[78]通過實(shí)驗(yàn)得出了生物炭能夠增加植被混凝土的孔隙率和滲透系數(shù),調(diào)節(jié)植被混凝土的pH值,能促進(jìn)植物根系生長。羅東城等[79]研究得出水泥含量大于5%基質(zhì)土壤對黑麥草根系的生長脅迫影響較大;楊衛(wèi)軍等[80]研究了水泥摻量對磷石膏(PGFH)植生材料理化性質(zhì)的影響,指出PGFH植生材料強(qiáng)度和抵抗雨水沖刷能力隨水泥摻量增加而增大,水泥摻量為4%～6%時(shí)收縮率較合適;潘波等[81]通過不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)得到纖維能夠增大基材黏聚力而對內(nèi)摩擦角無影響,并且棕纖維加筋效果優(yōu)于玄武巖纖維;李雙洋等[82]研究發(fā)現(xiàn)在植被混凝土中摻入0.3%的椰纖維和2%的粉煤灰植物生長最好,植被混凝土的抗剪強(qiáng)度最高。

植物根系和微生物是互相影響的,根系通過分泌物調(diào)控群落結(jié)構(gòu)以及多樣性,而微生物能夠調(diào)節(jié)土壤特性向有利于植物生長的方向進(jìn)行,對提升植物抗逆性有著重要作用[83-84],因此微生物改良基質(zhì)成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。Xia Lu等[85]采用 Biolog-Eco方法對植被混凝土中3種優(yōu)勢草種的根際和非根際土進(jìn)行了研究,得出植被改變了植被混凝土基質(zhì)的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性,提高了植物的整體代謝活性。王麗等[86]指出土壤菌能夠改善基質(zhì)的團(tuán)粒構(gòu)造,增加基質(zhì)肥力和改善水分循環(huán),大大增加后期噴播植物的覆蓋率和出苗率,植物根系也因此變得發(fā)達(dá)。杜祥運(yùn)等[87]發(fā)現(xiàn)植被混凝土中活化菌劑施用量為6%～9%時(shí),基材肥力和植物生長狀況較好。Shu等[58]以苔蘚球菌(GM)、根內(nèi)球菌(GI)和兩種叢枝菌根(AMF)的混合物(MI)為外源接種劑,通過試驗(yàn)得出GM、MI接種的最大菌根感染率是在水泥含量為5%～8%,GI接種的最大真菌感染率是水泥含量為5%～10%。Shu Qian等[88]通過試驗(yàn)探究得出AMF可以顯著提高植物細(xì)胞間CO2濃度進(jìn)而增強(qiáng)植物光合作用[89]。呂宋等[68]利用芽孢桿菌作為生物活化劑用于纖維結(jié)構(gòu)團(tuán)粒噴播技術(shù)的基質(zhì)配比中,在京雄城際鐵路固安東站路堤邊坡生態(tài)防護(hù)中取得了很好的生態(tài)防護(hù)效果。Xiong Danwei等[90]指出植被混凝土的抗侵蝕性和抗剪強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移而增加,并在植物生長的后期達(dá)到最大值。

3.2 組合結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

組合結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要以框架梁填土護(hù)坡技術(shù)和土工格室填土護(hù)坡技術(shù)為主,是典型的工程防護(hù)措施與生態(tài)防護(hù)措施相結(jié)合生態(tài)護(hù)坡技術(shù)?？蚣芰禾钔磷o(hù)坡技術(shù)主要是指在坡面上先澆筑(或預(yù)制裝配)混凝土框架梁或利用圬工材料砌筑類似窗口結(jié)構(gòu)的框架防止淺層土體滑移的加固措施,并在格子或骨架內(nèi)填土建植、堆放生態(tài)袋、生態(tài)磚、鋪設(shè)草皮或植被毯,以達(dá)到涵養(yǎng)水土防止雨水沖刷,待植物生長后達(dá)到坡面綠化的技術(shù);土工格室是屬于土工合成的特殊材料,展開后的格室內(nèi)可以填埋種植土,并撒播草籽、種植灌木,在原始坡面無法恢復(fù)植被的情況下可以獲得理想的綠化效果。

在一些地質(zhì)較差的高邊坡防護(hù)中,通常會采用錨桿+框格梁、框格梁+預(yù)應(yīng)力錨索2種形式[91]。該形式具有剛度大、邊坡穩(wěn)定性好、適用范圍寬等優(yōu)點(diǎn),但長期穩(wěn)定性較差,施工工藝繁瑣,與坡面接觸的地方受雨水長期掏刷,梁懸空后容易斷裂[92]。國內(nèi)研究人員對其施工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化,例如楊陽等[93]在安徽岳武高速公路邊坡工程中,利用植被毯代替植生袋后結(jié)合框格梁的防護(hù)效果和水土保持效果更優(yōu),能夠有效提高坡面表層抗剪強(qiáng)度,顯著改善土壤理化性質(zhì)并促進(jìn)植物生長。尹萍等[27]針對高寒地區(qū)的巖石和巖土混合邊坡提出以植生混凝土與塑石、坡面掛網(wǎng)噴土為輔內(nèi)嵌式隱形錨桿框格生態(tài)防護(hù)新工藝,獲得了較好效果。毛正君等[94]針對黃土高原的礦區(qū)提出了PVC板材格構(gòu)錨桿梁植被種植保障技術(shù),改善了傳統(tǒng)施工工藝,提高了邊坡的穩(wěn)定性。郝廷偉等[95]針對礦山排土場坡面防護(hù)提出了一種質(zhì)量輕、密度小、具有良好的抗壓、耐彎及彈性性能優(yōu)良的新型柔性輕型格構(gòu)梁,能夠大幅提升邊坡淺層土體的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,侯俊偉[96]基于文克爾地基理論提出了巖質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿框格梁內(nèi)力簡化計(jì)算方法,優(yōu)化了梁的截面和配筋。張?zhí)h等[97]利用雙參數(shù)彈性地基模型推導(dǎo)出有限長梁受集中力的內(nèi)力解答,輔以ABAQUS有限元軟件模擬驗(yàn)證了理論解答的正確性,證明雙參數(shù)地基模型比Winkler地基模型精確性高,可利用該方法優(yōu)化錨桿格構(gòu)梁設(shè)計(jì)。李楠等[98]也采用ABAQUS有限元軟件建立了壓力型錨桿聯(lián)合格構(gòu)梁支護(hù)的錨固滑坡模型,分析了錨固滑坡的加速度響應(yīng)規(guī)律、地震動參數(shù)對加速度響應(yīng)的影響以及壓力型錨桿的受力特征,研究結(jié)果對于壓力型錨桿支護(hù)滑坡的抗震設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

對土工格室邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中于技術(shù)防護(hù)機(jī)理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法簡化、新材料研制以及施工工藝的優(yōu)化。王廣月等[99]利用ABAQUS有限元軟件建立邊坡-土工格室-鉚釘之間相互作用的三維有限元模型,對不同加固條件下邊坡的安全系數(shù)以及降雨入滲條件下孔壓、飽和度等參數(shù)在土體內(nèi)的分布規(guī)律進(jìn)行了模擬,揭示了土工格室生態(tài)防護(hù)邊坡的穩(wěn)定機(jī)制。魯志方等[100]指出土工格室能夠?qū)⑵旅姹韺油练指舫扇舾瑟?dú)立的小單元,在夯實(shí)功的作用下松散土體被擠入格室方格內(nèi),格室側(cè)壁對土體產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向包裹作用力,能夠減小、隔斷、限制膨脹土裂隙,從而對膨脹土邊坡起到穩(wěn)固作用。王成元等[101]介紹了一種由聚酯/聚酰胺納米纖維分散于乙烯基質(zhì)內(nèi)形成的高分子納米復(fù)合合金PCA,做成長條形片材,經(jīng)超聲波焊接展開后成蜂窩狀立體網(wǎng)格的蜂巢格室。張冰冰等[102]采用雙軸拉伸試驗(yàn)研究了聚丙烯高強(qiáng)土工格室拉伸性能,并指出土工格室的抗拉承載力的影響程度為格室高度>格室焊距>加載速度。蔣建良等[103]提出由生態(tài)混凝土、土工格室、鐵絲網(wǎng)和錨桿共同組成的新型生態(tài)混凝土托舉結(jié)構(gòu)系統(tǒng),使基材得到有效固定,同時(shí)也為植物營造了良好的生長環(huán)境。

3.3 刻槽鉆孔類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

刻槽鉆孔類生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是在邊坡上鉆孔、開槽或者安裝植生槽等裝置,利用槽、孔構(gòu)筑適宜植物生長的生境基材,并為植物生長提供必要的養(yǎng)分,能有效防止在后期植物群落演替時(shí)水土流失。該類護(hù)坡技術(shù)在植物生長基材的配置方面有著很高的要求,如果配置不當(dāng),基材后期容易板結(jié),不利于植物的生長。在植物配置方面,喬灌草藤結(jié)合的多元植物模式是該類技術(shù)的首選,這種模式下能保證植物長青[104]。常見的斷面形式主要有V型、口型和L型。

目前刻槽鉆孔類護(hù)坡技術(shù)與其他防護(hù)技術(shù)相結(jié)合以及槽、孔內(nèi)基質(zhì)配比是國內(nèi)學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。在河道邊坡治理中,袁以美等[105]提出在混凝土擋墻臨水側(cè)墻面上設(shè)置數(shù)排生態(tài)槽,并設(shè)置自動澆灌系統(tǒng)使植物健康生長。張恒等[106]提出了一種新型生境構(gòu)筑法口型坑,能在一定程度上增加基材穩(wěn)定性,并且口型坑內(nèi)植物根系固土的效果會隨口型坑尺寸增加而增大。李銳等[107]以污泥為主要原料,氧化鈣和氯化鎂作為微生物滅活劑和膠凝劑,混合草種制成“植入泥漿”注入坡面以下,開發(fā)了一種植入型生態(tài)護(hù)坡配方。蘇奇童等[108]則是采用臺階植被再生結(jié)合“崖壁打孔+3D打印土”植被再生對裸巖邊坡進(jìn)行綠化,此方法使植被得到了較好的恢復(fù)。劉娜等[109]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)種植孔底部填充20 cm砂礫卵石+基質(zhì)土?xí)r,植被生長良好,生態(tài)恢復(fù)效果最佳。

3.4 生態(tài)擋墻護(hù)坡技術(shù)

生態(tài)擋墻護(hù)坡技術(shù)主要以生態(tài)袋擋墻和格賓石籠擋墻兩種為主。生態(tài)袋擋墻護(hù)坡技術(shù)也稱植生袋護(hù)坡技術(shù),該技術(shù)主要是在土工袋中填入營養(yǎng)土,再加入植物種子,沿著坡體堆砌,每個(gè)袋子之間采用特殊的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié),在坡體形成具有一定強(qiáng)度的軟體結(jié)構(gòu),待土工袋中的植物發(fā)芽生長以后實(shí)現(xiàn)邊坡綠化和防護(hù)。該技術(shù)常用于坡度不超過63°的巖石風(fēng)化及破碎程度不高的邊坡或者河岸邊坡的防護(hù),既能夠滿足生態(tài)袋法的覆綠效果,又能夠滿足施工時(shí)的穩(wěn)定性[110]。李凱等[111]研究對比了永定河流域北京段9種不同生態(tài)護(hù)岸形式,以減流減沙效果和減緩無機(jī)物含量為評價(jià)指標(biāo),得到效果最好的護(hù)坡結(jié)構(gòu)是生態(tài)袋,其次是石籠,土工格柵網(wǎng)效果最差。包賽很那等[112]則是在充分灌水和高氮條件下,得到了有利于植物生長的最佳水肥組合,為后續(xù)生態(tài)擋墻護(hù)坡技術(shù)提供了參考。

在穩(wěn)定性方面,植物根系和雨水入滲均能產(chǎn)生顯著影響,周云艷等[113]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)指出在生態(tài)袋加筋擋土墻中根系加筋能增強(qiáng)生態(tài)袋擋墻的整體剛度,使承載力提高、穩(wěn)定性增加,并且增強(qiáng)作用隨根系長度增加而增加。蔣希雁等[114]通過三軸試驗(yàn)研究了含水率對生態(tài)袋加筋土的力學(xué)特性和鄧肯-張模型參數(shù)影響,并獲取了初始切線模量隨含水率變化的經(jīng)驗(yàn)公式。蔣希雁等[115]又通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M特大暴雨條件下不同坡比的生態(tài)袋防護(hù)降雨入滲,分析不同條件的強(qiáng)降雨作用下生態(tài)袋護(hù)坡的入滲規(guī)律,為強(qiáng)降雨地區(qū)的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

格賓石籠是由耐腐蝕、強(qiáng)度大、延展性強(qiáng)的低碳鋼絲包覆聚氯乙烯(PVC)采用機(jī)械絞合制成,填充具有抗風(fēng)化、耐腐蝕的堅(jiān)硬塊石,并在石料之間填土,并設(shè)置反濾層,為植物生長提供必要的生長條件[116-117]。格賓石籠充分發(fā)揮了材料的優(yōu)勢,擁有良好的柔韌性、整體性、透水性、耐久性以及協(xié)調(diào)變形能力。目前該技術(shù)常用于路堤擋墻和河岸護(hù)坡當(dāng)中,很多學(xué)者在新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和覆土功能等方面進(jìn)行了探索。楊果林等[117]將煤矸石作為格賓箱填料,對加筋擋墻墻后土體水平土壓力、擋墻內(nèi)部土體水平變形和垂直土壓力以及筋材應(yīng)變分布進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建議施工過程中進(jìn)行擋墻臺前回填處理以限制墻體側(cè)移和鼓肚現(xiàn)象。李慈航等[118]研發(fā)了格賓-樁板墻組合結(jié)構(gòu)用于攔擋泥石流,通過對被攔物源的級配組成的模擬分析后發(fā)現(xiàn)格賓-樁板墻攔阻結(jié)構(gòu)的攔阻效果明顯。楊凡等[119]針對強(qiáng)降雨條件下植被土顆粒的流失問題,對格賓網(wǎng)箱填充物進(jìn)行反濾層的優(yōu)化設(shè)計(jì),利用自行設(shè)置的裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,指出反濾層層數(shù)設(shè)置為兩層,上下層厚度均為100 mm且上層碎石粒徑小于20 mm、下層碎石粒徑為20 mm～100 mm時(shí),反濾層的防沖刷效果最佳。

4 坡面生態(tài)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)

我國生態(tài)護(hù)坡技術(shù)經(jīng)過三十多年的研究與實(shí)踐,已從初期對發(fā)達(dá)國家防護(hù)技術(shù)的模仿轉(zhuǎn)向適合我國地理環(huán)境實(shí)質(zhì)性改良及研發(fā),各類技術(shù)雖蓬勃發(fā)展,相關(guān)基礎(chǔ)理論研究也取得了重要突破,但真正形成系統(tǒng)化的技術(shù)并不多。四類坡面生態(tài)修復(fù)技術(shù)各有特點(diǎn),適用范圍也各不相同。

4.1 噴播生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

噴播類技術(shù)機(jī)械化程度高、施工作業(yè)面廣、施工工期短,適用于不同坡度、不同質(zhì)地的邊坡,是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的邊坡綠化技術(shù)。對于生態(tài)修復(fù)效果顯著的高陡巖質(zhì)邊坡,在實(shí)現(xiàn)坡面快速復(fù)綠的同時(shí),還能有效防止基材沖刷,使基材長期穩(wěn)定地附著在高陡邊坡上,對高陡邊坡的綠化效果十分顯著,能有效避免生態(tài)工程重建現(xiàn)象。該類技術(shù)的核心是基質(zhì)土壤的重建,但是施工后期的管理難、基材肥力下降、保水性較差、植物存活困難、強(qiáng)降雨基材沖刷嚴(yán)重,容易出現(xiàn)坍塌等問題亟待解決。

4.2 組合結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

框架梁生態(tài)護(hù)坡技術(shù)多用于防護(hù)現(xiàn)場施工高差大、施工區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜、邊坡防護(hù)要求整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)的邊坡,廣泛應(yīng)用于公路、鐵路路基邊坡。而土工格室生態(tài)護(hù)坡技術(shù)具有較高的整體性和柔韌性,能極大地緩解水流流速,避免坡面徑流的形成,彌補(bǔ)了框架梁易松動、塌陷、架空等缺陷,具有較強(qiáng)實(shí)用性。

4.3 刻槽鉆孔生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

刻槽鉆孔類技術(shù)一般是通過配置高低喬灌木、爬藤植物等在穴坑內(nèi)重建生態(tài)系統(tǒng),主要用于改善生態(tài)修復(fù)工程中喬灌木存活率較低的現(xiàn)象,比較適合裸露巖質(zhì)山體的生態(tài)恢復(fù) ,但在坡面施工時(shí)對坡面穩(wěn)定性有一定影響。

4.4 生態(tài)擋墻護(hù)坡技術(shù)

生態(tài)擋墻類護(hù)坡技術(shù)施工簡單、造價(jià)低廉,一般較適用于坡度較緩、巖質(zhì)柔軟、風(fēng)化程度較高的巖質(zhì)邊坡以及河流護(hù)岸等。應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)、地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)和技術(shù)要求等因素綜合考慮,因地制宜靈活應(yīng)用。然而,隨著生態(tài)袋的大量使用,袋體破損、填充物滲漏、整體或局部坍塌、難以構(gòu)筑或生長不良等問題也越來越多地暴露出來。

5 結(jié)論與展望

針對各類坡面生態(tài)修復(fù)技術(shù)存在的問題,在后續(xù)的研究中應(yīng)從以下四個(gè)方面進(jìn)行深入的研究:

(1) 特殊環(huán)境下的生境基材配置的研發(fā)以及植物合理的選擇京舉行。我國地域遼闊,極端氣候環(huán)境分布廣泛,這些環(huán)境對基材的要求較高,應(yīng)開展特殊區(qū)域環(huán)境下植物生長的生境基材配置研究,調(diào)和基材物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性能耦合作用下與植生性能矛盾關(guān)系,為在極端環(huán)境下更好地開展邊坡修復(fù)工作提供理論依據(jù);對適宜喬灌草生長的基材進(jìn)行深入研究,使坡面植物品種豐富,得以構(gòu)建完整的植物群落;在植物的合理配置上,應(yīng)充分考慮時(shí)效性,開展在特殊環(huán)境下的植物種類組成和群落結(jié)構(gòu),綜合選擇具有抗逆性、繁殖能力強(qiáng)的多種科類植物進(jìn)行種植。

(2) 建立科學(xué)的施工養(yǎng)護(hù)管理體系和邊坡防護(hù)工程的有效評價(jià)機(jī)制。如何科學(xué)合理地應(yīng)用和創(chuàng)建適合防護(hù)區(qū)域的管理體系和有效評價(jià)機(jī)制是應(yīng)用好技術(shù)的前提。邊坡生態(tài)防護(hù)工程易出現(xiàn)土壤肥力下降、植被重建后缺水的現(xiàn)象,是一項(xiàng)長期、復(fù)雜的工程,施工單位大水大肥等粗放的水肥管理模式不僅使資源浪費(fèi),而且利用效率低下,所以后期的養(yǎng)護(hù)管理至關(guān)重要。對不同生長時(shí)期的植物進(jìn)行水肥條件的精準(zhǔn)控制,提高植物對營養(yǎng)物質(zhì)和水的利用率,對水肥一體化高效節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用需重點(diǎn)研究;對灌溉裝置進(jìn)行深入研發(fā),針對傳統(tǒng)灌溉方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對一些難以滲透水分的基材進(jìn)行處理;建立起科學(xué)有效的養(yǎng)護(hù)管理規(guī)范,制定不同的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn),節(jié)約費(fèi)用。我國現(xiàn)行的評價(jià)體系主要由五個(gè)方面組成,即保護(hù)性能、土壤條件、植被條件、景觀效果和綜合效益,缺乏對工程長期效應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。長期效應(yīng)評價(jià)體系應(yīng)以植物恢復(fù)多樣性為主導(dǎo),研究建立和完善多學(xué)科交叉、信息化、數(shù)字化融合的長期效應(yīng)評價(jià)體系,補(bǔ)齊建設(shè)后效果評價(jià)短板,為生態(tài)護(hù)坡工程的長期穩(wěn)定和后期養(yǎng)護(hù)管理提供參考依據(jù)。

(3) 優(yōu)化邊坡支護(hù)工藝。在西南地區(qū),工程建設(shè)會遇到如高強(qiáng)度斷裂帶,也會經(jīng)常遇到對區(qū)域內(nèi)原始植被生態(tài)系統(tǒng)、動植物生存棲息地破壞嚴(yán)重的山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[120]。對邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的不合理設(shè)計(jì)和簡單復(fù)綠,所導(dǎo)致的結(jié)果是水土流失嚴(yán)重、生態(tài)效果不佳。護(hù)坡的最終效果應(yīng)該是穩(wěn)定性和生態(tài)恢復(fù)效果都達(dá)到要求,單純的植物保護(hù)可能在保護(hù)初期無法達(dá)到要求,而且護(hù)坡容易出現(xiàn)溜坡現(xiàn)象。因此,應(yīng)深入研究工程防護(hù)與植被保護(hù)的結(jié)合,因地制宜設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)形式,建立穩(wěn)固的植被-工程防護(hù)體系,使生態(tài)護(hù)坡工程發(fā)揮最大效益,從而減少對傳統(tǒng)工程材料的使用,圍繞可持續(xù)發(fā)展、追求安全經(jīng)濟(jì)、節(jié)約資源,加大對新材料、新工藝的研究力度。

(4) 完善生態(tài)護(hù)坡方面的技術(shù)規(guī)范和理論研究。盡管我國已出臺了相關(guān)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)規(guī)范,僅是某一地區(qū)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在已完成的項(xiàng)目建設(shè)中,大多只能以施工經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行參考。因此,建立干熱河谷地區(qū)、旱寒地區(qū)、水庫消落帶地區(qū)等不同氣候、環(huán)境、地域的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在工程上更具指導(dǎo)意義。