（环境工程专业论文）岩质边坡生态护坡基材研究.pdf

中文摘要 公路、铁路、水利、矿山开采等工程建设需要开挖大量的边坡，边坡的开挖 破坏了原有植被覆盖层，导致大量的次生裸地以及产生严重的水土流失现象，造 成生态环境的严重失衡。采用生态护坡技术对边坡进行生态治理是实现边坡生态 恢复，防止水土流失的重要手段，以此为基础的理论和技术研究非常有必要。 由于岩质边坡的生态特点，对岩质边坡进行生态治理一直是一个难题。近年 来，我国有关学者开发出了适用于高陡岩质边坡的生态基材护坡技术，具有广阔 的应用前景。该技术的核心是生态基材的配制，本文借鉴前人的研究成果，通过 室内试验对生态基材的配制及其性质进行了深入研究，拟为工程实践提供技术方 法以及理论依据，所做主要工作及成果如下： ( 1 ) 根据对生态基材的功能分析，本文确定了配制生态基材的组分，包括 土壤、有机肥、水、粘合剂、改良剂、保水剂、缓释肥、植物种子、p h 调节女：t j 9 种组分，并通过对基材各组分的性质测试和作用分析，为各组分选定了合适的具 体材料。 ( 2 ) 通过对工程实例以及前人成果的分析，提出了考察基材配制是否合理 的指标，包括植物的发芽率、植物生长状况、基材的收缩性、基材抗旱性、基材 强度五项指标，并筛选出基材中粘合剂、有机肥、改良剂和保水剂四个组分作为 指标的可能影响因素，首次采用多指标多因素正交试验设计配制生态基材及相应 的样本。 ( 3 ) 通过对试验样本和对比样本的植物发芽率、植物生长状况、基材抗压 强度、基材收缩性和基材抗旱性等测试，得到了各样本的试验结果。并对试验所 测的基础数据进行了极差分析和方差分析，找出了各个指标的显著性影响因素。 ( 4 ) 结合极差分析、方差分析和影响因素图，分析了基材各指标随因素变 化的规律和趋势。最后通过综合平衡法，确定了基材较合理的配比范围。 ( 5 ) 通过实验对所配制基材的酸碱性、基材的物理结构、基材养分、基材 的抗内水侵蚀性进行了较全面的分析。结果表明所配基材的理化性质适合植物生 长，并具有较好的抗侵蚀性。 关键词：岩质边坡，生态防护，生念基材 a b s t r a c t a g r e a tm a n yo fs l o p e sa r ee x c a v a t e do w i n gt oi n f r a s t u r ec o n s t r u c t i o n s ，e g h i g h w a y , r a i l w a y , w a t e ra n de l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g , m i n ee x p l o i t a t i o n ，t h ee x c a v a t i o nd e s t r o y s t h eo r i g i n a lv e g e t a t i o na n dl e a d st oal o to fn a k e dl a n da n ds e r i o u ss o i ll o s s c o n s e q u e n t l y , t h ee c o l o g yb a l a n c ei sb r o k e nu p s l o p ee c o - p r o t e e t i o nt e c h n o l o g y , r e g a r d e da sa ni m p o r t a n tw a yt or e s t o r ea n dp r o t e c tt h ed a m a g e de n v i r o n m e n t , h a s b e e nw i d e l ya p p l i e d t h u si ti s n e c e s s a r yt o f u r t h e rt h er e l a t e dt h e o r ya n dt h e e n g i n e e r i n gr e s e a r c h e c o p r o t e c t i o no nr o c k ys l o p ei sd i f f i c u l tt ob er e a l i z e df o ri t so w ne c o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s r e c e n t l yan e wk i n do fp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , e g s p r a y i n gg r o w i n g b a s i sm a t e r i a l ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt oh i g ha n ds t e e pr o c k ys l o p eh a sb e e ni n v e n t e d i nc h i n a ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fg r o w i n gb a s i sm a t e r i a li st h em a i ns u b j e c t t h i s t h e s i s ，a i m i n gt oi m p r o v et h er o c k ys l o p ee c o l o g i c a lt e c h n o l o g y , c h o s eg r o w i n gb a s i s m a t e r i a la sr e s e a r c ho b j e c ta n ds o m es t u d i e sw e r ed o n et h r o u g he x p e r i m e n t s ( 1 ) t h es u i t a b l em a t e r i a l sw e r ec h o s e nf o re a c hc o m p o n e n tt oc o m b i n ean e w t y p eo fg r o w i n gb a s i sm a t e r i a lt h o u g hc h a r a c t e r i s t i ct e s ta n da n a l y s i so ff u n c t i o no f e a c hc o m p o n e n t ，t h ec o m p o n e n t si n c l u d e ds o i l ，o r g a n i cf e r t i l i z e r , w a t e r , c e m e n t ， i m p r o v e r , w a t e rr e t a i n i n gm a t e r i a l ，s l o w i n gr e l e a s i n gf e r t i l i z e r , p hb u f f e r i n gd o s ea n d s e e d s ( 2 ) t a k i n gp l a n t sg r o w t hc o n d i t i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fg r o w i n gb a s i s m a t e r i a la n di t ss h r i n k a g ea n dd r o u g h tc o m b a t i n ga b i l i t ya st h ej u d g i n gt a r g e t s ， s e v e r a lu n c e r t a i nb u tm a y b ei m p o r t a n t m a t e r i a l s ，i e o r g a n i cf e r t i l i z e r , c e m e n t , i m p r o v e r , w a t e rr e t a i n i n gm a t e r i a l a st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n o r t h o g o n a l e x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt oc o m b i n et h ee x p e r i m e n t a ls p e c i m e n s ，w h i c hp r o v i d e da s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l em e t h o dt oc h o o s eg r o w i n gb a s i sm a t e r i a l ( 3 ) t h o u g ht h et e s t s ，t h er e s u l t so fe a c ht a r g e tw e r eo b t a i n e d b ym a x m i n d i f f e r e n c ea n dv a r i a n c ea n a l y s i s ，t h er e m a r k a b l yi n f l u e n c i n gf a c t o r so fe a c hj u d g i n g t a r g e tw e r ef i n d e do u t ( 4 ) t h er u l e sa n dt r e n d so fi n d e xv a r i n gw i t ho b v i v o u sf a c t o r sw e r ea t t a i n e d m o r e o v e r , t h er e a s o n a b l er a n g eo fe a c hc o m p o n e n tq u a n t i t i e sw a sc o n c l u d e db yt h e c o m p r e h e n s i v eb a l a n c i n gm e t h o d ( 5 ) s o m ec h a r a c t e r i s t i c so fe c o l o g i c a lm a t e r i a l ，e g t h ep h ，p h y s c i a ls t r u c t u r e s 。 n u t r i e n ta n dw a s hr e s i s t i n ga b i l i t yw e r et e s t e dc o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u l ts h o w s p h y s i ca n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m b i n e dm a t e r i a la r es u i t a b l ef o rp l a n t s k e yw o r d s ：r o c k ys l o p e ，s l o p eb i o e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , g r o w i n gb a s i sm a t e r i a l 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名；塑! ! ! 墨日期竺! ：! ! ：三。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：塑型蛳师签名：巡 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 日期塑! ：! ! ：乡 武汉理工大学硕十学付论文 1 1 引言 第1 章绪论 环境污染和生态破坏是人类面临的重大社会问题之一。项目开发和环境保 护兼顾是经济可持续发展的重大课题，对工程建设来说，如何合理利用资源， 保护环境，是我们必须正视和认真对待的问题。 公路、铁路、水电、矿山开采等工程建设需要开挖大量的边坡，边坡的开 挖破坏了原有植被覆盖层，导致大量的次生裸地以及产生严重的水土流失现象， 造成生态环境的严重失衡，甚至造成山体滑塌、滑坡及泥石流。传统的护坡工 程技术，如干砌块石护坡、三合土灰浆抹面护坡、挂网喷锚护坡等虽然可以加 固边坡和防止水土流失，但留下的是一条条灰色的长廊，不利于环境保护和生 态恢复，而且对于降雨强度量大，岩土易风化侵蚀破坏地区，采用传统的工程 护坡措施很难保证工程材料与边坡岩、土体的兼容性，工程结构很容易被架空， 从而导致滑坡。近年来，边坡工程的规划建设越来越重视生态环保，生态护坡 技术开始广泛应用于边坡防护和加固。国际上将边坡生态防护定义为：“用活 的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以减轻 坡面的不稳定性和侵蚀，在坡面恢复或形成与周围景观相协调的生态系统【”。” 对边坡进行生态防护不仅可以通过植物根系加固边坡，减少水土流失，而且还 可以净化空气，美化环境，并为边坡生态恢复提供条件，故具有良好的经济效 益、社会效益和生态效益，是今后边坡防护的主要方向1 2 】。 岩质边坡被称为地球上的生态荒漠【引，与一般的土质边坡相比，它不具备 植被生长所必需的土壤环境，没有有机质、氮、磷、钾等营养元素的积累，由 于岩石坡度较大，即使坡面有少量因岩石风化产生的土壤母质，也因雨水的冲 刷而流失，而且坡面自然生态条件恶劣，在阳光的直射下裸露岩石表面温度过 高，即使有风运或动物搬运的种子嵌入岩石缝隙中，也会因温度过高而难以发 芽和生存。因此，用于土质边坡的生态防护技术一般无法应用于岩质边坡，对 岩质边坡进行生态治理一直是我国难以解决的课题【4 】。最近几年，我国有关学 者开发出了适用于高陡岩质边坡的基材护坡技术，具有广阔的应用的景。生态 基材护坡技术的核心是生态基材的配制，本文借鉴前人的研究成果，通过室内 试验对岩质边坡生态护坡基材进行了研究，拟为我国生态护坡技术的发展和完 武汉理【大学硕十学位论文 善提供参考。 1 2 岩质边坡生态基材护坡技术简介 生态基材护坡方法，又称生态基材喷射方法，是采用土壤、植被种子、肥 料、粘结剂( 常用的有普通硅酸盐水泥、高分子材料、有机胶结质、沥青乳化 剂等) 等材料按照一定的比例混合均匀，然后通过喷射机喷射至坡面，与水一 起形成一层生态基材，并通过粘结剂的粘结作用附在岩石表面，其结构和功能 类似于自然土壤，种子在其中发芽生长。 生态基材的作用有：提供植被生长所需的合理物理结构；自身具有 一定的稳定性，可抵抗雨水侵蚀；提供与保障植被长期生长所需的水分及养 分；封闭坡面，与植被共同作用，防止坡面的风化剥落 4 1 。 生态基材喷射方法的工艺流程一般为：先在岩体上铺铁丝网或塑料网，并 用锚钉和锚杆将网固定，然后通过专用喷射机将生态基材喷射至坡面上，通常 喷两层，第一层厚约5 l o c m ，不含种子，第二层厚约i c m ，含种子。喷射完 毕后，覆盖一层无纺布防晒保墒，使其形成具有一定强度的防护层，经过一段 时间洒水养护，青草就会覆盖坡面，揭去无纺布，使茂密的青草自然生长1 5 1 。 生态基材护坡技术示意图如图1 1 所示1 4 。图i 一2 及1 3 为笔者调研的 某岩质边坡生态基材护坡前后的效果图。 图1 1生态基材护坡技术示意图 武汉理工大学硕十学位论文 图1 2 岩质边坡生态基材护坡f i j 效果图 图1 3 岩质边坡生态基材护坡后例期效果图 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 生态护坡技术的雏形是植被护坡，最初用于河堤护岸以及荒山的治理。近 三十年来，有关生态护坡技术的应用和研究综述越来越多，土地开发与保护的 生物工程是世界上有关坡面生态工程的第一部专著，成为世界欧洲坡面生态 工程的代表作；植物在土木和景观工程中的应用一书标志着英国在该领域更 新的发展；9 0 年代以后，生物地貌学、植被与侵蚀、植物在土体工程中 的应用、斜坡加固和侵蚀控制一生物工程途径、斜坡保护和侵蚀控制的坡 面生物工程技术、河岸和海岸稳定的抗水蚀生物技术、坡面加固的生物技 术和土壤生物工程等专著又相继问世1 6 , 7 1 。 发展至今，边坡生态防护技术从防护类型上已从土质边坡发展到岩质边坡， 从播种技术上已从人工播种发展到机械播种，从植物物种选型方面已从单一的 草种发展到草灌结合，从防护机理方面已从植物的降雨截留深入到根系加固机 理的研究【“”j 。总之，国内外有关边坡生态护坡的技术和理论取得了很大进展， 但关于岩质边坡生态治理不论是技术还是理论的专题报道都较少。 1 3 1 岩质边坡生态护坡技术方面 国外对岩质边坡的生态防护研究起步较早，特别是日本【4 1 ，早在1 9 7 3 年就 开发出了纤维土绿化工法( f i b e r - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) ，标志着岩体绿化工程 的开始，这也是日本最早开发的厚层基材喷射工法，即通过在坡面喷附较厚一 层结构类似于自然土壤且能够贮存水分和养分的植物生长所需的基层材料。纤 维土绿化工法的主要特征为：台阶形喷射，确保有效喷射厚度的经济性； 局部呈水平状，降低径流，减少基盘的流失；砂质土系，能有效利用现场开 挖的砂质士。此工法于1 9 8 1 年获得美国发明专利，技术上几经改进，在2 0 世 纪8 0 年代获得了广泛应用，至今仍在应用。纤维土绿化工法的不足之处：喷 射基盘无法形成最适宜植物生长所需的团粒结构；由于粘结材料为普通硅酸 盐水泥，喷射初期基盘的p h 值高，影响植物发育；采用砂质土，基盘材料 易流失。为解决纤维土绿化工法的缺陷，1 9 8 3 年开发出高次团粒s f 绿化工法 ( s o i lf l o c kg r e e n i n gm e t h o d ) ，工法的基本特征为：壤上系，并添加团粒制， 促进了基材团粒结构的形成；料结材料为特殊的沥青乳剂，基材抗侵蚀性更 4 武汉理【大学硕士学位论文 强，且p h 值呈中性。此技术从开发至今，在日本己旌工2 万余处，施工总面 积超过2 0 0 万m 2 ，1 9 8 7 年，日本从法国引进连续纤维加筋土工法，随后把它与 已有的坡面绿化工法结全地一起，开发出连续纤维绿化工法( t g 绿化工法) ， 工法的基本特征为：由于砂粒和连续纤维相互混合，基材的抗侵蚀性更强， 能适应坡体的微小变形；由于确保了大根系的伸长害，可引进木本植物，用 于坡面的树木化；施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤 维供给系统组成。在以上介绍的三类工法中，由于主要材料、粘结剂及纤维的 种类不同，又形成种类繁多的厚层基材喷射工法。总体上讲，按主要用材分类， 厚层基材喷射工法可分为砂质土系列、粘土系列、粘土与有机质混合系列和全 有机质系列；按粘结剂分类，可分为普通硅酸盐系列、特殊沥青乳剂系列及高 分子树脂系列；按纤维分类，可分为有机纤维系列，无机短纤维系列及连续纤 维系列。从实际工程应用看，已可应用于坡度小于1 ：0 5 的软岩、中硬岩、硬 岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，另外，也有应用于混凝土面及片石挡墙 面的实例。由于厚层基材喷射工法需要消耗大量的天然有机质材料( 如泥炭及 其它天然腐殖质等) ，而这些资源是有限的，因此，在2 0 世纪9 0 年代日本又着 手研究下水道污泥、废纸浆、废木材等废弃物回收形成富含有机质的喷射基材， 并取得了一定研究成果。 欧美国家在边坡生态治理上没有明确的将岩质边坡和土质边坡分类进行研 究，所采用的一般方法是先将边坡削缓，然后铺上约l o c m 左右的土层，再采 用液压喷播( h y d r o s e e d i n g 或h y d r a u l i cm u l c h i n g ) 、活枝捆垛( 1 i v ef a s c i n e ) 、表面 覆盖( m u l c h i n g ) 秸秆和干草、枝条插种( 1 i v ec u t t i n g ) 、植物树桩( 1 i v es t a k i n g ) 插 种、石堆种植( v e g e t a t e dr i p r a p ) ，绿化墙( v e g e t a t e dw a l l ) 、框格绿化法、土工 网( 一维或三维) 绿化法、阶梯墙绿化法、带孔砖( 或砌块) 等方法问。其生态恢 复效果好，但造价高，而且不适用于高陡岩质边坡，不适合我国国情【1 7 ，1 8 】。 国内对岩质边坡实施生态防护始于2 0 世纪8 0 年代中期，上世纪9 0 年代年 以后得到了迅速发展。最仞用于岩质边坡的生态防护方法是利用框架在岩石坡 面上营造植物生长所必需的土层条件，然后再采用液压喷播撒播的方式种植植 被。此技术源于对土质开挖边坡的防护，经改进后用于岩石边坡的生态防护。 框架制作有多种方法，常用的是锚杆框架护坡，框架的形状由具体工程确定， 其形状有正方形、六边彤、拱形等。一般做法是在岩面上依掘设计打孔，铺固 直径为1 4 m m 锚丰t ，其长度一般在1 5 m 3 m 。锚丰1 露出坡面部分( 一般1 6 c m 3 0 c m ) 。横向焊接6 m m 8 m m 钢筋形成框架骨架，灌注混凝土形成框架，柑架 武汉理【大学硕士学位论文 内填入经人工改良的含有植被种子的种植土( 基质) 。框架内植草护坡是早期岩 石边坡植被护坡的常用技术，一般适用于坡比小于1 ：0 7 5 的坡面，工程量相对 较大，而且应用范围较窄，对一些坡度较陡的岩质边坡不适用。 自1 9 9 5 年我国李旭光1 4 j 等人介绍日本的客土喷播护坡技术以来，有关学者 开始关注这一方法。2 0 0 0 年左右，我国学者借鉴日本经验开发出了一系列基材 护坡技术，并在岩质边坡、劣质土坡、矿山的生态恢复中得到了广泛应用。 2 0 0 0 年，章恒江等提出“喷混快速绿化”技术，该技术是在液压喷播技术 的基础上采用水泥为粘结剂，附着力较强，为我国岩质边坡的生态治理提供了 一个新的方向。但基材初期p h 值较高，不适于植物生长，而且草种单一，容 易退化。 2 0 0 1 年，周颖等将“喷混植生技术”用于惠河高速公路岩质边坡绿化，并 采用阶梯式分层喷射，第一层侧重于防护，第二层侧重于植生，取得了较好的 效果。此后，喷混植生技术得到了广泛应用。但仍存在基材初期p h 值高、基 材剥落、植被单一、易退化等缺点。 1 9 9 9 2 0 0 2 年，西南交大岩土工程研究所的张俊云、周德培等人联合开发 了“厚层基材喷射护坡技术”，又称“t b s ”技术，该技术不仅改进了基材初期 p h 值高的缺点，而且引入了草灌混播设计，提高了植被的整体竞争力。该技术 适用于坡度缓于l ：0 5 的稳定的硬质和软质岩边坡、劣质土坡。现已广泛应用 于铁路、公路、堤坝、矿山等工程建设的岩石边坡的工程防护和植被恢复 2 1 出】， 成为岩质边坡生态治理的主要技术之一。 2 0 0 0 2 0 0 1 年，三峡大学的许文年1 5 ，2 0 l 等开发了“植被混凝土边坡防护绿 化技术”，并申请了专利技术。该技术的核心是绿化添加基材，不仅可以将基材 的p h 值降到中性，而且可以作为肥料供植物吸收利用。此技术在三峡工程得 到了成功的应用，可用于坡度缓于1 ：0 3 开挖后的岩体坡面和混凝土坡面。 目前国内工程技术界和学术界出现的有关该类技术的专业术语还有：“喷混 绿化”( 肖飙等，2 0 0 1 ) 、“喷砼植草”( 金钟，2 0 0 1 ) 、“喷植”( 许铁力，2 0 0 2 ) 、 “有机质混凝土”( 周颖等，2 0 0 1 ) 、“喷植混凝土”( 邹俊，2 0 0 3 ) 、“乳液喷播 建植”( 匡旭华，2 0 0 3 ) 、“边坡生态种植基”( 张俊云，2 0 0 1 ) ；“边坡植生基质 生态防护”( 申新山，2 0 0 3 ) 、“有机基材喷播绿化”( 汪东等，2 0 0 3 ) 、“客土喷 播”( 章梦涛，2 0 0 4 ) 等。以七技术虽然命名不一样，但雎本机理和工艺流程基 本相司。 在短短几年时间内，岩质边坡喷射生态护坡领域出王见这么多专、j k 名词，说 武汉理1 = 大学硕士学位论文 明该类技术应用推广很快，值得研究，但另一方面也反映出我国该类技术的命 名和应用还未得到统一和规范。 1 3 2 岩质边坡生态护坡理论方面 关于岩质边坡生态护坡技术的理论研究，国外鲜见报道。目前国内外主要 围绕植物根系对边坡的加固机理、根系与岩土体之间相互作用的模型建立等方 面进行研究。 我国最近几年在岩质边坡生态护坡理论方面取得了一些成果。 i 四) j l 大学的李绍才1 27 j 等人以工程力学基本理论为依据，将基材( t b s 基材) 根系看成是一个复合体，通过实验对坡面岩体基材根系力学互作 的力学效应做了初步探讨。研究了基材根系复合体自身的抗剪、抗拉特性， 结果表明根系提高了基材的抗剪抗拉强度，而且两者间存在一定的函数关系。 并将基材与岩体之间看成是浅层滑坡，研究了基材与岩体f o j 的抗剪特性，探明 了抗剪强度、抗拉强度与复合体含根量、含水量等因子间的关系及时间尺度效 应，为生态基材护坡设计理论的完善和应用提供了参考依据。 此外，李绍才等人【冽还以狗芽根为建植植物，利用模拟边坡的观测试验， 对岩石边坡基材植被系统的养分循环过程进行了研究，认为基材植被 系统的养分年输入量大于年输出量( 径流输出) ，说明其处于良好的养分积累状 态，基材( 不包括枯落物及死根) 的养分年输入量( k 除外) 也大于年输出量， 表明经人工合理配置后，养分不是工程后期管理的主要因子，为基材护坡的后 期管理提供了参考依据。 中南大学的周中等人【2 9 墚用正交实验，在种子能够发芽的前提下，研究水 泥( a ) 、土壤( b ) ，腐殖质( c ) 和水( d ) 4 个因素在不同水平下对基材无侧 限抗压强度的影响，通过正交试验确定了不同龄期时4 种因素对基材的影响顺 序、各因素的显著性水平及混合基材的优化配比方案。本文笔者认为，该实验 为基材的选取提供了定量分析的方法，但仅把抗压强度作为基材选取考察的指 标还不够完善。 许文年、叶建军、周德培等人纷纷强调从生态恢复理论方面来完善边坡生 态护坡技术，对岩质边坡进行生态护坡应遵循生态恢复理论，如生物多样性、 生态演符、限制因子等理论i ”j 。生态恢复珲论的引入对植物物种选型及配比方 面提供了指导。目前，生态基材护坡的物种选型已从最初的单一草本种植发展 武汉理工大学硕十学位论文 到草灌结合，提高了植被的整体稳定性和生态恢复的潜力。但在工程实践中， 草本数量往往大于灌木数量，影响了长期绿化效果l ”1 。一些学者在积极探讨灌 木与草本的关系。孙乔宝1 3 0 l 等人通过对云南安楚高速公路岩质边坡生态恢复植 物适应性研究认为灌草相互竞争相互依存。每平方草种的密度与灌木种子的发 芽率成反比：k - c p 。其中，k 为灌木生长密度，p 为草本植物生长密度， c 为常数，其值随土壤条件、气候条件、坡度坡向等条件影响而变化。为使灌 木种子有良好的发芽率，陈兵【1 8 】等建议采取两个措施：一是减少每平方草种密 度，保证能基本达到覆盖率即可，增加灌木种子数；二是采用两步施工，根据 灌木种子比草发芽慢的特点，先点播灌木种子，让灌木先长1 5 2 0 d ，然后喷 播草籽，可保证灌木与草共同生长，并提出供参考的草本植物种子与灌木种子 的试验配比。 1 4 存在的问题 从上面的研究现状及应用实例来看， 方面得到了一定发展，但由于起步较晚， 许多问题需要进一步的研究。 虽然我国岩质边坡生态基材护坡技术 技术和理论都还不是很成熟，还存在 ( 1 ) 关于生态基材配制和选取的理论研究较少，没有一个科学合理的方法。 目前丌发出的生态基材使用情况来看，存在湿胀跨落、剥落、植被短期退 化现象，因此需要研究一个基材配制的科学合理方法并开发新基材； ( 2 ) 对该类技术的应用没有一个统一的规范，命名混乱。 虽然有些研究者对其开发的技术通过工程实例进行了介绍，包括施工规程、 工艺流程、验收标准、技术指标等，但目前还没有统一的规范，不能很好地指 导设计部门从事生态防护设计。 ( 3 ) 植物物种选配方面没有科学的依据及参考。 关于植物物种的选取，很多设计单位大多是借鉴别人的工程实例经验，因此 植物选取区域针对性不够强。 本文主要针对问题( 1 ) 展开研究。 1 5 研究内容 根据研究目标本文研究的主要内容拟定为岩质边坡生态护坡基材的配制 武汉理i ：大学硕七学位论文 试验研究及所配基材的性质分析，具体内容如下： ( 1 ) 系统分析基材护坡技术的理论，为基材配制提供理论基础； ( 2 ) 采用正交试验方法配制生态基材。选出配制材料，设定考察指标，筛 选出影响因素，利用多指标正交试验表安排实验并配制相应的样本； ( 3 ) 对所配基材样本进行实验研究，通过对所得数据的分析找出对基材指 标有显著性影响的因素及其指标随因素变化的趋势和规律，并确定基材合理的 配比范围； ( 4 ) 通过实验对所配生态基材的一些基本理化性质进行研究。 9 武汉理工大学硕士学伸论文 第2 章岩质边坡生态基材护坡技术理论 2 1 岩质边坡生态治理原理 针对岩质边坡的生态特点，进行生态治理时需要考虑以下三个问题：一是 如何将土壤( 或植物生长基材) 固定在高陡的岩质坡面上而又能抵抗雨水冲刷： 二是如何配制适合植物长期生长的营养基材；三是针对不同气候条件、不同坡 度、不同岩质情况的坡面，如何选取适宜的坡面植物，并使其初步形成生态恢 复系统。 要解决以上三个问题，需要用到生态恢复理论、植物学理论及土壤学理论。 2 1 1 生态恢复理论 关于“生态恢复”一词，由于评价生态恢复成功的标准不同，因此目前尚 未有一个明确统一的定义。美国生态学会认为：生态恢复【3 卜。2 】就是人们有目的 的把一个地方改建成定义明确、固有的、历史的生态系统的过程，这一过程的 目的是竭力仿效那种特定生态系统的结构、功能、生物多样性及其变迁过程。 从这个定义可以看出：生态恢复不是自然生态系统的自然演替，而是人为的 通过排除干扰、加速生物组分的变化和启动演替过程使退化的生态系统恢复到 某种状态；生态恢复不是物种的简单恢复，而是对系统的结构、功能、生物 多样性和持续性进行全面的恢复；对于不利于自然生态系统存在的地方，可 以基于生态恢复原理，通过一定的技术手段营造条件。 生态恢复原理包括生态限制因子原理、生态系统的结构理论、生物适宜性 原理和生态位原理、生物群落演绎理论、生物多样性原理等【3 2 3 3 。 ( 1 ) 生态限制因子原理 生态因子是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或问接 影响的环境要素，如温度、土壤、水分、养料、光照、空气和其它生物等。环 境中各种生态因子不是孤立存在的，而是彼此联系、互相制约、互相促进的， 任何一个单因子的变化，部必将引起其它因子不同程度的变化及其反作用，这 种关系，称之为综合作用。生物的生存和繁殖依赖f 各种生态因子的综合作用， 其中限制生物生存和繁殖的关键性因子就是限制因f 。任何一种生态因子只要 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 接近生物的忍耐极限，它就会成为这种生物的限制因子，生态系统的限制因子 强烈地制约着系统的发展。当进行生态系统恢复时，会遇到许多因子的制约， 我们必须找出该系统的关键因子，才能有效的迅速地进行生态恢复。 ( 2 ) 生态系统的结构理论 生态系统的结构是指生态系统中的组成成分及其在时间、空间上的分布和 各组分能量、物质、信息流的分布方式和特点，生态系统的结构包括物种结构、 时空结构和营养结构。物种结构又称组分结构，是指生态系统是由哪些生物组 成的，以及它们之间量比关系；生态系统中各生物种群在空间上的配置和在时 间上的分布，成为生态系统的时空结构；由生产者、消费者、分解者三大功能 群体组成的食物网、食物链是生态结构的营养结构。建立合理的生态系统结构 有利于提高系统的功能。从时空结构的角度，应充分利用光、热、水、土资源， 提高光能利用率；从营养结构的角度，实现生物物质和能量的多极利用与转化， 形成一个高效的，无废物的系统；从物种结构上，提倡物种多样性，有利于系 统的稳定和发展。 ( 3 ) 生物适宜性原理和生态位原理 生态适宜性是指生物经过长期与环境的协同进化，对环境产生了生态依赖， 其生长发育对环境产生了要求，每种生物要求在最适宜的环境中生长。生态位 主要是指自然生态系统中一个种群在时间、空间上的位置及其与相关种群之间 的功能关系。根据生态适宜性原理，在生态恢复设计时要先调查恢复区的自然 生态条件，根据生态环境来选择适当的生物种类。根据生态位原理，要避免引 进生态位相同的物种，尽可能使物种的生态位错开，避免种群间的竞争。 ( 4 ) 生物群落演绎理论 在自然条件下，如果群落遭到破坏，一般能够恢复。恢复的过程是：先是 被称为先锋植物的种类侵入遭到破坏的地方并定居和繁殖，先锋植物改善了被 破坏地的环境，使得其它物种侵入并被部分或全部取代，如此渐进恢复到它原 来的外貌和物种。 生物群落恢复时有几项明显特征：植物群落对地力的要求从低到高发生 迁移变化；土壤厚度逐步增加；植物群落的高度从低到高变化；从寿 命舸的种类向寿命长的种类发生变化；先锋植物首先在需恢复的地方定居和 繁娟，改善被坡地的生态环境。 当进行岩质坡面生念恢复时【3 i ，首先找出限制因子，j 能有效迅速地进行 生态恢复。比如，南方水，热、光、温条件较好，对该地区岩质坡地进行生态 武汉理工大学硕七学位论文 恢复时土壤就是限制因子；再根据当地的气候及物种调查，选取适宜的植物物 种，最好选用本土植物，尽量选用生态位不同的物种以避免竞争( 生物适宜性 和生态位原理) ；生态系统的结构理论要求我们在恢复生态系统时尽快建立合理 完整结构，如引进土壤微生物菌肥( 分解者) ，引进开花结果植物，吸引动 物( 消费者) 觅食和安扎，注意物种的代际结构和不同植物空间合理分布；根据 生物群落演绎理论，岩质坡地的生态恢复的顺序一般应为：先锋植物( 一般人工 选择草类植物) 一当地草种一灌木一乔木( 土层太薄不能演绎到乔木) ；为了提高 生态恢复的潜力和物种稳定性，还需引入多种物种( 生物多样性原理) 。 2 1 2 植物学理论 由于边坡特殊的生态特点，要在坡面建立健康的植被护坡系统需要考虑到 植物的适用性及特点。 ( 1 ) 坡面植物群落建立的几个基本指导思想【4 j 人工辅助自然植物群落的建立 绿色植物是自然的产物，而并非人类所创造。对于已遭破坏的边坡、其他 表土处于不断移动的状态时，植物就不能侵入和定居。但是，当地表土移动变 得极为缓慢或完全停止时，植物就可能入侵。掘此，对无表土的岩石坡面提供 一厚层的植物生长基材，为植物的侵入和定居创造可能的机会，通过人工辅助 的方法促进自然恢复力的发挥，植物侵入后，未必都能持续生长发育，干旱、 霜冻等因素都可导致植物死亡，土壤养分匮乏时可形成自然状态下不能正常生 长发育的弱小个体。对此，植被护坡技术提供的基材满足了植物的水分要求和 一定的养分供给。因此，植被护坡技术的首要任务就是建造坡面植物生长的稳 定环境，稳定的坡面植物群落最终依靠自然本身的恢复力来实现。 物种以外来的草本型先锋植物为主，灌木种为辅 一般地，选用施工地的乡土类植物建立起来的植物群落更易于向稳定的植 物群落发展，因为依照自然进化的“优胜劣汰”法则，乡土类植物通过不同类 间的竞争已适应了当地的生存环境，它们比外来物种对当地气候的适应能力更 强。但是，乡土类植物的种子却不易大量采集，不利于植被护坡技术的大量应 用，基于此，可以采用与乡土植物的生理、生态等特性相近的且易于大量获得 的外来牧草种、草坪类及灌木植物种作为先锋型植物种，先在坡面建造外柬的 先锋植物群落，然后再演替为乡土类植物群落。 武汉理工人学硕士学位论文 建立坡面植物群落应以播种为主，栽植为辅 播种苗木比栽植苗木的根系发达，不易倒。播种苗木根系的主要特点是数 量少，粗而长，地下根系的延伸大于地上部分生长量，主根发达，而栽植苗木 的根系数量虽多，但细小且短，和地上部分生长量相比，地下根系延伸贫弱， 特别是主根不明显。 播种苗木比栽植苗木的抗拔强度高，播种苗木与邻木根系交结多，抑制崩 塌的网状效果好，而栽植苗木与邻木的根系交结少，不存在根系间强有力结合， 因此其抗拔强度低。 播种建立的植物群落比栽种建立的植物群落抗灾害性强，播种苗木易于产 生自然淘汰，进行合理密度的控制，而栽植苗木不易产生自然淘汰，放置不管 会形成抗风、抗雨弱的形态。 ( 2 ) 坡面植物选型原则 由于坡面环境恶劣，后期养护困难，因此护坡植物种类的选择应遵循一下 原则1 4 j ： 适应当地的气候条件； 适应当地的土壤条件( 水分、p h 值、土壤性质等) ； 抗逆性强( 包括抗旱性、抗寒性、抗贫瘠等) ； 能迅速生长，短期内覆盖坡面： 适应粗放管理，能产生适量种子，且种子成本低 此外，为使植物群落稳定，多采用混播设计，一般应包括禾本科和豆科的 植物种搭配。 2 1 3 土壤学原理 土壤是植物生长繁育的基础，不同的物理、化学特性以及它的水、肥、气、 热状况对植物的生育有着重要的影响。坡面植物的健康持续的生长，必须以坡 面具有适宜植物生长的土壤环境为i j 提。具体而言，包括以下几个方面： ( 1 ) 土壤的物质组成 土壤是由固、液、气三相物质组成的多相分散的复杂体系，其三者间的比例 关系影响着上壤肥力状况，从而影响植物的生长。固相物质由颗粒状的矿物质、 有机质和- 十壤生物组成。三相物质中，固相约l 总体积的5 0 ，气相、液相相互 消长，约占总体积的5 0 。固相部分的9 0 以t 是矿物质颗粒，1 0 以下是有机 武汉理r 大学硕士学位论文 质，它包被在矿质颗粒表面，所占比例不大，但对土壤肥力状况影响很大。液相 物质是土壤中的溶解有各种养分的水溶液，它提供给植物生长必需的水分，并直 接进行养分的供给，而且，对于养分及水分的流动起着重要作用。气相物质是土 壤中的空气。 土壤的三相物质比例是土壤各种性质产生和变化的基础，土壤改良和培肥的 各种技术措施，主要从改善土壤三相物质比例出发。 ( 2 ) 土壤质地 土壤质地又称机械组成，它是土壤中各种大小矿质颗粒( 砾、砂、粉等) 的相 对含量，根据土粒直径的大小，可把土粒分为若干级。直径2 0 0 2 m m 的称为粗 砂，0 2 o 0 2 r a m 的为细砂，0 0 2 o 0 0 2 m m 的为粉砂，0 0 0 2 m m 以下的为粘粒。 不同质地的土壤具有不同的特性，它直接影响土壤透水、保水、保肥、供肥、通 气等肥力特性，与植物生长的关系十分密切。 砂土类土壤含砂粒多，粘粒少，土壤疏松，粘结性小，大孔隙较多，透气透 水性较强，但保水保肥性差，土壤温度变幅较大。 壤土类土壤质地较均匀，砂粒、粘粒和粉砂大致等量，物理形状良好，通气 性较好，有较好的保水保肥能力，大部分植物在此类土壤中生长良好。 粘土类土壤质地较细，以粘粒和粉砂居多，结构致密，干时硬。由于含粘粒 多，颗粒表面积大，保水保肥能力强，温差小，但因土粒细小，孔隙小，通气透 水性能差。 对不良质地的土壤，可采用措施加以改良： 掺沙掺粘，客土调剂。通过“泥入沙”或“沙掺泥”法改良质地，提高 肥力。 增加有机肥。有机物质在土中经微生物分解所产生的腐殖质胶体可促进 团粒结构的形成。 ( 3 ) 土壤结构 土壤结构是指土壤颗粒排列的状况，可分为团粒状结构、块状结构、核状结 构、柱状结构、片状结构等，其中以团粒结构土壤最适宜植物生长，团粒结构是 土壤中的腐殖质把矿质颗粒互相粘结成直径为0 2 5 1 0m m 的小团块而形成的。 具团粒结构的土壤能较好协调土壤中水、肥、气、热之间的矛盾，保水保肥能力 强。土壤团粒内部的毛细孔隙可保持水分，毛细管内空气少，主要是嫌气性微生 物洒动，有机物分解缓慢，所以有利于有机质的积累和保持：而团粒之间的非毛 细管孔隙则充满着空气，好气性微生物活动日 盛，有机质分解快，转化成町破植 1 4 武汉理 大学硕士学位论文 物利用的有效养分。对于不良结构的土壤可采用改良剂来促进团粒结构的形成。 ( 4 ) 土壤孔隙度 孔隙度是土壤孔隙数量的度量指标，或指未被固体部分占据的土壤体积。孔 隙度是土壤的一个重要参数，以为它影响到水分和气体的运动，从而决定根系和 土壤生物的活动。结块土壤的孔隙度比良好团粒结构的土壤的孔隙度低得多，因 为后者的团粒间具有丰富的大孔隙，如砂砾土和租砂土，那么土壤水会过于自由 流动，容易导致干早，反之，若所有孔隙都是粘粒间的小的孔隙，则水的运动极 慢，植物易受水涝和缺氧的影响。理想的孔隙分布应该是既能保持足够的水分， 又允许充分的0 2 和c 0 2 扩散，以满足植物、土壤动物和微生物的要求。 ( 5 ) 土壤水分 土壤中的水分，只有一部分是植物可以吸收利用的。能被植物吸收利用的那 部分水，称有效水。根据植物吸收利用的难易，又可分为速效水、弱有效水，迟 有效水等。不能被植物吸收利用的水，称无效水。植物根系的吸水力大于、等于 土壤对水的吸力，植物就可以吸收足够的水分，保证正常生长所需，当土壤中的 水分减少到一定程度，土壤对水的吸力就会大于植物吸水力，植物根系吸水困难， 茎叶蒸腾所消耗的水量大于根吸水量，以致产生植物永久萎蔫现象，这时土壤的 含水量称为萎蔫系数或凋蔫系数。多数常见植物萎蔫系数在2 0 b a r ，平均约为1 5 b a r ( 1 b a r = o 9 8 6 9 大气压) 。萎蔫系数以上的水对植物才有效，所以土壤有效水是在 田间持水量以下、萎蔫系数以上范围的水，土壤有效含水量= 田间持水量一 萎蔫系数超过田间持水量的水，植物能够吸收利用，但由于影响土壤通气性， 会导致根系生长受抑制，产生还原性物质，毒害植物。而最有利于