（土壤学专业论文）以基材—植被系统为基础的生态护坡技术研究.pdf

摘要 公路 铁路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破坏 采用 生态护坡技术对边坡进行生态治理能有效实现边坡生态恢复 防止水土流失 以此为 基础的理论和技术研究非常有必要 由于岩质边坡的特点 对岩质边坡进行生态治理一直是个难题 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护坡技术 具有广阔的应用前景 该技术 的核心是绿化基材的配制及植被的选择 基于当前固体废物污染严重 特别是农业废 弃物对农村生态环境的污染 需要这些农业固体废物资源化处理利用 本文通过野外 调查 室内试验及模拟试验对绿化基材的材料选择与配制及其性质进行了研究 对乡 土植被进行优选 拟为工程实践提供技术方法以及理论依据 所做主要工作及研究结 果如下 1 系统分析了岩质边坡的生态护坡的原理 从基材与植物的水文效应 基材与 植物的物理化学效应 植物根系的力学加固效应分析了基材的护坡功能 将土壤 基 材 一植被当作一个整体的生态防护系统 全面总结了其生态特性 2 根据农业固体废物的性质特点 选择固体废物秸秆 茵渣 厩肥 污泥等作 为原料制得绿化基质 结合前人对基材的功能分析 本文确定了配制绿化基材的组分 包括土壤 绿化基质 水 粘合剂 改良剂 保水剂 缓释肥 植物种子 p h 调节 剂9 种组分 并对基质的理化性质进行测试和分析 结果表明所选秸秆 菌渣 厩肥 污泥等的有机质含量都在2 9 以上 氮磷钾养分含量丰富 可以满足植被生长的长期 需要 3 用制得的绿化基质样本和对照样本进行基材的盆栽试验 并对植物发芽率 植物生长状况 基材收缩性和基材抗蒸发性等测试 得到了各处理的试验结果 并对 试验所测的基础数据进行了方差分析 结果表明 各处理发芽率都较高 2 0 复合基 质 土壤的发芽率最高为7 9 8 其次为2 0 泥炭 土壤处理为7 8 2 2 0 复合基质 土壤与土壤对照之间达到显著差异 污泥和牛粪处理也都高于土壤对照 说明泥炭 污泥 牛粪对草种的发芽有一定促进作用 从最后的生物量看 各处理间的明显差别 2 0 污泥 土壤 2 0 牛粪 土壤 2 0 复合基质 土壤与2 0 泥炭 土壤 土壤对照之 间差异极显著 从生物量看 使用污泥作原料生长最高为4 2 4 7 6g m 2 依次为2 0 牛粪 土壤为3 7 1 1 6g m 2 2 0 复合基质 土壤为3 3 7 0 8 m 2 2 0 菌渣 土壤为2 3 9 9 7 g m 2 确定了适宜用作基质的固体废物 4 通过模拟降雨试验 对不同基材一植被系统的抗侵蚀性能及其水土流失 养 分流失规律进行了探讨 得出各处理不同时期的侵蚀模数 随植被的生长其侵蚀模数 逐渐减小 并且农业固体废物等制的基质其抗侵蚀效果优于对照 5 结合安徽地区各种植被分布及生长差异情况 通过野外调查和试验 筛选出 狗牙根等7 种多年生草本植物作为边坡绿化的主要用种 巢菜等7 种一年生草本植物 作为边坡绿化的辅助用种 华东槐蓝等6 种灌木植物用于边坡绿化的配置用种 6 通过对工程实例以及前入成果的分析 总结出生态护坡的施工流程 提出绿 化基材生态护坡技术的要点 关键词 岩质边坡 生态护坡技术 农业固体废物 绿化基材 植被 1 1 a b s t r a c t al o to 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 u r c t i o n s e g h i g h w a y r a i l w a y t h ee x c a v a t i o ns l o p ed e s t r o y e dt h eo r i g i n a lv e g e t a t i o nc o v e r l e a d i n gt oal a r g en u m b e ro f s e c o n d a r yb a r ea r e aa sw e l l a ss e v e r es o i l e r o s i o n c a u s i n gs e r i o u sd a m a g et ot h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h eu s eo fe c o p r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo nt h es l o p ee c o i o g i c a l g o v e r n a n c ec a ne f f e c t i v e l ya c h i e v et h ee c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no ft h es l o p et op r e v e n ts o i l e r o s i o n a sab a s i sf o rt h et h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hi sn e c e s s a r y d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o c ks l o p e r o c ks l o p eo ne c o l o g i c a lg o v e r n a n c eh a s a l w a y sb e e nap r o b l e m i nr e c e n ty e a r s s c h o l a r sh a v ed e v e l o p e df o rl l i 曲s t e e pr o c ks l o p e p r o t e c t i o no ft h ee c o l o g i c a lt e c h n o l o g yw h i c hh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h e t e c h n o l o g yi st h ec o r eo ft h ep r e p a r a t i o no ft h em a t e r i a la n dt h ec h o i c eo fg r e e nv e g e t a t i o n b a s e do nc u r r e n ts o l i dw a s t ep o l l u t i o ni ns e r i o u sp o l l u t i o n e s p e c i a l l ya g r i c u l t u r a lw a s t e s f o rp o l l u t i o no ft h er u r a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h en e e do ft h e s er e s o u r c e st od e a l r i 也 s o l i dw a s t eu s e d r a w i n go np r e v i o u sr e s e a r c hi nt h i sa r t i c l e r e s u l t s t h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o n l a b o r a t o r yt e s t i n ga n ds i m u l a t i o nt e s t i n go nt h eg r e e nm a t e r i a ls e l e c t i o na n d p r e p a r a t i o no fm a t e r i a l sa n dt h e i rp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e df o ro p t i m i z a t i o no fn a t i v e v e g e t a t i o n i sp r o p o s e df o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e a sw e l la st h ep r o v i s i o no ft e c h n i c a l m e t h o d so ft h et h e o r e t i c a lb a s i s t h er e s u l t so ft h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hd o n ea r ea s f o l l o w s 1 t h ea n a l y s i so fr o c ks l o p ep r o t e c t i o no ft h ee c o l o g i c a lp r i n c i p l e so fp l a n t sf r o m t h em a t e r i a la n dt h eh y d r o l o g i c a le f f e c to ft h em a t e r i a la n dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l e f f e c t so fp l a n t s p l a n tr o o ta n a l y s i so ft h em e c h a n i c a lr e i n f o r c e m e n te f f e c to ft h e p r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h em a t e r i a lt ot h es o i l m a t e r i a l t h ev e g e t a t i o na saw h o l e e c o p r o t e c t i o ns y s t e m ac o m p r e h e n s i v es u m m a r yo fi t se c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 2 a c c o r d i n gt ot h en a t u r eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l i dw a s t e s o l i dw a s t eo p t i o n s s t r a wa n dm u s h r o o m sr e s i d u e m a n u r e s l u d g ea n do t h e rm a t e r i a l so b t a i n e da sag r e e n m a t e r i a l c o m b i n e d 州mp r e v i o u sf u n c t i o n a la n a l y s i so ft h em a t e r i a l t h ep a p e ri d e n t i f i e d t h ec o m p o n e n t so ft h ep r e p a r a t i o no ft h em a t e r i a lg r e e n i n c l u d i n gt h es o i l g r e e nm a t e r i a l w a t e r a d h e s i v e s c o n d i t i o n e r w a t e rr e t a i n i n ga g e n t s l o w r e l e a s ef e r t i l i z e r p l a n ts e e d s p h r e g u l a t o rn i n ek i n d so fc o m p o n e n t s a n dt h en a t u r eo ft h em a t e r i a lo fe a c hc o m p o n e n t t e s t i n ga n da n a l y s i s t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lf o rt e s t i n ga n d a n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e l e c t e ds t r a wa n dm u s h r o o mr e s i d u e m a n u r e s l u d g ea n d i i i s 3o no r g a n i cm a t t e rc o n t e n tm o r et h a n2 9 n pa n dkn u t r i e n tc o n t e n tr i c hv e g e t a t i o n t om e e tt h el o n g t e r mn e e d s 3 f r o mt h em a t e r i a lp o t t e dp l a n te x p e r i m e n tu s i n gt h eg r e e nm a t e r i a ls a m p l e sa n d t h ec o m p a r i s o ns a m p l e s a n dt a k et h et e s to ft h ep l a n tg e r m i n a t i o nr a t e p l a n tg r o w t h c o n d i t i o n s t h ec o n t r a c t i l i t ya n dt h ea n t i e v a p o r a t i o no ft h em a t e r i a le t g r e c e i v et h e e x p r i m e n tr e s u l t u s et h eb a s i sd a t aw h i c ht e s tf r o mt h ee x p r i m e n ta n dt ot a k et h ea n a l y s i s o fv a r i a n c e t h er e s u l ti n d i c a t e d g e r m i n a t i o nr a t e so fe a c hp r o c e s s i n ga r eq u i t eh i g h t h e m 曲e s tg e r m i n a t i o nr a t eo f2 0 c o m p o s i t em a t r i x s o i lu pt o7 9 8 f o l l o w e db yt h e p r o c e s s i n go f2 0 p e a t s o i lu pt o7 8 2 i tr e c e i v et h em a r k e d n e s sd i f f e r e n c eb e t w e e n 2 0 c o m p o s i t em a t e r i a l s o i la n ds o i lc o m p a r i s o n t h ep r o c e s s i n go fs l u d g ea n dc o w d u n ga l lh i g h e rt h a ns o i lc o m p a r i s o n i ti n d i c a t e dt h a tp e a t s l u d g e a n dc o nd u n gh a s c e r t a i n l ya c c e l e r a t ee f f e c t b i o m a s sf r o mt h ef i n a ll o o k t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p r o c e s s i n g s 2 0 s l u d g e s o i l 2 0 c o wd u n g s o i l 2 0 c o m p o s i t em a t e r i a l s o i la n d 2 0 p e a t s o i l t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r o c e s s i n g sw e r es i g n i f i c a n t l y t h eu s eo f s l u d g ea sr a wm a t e r i a lf o r t h eg r o w t ho ft h eh i g h e s t4 2 4 7 6g m z f o l l o w e db y2 0 c o w d u n g s o i lt o3 7 1 1 6g m 2 2 0 c o m p o s i t em a t e r i a l s o i l3 3 7 0 8g m 2 2 0 m u s h r o o m r e s i d u e s o i l2 39 9 7g m i d e n t i f i e ds u i t a b l es o l i dw a s t ef o rg r e e nm a t e r i a l 4 t h r o u g ht h es i m u l a t e dr a i n f a l le x p e r i m e n t s d i s c u s s e ds o i le r o s i o n n u t r i e n tl o s s a n da n t i e r o s i o np r o p e r t i e si nd i f f e r e n tm a t e r i a l s v e g e t a t i o ns y s t e m s g o tt h ee r o s i o n m o d u l u so fd i f f e r e n ts t a g e s w i t ht h eg r o w t ho fv e g e t a t i o n i t se r o s i o nm o d u l u sg r a d u a l l y d e c r e a s e d a n dt h ea n t i e r o s i o no ft h ea g r i c u l t u r a ls o l i dw a s t e si sb e t t e rt h a nc k 5 c o m b i n a t e dt h ev e g e t a t i o nd i s t r i b u t i o na n dg r o w t ho fav a r i e t yo fd i f f e r e n c e so f a n h u ir e g i o n t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o na n dt e s t i n g s c r e e n i n go u to fs e v e nk i n d so f b e r m u d a g r a s sa n do t h e rp e r e n n i a lh e r b a c e o u sp l a n t sa st h es l o p e sp r o t e c t i o no ft h em a i n s p e c i e s t h en e s tg r a s ss e v e nk i n d so fd i s h e s a sao r l e y e a r o l dh e r bs l o p eu s eo ft h e a u x i l i a r ys e e d s s u c ha se a s tc h i n al o c u s tt r e e s i xk i n d so fs h r u b su s ef o rs l o p ep r o t e c t i o n 6 e x a m p l e so fp r o j e c t s 嬲w e l la sa l la n a l y s i so fp r e v i o u sr e s u l t s s u m m e du pt h e c o n s t r u c t i o no fs l o p ep r o t e c t i o no fe c o l o g i c a lp r o c e s s e s t h em a i ne l e m e n t so ft h em a t e r i a l e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s r o c ks l o p e e c o l o g i c a ls l o p ep r o t e c t i o n a g r i c u l t u r es o l i dw a s t e g r e e n m a t e r i a l v e g e t a t i o n i v 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 尽我所知 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 也不包含为获得安徽农业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 善牲 时间 驴勺尹年 关于论文使用授权的说明 1 日 本人完全了解安徽农业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表 传播学位论文的全部或部分内容 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名i 霾邀垄 时间 矽矽年 月 日 导师签名 2 时间 z 叩年名月l e l 第1 章文献综述 1 1 生态护坡的概念 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n 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n 1 岩质边坡被称为地球上的生态荒漠h 3 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 决的课题嫡1 而生态护坡的最大特点就是从改善土壤结构和充分利用当地的林草资源 入手 营造出最佳结构的 人造土壤 使其既能保水 保肥 透气 透水 适于植 物生长 又能有效抵抗雨蚀和风蚀 抑制水土流失 植被能与周围景观相协调 同时 对其维护管理量较小 生态护坡中的基材 除要求其具有较好的肥力及保水性以提供 植物生长所需的养分和水分外 还要具有一定的抗冲刷能力及一定的强度 以防止基 材脱落和坡面浅层溜坍 因此 基材和植被的选择直接关系到生态护坡工程的质量 1 2 生态护坡研究综述 1 2 1 生态护坡技术简介 生态护坡方法 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边坡表面 其结构和功能类似于自然土壤 种子在其中发芽 生长 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晦 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 1 0 c m 不含种子 第二层厚约2 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 生态护坡技术示意图如图卜i 所示 1 目卜1 护垃 示童圈 1 1s c h 叽衄cd i a g r a mo f c o l q c a lp m o n n 0 1 r 12 2 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 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 种技术上己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 草灌结台 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 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 123 边坡生态防护技术研究方面 国外对岩质边坡的生态防护研究起步较早 特别是日本 早在1 9 7 3 年就开发出 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 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 此技术从开发至今 在日本己施工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 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 一并取 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 r 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 等方法隅1 其生态恢复效果好 但造价高 而且不适用于高陡岩质边坡 不适合我国国情口8 1 9 3 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 最初用于岩 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 后再采用液压喷播撤播的方式种植植被 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 常用的是锚打框架护坡 框架的 形状由具体工程确定 其形状有正方形 六边形 拱形等 一般做法是在岩面上依据 设计打孔 锚固直径为1 4 m m 锚杆 其长度一般在1 5 m 一3 m 锚扣露出坡面部分 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 灌注馄凝土形成框架 柑架内填 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 年我国李旭光陆3 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1 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幢晒3 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 三峡大学的许文年哺川等开发了 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l 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 肖飘等 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 上技术虽然命名不一样 但基本机理和工艺流程基本相同 在短短几年时间内 岩质边坡喷射生态护坡领域出现这么名专业名词 说明该类 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 2 4 边坡生态防护机理研究方面 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 四川大学的李绍才 汹3 等人以工程力学基本理论为依据 将基材 t b s 基材 一根系看成是一个复合体 通 过实验对坡面岩体一基材一根系力学互作的力学效应做了初步探讨 研究了基材一根 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 4 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 间的抗剪特性 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 李绍才等人啪1 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 认为基材一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 1 采用正交实验 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 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 生态演替 限 制因子等理论h 5 1 生态恢复理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n 酊 一些学者在积极探讨灌木与草本的关系 孙乔宝 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n9 删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 3 存在的问题 从上面的研究现状及应用实例来看 虽然我国岩质边坡生态基材护坡技术方面得 到了一定发展 但由于起步较晚 在技术和理论都还需要成熟和完善 在护坡基材的 研究方面现多采用单一基材切不可再生的泥炭应用较多 还存在许多问题需要进一步 的研究 1 关于绿化基材选材配制的理论研究较少 没有一个科学合理的方法 目前开 发出的绿化基材使用情况来看 存在湿胀跨落 剥落 植被短期退化现象 因此需要 研究基材选材配制的科学合理方法并结合现存的大量农业固体废物开发新基材 2 植物物种选配方面没有科学的依据及参考 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 3 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边坡生态防护设计 1 4 引言 1 4 1 研究目的和意义 环境污染和生态破坏是人类面临的重大社会问题之一 近年来世界各地连续发生 各种的自然灾害 是环境破坏给人类的警钟 项目开发和环境保护兼顾是可持续发展 的重大课题 是建设资源节约型 环境友好型的和谐社会的要求 对工程建设来说 如何合理利用资源 将固体废弃物资源化 保护环境 是我们必须正视和认真对待的 问题 随着我国基础设施的建设规模日益扩大和西部大开发战略的逐步实施 一大批高 速公路 铁路和水电站等相继开工建设 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 在遭受暴雨和洪水冲蚀后易出现崩塌 全国每年因此而新增的水土流失面积达1 1 0 4 k m 2 其中大部份是边坡水土流失n 3 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 特别是高速公路在穿越 山区时不可避免地产生深挖高填 原生植被破坏 大量边坡裸露 水土流失加剧等环 境问题 在我国 传统边坡防护措施主要为纯工程的防护形式 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 导致地貌破坏 植被难以恢复 大量石料的应用造成成本较高 无自我更新能力 道路景观效果较差 不利于吸收阳光和噪音 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 尤其是近几年我国对 绿化通道建设 力度的加大 高速公路岩 石边坡的绿化问题己提上日程 并成为大势所趋 各省 自治区 直辖市继续贯彻落 实国务院 关于进一步推进全国绿色通道建设的通知 要求 突出重点 着力提高绿 化档次 稳步推进绿色通道建设 铁路 交通 水利等部门按照职责分工 加大投入 加快了管辖线路内绿色通道建设步伐 铁道部制定了绿色通道工程建设规划 明确分 工责任 将沿线通道绿化与防风 防沙 防洪 提速达标线建设 新线建设相结合 大力推进绿色通道建设 累计实现铁路绿化达标1 2 7 万公里 全国 绿色通道建设 的目标是 到2 0 0 5 年 对全国的公路 6 0 的现有铁路 国道 省道 渠道 堤坝实 6 行绿化 目前 这一目标基本实现 到2 0 1 0 年 力争对全国所有可绿化的公路 铁路 渠道 堤坝全面绿化 形成带 网 片 点相结合 层次多样 结构合理 功能完备 的绿色长廊 使绿色通道与生态环境 城乡美化绿化融为一体 由于世界经济金融危机影响 国家为抵御国际经济环境对我国的不利影响 采取 灵活审慎的宏观经济政策 以应对复杂多变的形势 国务院出台扩大内需十措施确定 4 万亿元投资计划中 有加快民生工程 基础设施 生态环境建设和灾后重建 提高 城乡居民特别是低收入群体的收入水平等措施 其中一条为加快铁路 公路和机场等 重大基础设施建设 重点建设一批客运专线 煤运通道项目和西部干线铁路 完善高 速公路网 安排中西部干线机场和支线机场建设 加快城市电网改造 这也是公路边 坡生态防护挑战和机遇 然而现阶段基材的主要成分是泥炭土 腐殖土等有限的资源 而且成本较高 适 用性不强 所以开发新的适用性强且资源来源丰富的基材产品为当务之急 现在无论 在城市还是在农村 固体废弃物都是造成环境污染的主要因素之一 固体废弃物主要 包括城市生活固体废弃物 工业固体废弃物和农业废弃物 城市生活固体废弃物主要 是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物 即 城市生活垃圾 一般来说 城市生活水平愈高 垃圾产生量愈大 在低收入国家的大 城市 如加尔各答 卡拉奇和雅加达 每人每天产生0 5 0 8 千克 在工业化国家 的大城市 每人每天产生的垃圾通常1 千克左右 农业废弃物 a g r i c u l t u r ew a s t e s 指农业生产 农产品加工 畜禽养殖业和农村居民生活排放的废弃物的总称 它主要 包括 农田和果园残留物 如秸秆 杂草 枯枝落叶 果壳果核等 牲畜和家 禽的排泄物及畜栏垫料 农产品加工的废弃物和污水 人粪尿和生活废弃物 农 业废弃物如果任意排放不仅造成农村生活环境的污染 而且会污染农业水源 影响农 业产品的品质 危害农业生产 传染疾病 影响居民健康 农业废弃物主要是有机物 这些废弃物 若处理得当 多层次合理利用农业废弃物 可成为重要的资源 从某种 意义来说农田废弃物主要就是指作物秸秆 是农业废弃物的第一类生产性废弃物 秸 秆富含多种营养元素 我国是个农业大国 秸秆量大面广 是最重要的自然资源之一 随着农业经济的发展 牲畜和家禽的排泄物及畜栏垫料和农产品加工的废弃物也逐年 增加 这些废弃物如能将其加工转化 其综合利用涉及面广 不但可以扩大原料的来 源 提高天然资源的附加值 而且还可以全面消除废物的直接污染 保护农业生态环 境 本研究将农林废弃物 秸秆 菌渣 厩肥 污泥等 资源化利用 针对实际运用 中存在的几个方面的问题 1 基材的成本偏高 影响生态护坡技术的运用和推广 2 基材的配方千篇一律 影响了生态护坡的效果和工程验收 3 植生工程技术 不能适应不同地质 岩石和土壤 坡度和坡形需要 进行基材的开发 乡土植被的选 7 择和基材一植被系统生态护坡技术研究 旨在确保公路沿线区域的环境质量和持续性 发展 保护及恢复沿线区域的生态环境 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 具有广阔的应用前景 生态护坡技术的核心是基材的配 制 本文借鉴前人的研究成果 进行实地植被生境调查和优选 利用农业固体废物 秸 秆 菌渣 厩肥 污泥等 作为原料 通过室内试验对岩质边坡生态护坡基材进行了 研究 对生态护坡植物种类进行了优选 拟为我国生态护坡技术的发展和完善提供参 考 本研究既解决了废弃物的污染问题又增加了经济效益和生态效益 除用于高路公 路的生态护坡外 还可以用于矿山生态修复 河道生态护岸 城市园林绿化等 1 4 2 研究内容 本文研究的主要内容 拟定为用固体废物等材料代替泥炭研究岩质边坡生态护坡 基材的配制 试