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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2008-11-19

摘要：本文对喷混植生技术在高速公路岩石边坡生态恢复中的研究和应用进行了较全面的综合，主要涉及到喷混植生技术的概念、研究应用进展及研究现状，最后，对岩石边坡生态系统中喷混植生综合研究及示范推广进行了讨论。
关键词：高速公路石质边坡生态恢复喷混植生

德国早在1919年就修建了高速公路的雏形；而美国的高速公路最多，到1983年已建成83956 km的高速公路。我国在1988年实现了高速公路零的突破，截止到2002年底，全国高速公路里程达到了2.52万km[1]，仅次于美国居世界第二位。但是，高速公路是以破坏生态环境为代价的一项现代化建设工程，每年形成的边坡面积达2-3亿m2，其中，石质边坡的面积约为1000-1500万m2；这些石质边坡大多分布在我国南方各省，仅广东省每年就有100万m2以上的石质边坡急待治理。裸露石质边坡缺土、缺水、缺肥等植物的生存条件，因此，石质边坡的生态恢复已成为当前的一大技术难点。
1、岩石边坡生态恢复技术及国内外研究进展
1.1 喷混植生技术及其特点
喷混植生技术是当前工程创伤的岩石边坡生态修复的最新模式，是岩石边坡工程防护与生态绿化并重的新技术，能使植物在短时间内快速生长覆盖。该技术利用锚杆加固铁丝网技术，运用特制喷混机械将土壤、有机核心料、粘结剂、植物种子等混合干料加水后喷射到岩面上，形成近10cm厚度的具有大小孔隙的硬化体[2，3]。
喷混植生技术的主要特点大致有：
1）适合地质条件恶劣的岩石坡面
喷混植生技术采用镀锌铁丝网和钢杆锚固，抗拉力强度大，可有效地防止崩塌和碎石掉落，确保山体和道路长治久安。该方法适用于恶劣环境的岩石边坡，如砾石层、软岩、破碎层及较硬的基岩石等。
2）抗侵蚀性和抗水土流失
粘结剂的胶结作用是喷混基质与岩面粘结，并使喷混基质硬化，从而避免雨水等对种植基质造成冲刷侵蚀。不仅喷混基材有很强的抗侵蚀性能，在灌草植被与基材的共同作用下，基材的抗侵蚀性又得到进一步的增强。
3）保障植被快速成型及生态稳定性
以客土为主的喷混基层的厚度为10cm，能确保植物安全生长的极限需求。石质边坡上喷混植生后，60天能全面覆盖，1年灌草立体生态成型。护坡植物的生态稳定性方面的作用有：能拦截的雨水冲击，减少滴溅能量；通过吸收和蒸腾作用降低土体孔隙水压力；根系深扎交错能增加土体内聚力，提高建植层土体的凝聚强度。
1.2国外岩石边坡的生态护坡技术
公路边坡生态护坡技术的应用在发达国家已有很长的历史，如美国于1936年在南加利福尼亚州的Angeles Crest公路边坡治理中就应用生态护坡技术。日本的边坡绿化起步较早，他们的生态护坡几乎与公路建设同步发展，迄今已有半个多世纪的历史。近年来，绿化网护坡、厚层基料喷射、植被型混凝土等已成为日本最为广泛的生态护坡技术。厚层基料喷射护坡技术是日本于1976年首先开发出来的，主要用于软弱岩石边坡的生态防护。日本客土喷播厚度为2-3cm，只适合日本国土气候带，不适合我国热带、亚热带地区植物的水热需求，草坪往往因伏秋干热而枯死。日本在植被型混凝土方面做了大量的研究，但其成本过高，不适合我国国情。
1.3国内岩石边坡生态治理的研究应用
岩石边坡绿化是一门新兴边缘学科，它涉及到岩石工程力学、地质学、生物学、土壤学、肥料学、园艺学、草业学、林学、环境生态学等。岩石边坡的生态治理研究刚起步，尚处于理论研究与应用技术的摸索阶段。
石质边坡传统的绿化及治理方法大致包括强制性的绿化恢复方法及单一的工程技术。传统的石质边坡绿化恢复方法通常是在坡脚栽种攀缘植物（如爬山虎）、坡顶栽种垂吊植物（如葛藤、常春藤）等，但这种上攀下悬方式绿化工程植被覆盖的速度较慢、水土保持效果较差，植物达到完全覆盖往往需2-3年时间。以前通常采用单一的工程技术（如护面墙、浆砌块石、干切片石、喷射砼、菱形网格护坡、六角空心砖护坡等）对高速公路的石质边坡进行防护，但是，由于施工复杂、造价昂贵以及影响公路两旁环境生态的景观，这些技术已逐渐被淘汰。
基于岩石边坡生态治理的市场前景及日本业已成熟应用的石质边坡防护技术，近年来，我国也开始了类似于客土喷播技术的研究和应用，并取得了一定的进展。在2000年，已有岩石坡面喷混快速绿化新技术的报道[4，5]。在此之后，岩石边坡生态治理的技术研究及应用又有某些报道，尽管这些技术的原理和方法相近，但采用的名称有所不同，如喷混植生技术、有机基材喷植、水泥生态种植基、植被混凝土护坡绿化技术等。
1.4深圳市万信达环境绿化建设公司喷混植生技术的应用
深圳市万信达环境绿化建设有限公司自1997年成立以来，一直致力于南方高速公路边坡生态防护技术研发、工程设计和工程施工。近年来，先后在四川、云南、重庆、福建、广东、海南、浙江、湖南、湖北等十一个省市承建了高速公路及园林绿化工程65项，总公路绿化里程达800km，累计绿化面积750万m2，其中，90%工程为创优工程，深得业主的好评。2001年，公司在福建省漳龙三期和福宁路、云南昆石等高速公路做出了大面积的喷混植生技术示范，灌草植被长势良好，植被覆盖率达90-95%以上。到目前为止，承接喷混植生工程量30多万m2，总工程产值达3000多万元。经过南方各地强暴雨的多次冲刷，10个项目的喷混基底无跨塌现象，各项性能指标稳定。
2、喷混植生关键技术的研究
近年来，深圳市万信达环境绿化建设有限公司的混植生技术研发大致包括粘结剂选型及与有机物料的最佳配比、施工工艺改造技术的研究、灌草种配置及混播技术、建植层生态材料基本性质的研究、基料的强度指标及防雨水冲刷等几个方面。
2.1低碱性粘结剂及与有机物料的最佳配比
目前，在岩石边坡生态防护中常用的粘结剂是425#硅酸盐水泥，但是，水泥呈碱性，一般来说对灌草种子的生根和发芽是有害的。喷混基质pH值可直接或间接影响植物的生长发育，其影响主要表现在土壤养分的有效性、土壤微生物活性、植物根系生长和抗性大小以及植物群落的构成等几个方面。
在喷混基料中加入辅助粘结剂（如红粘土、过磷酸钙）和pH缓冲剂，利用它们本身的酸碱性、缓冲性和红粘土的高量活性铝水解产生酸度进行pH调节，使喷混基料的pH值由强碱性（pH 8.0-8.5）降低到中性（pH 6.8-7.2），适合植物生长。喷混基料的pH值会随植物生长而有一定的降幅，所以，应采用比较成熟的pH值调节技术使喷混基料的pH值调节到一个适宜植物生长的范围。
另一方面，水泥用量的多少既影响建植层结构的稳固性，又影响到建植层的土壤理化性质、肥力、微生物环境等，从而影响到植物生长。所以，应当根据岩石边坡的坡度和基岩状况，将喷混基料中水泥的含量调节到既有一定粘结强度、又适宜植物生长的范围内。
2.2乔灌草种的配置及分层喷播技术
公路边坡的生态恢复以往采用多草种混播，由于草种属浅根性植物，其根系一般只能分布于喷混建植层的表层，对边坡恶劣环境的抗逆性弱，生物群落稳定性差，往往在3-5年植被就出现退化。在草本群落中加入灌木，形成灌草结合的稳定立体复合生态体系，能解决单一草本植物群落易退化的问题。灌木根系发达，灌草生态建植层的根系交织成稳定结构，能最大限度地防止水土流失和坡面跨塌。克服草被退化的重要措施是构建乔灌草立体生态系统，包括以灌木为主的灌草生态和以草为主的草灌生态。灌草种配置的具体措施有：1）以地带性植被、乡土植物为基调，适当引进适于本地生长条件的野生植物和外地植物；2）考虑浅根植物和深根植物的结合、豆科植物和非豆科植物的结合；3）尽可能配置抗逆性强的植物和水肥光热利用率高的植物。只有这样，才能建设一个具有生物多样性的、稳定的立体生态群落。
喷混植生技术分为基底和表层实施喷播，基底7-8cm，表层2-3cm；基底种子用量占20-30%，表层种子用量占70-80%。分层喷播有利于提高出苗率、成苗率，缩短见绿与覆盖时间，降低生产成本和养护成本。
2.3喷混基料基本性质及主要强度指标的研究
喷混基料中水泥的含量对护坡植物的成活、生长均有一定的影响，这涉及到基料基本性质和主要强度指标。国内已有岩石边坡生态种植基主要强度指标的试验研究[6]，主要的测试指标有无侧限抗压强度、抗剪强度（包括黏结力和内摩擦角）等，进一步的研究有不同坡度不灌草种组合的防冲刷小区试验、以及高陡边坡适宜基料力学性质的动态试验等。另外，涉及到基料的基本性质，应较全面地了解其物理性状（如自然容重、含水量、孔隙率和稳渗系数等），以及化学性质（包括养分分析、pH值、CEC等）。
2.4施工工艺改造技术的研究
目前采用的喷混施工工艺流程包括：清理石质坡面、挂镀锌铁丝网、风钻锚孔和锚杆固浆、吊沙包带、喷射有机基材混合物、盖无纺布、养护管理等[7，8]。
喷混植生是工程与生物紧密结合的施工技术，工艺过程复杂并影响着工程质量。该技术主要研究不同母岩、不同坡度岩石坡面的最佳施工工艺，锚杆与挂网工艺的改进、建植层喷混工艺的优化等。研究的必要性在于既能降低生产成本，又能达到快速生态治理、长期护坡的目的。
2.5高陡边坡喷混植生技术的实施
高陡边坡一般在70°以上，植被不能自然恢复，人工绿化也很困难。但是，我公司业已完成喷混植生的示范坡面达85°，部分坡面为90°-110°。对于高陡边坡（坡比在0.3-0.5之间、坡高30-40m以上）的3级坡或4级以上坡面，能否利用喷混植生技术进行稳定安全的治理呢？该问题需要持续地进行研究和示范。
影响边坡稳定性的自然因素有地质、地形、气候和水文条件等，而人为因素有设计因素、施工因素和养护管理等。对于高陡边坡而言，边坡的自然因素可在治理前进行修整，而后采用坡面的加固。原坡面的加固工艺有抗滑桩、抗滑挡墙、压浆锚柱、格珊梁和排水固结等[9]，这在高陡边坡治理中是非常重要的。坡面植物的耐久性需要进一步观测，从理论上看，植物生长的外部条件只需满足植物生长所需的水、肥、气、热、土壤条件即可，对不同地区，坡面植物能否健康稳定生长，还取决于当地气候的适应及不同种间的相互竞争。因此，只要植物种子选择合理，外部条件均能满足，若无病虫害，应可建立稳定的坡面植物群落。
2.6深圳万信达公司喷混植生技术的应用实例
喷混植生的技术研发和应用已成为我公司发展经济新的增长点。现在，公司正利用不断完善的喷混植生技术对广惠、昆石、元磨、福宁、宁杭等高速公路岩石边坡进行生态修复治理，并作出新的规模示范。下面列举2个已完成并经受暴雨冲击后仍保持坡面稳定的高速公路、采石场岩石边坡生态治理的成功实例：
例一、漳龙三期高速公路岩石边坡喷混植生
2001年10月-2002年1月，做出了8000m2的岩石边坡喷混植生技术示范。2年来灌草植被长势良好，植被覆盖率达到了95%。经过年降水高达1420mm的雨水和多次强暴雨的冲刷，喷混基底无跨塌现象。
例二、深圳市松子坑2#采石场的综合生态治理
截止2001年12月，完成了8200m2坡面治理面积，其中90%岩石坡面的坡度在85°以上，局部达90-110°，基本达到60天灌草覆盖，灌草长势良好。经过年降水1900mm的雨水冲刷，其中包括11次大暴雨，喷混基底无一跨塌，经受住了暴雨的冲击。
3、岩石边坡喷混植技术生存在的问题及建议
因为喷混植生技术是一项新兴的技术，其研究和应用尚处于起步阶段，尤其是近年来的研究较为单一、片面，需要进行生态系统的综合研究。岩石边坡生态系统较为复杂，包括地理环境和气候因素、坡体状况、基料特性、植被等，而研究的重点应集中于以下几个方面：
3.1喷混基料的优化体系
喷混基料的优化体系主要包括粘结剂的选型、及有机核心料的生产。从基料的配制来看，粘结剂的选型依旧不可忽略，除水泥外，也有人用有机粘结材料和研究运用高分子材料。有机核心料作为喷混材料的主体，其组成的优化将始终是个研发课题。目前，深圳市万信达环境绿化建设有限公司已成功了研究生产出应用于石质边坡生态防护的统一核心料。
3.2 岩石边坡植被生态的水肥综合调控体系
目前，在岩石边坡上防止干旱的措施有：增加喷混厚度、在基料中添加成孔材料和保水剂、选择耐干旱植物等。但是，由于石质边坡的坡度较大，水土流失很严重，这样，喷混建植层的保水供水功能就受到限制，从而影响到水分的有效调节与良性的养分供给。在南方持续干热的天气，当喷水较难保证时，常常会出现植被枯黄或死亡现象。由此可见，岩石边坡植被生态中的水肥综合调控技术的研究是势在必行的。
由于使用了大量的有机物料作为长效肥，在坡面形成稳定健康的植物群落之前不会出现养分耗尽的现象。但是，建植层厚度有限，水肥循环的空间非常有限，再加上水土流失的影响，很容易引起因水分和养分供应不足的生态失调现象。
3.3护坡植物的组合优化
人工种植草被在低养护或无养护情况下，极易退化、死亡，其原因在于：①人工种植草种生长力较弱，品种单一；②高速公路边坡的水分和养分等供应较差。广东开（平）佛（山）高速公路、云南玉（溪）元（江）高速公路边坡植草都呈现不同程度的草坡退化，这已成为一个十分突出的问题。
外来种入侵对土著种的影响主要表现在与土著种的竞争、化感作用及遗传侵蚀等三个方面[10]。有一种现象一直没有得到足够的注意，就是外来植物在新的环境中表现出更大的活力，植株也比原产地分布区中长得更高，产生更多的种子。化感作用广泛存在于高等植物之间，它在优势种形成、群落演替、植被恢复等方面有着重要作用。外来种常常形成单一优势种，在生态系统中占据优势，其中化感作用是一个很重要的因素。入侵种与土著种之间的杂交和基因渗入能给土著种带来破坏性的后果，有时甚至导致土著种的灭绝。当入侵种与土著种之间发生杂交时，土著群落就可能变得对入侵更敏感而易于受到进一步的入侵。由此可见，杂交也是生物入侵成功的原因之一。
护坡植物的选择应考虑以下因素[11]：适应栽培区的气候，能抵抗不良环境；根系发达，生长迅速，短期内能覆盖；有多年生的习性，与土壤固结能力强；分蘖多，茎叶繁茂。较重要的研究有：1）与草坪退化相关的有土著植物的调研和分析，从而找到不同气候带石质边坡灌草种的最佳组合；2）进行护坡植被的分子遗传育种研究，在以土著植被群落为主体的情况下，引进抗逆性强的植物基因，从而推动护坡植被的多样化。

参考文献：
[1] 谭红霞，王昌衡.展望我国公路建设的前景[J] .中外公路，2003，23（2）：1-3
[2] 徐国钢，赖庆旺.中国西南部道路边坡生态治理的实践[J] .草业科学，2002，19（1）：66-69
[3] 徐国钢，赖庆旺等.南方高速公路边坡生态防护的某些问题及施工对策[R] .中国公路学会环境与可持续发展分会成立大会暨第一届理事会资料文件汇编，2002：81-84
[4]章梦涛，付奇峰，吴长文.岩质坡面喷混快速绿化新技术浅析[J] .水土保持研究，2000，7（3）：65-66，75
[5]张俊云，周德培，李绍才.岩石边坡生态护坡研究简介[J].水土保持通报，2000，20（4）：36-38
[6] 张俊云，周德培，李绍才.岩石边坡生态种植基试验研究[J] .岩石力学与工程学报，2001，20（2）：239-242
[7] 朱海鹰，徐国钢等.高速公路边坡生态防护施工技术[J] .中外公路，2003，23（3）：83-85
[8] 赖庆旺，陈德华，徐国钢等.京珠高速公路粤境北段边坡生态防护技术[J] .草业科学，2003，20（9）：71-73
[9] 何福道.高速公路边坡防护与加固初探[J] .公路，2001（2）：55-57
[10] 徐汝梅，叶万辉.生物入侵——理论与实践[M]，北京：科学出版社，2003.8
[11] 上海市林学会.草坪与地被植物[M] ，北京：中国林业出版社，1994
（摘自：公路环发）