噴混植生技術(shù)在暖溫帶石灰?guī)r山地破損山體生態(tài)恢復(fù)治理中的應(yīng)用

趙永軍 ,葛 磊 ，翟 利 ，丁 平 ，楊海平 ，劉 鵾 ，王 寧 ，劉 濤

（1.山東省林木種質(zhì)資源中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東鴻林工程技術(shù)有限公司）

噴混植生技術(shù)是以工程力學(xué)和生物學(xué)理論為依據(jù)，利用錨桿加固、土壤混合基料制備、植物群落恢復(fù)和分層噴播技術(shù)，將土壤、肥料、有機(jī)質(zhì)、保水材料、粘結(jié)材料、植物種子等混合料噴射到坡面上，形成使植被得以恢復(fù)、又不被沖刷的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)建植層，從而達(dá)到防護(hù)邊坡、恢復(fù)植被、改善環(huán)境的目的。噴混植生技術(shù)的機(jī)械化程度高、作業(yè)速度快，在復(fù)雜及惡劣條件下能強(qiáng)制快速恢復(fù)植被。遺憾的是這項(xiàng)技術(shù)目前還沒(méi)有成熟的理論和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了建植層滑移、植物群落單一、植物退化等問(wèn)題，筆者主要通過(guò)對(duì)暖溫帶石灰?guī)r山地噴混植生關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究，對(duì)坡面治理后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、植物群落恢復(fù)等方面進(jìn)行有益的探索，以達(dá)到防護(hù)體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

1 噴混植生技術(shù)的工藝流程

噴混植生的作業(yè)流程一般為:作業(yè)準(zhǔn)備、清理邊坡、打設(shè)錨桿、掛網(wǎng)、制備土壤混合料、噴射混合料、養(yǎng)護(hù)管理等。

1.1 作業(yè)準(zhǔn)備

作業(yè)前對(duì)邊坡地形地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)方案、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件進(jìn)行核實(shí)；落實(shí)各種材料設(shè)備來(lái)源并保障按計(jì)劃進(jìn)場(chǎng)；熟悉規(guī)范、準(zhǔn)予上崗的作業(yè)人員充足。

1.2 清理邊坡

清理邊坡主要是清除懸石和危石,防止發(fā)生新的地質(zhì)災(zāi)害，保障邊坡治理的作業(yè)安全。作業(yè)時(shí)先清理浮石、浮土，后清理危巖石，從上到下逐層清理；清理采用人工清除和機(jī)械破碎、擠壓、鑿孔相結(jié)合的方法進(jìn)行。清理作業(yè)中安全監(jiān)控、觀察記錄坡體的動(dòng)態(tài)變化，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。對(duì)于光滑巖面，通過(guò)挖掘橫溝等措施進(jìn)行加糙處理。

1.3 打設(shè)錨桿

1.3.1 打設(shè)錨桿

錨桿一般為HRB335級(jí)或HRB400級(jí)鋼筋，鋼筋直徑、筋長(zhǎng)、錨固深度、錨桿間距按照專業(yè)方案作業(yè)；土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層中的錨桿進(jìn)行防腐處理，錨頭的錨具經(jīng)除銹、防腐后采用鋼筋網(wǎng)罩，并采用C30膨脹細(xì)石混凝土封閉，混凝土保護(hù)層厚度不小于50mm。錨桿作業(yè)應(yīng)進(jìn)行性能試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，確保主要性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

1.3.2 注漿

錨固孔內(nèi)注漿采用純水泥砂漿 （水泥用P.O42.5、中細(xì)砂粒徑≤2.5mm，水泥砂漿配合比宜為1:1～1:1.2， 水灰比宜為 0.38～0.45）， 強(qiáng)度不低于M30，一次注漿壓力為0.5～1.5Mpa。漿液隨攪隨用、在初凝前用完，注漿管路保持暢通。采用注漿泵將漿液經(jīng)注漿管輸送至孔底，再由孔底返回孔口，待孔口溢出漿液或排氣管停止排氣時(shí)，可停止注漿。注漿管拔出應(yīng)邊拔出邊灌漿，并保持管口處于漿面以下，待漿液溢出孔口時(shí)全部拔出。

1.4 掛網(wǎng)

在坡面上掛設(shè)網(wǎng)片，一般采用鍍鋅鐵絲網(wǎng)或高強(qiáng)纖維網(wǎng)。網(wǎng)目間距宜為 50mm×50mm～200mm×200mm之間，抗拉強(qiáng)度一般不低于380kPa。網(wǎng)片幅邊采用鐵絲綁扎聯(lián)接，與錨釘施工交叉作業(yè)，網(wǎng)片通過(guò)加強(qiáng)筋與錨釘固定，網(wǎng)片與坡面之間的距離約為種植基材厚度的一半，以使種植基材在坡面形成整體穩(wěn)定的板塊。坡面設(shè)50mm的軟式透水管排水孔，矩形布置，間距、孔設(shè)可隨扭距部位適當(dāng)調(diào)整，孔位沿坡面走向盡可能在一條線上。

1.5 制備土壤混合料

土壤混合料的組成材料（種植基材)主要有種植土、有機(jī)質(zhì)、肥料、保水劑、粘合劑、殺蟲(chóng)劑、植物種子、團(tuán)粒劑、穩(wěn)定劑、PH緩沖劑和水等。將各種材料充分混合，攪拌均勻。

1.5.1 種植土

種植土可因地選材；為避免肥力不夠，可調(diào)配部分大田耕作土，同就地選擇的土壤混合使用。種植土應(yīng)保持適宜的含水率，酸堿度適中、無(wú)毒害、不含雜質(zhì)雜草。

1.5.2 有機(jī)質(zhì)

有機(jī)質(zhì)主要為促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成、改善土壤物理性質(zhì)、提高保水保肥能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。噴混植生中主要采用增施有機(jī)肥，添加泥炭、秸稈、鋸末、腐質(zhì)土等來(lái)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.5.3 肥料

肥料采用控釋復(fù)合肥料和經(jīng)消毒、害蟲(chóng)處理、充分發(fā)酵后的農(nóng)家肥。1.5.4 保水劑

保水劑是無(wú)毒無(wú)害，反復(fù)釋水、吸水的功能高分子材料。因建植層厚度通常較薄，噴播植物的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氣候相當(dāng)敏感，選擇適宜的保水劑是坡面上植物得以正常生長(zhǎng)發(fā)育的有效措施。噴混植生中可選擇使用周期、壽命較長(zhǎng)的聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸鉀、聚丙烯酸銨等共聚交聯(lián)物。

1.5.5 粘合材料

粘合材料的使用主要為保持建植層不被沖刷、促使混合料與坡面粘結(jié)、增強(qiáng)建植層自身強(qiáng)度。常用的粘合材料有硅酸鹽水泥、高分子粘合劑，水泥起主要粘合作用，粘合劑起輔助粘合作用。水泥拌和混勻后的堿性特征對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有嚴(yán)重影響，用量應(yīng)嚴(yán)格控制；粘合劑存在老化現(xiàn)象，因此水泥、粘合劑宜配合使用。

殺蟲(chóng)劑主要為防治混合料中的害蟲(chóng)，提高混合料的質(zhì)量。

1.5.7 植物種子

植物種子的選擇配置應(yīng)考慮植物適應(yīng)性、抗旱抗逆性、抗侵蝕沖刷、抗污吸污、易粗放管理等因素，達(dá)到快速生長(zhǎng)覆蓋，兼顧植物多樣性、群落多層次原則。

1.5.8 團(tuán)粒材料

團(tuán)粒材料主要為改善土壤,形成粒徑在0.25～10mm之間的團(tuán)聚體，使土壤趨向于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上理想的2～3mm團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。噴混植生中常用的團(tuán)粒材料包含團(tuán)粒劑、團(tuán)粒穩(wěn)定劑，兩種材料搭配使用。團(tuán)粒劑呈白色粉末狀，水溶液呈中性，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)害、無(wú)污染,能迅速溶于水；團(tuán)粒穩(wěn)定劑一般為膏體，水溶后為白色乳膠狀。

1.5.9 PH緩沖劑

緩沖劑是用來(lái)穩(wěn)定溶液酸堿度的物質(zhì)，一般由弱酸和弱酸鹽或弱堿和弱堿鹽組成，可使溶液在遇到堿或酸時(shí)，PH值的變化幅度縮小。

1.6 噴射混合料

選擇專用噴混植生噴播設(shè)備，就位后調(diào)節(jié)輸送泵壓力、出風(fēng)量，將混合料均勻地噴射至坡面。噴射厚度是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵所在，一般為100±30mm，應(yīng)隨時(shí)檢查以保證作業(yè)質(zhì)量。

1.7 養(yǎng)護(hù)管理

噴射混合料后，初期養(yǎng)護(hù)采用無(wú)紡布（降雨較多時(shí)）或草簾（春秋季）覆蓋，防止雨水沖刷、水分蒸發(fā)過(guò)快，并起保溫作用利于種子發(fā)芽；植物生長(zhǎng)至一定程度后揭開(kāi)覆蓋材料。后期視天氣情況適時(shí)澆水、噴霧進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

勒維斯之后，警方再也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的嫌疑人。隨著時(shí)間流逝，找到真兇的機(jī)會(huì)越來(lái)越渺茫。但泰諾投毒案的影響不止于此。自從該案之后，類似案件愈演愈烈，時(shí)不時(shí)有人吃到了有毒的巧克力或是喝了含有殺蟲(chóng)劑的果汁。僅在一年時(shí)間內(nèi)，全美就發(fā)生了270起食品、藥品污染案，其中有36起被確認(rèn)為故意投毒。

2 土壤混合料的制備配比

噴混植生技術(shù)的核心是通過(guò)成孔物質(zhì)的合理配置，在坡面上營(yíng)造一個(gè)固、液、氣三相物質(zhì)基于平衡的多孔穩(wěn)定結(jié)構(gòu)建植層。混合料基質(zhì)材料的配比合理性是噴混植生能否成功的關(guān)鍵，適宜的配方既應(yīng)滿足一定強(qiáng)度、抗雨水沖刷，又具有空隙率、肥力以保證植物生長(zhǎng)。

2.1 土壤混合料的試配設(shè)計(jì)（配合比試驗(yàn)）

試配設(shè)計(jì)的目的是經(jīng)濟(jì)合理、因地制宜地比選出混合料中各組成材料的用量?？偨Y(jié)近年來(lái)實(shí)施的山東、山西、河北、河南等地11項(xiàng)工程應(yīng)用實(shí)踐，一般情況下，土壤混合料主要基質(zhì)初始配合比，見(jiàn)表1。

表1 土壤混合料主要基質(zhì)初始配合比（按每1㎡=每0.1m3用量)

表2 混合料主要理化指標(biāo)特征表

2.2 混合料配合比的優(yōu)化

配合比的優(yōu)化主要為提高植被保存率、增強(qiáng)內(nèi)部質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本、作業(yè)難度。制備過(guò)程中嚴(yán)格控制加水量,避免用水量過(guò)多嚴(yán)重?fù)p害強(qiáng)度、影響后續(xù)噴射作業(yè)。初始配合比設(shè)計(jì)、試配完成后，進(jìn)行試噴作業(yè)，并將混合料樣本、試噴模塊送實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，對(duì)混合料的主要指標(biāo)（PH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、CEC、含鹽量、通氣性等）和試噴模塊的無(wú)側(cè)限抗壓、抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，對(duì)不能滿足要求的指標(biāo)，通過(guò)更換問(wèn)題基質(zhì)來(lái)源、調(diào)整配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化?；旌狭现饕砘笜?biāo)特征，見(jiàn)表2。

檢測(cè)顯示，加入水泥后的土壤混合料PH值為8.0～8.5。在混合料中加入紅黏土、硫酸亞鐵和PH緩沖劑，利用其酸堿性、緩沖性和水解產(chǎn)生酸度進(jìn)行PH調(diào)節(jié)，使混合料的PH值由堿性（PH8.0～8.5）降低到中性（PH6.8～7.2），適合植物生長(zhǎng)。具體使用時(shí)，對(duì)緩沖劑的濃度、添加量進(jìn)行分組測(cè)定，針對(duì)不同的混合料理化特征，確定適宜的緩沖劑劑量。任何緩沖劑都只在一定的pH范圍內(nèi)有較好的緩沖作用，超過(guò)允許的pH范圍，它的緩沖作用較差或沒(méi)有緩沖作用。應(yīng)采用比較成熟的PH值調(diào)節(jié)技術(shù)使混合料的PH值調(diào)節(jié)到適宜植物生長(zhǎng)的范圍。常用緩沖劑濃度及PH值范圍，見(jiàn)表3。

3 植物群落的構(gòu)建

暖溫帶氣候冬季寒冷干燥，春季干旱少雨、多風(fēng)沙，秋季云雨較少,降水主要集中在夏季，年平均降水量少，年平均蒸發(fā)量大，植被恢復(fù)的普遍性問(wèn)題是水資源的不足。

3.1 植物種類選擇的原則

噴混植生技術(shù)實(shí)際上是通過(guò)播種造林的方式實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)，植物種類的選擇遵循以鄉(xiāng)土植物為主，兼顧物種多樣性，喬木、灌木、草本及地被植物相結(jié)合的原則，突出植物的易繁殖性和適應(yīng)性（耐旱、耐瘠薄、生命力頑強(qiáng)、綜合抗性強(qiáng)），注意植物群落演替與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)（選擇具有一定固氮能力的豆科植物)，避免易老化、生態(tài)退化的現(xiàn)象。

表3 常用緩沖劑濃度及PH值范圍

3.2 可選擇的主要植物種類

植物種類的選擇主要以能夠營(yíng)造針葉林、闊葉林、灌叢、灌草叢、草甸等各種類型植被為目的。由于植物的播種繁殖、生長(zhǎng)習(xí)性等特點(diǎn)不同，暖溫帶地區(qū)常綠植物的選擇應(yīng)用受到局限?？蛇x擇的主要植物種類，見(jiàn)表4。

3.3 森林型植被結(jié)構(gòu)的演替形成

植物種子萌發(fā)后，吸收營(yíng)養(yǎng)元素迅速生根、生長(zhǎng)；根系組織將建植層固定在坡體表面或伸入坡面縫隙，逐步對(duì)土壤層進(jìn)行加固，逐漸取代工程措施對(duì)山體的防護(hù)。坡面建植完成后，一年生草本群落、多年生雜草與禾草群落、灌木群落和喬木依次出現(xiàn)，直到一片森林再度形成。由于植物之間、植物與環(huán)境之間的相互作用,以及這種作用的不斷變化，必然發(fā)生植被的自然演替現(xiàn)象，直至發(fā)展成為與建植環(huán)境條件協(xié)調(diào)一致、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的植物群落。植被演替過(guò)程中的枯枝落葉進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)成分，促進(jìn)并完成植物群落的物質(zhì)循環(huán)，有效改善群落環(huán)境。即使建植的草本植物出現(xiàn)退化，通過(guò)自然選擇與群落演替形成的森林型植被結(jié)構(gòu)，也能達(dá)到植被恢復(fù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)山體的生態(tài)化、群落化、自然化。

4 傳統(tǒng)工藝的改造

4.1 土壤團(tuán)?；磻?yīng)的改進(jìn)

噴射混合料分為干式噴播和濕式噴播，前者由氣力輸送干拌混合料，在噴嘴處與壓力水混合后噴出；后者由氣力或輸送泵輸送泥漿混合物經(jīng)噴嘴噴出。實(shí)踐中以濕式噴播作業(yè)居多，濕式噴播的團(tuán)?；磻?yīng)發(fā)生在混合料拌合期間，往往團(tuán)粒化率比較低。

工藝改進(jìn)后，噴播設(shè)備有2個(gè)罐體，一個(gè)罐體內(nèi)加入混合料、團(tuán)粒穩(wěn)定劑，另外一個(gè)罐體內(nèi)加入團(tuán)粒劑。通過(guò)對(duì)壓力、流量進(jìn)行控制和微調(diào)，泥漿混合料與團(tuán)粒劑經(jīng)2條不同的管道同步輸送，一起匯集在噴嘴處噴出，在噴槍口與空氣充分接觸，懸浮在空氣中的瞬間發(fā)生團(tuán)粒化反應(yīng)，噴射出具有穩(wěn)定、均勻團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤混合料。改進(jìn)后的團(tuán)粒化反應(yīng)發(fā)生在噴射期間，產(chǎn)生的建植層土壤具有良好的氣密結(jié)構(gòu)、疏水能性和水土保持能力，充分模擬自然落土進(jìn)行建植層的營(yíng)造，為植物生長(zhǎng)提供適宜的生存環(huán)境。

表4 暖溫帶石灰?guī)r山地噴混植生可選擇的主要植物種類

續(xù)表4

4.2 噴射工藝的改進(jìn)

傳統(tǒng)噴射作業(yè)大多一次成型，期間往往發(fā)生滑移流淌、干斑、厚度不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象。另外，噴播植物種子的時(shí)機(jī)不合理，往往單獨(dú)噴播種子或表層噴射混合料時(shí)加入種子，導(dǎo)致種子被風(fēng)吹走、被動(dòng)物蠶食等，發(fā)芽率低、植被效果不理想。改進(jìn)的噴射工藝主要解決上述問(wèn)題。

噴射作業(yè)時(shí)，工藝改進(jìn)為分層、分段在坡面上噴播。第1層噴射厚度為30～50mm,待穩(wěn)定后 （約10～20min）再噴射第2層至設(shè)計(jì)厚度，在巖體破碎、巖質(zhì)堅(jiān)硬、坑凹嚴(yán)重部位可適當(dāng)增加噴射厚度。噴射混合料應(yīng)分段分片依次進(jìn)行，同一段內(nèi)噴射順序自下而上，段片之間、層與層之間做成45°斜坡，以使混合料凝結(jié)成整體。

噴頭操作是噴射工藝改進(jìn)的另外—個(gè)重要環(huán)節(jié)。噴頭與噴射面盡量保持垂直，視情況保持0.8～1m左右的距離；噴射料束環(huán)形旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)直徑約為150～300mm,轉(zhuǎn)速均勻,一圈壓半圈,行間搭接 20～30mm。以一次噴至不墜落的臨界狀態(tài)為限,避免產(chǎn)生干斑或滑移流淌現(xiàn)象。一般一次噴射厚度不超過(guò)80mm,采用針探法控制。

改進(jìn)植物種子噴播的時(shí)機(jī)，將植物種子加入混合料中一并進(jìn)行噴射作業(yè)。在下層噴播時(shí)，加入選用植物種子總量的20%～30%，并拌合均勻；在上層噴播時(shí)加入剩余植物種子。

4.3 養(yǎng)護(hù)方法的改進(jìn)

混合料噴射完成后,若養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng),極易發(fā)生早期干裂,影響建植層的強(qiáng)度和植物的生長(zhǎng)發(fā)育。養(yǎng)護(hù)方法的改進(jìn)為:采用霧化程度高、霧滴細(xì)小、對(duì)建植層打擊強(qiáng)度小、均勻度好的微噴方式，在噴射表面終凝后1～2d內(nèi)開(kāi)始養(yǎng)護(hù)。噴水次數(shù)以保持建植層的濕潤(rùn)狀態(tài)為準(zhǔn)，具體養(yǎng)護(hù)方法見(jiàn)表5。

5 高陡邊坡作業(yè)的適用性

高陡邊坡一般在75o以上、坡高30～40m以上。對(duì)于高陡邊坡而言，對(duì)原坡面進(jìn)行加固、保持坡面的安全穩(wěn)定，是噴混植生能否應(yīng)用的關(guān)鍵因素。抗滑樁、格珊梁、抗滑擋墻和排水固結(jié)等坡體加固技術(shù)，在高陡邊坡治理的工程措施中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

表5 建植層的養(yǎng)護(hù)方法

理論上，植物生長(zhǎng)所需的光照、溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)、土壤等外部條件滿足，利用噴混植生技術(shù)進(jìn)行高陡邊坡的植被恢復(fù)，特別是恢復(fù)攀援植物、灌草叢、草甸植被，應(yīng)該可行。但是，在混合料制備配比、植物群落選擇等方面，應(yīng)該做出同高陡邊坡地質(zhì)特性相匹配的技術(shù)方案，以保持治理后坡面的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前，噴混植生技術(shù)在高陡邊坡治理中應(yīng)用成功的案例比較少，今后應(yīng)做進(jìn)一步的觀測(cè)和應(yīng)用研究。

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