系統(tǒng)工程原理在邊坡生態(tài)防護(hù)工程中的應(yīng)用

譚小英

（貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550081）

0 引言

在公路、鐵路、水利、電力、采礦等工程中，因大規(guī)模開挖造成了原始植被的破壞，大片土地裸露，水土流失、滑坡、泥石流、局部小氣候惡化、噪聲污染、生物鏈損失等問題日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的護(hù)坡方案?jìng)?cè)重于工程效應(yīng)，而生態(tài)護(hù)坡是在保證邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，從生態(tài)與生物兩方面進(jìn)行防護(hù)，從而達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保證生物多樣性、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的目的。

1 系統(tǒng)工程原理分析

系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，系統(tǒng)的功用和性能由各元素決定，而且與各元素之間的相互作用密切相關(guān)。邊坡生態(tài)治理工程是一項(xiàng)典型的系統(tǒng)工程，由諸多模塊構(gòu)成。傳統(tǒng)的邊坡工程系統(tǒng)更多是從工程的各個(gè)方面考慮問題，而生態(tài)護(hù)岸工程則是從系統(tǒng)工程的各個(gè)角度出發(fā)建立起來的一套由多種要素組成的系統(tǒng)，既要關(guān)注每個(gè)要素，也要關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。如何運(yùn)用科學(xué)手段達(dá)到生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)效益與工程效益，并提高其經(jīng)濟(jì)效益，是使用系統(tǒng)工程時(shí)需要解決的重要問題。

2 系統(tǒng)工程原理在邊坡生態(tài)防護(hù)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

系統(tǒng)工程經(jīng)過不斷發(fā)展，在保護(hù)邊坡、改善工程環(huán)境、美化環(huán)境的前提下，將多種新技術(shù)與傳統(tǒng)的斜坡工程技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一套全新的植物保護(hù)系統(tǒng)。針對(duì)不同土層情況，根據(jù)不同的施工方法和技術(shù)措施，可以將護(hù)坡植物保護(hù)技術(shù)劃分為以下幾種：人工植草護(hù)坡、平鋪草皮護(hù)坡、液壓噴播植草護(hù)坡、土工網(wǎng)植草護(hù)坡、OH液植草護(hù)坡、行栽香根草護(hù)坡、蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡、客土植生植物護(hù)坡、噴混植生植物護(hù)坡。各種邊坡植物保護(hù)技術(shù)的主要作用及應(yīng)用條件各不相同[1]。

2.1 人工植草護(hù)坡

人工植草護(hù)坡是一種在邊坡上進(jìn)行人工植物播種的傳統(tǒng)植被保護(hù)方法，主要應(yīng)用于坡面較低、坡度較緩、適合草種生長(zhǎng)的土石路塹邊坡上，具有施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于種植不均、雨水沖刷、幼苗成活率差，導(dǎo)致邊坡沖溝、表土流失，帶來邊坡病害整治、修復(fù)工程多等問題，因此這一技術(shù)實(shí)際應(yīng)用不多。

2.2 平鋪草皮護(hù)坡

平鋪草皮護(hù)坡是用人工方式在坡面上鋪設(shè)天然草皮的一種傳統(tǒng)植物保護(hù)措施，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，在邊坡保護(hù)工程中常用于邊坡植物保護(hù)。但由于后期維護(hù)管理難度較大，草皮容易被沖刷，而且植物成活率較低，工程質(zhì)量不能得到很好保障，經(jīng)常導(dǎo)致坡面沖溝、表土流失、坍滑等病害的產(chǎn)生，增加了坡面病害的治理與修復(fù)工作難度，加之草原資源的日益匱乏，因此，平鋪草皮護(hù)坡作用日益受限，應(yīng)用不多。

2.3 土工網(wǎng)植草護(hù)坡

土工網(wǎng)植草護(hù)坡技術(shù)是近年來國(guó)外發(fā)展起來的一種綜合性綠化技術(shù)，是一種將坡面加固與植被養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的新技術(shù)。土工網(wǎng)作為一種新型的邊坡防護(hù)材料，屬于一種獨(dú)特的三維立體網(wǎng)，不僅能增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，而且可以防沖刷，隨著植物的生長(zhǎng)和成熟，坡面會(huì)被植物所覆蓋。目前，土工網(wǎng)植草護(hù)坡技術(shù)在我國(guó)公路、堤岸邊坡保護(hù)中被廣泛采用，而在鐵道系統(tǒng)中則應(yīng)用比較少[2]。

2.4 OH液植草護(hù)坡

這是近十年來國(guó)外新研制的一種化學(xué)防治方法，該方法是利用專業(yè)的機(jī)械設(shè)備，將新型化學(xué)產(chǎn)品HYCELOH溶液與草籽混合均勻，在斜坡上快速固化，形成一層彈性的固體薄膜，在植草初期起到防護(hù)作用。OH液植草護(hù)坡雖然在防護(hù)和綠化方面取得了很好的效果，但是由于OH液植草護(hù)坡技術(shù)尚未完全國(guó)產(chǎn)化，導(dǎo)致其工程成本高達(dá)40元/m2，因此至今尚不能被廣泛應(yīng)用。

2.5 蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡

蜂巢式網(wǎng)格植草護(hù)坡是一種類似于干砌塊石護(hù)坡的方法，采用六邊形混凝土框架磚塊，在邊坡上鋪設(shè)蜂窩狀網(wǎng)孔，再在網(wǎng)孔內(nèi)填滿植土，然后在網(wǎng)孔內(nèi)種上野草。該方法所使用的框架磚塊可以在地下進(jìn)行大規(guī)模的制造，其受力結(jié)構(gòu)合理，拼鋪在斜坡上可以起到分散降雨、減慢水流、預(yù)防坡面沖刷、保護(hù)草坪生長(zhǎng)等作用。具有施工簡(jiǎn)便，外形整齊、美觀的特點(diǎn)，起到防護(hù)邊坡和綠化的雙重作用，而且成本不高，只比漿砌片石框架護(hù)坡稍高，是一種常用的填方邊坡防護(hù)技術(shù)。

2.6 客土植生植物護(hù)坡

客土植生植物護(hù)坡是在坡地上通過機(jī)械（或人工）噴灌進(jìn)行覆蓋，以形成適宜植被生長(zhǎng)的土壤或基質(zhì)（客土）和種子。其特征是根據(jù)地質(zhì)、氣候等因素，選用適宜的土壤和種子，使之適應(yīng)范圍廣泛，但一般不能用在綠化或低矮的斜坡上。由于客土采用機(jī)械攪拌，便于懸掛，所以施工簡(jiǎn)單、快速，無論是效率還是造價(jià)都要優(yōu)于漿砌片石和掛網(wǎng)噴混凝土，并且具有很好的保護(hù)作用，無需維護(hù)就能保持植物的正常生長(zhǎng)[3]。目前，該技術(shù)已廣泛用于高速公路邊坡保護(hù)，日本等國(guó)家已將其作為一種常用的邊坡綠化技術(shù)。

3 系統(tǒng)工程原理在邊坡生態(tài)防護(hù)工程中的應(yīng)用策略

采用系統(tǒng)工程的基本原則與方法，有效組織各學(xué)科間的科研活動(dòng)，保證各環(huán)節(jié)的緊密聯(lián)系，使該體系更具關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性，從而有效獲得生態(tài)效益與工程效益。

3.1 工程概況

巖質(zhì)邊坡生態(tài)恢復(fù)工程坐落在一座水電站附近，該地?fù)碛辛Ⅲw氣候，橫跨南北亞熱帶和中亞熱帶地區(qū)，以中亞熱帶的濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)橹?，具有明顯的季風(fēng)性、季節(jié)性、高熱、水熱并存的特點(diǎn)。一年中，日照不足，年平均溫度為16.2 ℃，最高溫度32 ℃，最低溫度約5 ℃，極少有霜凍，年積溫5 400 ℃。年降水量為1 205.1～1 656.8 mm，降水豐沛。新開挖的巖體為石灰?guī)r、沉積砂巖，坡度陡峭，且不穩(wěn)定[4]。

3.2 工程準(zhǔn)備及設(shè)計(jì)階段

工程前期的主要工作是為建設(shè)工程提供各種必需的條件，進(jìn)行合理規(guī)劃。根據(jù)系統(tǒng)工程原則，必須對(duì)已修復(fù)的邊坡進(jìn)行全面調(diào)查，才能進(jìn)行有針對(duì)性的、系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計(jì)。因此，應(yīng)根據(jù)這個(gè)原則，將工程前期要處理的問題進(jìn)行分解、優(yōu)化，不僅要廣泛搜集與工程有關(guān)的地質(zhì)、水文數(shù)據(jù)，而且還要對(duì)項(xiàng)目所在區(qū)域的土壤、植物進(jìn)行全面調(diào)查，以便為設(shè)計(jì)工作做好充足準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)階段，要從系統(tǒng)工程的角度來選擇植物，并確定生態(tài)基質(zhì)的配比。在選育過程中，為保證所選植物能更快適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境，在前期研究中，需要盡可能地選擇本地植物，并考慮冬季和夏季溫度的影響，以保證坡面上的植被可以持續(xù)生長(zhǎng)。在確定生態(tài)基質(zhì)配合比時(shí)，要把基質(zhì)看成是一個(gè)體系，保證在項(xiàng)目完成后達(dá)到設(shè)計(jì)、建造和完工后的要求。

3.2.1 工程調(diào)查

根據(jù)業(yè)主提供的有關(guān)資料，進(jìn)行實(shí)地觀察、測(cè)量，對(duì)項(xiàng)目所在地的水文地質(zhì)條件、區(qū)域土壤、植被分布情況進(jìn)行調(diào)查。

3.2.2 確定草種配比

從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，綜合考慮生態(tài)工程與生態(tài)修復(fù)的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際情況，確定混播的品種和比例。通過對(duì)溫度、濕度、風(fēng)、光、土壤等因素的分析，篩選出適合本地區(qū)生長(zhǎng)的植物，并將引入草種作為先導(dǎo)品種[5]。

3.3 確定基材配合比

根據(jù)現(xiàn)有同類項(xiàng)目數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件，經(jīng)過大量模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)照明發(fā)電站的基本物料配比進(jìn)行研究。水泥基是由固體、三種不同成分的液體和氣體構(gòu)成的多孔土壤。固態(tài)物質(zhì)包含：土壤礦物微粒、膠合物質(zhì)、水泥、有機(jī)物質(zhì)，這些孔洞之間存在著各種形狀和尺寸的縫隙，縫隙里都是水和空氣。土壤是基本結(jié)構(gòu)的主體，水泥是各種構(gòu)件的黏合材料，鋸末、酒糟等有機(jī)物可以為植物提供營(yíng)養(yǎng)，而植物混凝土添加劑則是調(diào)整土壤酸堿度、提高土壤基質(zhì)物理性能的主要物質(zhì)。若只加入一兩種材料，不但無法起到應(yīng)有的作用，而且還會(huì)起反作用。比如，單純加入水泥和有機(jī)物質(zhì)，可以增強(qiáng)底材的強(qiáng)度，但也會(huì)造成土壤酸性過高，對(duì)作物生長(zhǎng)不利。若僅加入其他物質(zhì)，則會(huì)造成土壤侵蝕，對(duì)作物的長(zhǎng)期養(yǎng)分供給有一定負(fù)面影響。只添加一些助劑和水泥，雖然能確保土壤的 pH值趨于中性，對(duì)作物的生長(zhǎng)有利，卻無法提供足夠的營(yíng)養(yǎng)。

各種基材之間的關(guān)系是密不可分的，只有比例恰當(dāng)才能為坡面植物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。對(duì)10種不同配比的水泥、有機(jī)質(zhì)、綠化基質(zhì)等進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)水泥是堿性的，外加劑是酸性的，水泥與助劑的摻入比為1.5∶1左右時(shí)，基質(zhì)土壤趨于中性，有利于植物生長(zhǎng)[6]。沙壤土與有機(jī)質(zhì)比例為20∶1時(shí)，可為作物提供所需要的水分和營(yíng)養(yǎng)。

3.4 工程施工階段及養(yǎng)護(hù)階段

邊坡生態(tài)保護(hù)工程的施工與養(yǎng)護(hù)是工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)護(hù)工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，直接關(guān)系到工程的最終效益。系統(tǒng)工程的基本原則是：通過對(duì)技術(shù)、組織、管理等的綜合分析，確定出最優(yōu)的施工方案和維護(hù)方案，既要考慮工藝的先進(jìn)性，又要考慮工程的經(jīng)濟(jì)性。在邊坡生態(tài)保護(hù)工程施工與養(yǎng)護(hù)階段，應(yīng)該利用系統(tǒng)工程理念，結(jié)合前期試驗(yàn)成果及多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用科學(xué)的施工方法制定一套合理的生態(tài)護(hù)岸工程施工方案，并在工程完成后進(jìn)行有效維護(hù)。

在此基礎(chǔ)上，提出坡面清理、土方治理、掛網(wǎng)錨固、噴灑植物混凝土、后期維護(hù)等具體措施。在工程完工后，對(duì)邊坡的生態(tài)防護(hù)工程進(jìn)行加固和日常養(yǎng)護(hù)，在加固期間，要確保坡面植被有足夠的水供給，不能出現(xiàn)干旱情況。在日常養(yǎng)護(hù)中，要密切關(guān)注病蟲的發(fā)生情況。此外，在對(duì)現(xiàn)有成果進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，還要密切關(guān)注坡地植被的恢復(fù)情況，以避免因管理不當(dāng)造成整個(gè)坡地植被倒伏[7]。

3.5 工程效果

在項(xiàng)目執(zhí)行的各個(gè)階段，研究結(jié)果是相互聯(lián)系的，在工程準(zhǔn)備、施工、養(yǎng)護(hù)階段應(yīng)用系統(tǒng)工程的原則，科學(xué)合理地安排各個(gè)階段的工作和進(jìn)度。利用植物混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)，將坡面基本覆蓋，景觀效果良好，植被混凝土基體強(qiáng)度高，抗雨水侵蝕能力強(qiáng)，有效降低土壤侵蝕，從而達(dá)到治理邊坡的目的。

3.6 邊坡生態(tài)防護(hù)工程系統(tǒng)的特性

3.6.1 整體性

邊坡生態(tài)保護(hù)工程體系是將多種工程措施與生物措施有機(jī)結(jié)合在一起，其中工程措施通常以水泥、石料等硬物質(zhì)的利用為主，生物措施主要是以植物、微生物等生物的利用為主。邊坡生態(tài)保護(hù)工程體系既要確保邊坡的力學(xué)穩(wěn)定，又要兼顧生態(tài)環(huán)境和景觀需要，邊坡生態(tài)保護(hù)工程體系所發(fā)揮的作用是單一措施無法達(dá)到的，其具備“整體大于局部”的基本特征。

3.6.2 動(dòng)態(tài)性

邊坡生態(tài)保護(hù)工程體系的動(dòng)態(tài)性包括內(nèi)部動(dòng)態(tài)和外部動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面，外部動(dòng)態(tài)是指其是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部動(dòng)態(tài)是指其處于不斷變化的狀態(tài)。一個(gè)系統(tǒng)若處于固定不變的狀態(tài)，其熵增加小于零時(shí)，就會(huì)自然地向無序、無組織的解體方向發(fā)展。

3.6.3 相關(guān)性

邊坡生態(tài)保護(hù)工程體系的組成因素是相互聯(lián)系的，這樣的結(jié)構(gòu)特征決定了其必然涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)，比如地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、巖土力學(xué)等，必須對(duì)各種學(xué)科間的相互關(guān)系進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)，才能逐步完善邊坡生態(tài)保護(hù)工程，將其技術(shù)水平推向一個(gè)新的高度。

4 結(jié)論

邊坡生態(tài)保護(hù)工程是一項(xiàng)涉及地質(zhì)學(xué)、力學(xué)、土木工程學(xué)、植物學(xué)、園林學(xué)、生態(tài)學(xué)、肥料學(xué)等諸多學(xué)科的工程，這些學(xué)科對(duì)邊坡生態(tài)保護(hù)工程的各個(gè)方面都有不同的影響。在對(duì)這樣一個(gè)跨學(xué)科的工程進(jìn)行研究時(shí)，只有把系統(tǒng)工程的基本理論與思想方法結(jié)合起來，才能達(dá)到預(yù)期的研究效果。將生態(tài)護(hù)岸工程作為一個(gè)整體來看待，不僅可以優(yōu)化設(shè)計(jì)和建設(shè)工作，而且可以更好地解決當(dāng)前的問題，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于坡面生態(tài)修復(fù)工程具有特殊性，在工程完成和維護(hù)一年后，往往會(huì)進(jìn)行一次招標(biāo)，在移交過程中，通常會(huì)產(chǎn)生一段空閑期，對(duì)現(xiàn)有坡面植被造成一定影響。因此，需要將建設(shè)和維護(hù)工作相結(jié)合，進(jìn)行施工方和養(yǎng)護(hù)方聯(lián)合競(jìng)標(biāo)，從根本上消除維修缺口。在治理邊坡時(shí)，往往采用錨桿、錨索等施工方法。而在邊坡的生態(tài)保護(hù)工程中，一般是采用懸臂式和框式工程方法。例如，在封錨索的時(shí)候，要把框架梁的施工也考慮進(jìn)去，預(yù)留合適的鋼筋，以保證框架梁與錨索的結(jié)合。把工程防護(hù)與生態(tài)保護(hù)相結(jié)合，可以有效改善邊坡穩(wěn)定性，節(jié)約投資，既能獲得生態(tài)效益，又能提高經(jīng)濟(jì)效益。