巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析

［關(guān)鍵詞］ 巖石邊坡；格子梁；客土噴播；土壤特性；植被恢復(fù)

［摘要］ 巖石邊坡格子梁客土噴播工程是一種“坡體穩(wěn)定防護(hù)+坡面植被恢復(fù)”的綜合防護(hù)模式。為探討格子梁在坡面形成的獨(dú)立單元空間對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生的影響，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒和參考，以山東省某巖石邊坡格子梁客土噴播工程區(qū)為研究區(qū)，持續(xù)4 a對(duì)格子梁客土噴播區(qū)（簡(jiǎn)稱“格子梁區(qū)”）和無(wú)格子梁客土噴播區(qū)（簡(jiǎn)稱“無(wú)格子梁區(qū)”）的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和植被進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域土壤和植被情況存在一定差異：格子梁能夠改變坡面小生境，梁體周圍的土壤水分更容易蒸發(fā)，土壤硬度值偏大；格子梁區(qū)單元格內(nèi)高位測(cè)點(diǎn)的土壤含水量遠(yuǎn)低于中、低位測(cè)點(diǎn)和無(wú)格子梁區(qū)測(cè)點(diǎn)的土壤含水量，且格子梁區(qū)單元格內(nèi)高位測(cè)點(diǎn)土壤遷移劇烈，植被覆蓋度低。因此，巖石邊坡格子梁綠化工程應(yīng)解決格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)的土壤遷移和水分保持問(wèn)題，以避免形成不一致的植被恢復(fù)效果。

［中圖分類號(hào)］ S157；U416.14[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.04.015

［引用格式］ 高小虎，李本鵬，申新山，等.巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析[J].中國(guó)水土保持，2024（4）：53-57.

伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)往更高、更險(xiǎn)、更遠(yuǎn)的多山地區(qū)發(fā)展，大規(guī)模坡體開(kāi)挖不可避免地會(huì)形成大量的挖方邊坡，從而需要大量的邊坡防護(hù)工程、植被恢復(fù)工程。格子梁是一種非常重要的坡體穩(wěn)定防護(hù)措施，能夠在傳遞巖體壓力、改善應(yīng)力狀態(tài)、控制坡體變形與位移、確保坡體穩(wěn)定的同時(shí)，還為坡面保留一定的植被恢復(fù)空間，與客土噴播、三維網(wǎng)、植生袋等植被恢復(fù)措施相結(jié)合，最終形成格子梁綠化工程[1-2]。格子梁綠化工程是一種“坡體穩(wěn)定防護(hù)+坡面植被恢復(fù)”的綜合防護(hù)模式[3-4]，能夠很好地滿足當(dāng)前邊坡工程建設(shè)和生態(tài)景觀恢復(fù)的需求，也極大地響應(yīng)了當(dāng)前生態(tài)文明和“兩山”理論的指引。由于巖土組成、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境演變等的不同，因此當(dāng)坡體遇挖填外力作用時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)有可能會(huì)發(fā)生變化，若未妥善處置，則有可能出現(xiàn)不同程度的工程地質(zhì)災(zāi)害，而格子梁錨固工程能夠很好地解決此類問(wèn)題[5]。自1911年美國(guó)首先在礦山巷道邊坡工程中嘗試應(yīng)用格子梁后，世界各地迅速展開(kāi)了其在各種不同地層條件下的應(yīng)用，我國(guó)則是在20世紀(jì)中葉引入，隨后逐漸在公路、鐵路、水利等建設(shè)工程中得到迅速發(fā)展[6]。客土噴播是采用專門(mén)的噴播設(shè)備，將植物種子與土壤、有機(jī)肥、保水劑等按一定比例混合后，用高壓噴槍噴射到坡面形成適宜植物生長(zhǎng)的土壤層的一種坡面綠化技術(shù)[7-9]。1989年我國(guó)華南地區(qū)的邊坡工程試驗(yàn)引入了相關(guān)設(shè)備和技術(shù)，至今已發(fā)展形成多種技術(shù)類別。目前與客土噴播工藝類似的細(xì)分技術(shù)還包括噴混植生、厚層基材噴射、高次團(tuán)粒噴播、植生基質(zhì)噴播、噴砼植草、植被混凝土、乳液噴播等[10]?？梢哉f(shuō)，格子梁是為了解決坡體不穩(wěn)定狀態(tài)而進(jìn)行的防護(hù)處理，而客土噴播是為了在坡面塑造植被而實(shí)施的生態(tài)恢復(fù)，二者并不矛盾且能很好地結(jié)合。巖石邊坡上實(shí)施格子梁工程后，在坡面形成的每一個(gè)單元格都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水土空間，工程實(shí)踐中也能發(fā)現(xiàn)格子梁區(qū)單元格內(nèi)恢復(fù)的植被與無(wú)格子梁區(qū)存在差異，說(shuō)明格子梁會(huì)對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生一定的影響，但目前相關(guān)研究十分少見(jiàn)。為探討格子梁在坡面形成的獨(dú)立單元空間是否會(huì)對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生影響，本研究以巖石邊坡格子梁客土噴播工程區(qū)為研究區(qū)，持續(xù)4 a對(duì)格子梁客土噴播區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“格子梁區(qū)”）和無(wú)格子梁客土噴播區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)格子梁區(qū)”）的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和恢復(fù)植被等進(jìn)行觀測(cè)分析，以期為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒和參考。

1研究區(qū)概況為使本研究具有代表性，選擇山東省某巖石邊坡格子梁客土噴播工程區(qū)為研究區(qū)。該研究區(qū)位于山東省濱州市，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，年均氣溫13.1 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 619.8 h，年均太陽(yáng)輻射總量529 kJ/cm3，年均降水量650 mm，周邊土壤以褐土為主。試驗(yàn)邊坡為三級(jí)挖方邊坡，陽(yáng)坡，巖石以石灰?guī)r為主，整體性好且裂隙少，邊坡坡比1∶0.75，分別采取“格子梁+客土噴播”和“客土噴播”兩種防護(hù)方案。格子梁規(guī)格4.00 m×5.25 m，橫縱梁寬30 cm，梁體外露高度20 cm，單個(gè)格子梁?jiǎn)卧窬G化面積18.315 m2。兩個(gè)區(qū)域均采用相同的客土噴播方案，噴播厚度10 cm。為避免外部區(qū)域雨水沖刷影響，在坡頂及平臺(tái)全部設(shè)置截排水溝，所有工程于2019年6月全部完成。

2研究方法

2.1測(cè)區(qū)與測(cè)點(diǎn)分別在格子梁區(qū)和無(wú)格子梁區(qū)的中部選取觀測(cè)區(qū)，共選取16個(gè)觀測(cè)區(qū)，見(jiàn)圖1。其中，1級(jí)坡格子梁區(qū)設(shè)A1、A2、A3、A4共4個(gè)觀測(cè)區(qū)，2級(jí)坡格子梁區(qū)設(shè)A5、A6、A7、A8共4個(gè)觀測(cè)區(qū)；1級(jí)坡左右兩側(cè)無(wú)格子梁區(qū)設(shè)B1、B2、B3、B4共4個(gè)觀測(cè)區(qū)，3級(jí)坡無(wú)格子梁區(qū)設(shè)B5、B6、B7、B8共4個(gè)觀測(cè)區(qū)。每個(gè)觀測(cè)區(qū)自下至上居中設(shè)置a、b、c共3個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中格子梁區(qū)測(cè)點(diǎn)a和測(cè)點(diǎn)c距離格子梁橫梁10 cm，見(jiàn)圖2。

2.2監(jiān)測(cè)方法土壤水分采用TZS-Ⅱ土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)定，土壤硬度采用LX-D型硬度計(jì)測(cè)定，土壤厚度采用預(yù)置鋼筋標(biāo)記測(cè)量；對(duì)恢復(fù)植被采取樣方調(diào)查法， 高小虎等：巖石邊坡格子梁客土噴播工程土壤與植被特征分析包括物種及分布、數(shù)量、植株高度、覆蓋度。2019—2022年期間，每年測(cè)定1次，均為8月中下旬（雨后第5天13：00—15：00）。為減少誤差，所有數(shù)據(jù)均重復(fù)測(cè)定3次。

2.3數(shù)據(jù)處理及分析本研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析采用SPSS 13，制圖采用Excel 2013、AutoCAD 2016。

3結(jié)果與分析

3.1土壤含水量連續(xù)4 a對(duì)48個(gè)測(cè)點(diǎn)土壤含水量進(jìn)行了觀測(cè)，按“低—中—高”位置和年度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖3。格子梁區(qū)和無(wú)格子梁區(qū)的土壤含水量均保持在6.12%～8.26%，其中格子梁區(qū)單元格內(nèi)2019年低位測(cè)點(diǎn)a的值最大，2022年高位測(cè)點(diǎn)c的值最小。每次測(cè)定的格子梁區(qū)“低—中—高”測(cè)點(diǎn)的土壤含水量都呈現(xiàn)明顯的“高—中—低”水平，即格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)土壤含水量隨著相對(duì)位置的升高而降低，因此2019—2022年格子梁區(qū)不同位置測(cè)點(diǎn)土壤含水量形成波浪式分布。無(wú)格子梁區(qū)測(cè)點(diǎn)土壤含水量趨于穩(wěn)定，第1年（2019年）土壤含水量超過(guò)7.5%，第2年至第4年（2020—2022年）土壤含水量均值降至6.97%。

3.2土壤硬度第1年，坡面完成客土噴播后土壤硬度值較低，為5.79～6.06 kg/cm2；自第2年起，任意測(cè)點(diǎn)的土壤硬度都較第1年大，見(jiàn)圖4。無(wú)格子梁區(qū)土壤硬度在第2年至第4年相對(duì)穩(wěn)定，為6.90～7.09 kg/cm2，整體都低于同時(shí)期格子梁區(qū)的土壤硬度。格子梁區(qū)不同位置測(cè)點(diǎn)的土壤硬度發(fā)生變化，單個(gè)格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)的土壤硬度形成了縱向差異。以2022年為例，低位測(cè)點(diǎn)a、中位測(cè)點(diǎn)b、高位測(cè)點(diǎn)c的土壤硬度分別為7.83、9.06、9.13 kg/cm2，高、中位測(cè)點(diǎn)土壤硬度增幅較大。

3.3土壤厚度噴射完工的土壤厚度（本研究原值）為10 cm。在2019—2022年測(cè)得的土壤厚度結(jié)果中，無(wú)格子梁區(qū)土壤厚度測(cè)量值均低于原值，其中2019年土壤厚度為9.6～9.7 cm（施工后2個(gè)月測(cè)量），2020年土壤厚度降至9.2～9.3 cm（施工后14個(gè)月測(cè)量），2021年、2022年土壤厚度未再發(fā)生明顯下降。對(duì)于格子梁區(qū)，單元格內(nèi)不同位置測(cè)點(diǎn)的土壤厚度存在顯著差異：高位測(cè)點(diǎn)c的土壤流失劇烈，2019年施工后2個(gè)月首次測(cè)量厚度僅6.2 cm，流失比例38%，且在2020年降至3.4 cm，2021年降至3.2 cm，2022年降至3.0 cm，累計(jì)流失比例達(dá)到70%；由于格子梁橫梁的滯留，因此同時(shí)期低位測(cè)點(diǎn)a的土壤厚度出現(xiàn)增大，以2022年為例，土壤厚度達(dá)到17.8 cm，土壤滯留比例達(dá)到78%。圖5為經(jīng)擬合形成的2022年不同區(qū)域土壤厚度縱向剖面示意。

3.4恢復(fù)植被通過(guò)樣方調(diào)查，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)共出現(xiàn)刺槐（Robinia pseudoacacia）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙打旺（Astragalus laxmannii）、高羊茅（Festuca elata）、黑麥草（Lolium perenne）等14種植物。2019年首次測(cè)量時(shí)格子梁區(qū)和無(wú)格子梁區(qū)未出現(xiàn)差別，植被覆蓋度均超過(guò)90%，2020—2022年的3次測(cè)量發(fā)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的年際變化不明顯，說(shuō)明植被恢復(fù)較為穩(wěn)定。但是2020—2022年格子梁區(qū)單元格內(nèi)高位測(cè)點(diǎn)植被覆蓋度不足50%，遠(yuǎn)低于單元格內(nèi)其他位置植被覆蓋度，而格子梁區(qū)單元格內(nèi)低位測(cè)點(diǎn)的植被覆蓋度比無(wú)格子梁區(qū)偏高，見(jiàn)圖6。

4討論

4.1土壤含水量與硬度在巖石邊坡實(shí)施完成格子梁工程后，梁體會(huì)形成對(duì)坡面水氣環(huán)境的分割，每個(gè)格子梁?jiǎn)卧穸际且粋€(gè)相對(duì)獨(dú)立的生境。從土壤含水量分布圖中可以看出，格子梁對(duì)土壤含水量的影響是比較明顯的。這是因?yàn)楦褡恿簠^(qū)梁體硬化面積與土壤面積比值達(dá)到1∶6.8，且試驗(yàn)坡面為正陽(yáng)坡，格子梁梁體為硬化結(jié)構(gòu)，在相同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件下，格子梁梁體周圍的土壤溫度比無(wú)格子梁區(qū)的土壤溫度高，從而加速了水分蒸發(fā)，甚至?xí)斐赏寥罓顟B(tài)改變，如板結(jié)、干脫、硬化等。尤其是格子梁區(qū)高位測(cè)點(diǎn)，其土壤含水量遠(yuǎn)低于格子梁中、低位測(cè)點(diǎn)和無(wú)格子梁區(qū)所有測(cè)點(diǎn)，土壤硬度也增大明顯。但是，格子梁區(qū)低位測(cè)點(diǎn)的土壤含水量與土壤硬度變化并不顯著，說(shuō)明格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)不同位置的生境會(huì)產(chǎn)生一定差異，工程中應(yīng)適當(dāng)減少梁體外露，降低格子梁對(duì)土壤水分和硬度的影響。

4.2土壤遷移與滯留本次研究土壤厚度原值為10 cm，后面歷次測(cè)得的土壤厚度均低于10 cm，這可能是客土噴播施工完成后會(huì)發(fā)生一定的沉降所致。2019—2022年，整個(gè)研究區(qū)的格子梁區(qū)和無(wú)格子梁區(qū)都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的水土流失情況，就單個(gè)格子梁?jiǎn)卧穸裕呶粶y(cè)點(diǎn)的土壤遷移至低位測(cè)點(diǎn)，未出現(xiàn)明顯外溢，因此可以理解為格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)土壤發(fā)生遷移，但并沒(méi)有發(fā)生明顯的流失。以無(wú)格子梁區(qū)土壤厚度為參照，歷次測(cè)得的土壤遷移率分別為3.58%、7.83%、9.65%、10.34%，而同時(shí)期格子梁區(qū)高位測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壤遷移率分別為37.80%、66.45%、68.48%、69.75%，證明格子梁區(qū)土壤遷移程度非常劇烈。值得注意的是，同時(shí)期測(cè)得的格子梁區(qū)低位測(cè)點(diǎn)土壤厚度分別達(dá)到13.8、17.7、17.8、17.8 cm，遠(yuǎn)高于原值10 cm，增加的土壤來(lái)源就是高位、中位測(cè)點(diǎn)遷移過(guò)來(lái)的土壤，這與工程實(shí)踐中格子梁工程呈現(xiàn)出上薄下厚的現(xiàn)象相吻合。為增加格子梁內(nèi)土壤穩(wěn)定性，降低土壤遷移率，通常會(huì)在格子梁工程中增加客土噴播前掛網(wǎng)、加糙等輔助措施，也可考慮與疊鋪生態(tài)袋、敷設(shè)土工格柵、碼砌六棱磚等其他方法組合使用。

4.3植被動(dòng)態(tài)恢復(fù)情況根據(jù)2019年8月（完工后第2個(gè)月）樣方調(diào)查結(jié)果，格子梁區(qū)植被覆蓋度觀測(cè)值均高于無(wú)格子梁區(qū)，這應(yīng)當(dāng)與格子梁硬化結(jié)構(gòu)存在一定積熱效應(yīng)有關(guān)，其初期有利于種子發(fā)芽和植被快速覆蓋坡面，但持續(xù)積熱會(huì)在一定程度上加劇水分散失，改變植物生長(zhǎng)的水土微環(huán)境。2020—2022年格子梁區(qū)高位測(cè)點(diǎn)的植被覆蓋度迅速降低至50%以下，還出現(xiàn)了局部裸露情況，而同時(shí)期無(wú)格子梁區(qū)測(cè)點(diǎn)的植被覆蓋度仍能保持在90%以上。由此看出，格子梁會(huì)導(dǎo)致單元格內(nèi)部的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度等特征發(fā)生變化，最終會(huì)造成植被生長(zhǎng)不均一的狀況。

5結(jié)論本研究以巖石邊坡格子梁客土噴播工程區(qū)為研究區(qū)，持續(xù)4 a對(duì)格子梁區(qū)和無(wú)格子梁區(qū)的土壤含水量、土壤硬度、土壤厚度和植被恢復(fù)情況進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在巖石邊坡格子梁區(qū)的每個(gè)單元格都形成了獨(dú)立生境，與無(wú)格子梁坡面的水土環(huán)境和植被情況存在一定差異。1）格子梁區(qū)單元格內(nèi)高位測(cè)點(diǎn)的土壤含水量遠(yuǎn)低于中、低位測(cè)點(diǎn)和無(wú)格子梁區(qū)所有測(cè)點(diǎn)，土壤硬度也偏大。格子梁區(qū)單元格內(nèi)土壤遷移劇烈，低位測(cè)點(diǎn)增厚的土壤源自同一單元格的高、中位區(qū)域，這與工程中容易出現(xiàn)土壤上薄下厚的現(xiàn)象相吻合。2）格子梁外露梁體為硬化結(jié)構(gòu)，存在一定的積熱效應(yīng)，初期有利于種子發(fā)芽和植被快速覆蓋坡面，但持續(xù)積熱會(huì)加劇周圍的土壤水分散失，導(dǎo)致土壤厚度、硬度等特征發(fā)生變化，最終會(huì)造成植被生長(zhǎng)不均一的狀況。3）相較于其他區(qū)域而言，格子梁?jiǎn)卧駜?nèi)高位區(qū)域的生境條件更加不利于植被恢復(fù)，工程中應(yīng)適當(dāng)減少梁體外露，增加單元格與周邊環(huán)境的水、氣連通，必要時(shí)還應(yīng)采取掛網(wǎng)、加糙等輔助措施，以增加土壤穩(wěn)定性，降低土壤遷移對(duì)坡面生境產(chǎn)生的不利影響。

[參考文獻(xiàn)]

［1］ 楊陽(yáng)，楊建英，趙平，等.兩種框格梁生態(tài)護(hù)坡技術(shù)及其應(yīng)用效果：以安徽岳武高速公路為例［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2015，13（5）：118-124.

［2］ 鄧蕓心，齊燕清，付世強(qiáng)，等.框格梁和生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在觀景口水利樞紐工程中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水利，2021（19）：64-66.

［3］ 孫武，劉欣，鐘順元等.臺(tái)風(fēng)地區(qū)錨桿格構(gòu)梁掛網(wǎng)植草支護(hù)應(yīng)用［J］.路基工程，2022（4）：127-131.

［4］ 王建軍，白建光.現(xiàn)澆網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（增刊1）：113-115.

［5］ 向海清，巢萬(wàn)里.預(yù)應(yīng)力錨桿格子梁加固技術(shù)在邊坡工程中的應(yīng)用研究［J］.公路工程，2013，38（2）：40-43，64.

［6］ 黨海平，楊東啟，楊杰.框格梁生態(tài)護(hù)坡在河道整治工程邊坡防護(hù)中應(yīng)用［J］.云南水力發(fā)電，2021，37（12）：167-169.

［7］ 高東.高速公路邊坡防護(hù)中客土噴播技術(shù)的應(yīng)用［J］.交通世界，2021（34）：62-63.

［8］ 汪益敏，陶玥琛，程致遠(yuǎn)，等.高速公路路塹邊坡客土噴播的長(zhǎng)期防護(hù)效果［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2021，30（8）：1724-1731.

［9］ 李永強(qiáng)，王新然.邊坡復(fù)綠與客土噴播施工技術(shù)［J］.西部探礦工程，2017，29（10）：1-4，10.

［10］ 舒安平，趙冉，高小虎，等.公路邊坡干濕客土噴播生態(tài)恢復(fù)效果評(píng)價(jià)［J］.交通運(yùn)輸研究，2020，6（4）：45-51.