喷混植生技术在暖温带石灰岩山地破损山体生态恢复治理中的应用

赵永军 ,葛 磊 ，翟 利 ，丁 平 ，杨海平 ，刘 鵾 ，王 宁 ，刘 涛

（1.山东省林木种质资源中心，山东 济南 250014；2.山东鸿林工程技术有限公司）

喷混植生技术是以工程力学和生物学理论为依据，利用锚杆加固、土壤混合基料制备、植物群落恢复和分层喷播技术，将土壤、肥料、有机质、保水材料、粘结材料、植物种子等混合料喷射到坡面上，形成使植被得以恢复、又不被冲刷的多孔稳定结构建植层，从而达到防护边坡、恢复植被、改善环境的目的。喷混植生技术的机械化程度高、作业速度快，在复杂及恶劣条件下能强制快速恢复植被。遗憾的是这项技术目前还没有成熟的理论和技术标准,在工程应用中出现了建植层滑移、植物群落单一、植物退化等问题，笔者主要通过对暖温带石灰岩山地喷混植生关键技术的应用研究，对坡面治理后的长期稳定性、植物群落恢复等方面进行有益的探索，以达到防护体系的长期稳定。

1 喷混植生技术的工艺流程

喷混植生的作业流程一般为:作业准备、清理边坡、打设锚杆、挂网、制备土壤混合料、喷射混合料、养护管理等。

1.1 作业准备

作业前对边坡地形地质情况、设计方案、现场作业条件进行核实；落实各种材料设备来源并保障按计划进场；熟悉规范、准予上岗的作业人员充足。

1.2 清理边坡

清理边坡主要是清除悬石和危石,防止发生新的地质灾害，保障边坡治理的作业安全。作业时先清理浮石、浮土，后清理危岩石，从上到下逐层清理；清理采用人工清除和机械破碎、挤压、凿孔相结合的方法进行。清理作业中安全监控、观察记录坡体的动态变化，并采取相应的技术措施。对于光滑岩面，通过挖掘横沟等措施进行加糙处理。

1.3 打设锚杆

1.3.1 打设锚杆

锚杆一般为HRB335级或HRB400级钢筋，钢筋直径、筋长、锚固深度、锚杆间距按照专业方案作业；土层、强风化岩层中的锚杆进行防腐处理，锚头的锚具经除锈、防腐后采用钢筋网罩，并采用C30膨胀细石混凝土封闭，混凝土保护层厚度不小于50mm。锚杆作业应进行性能试验和验收试验，确保主要性能指标达标。

1.3.2 注浆

锚固孔内注浆采用纯水泥砂浆 （水泥用P.O42.5、中细砂粒径≤2.5mm，水泥砂浆配合比宜为1:1～1:1.2， 水灰比宜为 0.38～0.45）， 强度不低于M30，一次注浆压力为0.5～1.5Mpa。浆液随搅随用、在初凝前用完，注浆管路保持畅通。采用注浆泵将浆液经注浆管输送至孔底，再由孔底返回孔口，待孔口溢出浆液或排气管停止排气时，可停止注浆。注浆管拔出应边拔出边灌浆，并保持管口处于浆面以下，待浆液溢出孔口时全部拔出。

1.4 挂网

在坡面上挂设网片，一般采用镀锌铁丝网或高强纤维网。网目间距宜为 50mm×50mm～200mm×200mm之间，抗拉强度一般不低于380kPa。网片幅边采用铁丝绑扎联接，与锚钉施工交叉作业，网片通过加强筋与锚钉固定，网片与坡面之间的距离约为种植基材厚度的一半，以使种植基材在坡面形成整体稳定的板块。坡面设50mm的软式透水管排水孔，矩形布置，间距、孔设可随扭距部位适当调整，孔位沿坡面走向尽可能在一条线上。

1.5 制备土壤混合料

土壤混合料的组成材料（种植基材)主要有种植土、有机质、肥料、保水剂、粘合剂、杀虫剂、植物种子、团粒剂、稳定剂、PH缓冲剂和水等。将各种材料充分混合，搅拌均匀。

1.5.1 种植土

种植土可因地选材；为避免肥力不够，可调配部分大田耕作土，同就地选择的土壤混合使用。种植土应保持适宜的含水率，酸碱度适中、无毒害、不含杂质杂草。

1.5.2 有机质

有机质主要为促进土壤结构形成、改善土壤物理性质、提高保水保肥能力，促进植物生长发育。喷混植生中主要采用增施有机肥，添加泥炭、秸秆、锯末、腐质土等来提高土壤有机质含量。

1.5.3 肥料

肥料采用控释复合肥料和经消毒、害虫处理、充分发酵后的农家肥。1.5.4 保水剂

保水剂是无毒无害，反复释水、吸水的功能高分子材料。因建植层厚度通常较薄，喷播植物的生长发育对气候相当敏感，选择适宜的保水剂是坡面上植物得以正常生长发育的有效措施。喷混植生中可选择使用周期、寿命较长的聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵等共聚交联物。

1.5.5 粘合材料

粘合材料的使用主要为保持建植层不被冲刷、促使混合料与坡面粘结、增强建植层自身强度。常用的粘合材料有硅酸盐水泥、高分子粘合剂，水泥起主要粘合作用，粘合剂起辅助粘合作用。水泥拌和混匀后的碱性特征对植物生长发育有严重影响，用量应严格控制；粘合剂存在老化现象，因此水泥、粘合剂宜配合使用。

杀虫剂主要为防治混合料中的害虫，提高混合料的质量。

1.5.7 植物种子

植物种子的选择配置应考虑植物适应性、抗旱抗逆性、抗侵蚀冲刷、抗污吸污、易粗放管理等因素，达到快速生长覆盖，兼顾植物多样性、群落多层次原则。

1.5.8 团粒材料

团粒材料主要为改善土壤,形成粒径在0.25～10mm之间的团聚体，使土壤趋向于农业生产上理想的2～3mm团粒结构。喷混植生中常用的团粒材料包含团粒剂、团粒稳定剂，两种材料搭配使用。团粒剂呈白色粉末状，水溶液呈中性，无毒、无味、无害、无污染,能迅速溶于水；团粒稳定剂一般为膏体，水溶后为白色乳胶状。

1.5.9 PH缓冲剂

缓冲剂是用来稳定溶液酸碱度的物质，一般由弱酸和弱酸盐或弱碱和弱碱盐组成，可使溶液在遇到碱或酸时，PH值的变化幅度缩小。

1.6 喷射混合料

选择专用喷混植生喷播设备，就位后调节输送泵压力、出风量，将混合料均匀地喷射至坡面。喷射厚度是植物生长的关键所在，一般为100±30mm，应随时检查以保证作业质量。

1.7 养护管理

喷射混合料后，初期养护采用无纺布（降雨较多时）或草帘（春秋季）覆盖，防止雨水冲刷、水分蒸发过快，并起保温作用利于种子发芽；植物生长至一定程度后揭开覆盖材料。后期视天气情况适时浇水、喷雾进行养护。

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2 土壤混合料的制备配比

喷混植生技术的核心是通过成孔物质的合理配置，在坡面上营造一个固、液、气三相物质基于平衡的多孔稳定结构建植层。混合料基质材料的配比合理性是喷混植生能否成功的关键，适宜的配方既应满足一定强度、抗雨水冲刷，又具有空隙率、肥力以保证植物生长。

2.1 土壤混合料的试配设计（配合比试验）

试配设计的目的是经济合理、因地制宜地比选出混合料中各组成材料的用量。总结近年来实施的山东、山西、河北、河南等地11项工程应用实践，一般情况下，土壤混合料主要基质初始配合比，见表1。

表1 土壤混合料主要基质初始配合比（按每1㎡=每0.1m3用量)

表2 混合料主要理化指标特征表

2.2 混合料配合比的优化

配合比的优化主要为提高植被保存率、增强内部质量，降低生产成本、作业难度。制备过程中严格控制加水量,避免用水量过多严重损害强度、影响后续喷射作业。初始配合比设计、试配完成后，进行试喷作业，并将混合料样本、试喷模块送实验室化验，对混合料的主要指标（PH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、容重、CEC、含盐量、通气性等）和试喷模块的无侧限抗压、抗剪强度等进行检测。根据检测报告，对不能满足要求的指标，通过更换问题基质来源、调整配合比设计进行优化。混合料主要理化指标特征，见表2。

检测显示，加入水泥后的土壤混合料PH值为8.0～8.5。在混合料中加入红黏土、硫酸亚铁和PH缓冲剂，利用其酸碱性、缓冲性和水解产生酸度进行PH调节，使混合料的PH值由碱性（PH8.0～8.5）降低到中性（PH6.8～7.2），适合植物生长。具体使用时，对缓冲剂的浓度、添加量进行分组测定，针对不同的混合料理化特征，确定适宜的缓冲剂剂量。任何缓冲剂都只在一定的pH范围内有较好的缓冲作用，超过允许的pH范围，它的缓冲作用较差或没有缓冲作用。应采用比较成熟的PH值调节技术使混合料的PH值调节到适宜植物生长的范围。常用缓冲剂浓度及PH值范围，见表3。

3 植物群落的构建

暖温带气候冬季寒冷干燥，春季干旱少雨、多风沙，秋季云雨较少,降水主要集中在夏季，年平均降水量少，年平均蒸发量大，植被恢复的普遍性问题是水资源的不足。

3.1 植物种类选择的原则

喷混植生技术实际上是通过播种造林的方式实现植被恢复，植物种类的选择遵循以乡土植物为主，兼顾物种多样性，乔木、灌木、草本及地被植物相结合的原则，突出植物的易繁殖性和适应性（耐旱、耐瘠薄、生命力顽强、综合抗性强），注意植物群落演替与营养循环（选择具有一定固氮能力的豆科植物)，避免易老化、生态退化的现象。

表3 常用缓冲剂浓度及PH值范围

3.2 可选择的主要植物种类

植物种类的选择主要以能够营造针叶林、阔叶林、灌丛、灌草丛、草甸等各种类型植被为目的。由于植物的播种繁殖、生长习性等特点不同，暖温带地区常绿植物的选择应用受到局限。可选择的主要植物种类，见表4。

3.3 森林型植被结构的演替形成

植物种子萌发后，吸收营养元素迅速生根、生长；根系组织将建植层固定在坡体表面或伸入坡面缝隙，逐步对土壤层进行加固，逐渐取代工程措施对山体的防护。坡面建植完成后，一年生草本群落、多年生杂草与禾草群落、灌木群落和乔木依次出现，直到一片森林再度形成。由于植物之间、植物与环境之间的相互作用,以及这种作用的不断变化，必然发生植被的自然演替现象，直至发展成为与建植环境条件协调一致、结构稳定的植物群落。植被演替过程中的枯枝落叶进一步改善土壤结构并调节营养成分，促进并完成植物群落的物质循环，有效改善群落环境。即使建植的草本植物出现退化，通过自然选择与群落演替形成的森林型植被结构，也能达到植被恢复的长期稳定性，进而实现山体的生态化、群落化、自然化。

4 传统工艺的改造

4.1 土壤团粒化反应的改进

喷射混合料分为干式喷播和湿式喷播，前者由气力输送干拌混合料，在喷嘴处与压力水混合后喷出；后者由气力或输送泵输送泥浆混合物经喷嘴喷出。实践中以湿式喷播作业居多，湿式喷播的团粒化反应发生在混合料拌合期间，往往团粒化率比较低。

工艺改进后，喷播设备有2个罐体，一个罐体内加入混合料、团粒稳定剂，另外一个罐体内加入团粒剂。通过对压力、流量进行控制和微调，泥浆混合料与团粒剂经2条不同的管道同步输送，一起汇集在喷嘴处喷出，在喷枪口与空气充分接触，悬浮在空气中的瞬间发生团粒化反应，喷射出具有稳定、均匀团粒结构的土壤混合料。改进后的团粒化反应发生在喷射期间，产生的建植层土壤具有良好的气密结构、疏水能性和水土保持能力，充分模拟自然落土进行建植层的营造，为植物生长提供适宜的生存环境。

表4 暖温带石灰岩山地喷混植生可选择的主要植物种类

续表4

4.2 喷射工艺的改进

传统喷射作业大多一次成型，期间往往发生滑移流淌、干斑、厚度不达标等现象。另外，喷播植物种子的时机不合理，往往单独喷播种子或表层喷射混合料时加入种子，导致种子被风吹走、被动物蚕食等，发芽率低、植被效果不理想。改进的喷射工艺主要解决上述问题。

喷射作业时，工艺改进为分层、分段在坡面上喷播。第1层喷射厚度为30～50mm,待稳定后 （约10～20min）再喷射第2层至设计厚度，在岩体破碎、岩质坚硬、坑凹严重部位可适当增加喷射厚度。喷射混合料应分段分片依次进行，同一段内喷射顺序自下而上，段片之间、层与层之间做成45°斜坡，以使混合料凝结成整体。

喷头操作是喷射工艺改进的另外—个重要环节。喷头与喷射面尽量保持垂直，视情况保持0.8～1m左右的距离；喷射料束环形旋转,旋转直径约为150～300mm,转速均匀,一圈压半圈,行间搭接 20～30mm。以一次喷至不坠落的临界状态为限,避免产生干斑或滑移流淌现象。一般一次喷射厚度不超过80mm,采用针探法控制。

改进植物种子喷播的时机，将植物种子加入混合料中一并进行喷射作业。在下层喷播时，加入选用植物种子总量的20%～30%，并拌合均匀；在上层喷播时加入剩余植物种子。

4.3 养护方法的改进

混合料喷射完成后,若养护措施不当,极易发生早期干裂,影响建植层的强度和植物的生长发育。养护方法的改进为:采用雾化程度高、雾滴细小、对建植层打击强度小、均匀度好的微喷方式，在喷射表面终凝后1～2d内开始养护。喷水次数以保持建植层的湿润状态为准，具体养护方法见表5。

5 高陡边坡作业的适用性

高陡边坡一般在75o以上、坡高30～40m以上。对于高陡边坡而言，对原坡面进行加固、保持坡面的安全稳定，是喷混植生能否应用的关键因素。抗滑桩、格珊梁、抗滑挡墙和排水固结等坡体加固技术，在高陡边坡治理的工程措施中已经广泛应用。

表5 建植层的养护方法

理论上，植物生长所需的光照、温度、湿度、营养、土壤等外部条件满足，利用喷混植生技术进行高陡边坡的植被恢复，特别是恢复攀援植物、灌草丛、草甸植被，应该可行。但是，在混合料制备配比、植物群落选择等方面，应该做出同高陡边坡地质特性相匹配的技术方案，以保持治理后坡面的长期稳定性。目前，喷混植生技术在高陡边坡治理中应用成功的案例比较少，今后应做进一步的观测和应用研究。

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