植生水泥土生境构筑技术标准初建

刘黎明，申 剑，周明涛，宋岩松，许文年，许立科

(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室，三峡大学，湖北 宜昌 443002；2.湖北润智生态科技有限公司，湖北 宜昌 443002；3.华电西藏能源有限公司，西藏 拉萨 850000)

目前，国内用于边坡生态恢复的技术较多，大致可分为喷混类、加固填土类、槽穴构筑类和铺挂类[1]，多数技术仅有生态恢复功能而边坡防护功能不够强，且存在可持续性差、适应性弱等缺陷[2-3]。植被混凝土生态护坡技术和植生水泥土生境构筑技术有机结合了边坡防护和生态修复双重功能，可产生优异的经济效益和生态效益，已得到了较为广泛的应用[4-5]。本文总结了植生水泥土生境构筑技术在设计、施工中所应执行的关键技术标准。

1 边坡生态修复技术发展历程

边坡生态修复技术也被称为植被护坡技术、生态修复技术、坡面生态修复工程，指利用活体植物材料与非生命植物材料及土木工程技术相结合，从而减轻受损边坡不稳定性的技术[6]。欧美国家对于边坡生态修复技术研究的历史起源较早，最早在20世纪30年代就首先推创引进这种生物护坡方法，同时期美国也借鉴欧洲的经验对植被护坡技术进行了研究[7]。20世纪50年代美国Finn公司率先开发出草种喷播机，体现了草种喷播技术在边坡防护领域的优势，随后英国发明了利用乳化沥青作为粘结剂的液压喷播技术，至此边坡生态修复技术飞速发展[8]。

边坡生态修复技术的大规模技术应用体现在日本。1958本京都大学农学部在沥青乳化技术的基础上研究开发了喷射绿化技术(沥青乳剂覆盖膜养生绿化技术)，该技术在名古屋至神户高速段路堑边坡得以应用并取得了良好的成效。1973年日本研发出了能应用于岩石边坡的纤维土绿化方法，成为日后厚层基材技术的雏形[9]。随着时间的发展，日本对喷射技术不断改进与创新，开发出了诸如高次团粒绿化技术[10]、连续纤维绿化技术[11]、土壤菌永久绿化法[12]等，形成了一套成熟的边坡生态修复技术系统，为日本如今对构建稳定边坡生态修复技术体系奠定了良好基础。

我国边坡生态修复技术的雏形初见于17世纪利用植物栽培稳固黄河河岸的工程，最初边坡修复多用播撒草种、铺草皮等简易方法。1989年国内首次从香港引进喷播机用于华南地区液压喷播试验，开始了机械化的以植草为新型技术的坡面植被重建手段[13]。1996年国内首次通过客土喷播的方式对高速公路进行边坡生态修复，之后几年国内开发出了各种的土工材料产品，如土工格栅、三维网格、蜂巢格网等，与喷播技术结合并应用于铁路、公路、水利等领域。20世纪90年代末期国内针对岩质边坡的生态修复开始进行较为广泛的研究与应用，并逐渐形成了多样化体系，诸如客土喷播技术[14]、混喷植生技术[15]、厚层基材喷射护坡技术[16]、植生基材喷射技术[17]、植被混凝土生态护坡技术[18]等。其中植被混凝土生态护坡技术和其衍生技术——植生水泥土生境构筑技术的研发有效解决了高陡岩质边坡的生态修复问题，并成功应用[7]，实现以在修复受损创面自然生态环境的同时具备显著的浅层防护作用，具有良好的工程、生态和景观效应。

2 植生水泥土生境构筑技术介绍

植生水泥土生境构筑技术是指根据边坡立体条件，在坡面预处理后，采用专用喷播设备将植生水泥土基材喷附于坡面，以实现坡面防护和生态恢复双重功效的生态护坡技术。其中，植生水泥土基材由土壤、水泥、润智生态改良剂、有机肥、生境基材有机料、纤维等固相材料与水按比例均质混合而成，具备抗冲刷性强、保水性佳、肥力持续耐久，且适宜植物生长繁育等优良特点。

与植被混凝土生态护坡技术相同的是由于基材中水泥组分的添加，植生水泥土具有一定的强度，强度可达0.3 MPa左右，具有很好的浅层护坡功效。不同点在于：①适应范围不同，植生水泥土生境构筑技术主要应用于缓坡(坡率≤1∶1)和陡坡(1∶1<坡率≤1∶0.5)，而植被混凝土生态护坡技术主要应用于极陡坡(1∶0.5<坡率≤1∶0.3)和特陡坡(坡率>1∶0.3)；②生境基材配方不同，相对植被混凝土生态护坡技术，植生水泥土生境构筑技术基材中增施了润智生态改良剂和纤维，从而具有改善生境基材理化性质、增强生境基材生物特性、丰富生境基材微生物量、活化生境基材土壤、固持生境基材养分、调整生境基材结构以及增强生境基材冻融特性等功能；③基材加筋模式不同，植生水泥土生境构筑技术使用植生棒、植生穴、植生孔并联合挂网加筋基材，而植被混凝土生态护坡技术一般仅采用挂网加筋基材；④喷播工艺不同，植生水泥土生境构筑技术采用湿喷工艺，而植被混凝土生态护坡技术采用的是干喷工艺[19]。

与植被混凝土生态护坡技术相比，植生水泥土生境构筑技术的基材团粒结构更适合植物生长繁育，养分可持续性更强，其施工效率可提高3倍以上。对于坡率不大于1∶0.5的边坡防护与生态恢复，其优势突出。

3 植生水泥土生境构筑关键技术

3.1 坡面要求

植生水泥土生境构筑边坡应进行整体稳定分析，不稳定边坡应结合生境构筑进行边坡加固设计，本文设计要点主要讨论没有深层稳定问题的边坡，这类边坡坡面设计主要包括坡面预处理和截排水系统设计。

1)坡面预处理。根据地表出露物质(土壤基质、岩石基质、混凝土或浆砌块料基质)的不同将边坡分为土质边坡、岩质边坡、硬化边坡和土石混合边坡。清理坡面开口线以上原始边坡的接触面，宽度为1.5 m左右；清除坡面松石、浮土、浮根等松散物，确保边坡无下坠落物的安全隐患；如有倒坡尚需进行适当修整，对坡面沟壑部位进行填平。土石混合边坡应采用土壤充填、洒水沉降等方式消除松散块料间空隙，并确保坡体稳定。坡率大于1∶1、平整光滑或节理裂隙不发育的岩质边坡，应在坡面设置植生穴，植生穴间距宜100 cm×100 cm、深度宜20～30 cm、穴口面积宜不小于400 cm2。硬化边坡应在坡面预留植生孔，植生孔深度应贯穿混凝土层，间距宜100 cm×100 cm，孔口面积宜不小于300 cm2，植生孔应预留在混凝土层内的钢筋网间，其开口与上坡面的夹角应为锐角。

2)截排水。应根据地形地质条件，在坡面、坡周因地制宜地设置包括坡顶截水沟、马道排水沟、坡脚排水沟、坡面渗水管等结构的截排水系统。对于坡率大于1∶1的边坡，应增设坡顶生态集水区，用于补充坡面植被生态用水需求。坡顶生态集水区的设置应符合现行行业标准《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》NB/T 35082的有关规定。

3.2 加筋系统

坡率1∶1.25～1∶0.5的坡面应设置加筋系统，其由植生棒、锚固件与挂网组成。

3.2.1 植生棒

植生水泥土生境构筑技术中植生棒的使用能够达到以下效果：①阻滑增强基材的稳定性，②支撑挂网提高加筋的效果，③防止基材飞溅损失，④构造景观造型，⑤储释水分养分，⑥定植灌木，⑦连接各植生穴(孔)增强基材与坡体水汽连通效果。

植生棒直径应为60～80 mm，且拉伸力不应小于15.0 kN/m、抗老化性不应小于3 a。植生棒内植生水泥土充填饱满度不应低于95%，沿坡面横向布设，间距宜为1.0～1.5 m。植生棒与锚固件和挂网固定稳妥。

3.2.2 锚固件

土质边坡锚固件可用木质锚桩，其直径5～6 cm，其他坡面锚固件应选用热轧带肋钢筋，坡率1∶0.75～1∶0.5的边坡其直径不应小于16 mm，坡率1∶1.25～1∶0.75的边坡其直径不应小于14 mm，且应进行除锈、防腐处理。

锚固件间距：坡周不应大于0.5 m，坡率1∶0.75～1∶0.5的边坡坡内不应大于1.0 m，坡率1∶1.25～1∶0.75的边坡坡内不应大于1.5 m。为防止喷播过程中“飞网”，锚固件中间宜采用U型钉固网。

锚固件长度：岩质边坡、硬化边坡不应小于0.4 m；土质边坡、土石混合边坡应确保挂网与植生水泥土的稳固。锚固件应安装稳固，呈“梅花”形布置，出露坡面长度应同基层喷植厚度一致，且与上坡面的夹角应小于90°。

3.2.3 挂网

挂网可选用活络金属网、柔性塑料网或植物化学纤维网，岩质边坡、硬化边坡应避免使用植物化学纤维网。坡率1∶0.75～1∶0.5的坡面挂网网目不宜大于5.0 cm×5.0 cm，坡率1∶1.25～1∶0.75的坡面挂网网目不宜大于7.0 cm×7.0 cm。活络金属网料丝直径应不小于2.0 mm；柔性塑料网最大拉伸力不应小于6.0 kN/m，且抗老化性不应低于10 a。挂网与坡面间的距离宜为植生水泥土设计厚度的2/3。挂网与锚固件、挂网与植生棒、挂网与挂网之间均应绑扎牢固。

3.3 植生水泥土

植生水泥土由土壤、水泥、润智生态改良剂、有机肥、生境基材有机料、纤维等和水按需配制而成。

3.3.1 材料要求

1)土壤。土壤是植物生长的基础材料，为使坡体植物能健康持续生长提供养分和储存养分[20]。一般选择工程所在地附近原有地表(地表下1 m内)砂壤土(采用养分水平高的“熟土”，非坎顶营养水平低的“生土”，若是“生土”，则需“熟化”处理)经粉碎过筛，要求土壤中砂粒质量含量不超过15%，最大粒径应小于8 mm。

2)水泥。水泥宜选用普通硅酸盐水泥，强度等级宜采用42.5级。

3)润智生态改良剂。专利产品，其主要性能指标及要求应符合表1的规定。

表1 润智生态改良剂主要性能指标及要求

4)有机肥。宜采用成品粉末有机肥，其主要性能指标及要求应符合现行国家标准《有机肥料》NY 525的有关规定。

5)生境基材有机料。取用天然有机料(如秸秆、稻壳、锯末等)经粉碎、过筛等工序处理后，主要性能指标及要求应符合表2的规定。

表2 生境基材有机料主要性能指标及要求

6)纤维。优先选用植物纤维(如稻草纤维、棕麻纤维等)，也可采用化学纤维，纤维长度2～3 cm。

7)水。工地就近选用河湖水、自来水等，其水质应符合现行国家标准《农田灌溉水质标准》GB 5084的有关规定。

3.3.2 基材配比

植生水泥土分为基层和面层，两者应分别配制。基层配制时，固相拌合料由土壤、水泥、润智生态改良剂、有机肥、生境基材有机料、纤维组成；面层配制时，增加适量植物种子。

以土壤用量为基准，水泥、润智生态改良剂、有机肥、生境基材有机料、纤维的用量根据试验研究结果与工程应用情况，得出配比公式如下：

1)水泥用量宜按式(1)计算：

Mc=0.035KsKrVpsρps

(1)

式中：Mc为水泥质量，kg；Ks为边坡坡度调整系数，边坡坡率1∶1～1∶0.5取1.3，边坡坡率1∶1.75～1∶1取1.0，边坡坡率小于1∶1.75取0.8；Kr为年均雨量调整系数，年均雨量≥1 200 mm取1.1，年均雨量900～1 200 mm取1.0，年均雨量600～900 mm取0.9，年均雨量小于600 mm取0.8；Vps为土壤体积，m3；ρps为土壤干密度，kg/m3。

2)润智生态改良剂用量宜按式(2)计算：

Mα=0.7Mc

(2)

式中，Mα为润智生态改良剂质量，kg。

3)有机肥用量宜按式(3)计算：

Mof=0.015KiVpsρps

(3)

式中：Mof为有机肥质量，kg；Ki为土壤砂粒含量调整系数，砂粒含量40%～55%取1.3，砂粒含量30%～40%取1.0，砂粒含量小于30%取0.7。

4)生境基材有机料用量宜按式(4)计算：

Mom=0.5Mof+0.75Mc

(4)

式中，Mom为生境基材有机料质量，kg。

5)纤维用量宜按式(5)计算：

Mv=0.001 5(Kd+Kr)Vpsρps

(5)

式中：Mv为纤维质量，kg；Kd为年均无霜期调整系数，年均无霜期大于360 d取0.25，年均无霜期300～360 d取0.5，年均无霜期240～300 d取0.75，年均无霜期小于240 d取1.0。

3.3.3 喷植厚度

植生水泥土基层和面层分开喷植，综合考虑边坡类型、坡率、工程所在地年均雨量等因素，基层喷植厚度见表3，面层喷植厚度应控制在15～20 mm。

表3 基层喷植厚度

4 施工工艺流程

4.1 工艺流程图

植生水泥土生境构筑施工工艺流程如图1。

图1 工艺流程图

4.2 技术要点

1)施工准备。施工前应组织设计技术交底，熟悉设计文件，理解关键技术要点，根据设计文件并结合现场情况编制施工组织设计。

2)坡面预处理。按设计要求对坡面进行预处理，特别是倒坡(负坡)和沟壑部位要进行修整和填平，保证坡面平顺，利于挂网。

3)截排水系统施工。坡面有明显渗水部位要做好坡面泄水孔，保证坡体排水顺畅。根据设计要求并结合现场情况，预留坡顶生态集水区，开挖修筑坡顶截水沟。马道及坡脚排水沟应结合种植槽修筑。

4)加筋系统设置。根据设计文件要求设置加筋系统，有景观设计的还需结合景观设计进行布局。加筋系统施工时，应先安装锚固件与植生棒，再铺设挂网。①测量放样。根据锚固件和植生棒的间距以及喷植厚度做好测量放样。放样应标出锚固件和植生棒的位置，喷植厚度标尺刻度线。②锚固件安装。在锚固件放样定位点钻孔(设计可以直接打入锚固件的无须钻孔)，然后打入锚固件，松散坡体需在钻孔中灌浆，保证锚固件的稳固。③植生棒制作安装。植生棒填充料应振捣密实再绑扎封口。在放样位置横向安放并与锚固件绑扎固定。植生棒端部不在锚固件位置的待挂网安放后应与挂网绑扎固定。④挂网。锚固件和植生棒安装结束后即可挂网。为方便施工，挂网宜自上而下铺放，上部上翻至坡顶线以上不小于50 cm，网网搭接不小于10 cm并用铁丝绑扎，同时挂网应与锚固件绑扎牢固。挂网与坡面间的距离应满足设计要求，不满足要求的须加设垫块。

5)灌溉系统布设。宜采用固定式喷灌或滴灌的形式，根据现场实际情况，若不能采用固定式喷灌或滴灌，也可采取洒水车养护等其他方式，但必须保证喷洒覆盖率≥95%，且雾化度适中。

6)植生水泥土拌制。根据设计配比，先在搅拌罐里投放适量水，再投放水泥搅拌形成水泥浆，然后投入土壤、有机肥、生境基材有机料、纤维、润智生态改良剂，边投放边搅拌，并根据需求补加水，用水量应保证植生水泥土喷植在坡面不散落不流淌。全部材料投放完毕，应继续拌制10～15 min。拌制面层植生水泥土还应投放植物种子。

7)植物物种选配。根据设计配置要求准备植物种子，每次采购的种子在使用前应做发芽率试验，并根据试验结果调整种子用量。根据植物种子的特性，在拌制施工前宜进行浸泡等预处理。

8)植生水泥土喷植。植生水泥土喷植应采用专用喷播设备，先喷植基层，再喷植面层。喷植前应先洒水浸润坡体不小于48 h，自然风干无明显水珠时，再实施植生水泥土喷植。喷植基层后，面层喷植时基层应保持湿润。植生水泥土拌制完毕应在6 h内喷植。喷植应均匀，重点关注坡面的凹凸及死角部位，防止漏喷。风速大于10.8 m/s或自然降雨时不宜喷植施工。

9)覆盖。面层喷植结束后应立即覆盖14 g/m2的无纺布或260 g/m2的草帘，营造混合植绿物种快速发芽的环境。无纺布或草帘应同坡面接触紧密，并采用一次性筷子或木棍固定，防止风吹。

10)养护管理。养护管理主要包括洒水、病虫害防治和局部修复等措施。整个幼苗生长期不允许出现缺水现象；发现病虫害，及时防治防止蔓延；由于施工、养护等其他原因造成的局部斑秃现象，及时修复。养护管理分为苗期养护与生长期养护两个阶段。苗期养护为施工结束后的第0～60 d，生长期养护一般为坡面喷射施工结束后的第61～365 d。

5 结 语

植生水泥土生境构筑有效地替代了部分圬工防护，实现了边坡防护与生态修复的有机结合，已在水电、交通、市政等工程项目中大面积推广应用，取得了很好的效果，相应技术标准和规范国家能源局已正式立项，目前正由三峡大学润智生态科技研究院和湖北润智生态科技有限公司组织编制。