贵州瓮马铁路边坡生态护坡技术研究

王林峰，吴发友，曾韬睿，程 平，胡才龙

(1. 重庆交通大学 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

近年来，随着山区公路、铁路工程的大量修建，道路沿线施工开挖出了大量边坡，产生大量次生裸地，破坏了原有植被，导致水土流失、生态破坏。同时，不仅对边坡稳定性造成不同程度的影响，而且还可能会引发次生地质灾害，严重影响交通安全。当今，国家大力提倡生态文明建设，工程建设中应更加注重生态保护、生态修复。

岩质边坡中能够提供植物生长所需的土壤基质、营养物质、水分等有限，故岩质边坡生态修复难度较大，尤其是高陡岩质边坡[1]。岩质边坡生态修复难题受到了国内外学者的关注，目前已从各个方面进行了大量研究[2-9]。王英宇[10]采用客土喷播法开展了公路岩质边坡生态修复试验，通过观测坡体表面土壤裂隙发育情况，研究了地表径流、底层渗漏及土壤储存等水分分配过程，并分析了灌溉及降雨条件下坡面水分分配特征；C.GONZLEZ等[11]利用软件模拟了流域坡度与灌溉均匀性的关系；张琼瑛等[12]通过水量平衡原理提出了估算公路岩质边坡绿化灌溉需水量的方法；李冰美等[13]基于正交实验和盆栽实验，研究了绿化基质的理化性质及出苗率特征。国内外学者在岩质边坡坡面绿化技术方面也做了大量研究[14-21]。蒋建良等[22]以生态混凝土、土工格室、铁丝网和锚钉联合组成的结构系统为新拌生态混凝土提供托举，并对基材进行有效固定，研究出一套岩质边坡绿化技术，并经工程应用验证了基材和生态混凝土可为植物创建良好的生长环境；王华俊等[23]通过在植被混凝土中引入高性能生态修复纤维防侵蚀系统，提出了一种新的绿化技术；秦鑫等[24]提出了一种自适应公路高陡岩质边坡快速高效生态恢复的技术。

笔者依托瓮马铁路瓮安站边坡绿化工程，调查了沿线及站场地区植物、土壤基质成分；开展了10种配比植物分别在4种配比基材中的室内栽培试验，研究了不同配比下植物生长高度、种子发芽率和不同基材的保水性、和土体抗剪强度；最后基于层次分析法(AHP)和多因素准则得到了最优基材配比和最优植物配比。

1 植物生长试验研究

1.1 试验材料

根据瓮马铁路瓮安站周围自然环境、气候特征及植物种类调研结果，选取了试验所需植物种类，植物配比方案如表1。试验中的基材主要由菌渣、钾盐型高分子保水剂(简称：保水剂)、蛭石、高浓度硫酸钾型复合肥(简称：复合肥)、土壤、水组成。各种成分按不同配比进行配置形成具有不同肥力和保水能力的基材，4种基材配比方案如表2。

表1 植物配比方案Table 1 Plant proportioning scheme

表2 基材配比方案Table 2 Base material proportioning scheme %

边坡绿化中，植物播种量应结合植物种类、重量、纯净度、发芽率、发芽条件以及植被护坡施工的特点来确定[25]。植物种播种量可按式(1)、式(2)计算：

(1)

(2)

式中：W为植物播种量，g/m2；A为坡面植被恢复后期望形成的数量，株/m2；B为喷射厚度的矫正率；C为立地条件校正率；D为施工期矫正率；E为种子发芽率，%；F为种子千粒重，g；P为种子的纯净度，%；M为试样质量，g；m为混杂物质量，g。

由式(2)可得到本次试验中选用的各植物种子的纯净度分别为：黑麦草70%，三叶草85%，狗尾草92%，美国四季春88%，百喜草90%。一般坡面植被恢复后期望形成的数量为5 000～10 000株/m2，根据瓮马铁路瓮安站边坡治理的格构大小，取A=8 000株/m2，B=1.0，C=1.0，D=1.0。根据式(1)计算出每平方的单种植物播种量如表3。

表3 种子播种量Table 3 Seed sowing amount g

1.2 试验方法

通过试验测量不同植物在不同基材中的生长高度和基材含水率，并对选用的植物生长情况及基材保水性能进行适用性评价。

用冷水浸泡植物种子，以提高种子发芽率。选用长方形塑料盆作为试验盆进行种植试验，其尺寸如图1。塑料盆顶面面积为0.088 m2，算出单个塑料盆中所需单种植物的播种量，如表4。

图1 试验盆尺寸(单位：cm)Fig. 1 Plastic basin size

表4 单个试验盆单种植物播种量Table 4 Sowing amount of seeds in a single plastic basin g

根据表2中的基材配比，将各组成成分按比例称重，充分与土壤拌合，形成基材。然后装入试验盆，基材入盆过程中不浇水，按照10种植物配比分别在4种基材中种植，总计配制40组试验基材。为避免基材初始含水量过高对植物种子发育造成影响，在基材配制完成后，置于室内，每隔5 d用杰科斯JK-100F土壤水分测定仪对40组基材的含水量进行测定。当基材中水分下降到60%～70%时，按照设计方案进行种植，然后将试验盆置于室外，用防尘网遮盖防护，定期浇水，持续观测记录植物的出苗数、高度、株径等生长状况。

1.3 试验结果分析

1.3.1 基材保水性

保水性是反映土壤在长时间不降水条件下抗旱保墒性能优劣的一个重要指标。通过试验测得了各试验组40 d含水率，4种基材的平均含水率与时间的变化曲线如图2。

图2 不同配比营养土的含水率变化曲线Fig. 2 Variation curve of moisture content of nutrient soils withdifferent proportions

由图2可知：可得随着保水剂、蛭石、复合肥增加，基材保水能力也随之增加。基材Ⅳ的含水率在40 d时仍有20.92%，基材Ⅱ、Ⅲ分别有17.27%，18.45%，基材 Ⅰ 仅仅只有9.82%。表明当保水剂含量大于4%，蛭石含量大于5%，复合肥含量大于1.5%时，土壤保水性能开始有明显提升。若石漠化地区遭受较长干旱天气，基材Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可更好的为植物生长提供所需水分，增加植物抗旱效果。

1.3.2 植物生长高度

基材中营养物质含量是保证植物能持续生长的关键，植物生长高度则可反映出植物生长过程中的生长态势。表5为从2019年5月5日植物种子入盆后40 d内的各试验组所对应植物生长高度，表5方案编号中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ代表基材方案，1-10代表植物配比方案，如“Ⅰ-1”表示基材配比方案Ⅰ与植物配比方案1的试验组合。

由表5可知：基材 Ⅱ 对植物的生长高度最有利，其次为基材 Ⅰ、Ⅲ，影响最小的为基材 Ⅳ。基材 Ⅱ 中的植物在前10 d内生长较缓慢，在10 d之后高度会突然增加，增加幅度为12%～43.75%，在此后的30 d内保持匀速生长。这是由于保水剂使得土壤中的水分过多，导致种子发芽时限被延长；由基材Ⅲ、Ⅳ同样的发芽延迟情况来判断，可得出保水剂4%时对于植物前期发芽生长最有利。

单种植物生长高度最高依次为Ⅱ-4(14.6 cm)、Ⅱ-3(13.5 cm)和Ⅱ-2(13.2 cm)；多种植物搭配种植试验中生长高度最高依次为Ⅱ-8(15.6 cm)，Ⅱ-6(12.8 cm)，Ⅱ-7(12.8 cm)，表明这些植物发育态势最好。发育最快的则为Ⅰ-1、Ⅰ-7、Ⅲ-4、Ⅲ-7，在前5 d 时间后就生长到2 cm以上。植物生长的关键是基材具备很好的保水、保肥效果。不同配比将影响基材的三相组成、pH值、养分和水分含量，从而影响植物生长状况。由生长态势最好的几组方案来看，这几组配比基材的结构性合理、保水性能好，养分含量丰富，适宜于植物生长。

表5 植物生长高度时间变化结果Table 5 Time variation results of plant growth height mm

1.3.3 植物种子发芽率

用植物种子发芽率表示基材配比及植物配比适用性。本次试验中，用盆内长出草的面积除以盆表面积表示为植物种子发芽率，如式(3)：

(3)

式中：F为种子发芽率，%；a1为单个植物数量，根；S1为发芽种子表面积，m2；Sc为盆表面积，m2。

植物种子入盆后，每5 d测一次盆内发芽种子面积，得到40 d內各个试验组的种子发芽率如图3。由图3可知：基材 Ⅱ 中种子发芽率达到了100%；基材 Ⅰ 中种子发芽率为86.5%；基材 Ⅲ、Ⅳ 发芽率分别为62.4%和41.5%，种子发芽率较低。基材 Ⅱ 的种子发芽时间较晚，但种子发芽率较高。

达到100%种子发芽率用时最短的为Ⅱ-8〔图3(h)〕，在15 d左右就已全部发芽；Ⅱ-3～Ⅱ-7在20 d左右发芽完毕〔图3(c)～图3(g)〕；Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-8、Ⅱ-9在25 d左右发芽完毕〔图3(a)、图3(b)、图3(h)、图3(i)〕。

基材Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中的种子发芽时间不均匀，相对而言发芽速度较慢。其中：基材Ⅳ种子发芽速度最慢，最高的为Ⅳ-9〔图3(i)〕，其发芽率也才83.5%，其余发芽率都在21%～60%。图3(i)中基材 Ⅰ、Ⅲ 都是在25 d时发芽率达到100%，说明发芽率也与植物搭配有关。基材 Ⅲ 发芽率达到100%的有Ⅲ-2、Ⅲ-5、Ⅲ-9、图3(b)、图3(e)、图3(i)〕；基材 Ⅰ 中Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-9、Ⅰ-10发芽率都达到100%〔图3(a)、图3(b)、图3(e)、图3(f)、图3(i)、图3(j)〕，其数量仅次于基材 Ⅱ，同样也非常适合植物生长。

单个植物种植发芽率达到100%平均用时22 d，混合种植植物发芽率达到100%平均用时21 d，略低于单个植物，但混合植物发芽时间要长于单个植物，这是由于混合植物之间相互竞争的结果。

图3 各植物配比方案种子发芽率Fig. 3 Plant germination rate of various plant matching schemes

综上可得：

1)基材 Ⅰ 配比方案最适宜植物发芽，基材 Ⅱ的配比最适宜植物生长，基材 Ⅱ、Ⅲ 因保水性和肥力过高，使得植物生长营养过剩、溢水过多，从而延缓了植物的生长发育。

2)单种植物生长高度最高依次为Ⅱ-4中美国四季春14.6 cm，Ⅱ-3中三叶草13.5 cm和Ⅱ-2中狗尾草13.2 cm；混种植物生长高度最高依次为Ⅱ-8中百喜草、狗尾草、美国四季春、黑麦草15.6 cm、Ⅱ-6中百喜草、狗尾草、三叶草、美国四季春12.8 cm，Ⅱ-7中百喜草、狗尾草、三叶草、黑麦草12.8 cm。

3)就发芽率而言，最高的是Ⅱ-8，其在15 d左右就已经全部发芽。基材 Ⅱ 中的植物发芽率达到了100%；基材 Ⅰ 中的植物发芽率达86.5%；基材 Ⅲ、Ⅳ 的发芽率分别为62.4%和41.5%，发芽率较低。因此可知：基材 Ⅱ 和植物配比方案8的组合最适宜植物生长。

2 植物土体抗剪强度参数研究

抗剪强度是土体的重要力学性能指标之一，其值大小也决定着边坡的稳定性。植物的根须对土体起到加固作用，使得土体颗粒间结构联结特征发生改变，故植物生长作用也会对土体抗剪强度产生影响。基于此，有必要研究植物生长后土体抗剪强度及内摩擦角和黏聚力的变化规律。

根据JTGE 40—2007《公路土工试验规程》对试验前后的土壤开展直剪试验。取种植前的土壤，植物生长40 d后的基材和除去植物根系的土壤进行对比，按照GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》取原状土根据规范进行制样，去除植物根须应先测定土壤含水率，然后将土烘干后过2 mm筛，按照式(4)计算制备土样时所需加水量。

(4)

式中：mw为土样所需加水量，g；m为土样烘干时土样质量，g；wh为土样烘干含水率，%；w为土样所需含水率，%。

由试验得到各个试验组带根须土体的黏聚力c、内摩擦角φ如表6。可知：带有植物根须土样的黏聚力c为14.7～49.5 kPa，内摩擦角φ为15°～44°，不同植物、不同基材搭配对于土壤c和φ影响较大。c值最大为Ⅱ-8，c=49.5 kPa，φ值最大为Ⅱ-7，φ=44°。混搭植物中土壤抗剪强度参数c=32.6 kPa，φ=31.1°；单种植物下土壤抗剪强度参数c=29.9 kPa，φ=29.5°。由此可得混搭植物土体抗剪强度参数大于单种植物，这是由于混搭植物根须因长短不同，相互结合得更为紧密，增加了土体的抗剪强度。

表6 植物土体抗剪强度参数Table 6 Shear strength parameters of plant soil

基材Ⅰ的抗剪强度参数c、φ平均值分别为32.16 kPa、 35°；基材 Ⅱ 的c、φ平均值分别为44.07 kPa、 38°；基材 Ⅲ 的c、φ平均值分别为28.52 kPa、 25.3°；基材 Ⅳ 的c、φ平均值分别为20.36 kPa、 23°。该规律与植物生长情况所反映的规律相似，由于植物没有全部生长出来，导致土的抗剪强度较低。

3 植物配比最优方案选取

为评价植物配比的方案，笔者选取植物高度h、种子发芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和内摩擦角φ共5个因素作为评价指标。利用AHP求得权重，利用多因素准则[26-27]对植物配比方案进行分析，最终选取植物配比的最优方案。

对指标采取[0, 100]分制进行打分，并按其对植物生长影响程度不同进行赋值。如式(5)：

(5)

式中：R为植物配比方案综合得分；λi为第i个指标的权重；Pi为第i个指标的分值。

当权重改变时，得到改变后的植物配比方案综合得分R′，如式(6)：

(6)

式中：Pe为其他指标的得分值。

随着单个指标变化，植物配比方案评价结果也发生改变。绝对变化率用Ck来表示，如式(7)：

(7)

式中：R0为初始计算的植物搭配方案的得分。

计算植物高度h、种子发芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和内摩擦角φ，其评价指标权重集W={0.158, 0.336,0.092, 0.189, 0.225}，经一致性检验合格。由于植物配比方案指标没有相应的评价标准，因此参照相关研究成果[26-28]，结合瓮马铁马瓮安站实际情况，得到植物护坡性能评价标准分级如表7。

表7 植物护坡性能评价标准分级Table 7 Classification of evaluation criteria for plant slope protectionperformance

指标分级标准中的①～④，按[0, 100]的分制标准依次从高到低赋予100、75、50、25。根据试验得到的植物高度h、种子发芽率F、土壤保水性G、黏聚力c和内摩擦角φ，计算出各个试验组的得分值如表8。由表8可得：单种植物最优搭配组合为 Ⅱ-4(美国四季春，保水剂4%，蛭石5%，肥料1.5%)，混搭植物最优搭配组合为Ⅱ-7(百喜草、狗尾草、三叶草、黑麦草，保水剂4%，蛭石5%，肥料1.5%)。

表8 植物搭配分值Table 8 Plant matching score table

4 工程治理

瓮马铁路瓮安站位于贵州省瓮安县，站场附近有瓮安县道及在建的C5公路，交通便利。站场建设开挖形成了一个约40 m高边坡，坡面面积约7 000 m2，采用格构进行边坡防护。

笔者采用最优植物配比方案进行草种搭配。单种植物与基材最优搭配为：

美国四季春，保水剂4%：蛭石5%、肥料1.5%。

混搭植物与基材最优搭配为：

百喜草、狗尾草、三叶草、黑麦草，保水剂4%、蛭石5%、肥料1.5%和百喜草、狗尾草、美国四季春、黑麦草，保水剂4%、蛭石5%、肥料1.5%。

将配置好的基材拌和植物种子用施工车一次性成型，连续喷播到坡面上，喷播厚度不低于10 cm，从而保证喷薄层覆盖格构室。考虑到季节对施工及植物生长环境影响并保证植物种子成活率，在喷播后采用三维防晒网将边坡覆盖，防止植物生长早期被雨水冲刷，同时避免太阳暴晒，保证草种幼芽正常生长。岩质边坡中，边坡保水能力弱，初期定时对进行边坡浇水。草种播下一周左右，有少数草种破土，长出叶子，与研究过程植物发芽期完全一致。草种喷播2个月后已完全长齐，达到了预期绿化效果。

5 结 论

笔者选取瓮马铁路瓮安站沿线地区植物、基材配比，通过种植试验，对配比基材保水性、土体抗剪强度参数和配比植物生长高度、种子发芽率进行了研究，得出结论如下：

1)随着保水剂、蛭石、肥料增加，土壤保水能力也随之增加。基材 Ⅱ 对植物的生长高度最有利，其次为基材 Ⅰ、基材 Ⅲ，影响最小的为基材 Ⅳ。单种植物生长高度最高为美国四季春，混搭植物生长高度最高为百喜草、狗尾草、美国四季春、黑麦草组合。植物配比与基材配比组合最优方案为：单种植物美国四季春与保水剂4%、蛭石5%、肥料1.5%；混搭植物为：百喜草、狗尾草、三叶草、黑麦草与保水剂4%、蛭石5%、肥料1.5%的组合。

2)基材 Ⅱ 中的植物发芽率都达到了100%，基材 Ⅰ 中植物发芽率达86.5%，仅次于基材 Ⅱ。基材 Ⅲ、Ⅳ 的发芽率分别为62.4%和41.5%。单个植物种植发芽率达到100%平均时间为22 d，混搭植物发芽率达到100%平均时间为21 d，略低于单个植物，但混搭植物发芽时间要长于单个植物，这是因为混搭植物之间相互竞争的结果。

3)不同植物与不同基材搭配对于土体的c和φ值影响较大。不同基材抗剪强度参数均值大小一次为：基材 Ⅱ >基材 Ⅰ >基材 Ⅲ >基材 Ⅳ。