系统工程原理在边坡生态防护工程中的应用

谭小英

（贵阳市城市轨道交通集团有限公司,贵州 贵阳 550081）

0 引言

在公路、铁路、水利、电力、采矿等工程中，因大规模开挖造成了原始植被的破坏，大片土地裸露，水土流失、滑坡、泥石流、局部小气候恶化、噪声污染、生物链损失等问题日益严峻。传统的护坡方案侧重于工程效应，而生态护坡是在保证边坡稳定性的基础上，从生态与生物两方面进行防护，从而达到保护生态环境、保证生物多样性、实现人与自然和谐相处的目的。

1 系统工程原理分析

系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、实验和使用的科学方法，系统的功用和性能由各元素决定，而且与各元素之间的相互作用密切相关。边坡生态治理工程是一项典型的系统工程，由诸多模块构成。传统的边坡工程系统更多是从工程的各个方面考虑问题，而生态护岸工程则是从系统工程的各个角度出发建立起来的一套由多种要素组成的系统，既要关注每个要素，也要关注整个系统的运行情况。如何运用科学手段达到生态护岸的生态效益与工程效益，并提高其经济效益，是使用系统工程时需要解决的重要问题。

2 系统工程原理在边坡生态防护工程中的应用现状

系统工程经过不断发展，在保护边坡、改善工程环境、美化环境的前提下，将多种新技术与传统的斜坡工程技术相结合，构建了一套全新的植物保护系统。针对不同土层情况，根据不同的施工方法和技术措施，可以将护坡植物保护技术划分为以下几种：人工植草护坡、平铺草皮护坡、液压喷播植草护坡、土工网植草护坡、OH液植草护坡、行栽香根草护坡、蜂巢式网格植草护坡、客土植生植物护坡、喷混植生植物护坡。各种边坡植物保护技术的主要作用及应用条件各不相同[1]。

2.1 人工植草护坡

人工植草护坡是一种在边坡上进行人工植物播种的传统植被保护方法，主要应用于坡面较低、坡度较缓、适合草种生长的土石路堑边坡上，具有施工简单、造价低廉的优点。然而，由于种植不均、雨水冲刷、幼苗成活率差，导致边坡冲沟、表土流失，带来边坡病害整治、修复工程多等问题，因此这一技术实际应用不多。

2.2 平铺草皮护坡

平铺草皮护坡是用人工方式在坡面上铺设天然草皮的一种传统植物保护措施，其优点是结构简单、成本较低，在边坡保护工程中常用于边坡植物保护。但由于后期维护管理难度较大，草皮容易被冲刷，而且植物成活率较低，工程质量不能得到很好保障，经常导致坡面冲沟、表土流失、坍滑等病害的产生，增加了坡面病害的治理与修复工作难度，加之草原资源的日益匮乏，因此，平铺草皮护坡作用日益受限，应用不多。

2.3 土工网植草护坡

土工网植草护坡技术是近年来国外发展起来的一种综合性绿化技术，是一种将坡面加固与植被养护相结合的新技术。土工网作为一种新型的边坡防护材料，属于一种独特的三维立体网，不仅能增强边坡的稳定性，而且可以防冲刷，随着植物的生长和成熟，坡面会被植物所覆盖。目前，土工网植草护坡技术在我国公路、堤岸边坡保护中被广泛采用，而在铁道系统中则应用比较少[2]。

2.4 OH液植草护坡

这是近十年来国外新研制的一种化学防治方法，该方法是利用专业的机械设备，将新型化学产品HYCELOH溶液与草籽混合均匀，在斜坡上快速固化，形成一层弹性的固体薄膜，在植草初期起到防护作用。OH液植草护坡虽然在防护和绿化方面取得了很好的效果，但是由于OH液植草护坡技术尚未完全国产化，导致其工程成本高达40元/m2，因此至今尚不能被广泛应用。

2.5 蜂巢式网格植草护坡

蜂巢式网格植草护坡是一种类似于干砌块石护坡的方法，采用六边形混凝土框架砖块，在边坡上铺设蜂窝状网孔，再在网孔内填满植土，然后在网孔内种上野草。该方法所使用的框架砖块可以在地下进行大规模的制造，其受力结构合理，拼铺在斜坡上可以起到分散降雨、减慢水流、预防坡面冲刷、保护草坪生长等作用。具有施工简便，外形整齐、美观的特点，起到防护边坡和绿化的双重作用，而且成本不高，只比浆砌片石框架护坡稍高，是一种常用的填方边坡防护技术。

2.6 客土植生植物护坡

客土植生植物护坡是在坡地上通过机械（或人工）喷灌进行覆盖，以形成适宜植被生长的土壤或基质（客土）和种子。其特征是根据地质、气候等因素，选用适宜的土壤和种子，使之适应范围广泛，但一般不能用在绿化或低矮的斜坡上。由于客土采用机械搅拌，便于悬挂，所以施工简单、快速，无论是效率还是造价都要优于浆砌片石和挂网喷混凝土，并且具有很好的保护作用，无需维护就能保持植物的正常生长[3]。目前，该技术已广泛用于高速公路边坡保护，日本等国家已将其作为一种常用的边坡绿化技术。

3 系统工程原理在边坡生态防护工程中的应用策略

采用系统工程的基本原则与方法，有效组织各学科间的科研活动，保证各环节的紧密联系，使该体系更具关联性、系统性，从而有效获得生态效益与工程效益。

3.1 工程概况

岩质边坡生态恢复工程坐落在一座水电站附近，该地拥有立体气候，横跨南北亚热带和中亚热带地区，以中亚热带的湿润季风气候为主，具有明显的季风性、季节性、高热、水热并存的特点。一年中，日照不足，年平均温度为16.2 ℃，最高温度32 ℃，最低温度约5 ℃，极少有霜冻，年积温5 400 ℃。年降水量为1 205.1～1 656.8 mm，降水丰沛。新开挖的岩体为石灰岩、沉积砂岩，坡度陡峭，且不稳定[4]。

3.2 工程准备及设计阶段

工程前期的主要工作是为建设工程提供各种必需的条件，进行合理规划。根据系统工程原则，必须对已修复的边坡进行全面调查，才能进行有针对性的、系统的生态设计。因此，应根据这个原则，将工程前期要处理的问题进行分解、优化，不仅要广泛搜集与工程有关的地质、水文数据，而且还要对项目所在区域的土壤、植物进行全面调查，以便为设计工作做好充足准备。在设计阶段，要从系统工程的角度来选择植物，并确定生态基质的配比。在选育过程中，为保证所选植物能更快适应生长环境，在前期研究中，需要尽可能地选择本地植物，并考虑冬季和夏季温度的影响，以保证坡面上的植被可以持续生长。在确定生态基质配合比时，要把基质看成是一个体系，保证在项目完成后达到设计、建造和完工后的要求。

3.2.1 工程调查

根据业主提供的有关资料，进行实地观察、测量，对项目所在地的水文地质条件、区域土壤、植被分布情况进行调查。

3.2.2 确定草种配比

从系统工程的角度出发，综合考虑生态工程与生态修复的关系，并根据实际情况，确定混播的品种和比例。通过对温度、湿度、风、光、土壤等因素的分析，筛选出适合本地区生长的植物，并将引入草种作为先导品种[5]。

3.3 确定基材配合比

根据现有同类项目数据，结合当地的实际条件，经过大量模拟实验，对照明发电站的基本物料配比进行研究。水泥基是由固体、三种不同成分的液体和气体构成的多孔土壤。固态物质包含：土壤矿物微粒、胶合物质、水泥、有机物质，这些孔洞之间存在着各种形状和尺寸的缝隙，缝隙里都是水和空气。土壤是基本结构的主体，水泥是各种构件的黏合材料，锯末、酒糟等有机物可以为植物提供营养，而植物混凝土添加剂则是调整土壤酸碱度、提高土壤基质物理性能的主要物质。若只加入一两种材料，不但无法起到应有的作用，而且还会起反作用。比如，单纯加入水泥和有机物质，可以增强底材的强度，但也会造成土壤酸性过高，对作物生长不利。若仅加入其他物质，则会造成土壤侵蚀，对作物的长期养分供给有一定负面影响。只添加一些助剂和水泥，虽然能确保土壤的 pH值趋于中性，对作物的生长有利，却无法提供足够的营养。

各种基材之间的关系是密不可分的，只有比例恰当才能为坡面植物生长创造有利条件。对10种不同配比的水泥、有机质、绿化基质等进行对比研究，发现水泥是碱性的，外加剂是酸性的，水泥与助剂的掺入比为1.5∶1左右时，基质土壤趋于中性，有利于植物生长[6]。沙壤土与有机质比例为20∶1时，可为作物提供所需要的水分和营养。

3.4 工程施工阶段及养护阶段

边坡生态保护工程的施工与养护是工程建设的重要环节。养护工作是一项长期的工作，直接关系到工程的最终效益。系统工程的基本原则是：通过对技术、组织、管理等的综合分析，确定出最优的施工方案和维护方案，既要考虑工艺的先进性，又要考虑工程的经济性。在边坡生态保护工程施工与养护阶段，应该利用系统工程理念，结合前期试验成果及多年的工程实践经验，采用科学的施工方法制定一套合理的生态护岸工程施工方案，并在工程完成后进行有效维护。

在此基础上，提出坡面清理、土方治理、挂网锚固、喷洒植物混凝土、后期维护等具体措施。在工程完工后，对边坡的生态防护工程进行加固和日常养护，在加固期间，要确保坡面植被有足够的水供给，不能出现干旱情况。在日常养护中，要密切关注病虫的发生情况。此外，在对现有成果进行保护的同时，还要密切关注坡地植被的恢复情况，以避免因管理不当造成整个坡地植被倒伏[7]。

3.5 工程效果

在项目执行的各个阶段，研究结果是相互联系的，在工程准备、施工、养护阶段应用系统工程的原则，科学合理地安排各个阶段的工作和进度。利用植物混凝土生态防护技术，将坡面基本覆盖，景观效果良好，植被混凝土基体强度高，抗雨水侵蚀能力强，有效降低土壤侵蚀，从而达到治理边坡的目的。

3.6 边坡生态防护工程系统的特性

3.6.1 整体性

边坡生态保护工程体系是将多种工程措施与生物措施有机结合在一起，其中工程措施通常以水泥、石料等硬物质的利用为主，生物措施主要是以植物、微生物等生物的利用为主。边坡生态保护工程体系既要确保边坡的力学稳定，又要兼顾生态环境和景观需要，边坡生态保护工程体系所发挥的作用是单一措施无法达到的，其具备“整体大于局部”的基本特征。

3.6.2 动态性

边坡生态保护工程体系的动态性包括内部动态和外部动态两个方面，外部动态是指其是一个整体结构，内部动态是指其处于不断变化的状态。一个系统若处于固定不变的状态，其熵增加小于零时，就会自然地向无序、无组织的解体方向发展。

3.6.3 相关性

边坡生态保护工程体系的组成因素是相互联系的，这样的结构特征决定了其必然涉及多个学科知识，比如地质学、土壤学、岩土力学等，必须对各种学科间的相互关系进行全面认识，才能逐步完善边坡生态保护工程，将其技术水平推向一个新的高度。

4 结论

边坡生态保护工程是一项涉及地质学、力学、土木工程学、植物学、园林学、生态学、肥料学等诸多学科的工程，这些学科对边坡生态保护工程的各个方面都有不同的影响。在对这样一个跨学科的工程进行研究时，只有把系统工程的基本理论与思想方法结合起来，才能达到预期的研究效果。将生态护岸工程作为一个整体来看待，不仅可以优化设计和建设工作，而且可以更好地解决当前的问题，提高经济效益和社会效益。由于坡面生态修复工程具有特殊性，在工程完成和维护一年后，往往会进行一次招标，在移交过程中，通常会产生一段空闲期，对现有坡面植被造成一定影响。因此，需要将建设和维护工作相结合，进行施工方和养护方联合竞标，从根本上消除维修缺口。在治理边坡时，往往采用锚杆、锚索等施工方法。而在边坡的生态保护工程中，一般是采用悬臂式和框式工程方法。例如，在封锚索的时候，要把框架梁的施工也考虑进去，预留合适的钢筋，以保证框架梁与锚索的结合。把工程防护与生态保护相结合，可以有效改善边坡稳定性，节约投资，既能获得生态效益，又能提高经济效益。