植被混凝土技术在高陡边坡生态修复中的应用——以焦作某矿山地质环境恢复治理工程为例

程强

中化地质河南局集团有限公司，河南 郑州 450011

矿山开采活动产生的高陡边坡易引发崩塌、滑坡等地质灾害，同时坡面因为缺少植被生长的基质条件而影响其生长。矿山地质环境恢复治理工作中的高陡边坡治理，既需要保证边坡的稳定性，也要考虑边坡的植被恢复问题。

在高陡边坡生态修复中，常用生态防护方法有：植被混凝土生态防护技术[1]、厚层基材喷射护坡技术[2]、客土喷播技术[3]、框格梁回填土技术[4]、三维植被固土网垫护坡技术[5]、打孔点穴绿化技术[4]等。其中，植被混凝土生态修复技术作为一种水泥基类生态修复技术，自问世以来已成功应用于全国抽水蓄能、矿山修复、公路交通等工程，具有长期稳定性、抗侵蚀冲刷性、养分固持、肥力可持续性等特点。该技术以水泥基生境基材为骨架和胶结材料，主要由土壤、水泥、生态改良剂、有机物料、有机肥以及植物种子等混合而成，是一种新型的半刚性生态护坡结构[7]。该技术在矿山边坡生态修复中的应用修复效果较好[8]，在保证坡面稳定性的前提下，又能够满足植被生长的需求，从而达到生态修复的目的[9]。

1 研究区概况

研究区位于焦作市山阳区北部的太行山南麓，属温带大陆性气候，年平均气温14.3℃，年平均降水量576.5mm，地貌为构造溶蚀低山，岩性主要为灰岩，地下水主要为第四系松散孔隙充水含水层组。区内主要的矿山地质环境问题有：露天开采造成的山体破损、植被损毁、地貌景观与土地资源破坏。露天开采产生的高陡边坡存在崩塌、滑坡等地质灾害隐患，植被损毁问题较为突出。

研究区边坡坡度主要为60°～65°，局部可达80°，高度为5～20m，坡面岩体岩性为灰岩，坡面岩石节理裂隙不发育，岩体相对完整，坡体整体稳定。

2 边坡生态防护方案比选

常见的边坡生态修复技术（如普通客土喷播）能对坡度较缓的土质边坡、软岩边坡和强风化岩石边坡进行生态防护，可以达到一定的效果，却均无法彻底解决工程建设中形成的高陡岩石边坡或锚喷混凝土边坡的生态修复问题。一般的方法短期绿化效果尚可，但一到两年后，因其基材肥力枯竭而出现坡面植被退化甚至荒秃，并且由于基材粘结材料使用化学粘剂，降解后基材层强度低、抗冲刷能力差，发生剥落、滑塌，经暴雨水流冲刷，坡面修复层会发生结构破坏。

目前国内常用的边坡喷播类生态修复技术主要有客土喷播、有机质喷播、团粒喷播和植被混凝土生态防护等几种，现从技术原理、性能特点和应用范围三方面，将国内的其他喷播技术与植被混凝土生态防护技术进行对比（表1）。

研究区边坡坡度主要为60°～65°，局部可达80°，高度为5～20m。边坡土壤基质较差，且冬季边坡土壤存在明显冻融现象，单纯用种植土配制的生境基材难以满足严寒环境对生境基材耐久性的要求。此外，经过实验测定发现，用取样种植土配制的生境基材速效养分含量、微生物碳氮水平、酶活性均偏低。若用种植土作为研究区边坡植被恢复的基质，需对植被混凝土配方加以改进，并要求合理配置适宜寒冷地区生长的人工建植物种。针对生境基材在高陡坡面附着困难、易垮塌的问题，采用力学性能较好的植被混凝土作为生态防护基材，可使基材与坡面粘结为有机整体，降低基材滑移风险；针对基材中速效养分转化能力弱、微生物水平偏低的问题，向基材中加入活化微生物菌剂，实验监测基材肥力、微生物群落结构与植被生长情况，提出适宜的活化微生物菌剂掺入比；针对建植物种的选取，通过开展植被群落调查与优势物种生理生态特征分析，确定拟采用的乡土物种，结合生态防护常用先锋物种，设置化感实验优化乡土物种与先锋物种配置。

基于以上研究分析，并结合边坡的实际条件，确定了植被混凝土生态修复的技术方案。

3 植被混凝土生态修复方案

3.1 方案设计

方案设计依据《水电工程陡边坡植被混凝土生态修复技术规范》[10]（NB/T 35082-2016）。

（1）按照《规范》要求，在坡面布设锚钉和铺设铁丝网，使植被混凝土固定在坡面上。锚钉宜选择热轧带肋钢筋，锚钉直径不应小于18mm，倾角宜为 5°～20°。本方案边坡锚钉采用HRB400φ18 钢筋，锚钉长度600mm，锚钉入岩500mm，倾角15°，锚钉采用梅花形布置，间距1m×1m，施工时根据坡面地质情况适当调整。局部塌陷区先以植生袋填充，以锚钉固定，锚钉入岩深度3m。局部台阶状坡面在平台处栽种灌木类植物。

（2）按照《规范》要求，铁丝网料丝直径不应小于2.0mm；网孔直径宜为50～75mm。本方案铁丝网采用14#镀锌铁铁丝网，网目5cm×5cm，铁丝网的搭接长度不小于10cm，铁丝网与锚钉、铁丝网与铁丝网之间用铁丝绑扎。铁丝网与坡面之间分段横向填充植生袋，以保证铁丝网与坡面的间距。

（3）喷植厚度依据《规范》中基层、面层喷植厚度要求，本方案坡面喷12cm 厚植被混凝土，其中基层厚10cm，面层（含有混合植物种子，物种的选择以当地的植被群落为主，尽量多样化，主要由草、花、灌木和乔木组成）厚2cm。植被混凝土生态基材配合比详见表2，混合植物种子配合比详见表3。

表2 边坡植被混凝土生态基材配合比Table 2 Prescription of ecological basis material for the slope vegetation concrete

表3 边坡混合植物种子配比（单位：g/m2）Table 3 Mixed plant seed prescription for the slopes （unit:g/m2）

3.2 施工工艺流程

植被混凝土生态修复方案施工工艺流程如图1 所示，在施工过程中严格按照工艺要求进行。

图1 植被混凝土生态修复方案施工工艺流程图Fig.1 Construction process flow diagram of vegetated concrete ecological restoration scheme

（1）清理坡面

施工时先按设计要求削坡并自上而下清除坡面的松散体，清除后的坡面不得出现大的冲沟或负坡，局部负坡可采用生态袋填平，清除坡面孤石，对不能清除的应采取有效的工程措施保证孤石的长期稳定性，清理的坡面应平顺，便于挂铁丝网。对于浮（生）土较厚的区域，待清理修整坡面后，撒有机肥，并用钉耙拉拌均匀，使植被混凝土基层下形成底肥层，增加植被所需养分。

（2）锚钉钻孔

钻孔直径50mm；钻进达到设计深度后，不得立即停钻，必须在停止进尺的情况下，稳钻1～2min；钻孔不宜用水钻进，应匀速钻进，严格控制钻孔速度，以防钻孔弯曲变形，造成下锚困难。

（3）锚钉孔灌浆

灌浆前高风压清孔；锚杆使用前应进行校直、除锈、除油处理；注浆用水泥为普通硅酸盐水泥；骨料采用中细砂，粒径不大于2.5mm，砂中含泥量按照重量计不大于3%，使用前过筛；水中不含有影响水泥正常凝结和硬化的有害物质；砂浆拌合均匀，一次拌合的砂浆在初凝前用完；浆体材料强度等级不低于M30；砂浆压力参考值0.2～0.4MPa，同时应确保浆体密度；采用“先注浆后插杆”的程序安装砂浆锚杆，先将注浆管插到孔底，然后退出50～100mm，开始注浆，注浆管随砂浆的注入缓慢匀速拔出，孔内注满浆液后开始插入锚杆，锚杆安装后孔内应填满砂浆。

（4）布设草绳（或植生袋）、挂铁丝网

在清理、修整后的坡面上铺设铁丝网，铁丝网与坡面的间距不小于9cm，并应随坡面平顺弯曲，必要时需用垫块支撑，铁丝网与铁丝网的搭接长度不小于100mm，并绑扎牢固。在缺水地区，为保证灌木树种的成活率，可在挂铁丝网前，横向布设直径大于5cm 草绳（或植生袋），灌木树种播种于草绳（或植生袋）中，使灌木种子在保水足肥的环境中生长，此种情况无需采用垫块支撑就可保证铁丝网与坡面间距。

（5）植被混凝土生态基材制备

制备混凝土生态基材由砂壤土、水泥、有机物料、生态改良剂和有机肥混合组成。种植土选择研究区所在地附近原有地表（地表以下1m 以内）砂壤土，经风干粉碎过筛，土壤中砂粒含量不超过5%，最大粒径应小于8mm，含水量不超过20%。水泥选用P.O42.5 普通硅酸盐水泥。有机物料采用酒糟或锯末，在基材配置前进行自然发酵处理。

（6）基材喷植

在喷植基材前，在镀锌铁丝网下部设置10*10*10cm³的岩棉垫块，水平间距和竖向间距均为1.2m，岩棉垫块表面开20mm 孔，并种植灌木草种；将制备好的基材用过空压机送风、喷浆机喷射到铺挂稳定的山体坡面上；喷枪口距岩面1m左右，分基层和面层2 次喷射，喷射时间间隔不超过2 小时，其中变坡基层厚10cm，面层（含植物种子）厚2cm。

（7）喷淋系统安装

确定好进场水源，沿平台和坡顶铺设φ30PPR主管，沿基层坡面竖向铺设φ20PPR 支管和旋转塑料喷头（旋转塑料喷头间距3m*3m）组成喷灌网系统，所有管道均高出坡面岩体至少13cm，喷头牢靠固定在坡面上。

（8）无纺布覆盖

在植被混凝土表层覆盖14g/m2的无纺布，营造混合植物种快速发芽的环境，种植灌木部位无需覆盖无纺布，应同坡面接触紧密，防止风吹。

（9）养护管理

养护管理主要包括喷灌洒水、病虫害防治和局部修复等措施。水分补充以喷灌方式进行，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。苗期养护为施工结束的0～60d，生长期养护一般为坡面喷射施工结束后的第61～365d。

4 修复效果分析评价

植被群落恢复程度是人工修复边坡质量最直观的一个评价指标。采用样方调查并计算每个样方内不同物种的重要值（Important value，IV）与群落物种多样性指数、丰富度指数、均匀度指数。

4.1 植被群落物种组成

调查发现边坡样地包含植物种隶属于12 科19属（表4）。其中，禾本科植物和菊科植物物种数最多，表明禾本科植物和菊科植物比较适应该地样地环境，在样地植被恢复演替过程中起着比较重要的作用，调查中发现有部分本土物种入侵。

表4 人工修复边坡植被群落物种组成与重要值Table 4 Species composition and importance values of vegetation communities on the artificially restored slopes

按照乔木、灌木、多年生草本和一年生或越年生草本生长型分类，统计样地植被群落生长型组成，发现该样地植物生长型呈现多样化（图2）。表明该喷播基材可满足乔木、灌木、草本植物等生长需要。

图2 人工修复边坡植被群落物种生长型组成Fig.2 Species growth type composition of vegetation communities on the artificially restored slopes

4.2 植被群落物种重要值

植被群落的物种组成调查统计结果如上表4所示，本次植被调查的修复样地共计包含植被种数19 种，群落均匀分布，聚集强度较低，优势种为狗尾草、狗牙根和紫花苜蓿，重要值分别为33.65%、26.91%和19.35%。

4.3 植被群落物种多样性指数

植被群落α 多样性指数包括物种多样性指数、物种丰富度指数和物种均匀度指数，分别从物种数量、物种个体差异和物种分布均匀程度三个方面阐述植被群落的多样性水平。选用群落物种多样性指数（Shannon-Wiener 多样性指数SW、Simpson 多样性指数SP、McIntosh 多样性指数MI）、丰富度指数（Margalef 丰富度指数MA、Menhinick 丰富度指数ME、Monk 丰富度指数MO）、均匀度指数（Pielou 均匀度指数JSW、Alatato均匀度指数JA、Simpson 均匀度指数JS）来进行物种多样性分析评价（图3，图4，图5）。

图3 人工修复边坡植被群落物种多样性指数Fig.3 Species diversity index of vegetation communities on the artificially restored slopes

图4 人工修复边坡植被群落物种丰富度指数Fig.4 Species richness index of vegetation communities on the artificially restored slopes

图5 人工修复边坡植被群落物种均匀度指数Fig.5 Species evenness index of vegetation communities on the artificially restored slopes

半年后经过对人工修复边坡调查发现，植被群落Shannon-Wiener 多样性指数、McIntosh 多样性指数、Simpson 多样性指数分别为1.14、0.36、0.42；Margalef 丰富度指数、Menhinick 丰富度指数、Monk 丰富度指数分别为1.05、0.38、0.01；Simpson 均匀度指数、Pielou 均匀度指数、Alatato均匀度指数分别为0.60、0.52、0.57；一年后人工修复边坡植被群落Shannon-Wiener 多样性指数、McIntosh 多样性指数、Simpson 多样性指数分别为1.37、0.45、0.67；Margalef 丰富度指数、Menhinick 丰富度指数、Monk 丰富度指数分别为1.24、0.41、0.02；Simpson 均匀度指数、Pielou 均匀度指数、Alatato 均匀度指数分别为0.76、0.64、0.70。各项指数随时间推移均稳定增长，修复样地植被生长整体呈正向演替。经1 年演替后狗尾草、狗牙根和紫花苜蓿成为该群落优势物种，且河南大部分地域都具有该物种的存在，是本地常见的优势物种。该样地能在短时间能形成植物群落，起到稳固坡地、保持水土、改善生态环境的作用，植物生长状况与其生境协调适应。

5 结束语

通过对研究区地质环境条件及边坡特征进行分析，对比目前国内常用的边坡喷播类生态修复技术，选定植被凝土技术对研究区边坡进行生态防护。经过后期对边坡喷植植被跟踪调查和分析，发现研究区植被混凝土技术恢复的边坡，植被群落物种组成较丰富。植被群落调查过程中共计出现植物19 种，隶属12 科19 属，优势物种以狗尾草、狗牙根和紫花苜蓿为主。在经过1 年边坡修复演替后，一年生或越年生草本在群落中占明显优势，占比63.16%，其次为多年生草本和灌木，分别占比15.79%和16.32%。该技术对研究区边坡的生态恢复效果较好，切实可行，整体修复基材及植被构建可为以焦作为代表的华中地区坡面植被恢复和管理提供科学依据。