水利水电工程扰动区生态护坡技术比较研究

李昂 秦钏芮

摘要：水利水电工程建设中，易造成边坡生态退化，影响周边景观，造成生物多样性减少。为探究因工程扰动而导致的植被破坏和生长基质缺失问题，以及如何通过生态护坡技术来改善建设后河道或边坡等植被退化区域的环境，阐述了工程扰动植被退化区生态护坡的概念、机理、原则及其发展情况，并从植物生长基质特性的角度比较分析了现有生态护坡技术：人工植草护坡技术、骨架植草护坡技术、喷播植草护坡技术（包括液压喷播植草护坡、厚层基材喷射植被护坡、客土喷播植草护坡和植被混凝土喷播护坡）、植生袋护坡技术、框格梁植生袋护坡技术等。结果表明：现有生态护坡技术兼具边坡维稳和景观美学效益，但仍存在局限性和挑战，需将生态护坡技术与植被生长基质特性需求相结合，以实现生态修复的长期效果。

关键词：工程扰动区；边坡治理；生态护坡；生态修复

中图法分类号：TV861 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.019

文章编号：1006-0081（2024）02-0115-07

0 引 言

在水利水電工程的开发过程中，由于山体开挖，会破坏原有的植被及其生长基质，产生大量的无植被河道或边坡，地形复杂区高陡、岩质边坡则更为常见。传统河道护坡方法如浆砌块石护坡、预制混凝土体护坡等主要注重河道岸坡的稳定性和行洪排涝功能，常忽略了对环境和生态的影响，而且成本较高。

为了确保行洪安全，部分工程项目采用了“裁弯取直”的方法，利用混凝土等硬质材料对河道进行衬砌，以改变原有的河道走向和形状，致使河道平面化、直线化现象严重。此外，这种做法也会导致河道表面被干砌块石、预制混凝土块、现浇混凝土等材料封闭，河道表面生物无法生存。从而阻隔了河道生态系统的物质交换，使生态食物链破坏，自净能力降低，水质恶化，河流水域富营养化。同时，河道表面被视觉效果单调、生硬的混凝土等材料覆盖，缺乏景观性。

传统护坡通过硬质材料覆盖边坡土层，使原有的植被遭到破坏且难以恢复，造成河道生态退化等多种环境问题。相对而言，生态护坡技术通过引入不同类型的植物，促使植物与岩土相互作用，从而实现河道边坡的加固和防护，同时恢复河道的自然环境。生态护坡强调合适的植被选择，维护生物多样性，降低资源消耗，独特优势在于自然稳定性好、生态保护优、环境友好和适应性强。生态护坡技术有利于河道表面土壤固结，减缓雨水侵蚀，降低水流冲刷，改善生态环境。本文旨在从植被生长基质特性需求角度分析既可维护边坡力学稳定又具有景观美学效应的生态护坡技术，归纳生态护坡的概念、机理、原则，并总结各种技术特点及适用范围。

1 生态护坡及其发展

1.1 生态护坡概念

生态护坡技术是将工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的知识综合运用，对裸露边坡进行修复的方法。这种方法融合了工程和植物的要素，构成了一种综合性的护坡技术。根据植物生长基质的特性要求，生态护坡可理解为利用工程手段，直接或间接为植被提供水分、养分及氧气等。据王瀚文的研究，在裸露边坡形成后，植物的根系与岩土相互作用（根系锚固作用），能够对边坡表层进行防护和加固，既能稳定边坡，又能修复生态环境，是一种有效的护坡、固坡手段。

1.2 生态护坡机理

生态护坡的机理是依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用护坡。陈容文等将其归结为根系力学效应和茎叶水文效应。

对于草本类植物而言，根系的作用深度为30～40 cm，陈美容发现根系在该范围内肆意生长，与土壤形成新的稳固结构。细根茎植物的土壤加固效果优于粗根茎植物，但当根茎超过20 mm时，加固效果有所减弱。草本类植物根茎对于土壤的加筋作用形同“网兜”，网兜越密，土壤间黏聚力越强，降低水土流失的风险。对于木本类植物而言，根系“四通八达”，水平根系主要通过增加土壤间黏聚力对土壤起到加筋作用，许晓东研究发现竖直根系因埋深较深类似“桩”，使土壤具备一定的抗滑移能力。

茎叶水文效应则指草本植被贴近地表，可延缓流经地表的水流流速，对于雨水的侵蚀也有一定的削减作用，减弱雨水对坡面的冲刷，对水土流失有很好的预防作用。当雨水从高处落下时，木本植物等又可以缓冲雨水落地的势能和动能，截留雨量，使雨水重新蒸发或溅落坡面，减少对坡面的危害。

1.3 生态护坡原则

生态护坡既要求在一定程度上防止水土流失、塌方，也要求修复该区域周围生态环境，使其与周边景观协调一致。因此，生态护坡应遵循安全性、适宜性、可操作性的原则。

安全性是指应进行实地勘察，根据现场资料及地质情况，对滑坡、落石等现象进行有效加固。适宜性是指应结合当地客观条件，不能盲目仿照相关护坡技术。孙其河研究指出在进行护坡工程时，应从植物品种的生态适应性、抗逆性、持续稳定性和生物多样性等特性出发，有针对性地选择适宜的植被品种。同时，还需要合理调整不同高度植物的配置模式，以确保植被的协调生长，并防止外来物种的入侵。通过选择和调整，能更好地适应当地的气候条件，从而达到与周边景观协调一致的目标。可操作性是指应尽量避免使用大型机械，尤其当边坡高度较高、角度较大时，机械操作成本较大，应尽量利用现场材料，并考虑植被的灌溉供养以及后期的修剪维护。

1.4 生态护坡发展

生态护坡涉及植物物种的选择及护坡技术的选择。通过合适的生态护坡技术将植物物种固定在土质或岩质边坡，为植物的萌芽与生长创造适宜的环境，最后从生物多样性、生态系统服务价值来评估生态修复效果。

20世纪30年代，生态护坡的理念和技术进入中欧地区并引起了广泛关注，在河堤的防护上采用扦插、三维植草护坡等方法。20世纪 50年代，德国在“近自然河道”指导下，首次将植物作为工程材料，利用芦苇和柳树进行护坡，恢复莱茵河两岸储水带。20世纪60年代，各国开始学习生态护坡并发展形成各自的技术理论。20世纪80年代末，瑞士学者提出了“自然型护岸”技术。20世纪90年代初，生态护坡的概念开始在中国出现。1991年生态护坡的理念由河道堤防管理部門首次提出。中国近几十年来对河道生态护坡的研究取得了飞跃式的进展。植物作为生态护坡中的关键因素之一，相关研究已取得不少成果，主要包括：植物根系对土壤的作用机理、对土壤力学特性的影响、对土壤水分的影响，以及不同植物类型对河道护坡强度的影响。植物物种配置由最初的草本单播到多个草本混播，再到乔灌草混播，最后发展到乔、灌、草、藤、花共同配置的立体防护。林青皓等研究指出“草-灌-乔”混播能保持物种的多样性及群落结构的合理性，抗干扰能力、抗侵蚀能力增强。这些成果有助于理解植物在生态护坡中的作用，并为选择合适的植物和护坡技术提供了科学依据。然而，对护坡植物如何保持良好生长态势研究较少，故本文从植物生长基质特性需求角度出发，比较分析现有的生态护坡技术。

2 基于植物生长基质的生态护坡技术比较分析2.1 植物生长基质特性要求

水利水电工程建设不仅易造成植被破坏，同时可能导致植被生长基质流失，增加生态修复难度。植物在生长基质（土壤）中扎根，通过根系从土壤中吸收水分和养分。植物根部吸收的大部分水分在植物中经历一系列运输，最后通过蒸腾作用在叶面蒸发。剩余的吸收水用于满足植物的新陈代谢和光合作用。水分是植物生长的关键，而土壤作为水分的储存库，保持了植物所需的适量水分。其次，土壤含有植物所需的多种有机质和无机盐，如氮、磷、钾等元素，植物通过根系吸收这些养分，用于维持其能量代谢、合成有机物质和构建细胞等生长过程。缺乏这些必需元素会影响植物的正常新陈代谢，从而导致其生长、发育或繁殖的异常，包括叶片发黄，侏儒症和叶变形。为了确保植物可以健康生长，土壤需要具有良好的肥力保持力。此外，植物根系需要吸收氧气并进行呼吸作用，因此生长基质需要具备良好的通气性，同时也有利于微生物的活动，促进有机物的分解和养分的释放。除了提供水分、养分和通气，适宜的pH值有利于植物养分的吸收和生理活动的进行，当土壤呈酸性时，钙镁离子减少，氢离子增加，土壤结构容易破坏；当土壤中矿质元素过多时，植物生长受到抑制。

由此可见，适合植物生长的生长基质应具备以下条件：自由渗入水、充足的储水能力、抗侵蚀能力、良好的渗透性、养分储存以及适宜的pH范围等。但是生态护坡基质在长期的服役过程中，受到各种环境、地质、水文、荷载、人为等因素的影响，可能导致植被退化或水毁病害，固坡效果降低。因此，植物在河道或边坡上的良好生长，需要植物生长基质在工程扰动区（高陡、岩石硬地边坡）长期具备上述特性要求。

2.2 人工植草护坡

生态护坡最初为人工植草护坡，工艺最为简单，此技术中，植物生长初期基质为原边坡土壤。主要分为平铺草皮护坡、人工种草护坡、三维植被网垫护坡。平铺草皮护坡涉及人工铺设植生毯或铺设天然草皮，此方法要求施工精度较高，草块之间不能有缝隙，完成后需进行压实和浇水。人工种草护坡是指在坡面简单地撒播草种。三维植被网垫则以热塑料树脂为原材料制成，经过挤出、拉伸、焊接和收缩等工序，接点处相互熔合，形成相互缠绕的三维结构。在坡面整平后，通过钢筋锚杆将三维植被网垫固定在边坡上，确保其与边坡紧密接触，并进行均匀的播种。这种网垫表面粗糙，有效地防止土壤和种子被雨水冲走。随着种子发芽，根系穿过网孔并相互纠结盘结，形成土壤保护层，从而有效防止水土流失。

2.3 骨架植草护坡

骨架植草护坡是用砌片石或其他材料砌成框架，确保边坡的整体稳定性，然后在框架间隔内铺上种植土，铺设草皮或播撒草种，如图1所示。此技术中植物生长初期基质为后铺种植土。

常采用的方式有浆砌片石骨架、锚杆+混凝土骨架、混凝土预制六棱空心砖拼铺骨架等。陈美容研究指出骨架植草护坡是生态护坡的一种典型代表，将“工程防护”与“植物”相结合，形成了“生态护坡”的理念。在此方法中，骨架作为刚性结构，而植被则具有柔性结构，通过刚柔并济的方式来实现护坡的目标，既满足了边坡稳定性的要求也提供了景观效果，应用较为广泛。

2.4 喷播植草护坡

喷播植草护坡原理为借助机械将草籽、肥料等混合物喷附在边坡上，此技术中植物生长初期基质为混合基材。

根据喷播基材不同又可分为液压喷播植草护坡、厚层基材喷射植被护坡、客土喷播植草护坡和植被混凝土喷播护坡。

（1）液压喷播是指利用液压喷播机将催芽后的种子混合物（种子混合一定的水、纤维、黏合剂以及复合肥等）喷洒到边坡表面，以达到绿化效果。液压喷播的关键在于液压喷播机的选择和混合浆液的配置，应根据边坡高度、坡度、喷播厚度及相关施工工艺选择合适的液压喷播机。申剑等指出混合浆液是由植绿物种、肥料、有机胶、保水剂、草纤维、着色剂等固相材料与液相水按一定比例均匀混合成悬浊液。

（2）厚层基材喷射植被护坡，简称“TBS”。通过混凝土喷射机将经过拌和的厚基材混合料均匀喷播在岩质边坡表面，从而形成一层适合植物生长的基层。刘伟彬研究发现这种基层呈现连续的空隙硬化体结构，具有防止雨水冲刷的特性。此外，结合使用锚杆、锚钉、镀锌铁丝网等常见支护材料，能够共同构建一种兼具生态效果与稳定功能的基材喷层，进而在岩质坡面上形成植物的生长层。

（3）客土喷播技术是一种人工土壤制备方法。将肥料、植物纤维、保水剂和黏结剂按比例混合，并通过专业机器进行均匀搅拌，制成人工土壤，称为客土。该技术将客土、纤维、保水剂、缓释肥按照一定比例混合，形成培养基质，随后与植物种子按照特定的配合比混合，经由专用机械客土喷播机进行搅拌后，将其喷播在铁丝网上，形成厚度为2～8 cm的层次。刘海朋指出，客土喷播技术在坡面上能够形成团粒化结构，具备耐雨水冲刷、抗风力侵蚀以及牢固透气等特点。这种技术创造了一种多孔稳定土壤结构，与自然表土相似甚至更为优越，因此适用于绿化防护较陡岩质边坡以及贫瘠土壤边坡。

（4）植被混凝土喷播所用材料包括种植土、水泥、生物基材有机料、生物基材改良剂、植物种子和水。该技术先在岩石表面或喷混凝土面上铺设铁丝，并用铆钉和锚杆固定。然后准备植被混凝土基材，使用湿喷机将基材喷射到边坡表面，如图2所示。首先形成一层厚度为8～10 cm的基层，不含混合植被种子。随后喷射约2 cm厚的面层，其中含有混合的植被种子。完成喷播后，使用无纺布进行覆盖。陈菲等发现，该技术在一定程度上降低了水化热，同时增加了基材孔隙率，将硬性加固措施与现有生态修复技术有机地结合起来。

2.5 植生袋护坡

植生袋护坡是将草种、种植土、复合肥等装在表面有细小孔隙的人工可降解无纺布袋中。此技术中植物生长初期基质为混合种植土。

植生袋错缝堆叠，上下层之间因咬合挤压形成整体，通过咬合挤压摩阻力自稳，如图3所示；也可通过锚杆框架梁承重固定。李凌云等研究指出植物的选择应符合当地的水土条件，近水处选择挺水植物，远水处选择根系发达的旱生植物。凌峰等指出植生带护坡技术不仅具备防洪、生态保护的功能，还能实现资源的有效利用，取代原有的封閉式防护结构。无纺布袋可防止袋内土壤和种子流失，具有良好的透水性并且可为种子发芽提供良好的环境，植被根系穿透布袋，与土壤形成强大牵引力。

2.6 框格梁植生袋护坡

在大规模开挖和存在安全隐患的边坡地区，通常采用钢筋锚钉和立框格梁模板构建框格梁边坡。这些边坡具有较长的坡面，且缺乏适宜植被生长的条件。为了创造植物生长所需的环境，在框格梁完成后进行回填土的工作。然而，由于回填土不易夯实并且受到框格梁框架的限制，容易出现土壤板结和下沉问题，导致坡面回填土层较薄，难以进行植被恢复。为了解决这一问题，较为优越的方法是采用框格梁植生袋技术进行生态恢复。但是，由于植生袋的重量较大，可能会导致防护结构的支撑破坏或滑落。因此，通常采用锚杆和锚索的组合方式来支撑植生袋，以确保稳定性。

3 分析比较

生态护坡技术对比见表1。人工植草护坡仅需铺设植生毯或撒播草种，施工方便且工程造价低，不需要大型机械，但人工播撒容易导致草籽分布不均，并且在边坡上容易被雨水冲刷，植被存活率低，不具备良好的保持水土能力，且人工费较高，仅适用于坡度较小且高度较低的土质边坡。与之相比，骨架植草护坡虽用砌石片砌成框架，能一定程度降低雨水冲刷的影响，但其工程造价较高，同样仅适用于高度较低、坡度较小的土质或强风化岩石边坡。客土喷播技术机械化程度高，工期较短但施工时噪音较大，而且后期土层易松散，对基材黏结和附着性能有较高的要求，用于45°左右的缓边坡和土质边坡。厚层基材喷播技术喷播初期强度较低，应注意基材的板结现象及适宜的湿度。湿度过高基材容易流失，湿度过低种子不易发芽，若基材出现板结现象，不仅不利于植物生长，抗冲刷能力还会变差，适用于坡度小于60°的边坡。液压喷播技术施工成本较低，并且含有复合肥的种子混合物，可以保证种子有较高的发芽率，但种子混合物中各基材的配合比并非定值，确定配合比较为复杂，而且喷播之后基质较易流失，易形成径流沟和侵蚀，同样不具备较好的水土保持力，也仅适用于土质或风化极为剧烈的岩质缓边坡。植被混凝土喷播技术机械化程度高，硬性加固措施提高了整体的抗冲刷能力，但也会产生施工噪音大、施工成本高的问题，而且植被混凝土技术由于水泥的掺入，提高了抗冲刷能力的同时，也会影响植物的生长，同时若外界温度过低，基材会产生冻融现象，适合对抗冲刷、抗压有一定要求的边坡，不宜用于高陡边坡，当坡度过陡，在增加混凝土含量的同时也需考虑植物种子的投入成本以确保植物的发芽率及幼苗成活率。植生袋生态护坡将植物种子、植生土等装入袋中，易建立简单的生态群落，施工简单且植物种子分布相对均匀，但植被生存条件受限，整体稳定性较差，技术要求高，人工可降解无纺布袋受环境因素影响易老化而且袋中植物生长也较为缓慢，不易养护，植生袋生态护坡也会造成沉降，进而影响边坡稳定，适用于垂直或接近垂直的岩面或硬地，可用于滑坡山崩等地质灾害的应急工程。框格梁生态河道边坡防护，通过现浇钢筋混凝土网格梁使河道边坡形成整体三维立体护坡结构，抗侵蚀能力增强但圬工量大、工程造价高、框格内植生袋易随坡面浅表剥落，适用于高陡边坡。

综上所述，就目前施工成本来看，人工植草护坡＜骨架植草护坡＜喷播护坡和植生袋护坡，就机械化程度来看喷播护坡最高，就适用范围来看，植生袋护坡和植被混凝土喷播技术适用于高陡边坡，人工植草护坡、骨架植草护坡、三维植被网垫护坡仅适用于边坡高度低，坡度较缓的土质边坡。当然，后期养护也是生态护坡的关键点，包括但不仅限于除草、施肥、除虫害、修剪、补苗等。若仅重视前期工作而不再后期加以维护，则极易导致植被存活率较低、绿化效果较差，出现“一年青，两年黄”的短期生态现象，达不到预期效果。

4 结 论

现有的生态护坡技术各具特点和适用范围，一定程度上可以解决边坡生态保护和水土流失问题。但实际应用中存在局限性和挑战。

（1）使用土壤作为植被生长基质的适用范围有限，在高陡、硬地边坡进行生态修复易存在基质流失的问题，进而影响植物生长，降低生态修复效果。可根据植物生长特性要求，改进或研发植物生长基质，使植物在高陡、硬地边坡上得以萌芽且完成生长。

（2）病虫害的侵袭易导致植物大面积死亡，适当的修剪及收集有助于提高植物的储碳能力，植物的后期养护及管理体系有待完善。

（3）生态修复的长期效果有待研究，植物群落与周边环境的协同性、差异性以及生态修复后，工程扰动区生态系统的恢复效果和演替过程有待研究。

因此，进行生态护坡工程时需将生态护坡技术与植被生长基质特性需求相结合，根据具体情况选择合适的技术，并综合考虑工程造价、边坡类型、植物适应性等因素，以达到最佳的护坡效果。在生态修复完成后，需要进行定期监测，了解植被的生长情况、坡体稳定性等指标。根据监测结果，及时进行维护和管理，修剪、补植等，确保工程扰动区生态修复的长期效果。

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（编辑：李 晗）

Comparative study of ecological slope protection technology in vegetation

degradation areas disturbed by water conservancy projectsLI Ang，QIN Chuanrui

（1.Zhensha Hydropower Construction Management Branch，CHN Energy Dadu River hydropower development Co.，Ltd.，Leshan 614700，China； 2.College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

Abstract：In the construction of water conservancy and hydropower projects，it can cause the ecological degradation on the slopes，impacting the surrounding landscape，and reducing site biodiversity. To investigate issues related to vegetation destruction and the loss of growth substrate resulting from construction disturbances in water conservancy and hydropower projects，as well as how to enhance the environment post-construction by using the ecological slope protection technology，particularly in areas of vegetation degradation，such as river channels or slopes.We described the concept，mechanism，principle and development of engineering disturbance of ecological slope protection from the standpoint of vegetation growth matrix characteristics and application. We also conducted an analysis and comparison of existing ecological slope protection technologies，encompassing artificial grass slope protection technology，skeleton grass slope protection technology，spraying grass slope protection technology （including hydraulic spraying grass slope protection，thick-layer base material spraying vegetation protection，guest soil spraying grass slope protection，and vegetation concrete spraying slope protection），vegetation bag slope protection technology，and framed lattice beam vegetation bag slope protection technology，etc. The research results showed that current ecological slope protection technology provided benefits in terms of slope stability maintenance and landscape aesthetics，but it still encountered some challenges. Ecological slope protection technology should be integrated with the characteristics of vegetation growth substrate to facilitate long-term ecological restoration．

Key words：project disturbance area；slope management；ecological slope protection；ecological restoration