CN101037598A - 生态护坡基材 - Google Patents

Abstract

本发明为生态护坡基材，包括下列配比的组分：粉煤灰磁性肥料0.25～0.35kg/m²，聚丙烯酰胺0.25～0.35kg/m²，羧甲基纤维素钠0.20～0.25kg/m²，植壤土25～30kg/m²，水3.0～5.0kg/m²。本发明是一种能够广泛应用于各种气候条件及地区的生态护坡，而且特别能够适宜于高寒高海拔地区岩质陡边坡生态恢复及边坡绿化的生态护坡基材。

Description

生态护坡基材

技术领域：

本发明是与能够广泛应用于各种气候条件及地区的生态护坡，而且特别能够适宜于高寒高海拔地区岩质陡边坡生态恢复及边坡绿化的生态护坡基材有关。

背景技术：

生态护坡基材的研究在我国还处于初级阶段，在日本已取得了一定的成果。20世纪80～90年代开发的泥浆喷播技术，采用泥浆泵将沃土、稳定剂、草籽等混合而成的浆体均匀地喷射到坡面上，较好地解决了平缓贫瘠的土质和破碎岩质边坡的绿化问题。后来，又在泥浆喷播技术的基材上发展了客土喷播技术。客土喷播技术是将客土(生育基础材料)、纤维(生育基础材料)、侵蚀防止剂、缓效性肥料和种子等按一定比例配合，加入专用设备中充分混合后，通过泵、压缩空气喷射到坡面上形成所需的基层厚度，从而实现绿化的目的。两种方法的基材维持层主要为：客土(沃土)和缓效性肥料。

厚层基材喷射护坡技术于1976年首先由日本开发出来，主要用于软弱岩石边坡的生态防护，此技术是利用混凝土喷射机将绿化基材、纤维、植壤土及植被种子的混合物依据设计厚度均匀喷射到需防护坡面的植被护坡工程技术，其中绿化基材是技术的核心。绿化基材由有机质、肥料、保水剂、稳定剂、团粒剂、酸度调节剂、消毒剂等按一定的比例混合而成。肥料主要有含氮、磷、钾等的速效和长效肥料；粘结剂有水泥、无机高分子聚合物、浮液与凝聚剂等；纤维有草本、木本、有机短纤维及连续纤维等；土壤有砂土、植壤土及有机质土等。

此外，对多气孔生态混凝土也做了研究。植被型生态混凝土是日本近年在河道护坡方面的研究成果，主要由多孔混凝土、保水材料、难溶性肥料和表层土组成。多孔混凝土由粗骨料、混有高炉炉渣和硅灰的水泥和适量的细料组成，是植被型生态混凝土的骨架。保水材料以有机质保水剂为主，并掺入无机保水剂混合使用。表层土铺设于多孔混凝土表面，形成植被发芽空间，减少土中水分蒸发，同时提供植被发芽初期的养分和防止植被生长初期混凝土表面过热。在此基础上发展起来的喷混植生技术，是利用特制喷混机械将土壤、肥料、有机质、保水材料、植物种子、水泥等混合干料加水后喷射到岩面上，通过水泥的粘结作用将上述混合物在岩石表面形成一层具有连续空隙的硬化体，而空隙内填有植物种子、土壤、肥料、保水材料等，以实现岩石边坡的绿化。

我国从20世纪80年代初也进行了生态护坡基材的开发和研究，近几年来通过在一些工程中的应用也取得了部分成果。1994年，湖北宜昌久丰植生工程有限公司首先引进了台湾喷混凝土植生技术，分别在三峡大坝料石场后花岗岩风化边坡和三峡专用公路灰岩边坡两处面积共约300m²进行尝试，取得了一定的成果。铁道第二勘察设计院于1998年～2000年在襄石复线、内昆线、株柳复线对岩石绿化防护问题做了喷混凝土植生护坡的选点工程试验，取得了一些工程实践经验。另外，许文年(2002)开发的植被混凝土边坡绿化技术，与喷混植生技术也较为相似。近儿年通过在一些工程中的应用也取得了部分成果。随后四川省励自生态技术有限公司和西南交通大学在内昆线横江车站，都江堰某矿山公路上开展了厚层基材植被护坡的工程试验研究也取得了一定的成果。

我国生态护坡基材是结合我国气候、岩土体性质的具体情况发展起来的，在高速公路的边坡生态防护中应用较成功，初步形成了适合我国东南气候条件的喷射基材配比方案，但对于高寒高海拔地区生态护坡基材的研究还是一片空白。

国内外护坡基材的研究虽然取得了一些成果，但基本上都存在一定的不足，如基材的适用范围不广、自身稳定性较差、肥效较短且有机速效肥料容易造成环境污染等。

1)客土(泥浆)喷播

客土(泥浆)喷播的基材维持层主要为：客土(沃土)和缓效性肥料，其客土厚度较大自身稳定性较差，容易产生脱落或垮塌，且抗雨水的侵蚀能力差；其缓效性肥料的肥效一般只能维持1～3年，坡面的长效肥力得不到保证，容易造成植被因缺少肥力而枯死。

2)厚层基材喷射护坡

厚层基材喷射护坡的绿化基材由有机质、肥料、保水剂、稳定剂、团粒剂、酸度调节剂、消毒剂等按一定的比例混合而成。肥料的主要来源为含氮、磷、钾等的速效和长效肥料，容易使土壤因施用以上肥料而造成土壤的酸、碱化和板结污染环境，且厚层基材喷射护坡技术没有在高寒高海拔地区应用的先例。

3)植被型生态混凝土

植被型生态混凝土主要是通过水泥的粘结作用将基材混合物固定在岩石表面形成一层具有连续空隙的硬化体。随着植被的生长容易造成混凝土的开裂和掉块，降低坡面结构的整体稳定性；由于水泥的热容量较大，冬季寒冷、夏季高温不利于植被的生长和存活，尤其在高寒高海拔地区夏季温度极高30～40℃容易造成植被混凝土缺水或烧伤植被根系，冬季温度极低-20～-10℃，植被混凝土中水分基本呈固态冰容易造成植被缺水或冻伤植被根系。

人类工程活动过程中，往往要开挖大量的边坡。边坡的开挖破坏了原有植被覆盖层，导致大量的次生裸地以及产生严重的水土流失现象，造成生态环境的严重失衡，甚至山体滑塌、滑坡及泥石流，给人民的生命财产带来巨大的损失。传统的工程护坡技术在减轻坡面修建初期的不稳定性和侵蚀方面的效果很好。但随着时间的推移，岩石、混凝土的风化、钢筋的腐蚀，工程护坡的强度会降低，效果越来越差，而且不利于恢复自然植被、不利于生态平衡。近年来，边坡工程越来越重视生态效应和景观效应，强调生态环保的重要性，生态护坡技术也开始应用于边坡工程防护。相比传统的土木工程护坡而言，生态护坡不仅保障了边坡的稳定及自然生态景观，而且还具有明显的经济效益，是今后边坡防护的主要方向。

在我国高寒海拔地区的岩质陡边坡开挖形成后，受雨水侵蚀和冻融的影响，坡面岩石创伤坡面崩塌、溜滑现象严重，甚至进一步发展成泥石流，严重破坏了生态环境。近年来，由于青藏铁路的修建而造成了在高寒高海拔地区大量的裸露边坡，在生态恢复的过程中出现了一系列的问题如土壤肥效不足、植被不易存活及生态恢复费用太高等。因此，高寒高海拔地区岩质陡边坡生态恢复作为生态护坡中难度最高的一项技术，研究其护坡基材及机理、护坡方法等具有重大意义。

生态护坡技术的核心则是生态护坡基材的研究，生态护坡基材的好坏直接影响着生态护坡技术是否成功。生态护坡基材是植物生长的物质基础，它在岩石坡面上营造了适宜植物生长的土壤环境并且源源不断的为植物的生长提供养分和水分。因此，生态护坡基材的物理性质、化学性质以及力学特性是评价其是否满足植被生长和自稳能力的重要因素。尤其在高寒地区岩质陡边坡上进行生态护坡，不仅要求其生态护坡基材能够适宜植物的生长，并长时间的为植物的生长提供充足的养分和水分，而且还要有足够的强度维持其自身和植被的稳定性。在我国高寒高海拔地区岩质陡边坡生态护坡技术应用较少，其生态护坡基材的研究基本处于空白。而随着在高寒地区大量的铁路、公路、水电和矿山开采等工程建设，造成了大量的裸露岩质陡边坡。因此，研制一种适合于我国高寒地区岩质陡边坡生态护坡技术的生态护坡基材，就成了当前生态护坡技术的重点和难点。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种能够适宜于高寒高海拔地区岩质陡边坡生态恢复及边坡绿化，并也能够广泛应用于各种气候条件及地区生态护坡的生态护坡基材。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明生态护坡基材，包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料         0.25～0.35kg/m²，

植壤土                 25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺             0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠           0.20～0.25kg/m²，

水                       3.0～5.0kg/m²。

上述的生态护坡基材包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料           0.25～0.35kg/m²，

植壤土                   25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺               0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠           0.20～0.25kg/m²，

膨润土                   0.90～1.0kg/m²，

水                       3.0～5.0kg/m²。

上述的生态护坡基材包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料           0.25～0.35kg/m²，

植壤土                   25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺               0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠           0.20～0.25kg/m²，

膨润土                   0.90～1.0kg/m²，

植物纤维                 1.5～2.0kg/m²，

水                       3.0～5.0kg/m²。

本发明生态护坡基材以矿物学、土壤生态学和高分子材料学为指导，且首次在基材中引入了聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠和粉煤灰磁性肥料等材料，以实现生态护坡基材保水、保肥和足够粘结力的功能。生态护坡基材中的团粒剂、粘结剂、保水剂可由聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠来实现其相应的功能。聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，具有溶解性、粘度、对盐类的容忍性、聚凝作用和水解作用的性质，是一种良好的的土壤改良剂，能调节土壤团粒结构、防治土壤水土肥流失等功效。羧甲基纤维素钠是一种非离子型的水溶性胶体，能溶于水，有较好的粘结性能，粘结强度较高。因它具有增稠、悬浮、乳化、成膜稳定、分散、保水及提供保护胶体作用等性质，因此可广泛用作表面活性剂、胶体保护剂、分散剂、分散稳定剂和粘结剂等。聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠按照一定的比例配合使用能够很好的起到团粒剂、粘结剂和保水剂的作用，以实现生态护坡基材的贮存和缓慢释放植物生长所需的大量水分的功能，满足基材的自身稳定性及抗侵蚀性要求，并进一步形成有利于植被生长的团粒结构。粉煤灰磁性肥料，是以粉煤灰为主要载体配以N、P、K为营养元素加入适量添加剂，经过磁化处理制成，是一种良好的生态肥料，可以增加土壤剩磁和提高土壤中微量元素含量，达到改良土壤和促进作物生长的目的。它不仅能够供给植物生长所需的速效养分(氮、磷、钾等)及长效养分，而且还可以防止土壤因使用有机肥料造成的酸、碱化或板结等污染，满足环保的要求。膨润土中矿物的晶体结构决定了其具有较强的吸附性和阳离子交换性，且由于主要矿物结构单元层之间由不稳固的分子键联结，水分子容易进入其间，使其具有吸水膨胀性，若将干燥的膨润土放入水中，它很快膨胀致使体积增大10～30倍。因此，膨润土具有良好的理化性质，可以作为土壤的改良剂和肥料的添加剂，并能够提高土壤磷、钾的释放能力。土壤的主要作用是改善喷射基材混合物的结构，以利于植物的生长，并提供给植物生长所需的永久性养分，因其又有一定的吸水性和保水性，因此，还可贮存一部分植物所需的水分。植物纤维的主要作用是改善土壤的结构，并提高土壤有机质的含量。

本发明生态护坡基材的适用条件：

(1)应用地区

各地区均可应用，尤其适用于高寒高海拔以及干旱、半干早地区。

(2)边坡状况

类型：各类土质、岩质边坡均可。

坡率：一般不陡于1∶0.3，尤其适用于高陡(坡比1∶0.3～1∶0.5)边坡。

坡高：每级高度一般不超过10m。

稳定性：稳定边坡。

本发明生态护坡基材的主要作用是：

(1)提供植物生长所需的合理物理结构；

(2)保证坡面基材混合物的稳定，抵抗雨水的侵蚀；

(3)提供植物长期生长所需的平衡养分；

(4)保障植物长期生长的水分平衡；

(5)与植物共同作用，封闭坡面，防止坡面的风化剥落。

本发明生态护坡基材中聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、膨润土、植壤土可以从市场上直接购买，植物纤维一般采用秸秆粉碎成10～15mm长，由于秸秆的焚烧或废弃会对环境造成污染，所以秸秆的利用不仅具有经济效益，而且还具有环境效益。生态护坡基材中最关键的是粉煤灰磁性肥料的生产和制备。粉煤灰磁性肥料是以粉煤灰作为载体经磁化后制成，也可直接从市场上购买成品。

本发明生态护坡基材是采用公知的方法制成，即将各组分碾磨、破碎后按比例配料、混合、筛分即成。本发明生态护坡基材生产技术工艺简单、生产成本较低，应用范围很广，能够广泛应用于各种气候条件及地区的生态护坡，而且特别能够适宜于高寒高海拔地区岩质陡边坡生态恢复及边坡绿化。

一、高寒高海拔地区新型生态护坡基材的研发

本研究以生态护坡基本理论、高寒高海拔地区的气候特点和川西高寒地区坡面植被建植研究结果为指导，结合高分子材料学、土壤学及土壤磁学等学科知识，通过室内外试验，研究生态护坡基材的组分结构和配比，提出了合理的基材组分配比；并进行现场护坡试验。

1高寒地区岩质陡边坡生态防护的特点

高寒地区岩质陡边坡与其它岩质边坡相比，由于其气候、土壤条件的特殊性，具有构造坡面土壤困难和植被难以存活的特点。

川西高寒地区的降雨主要集中在5～9月，其它月份降雨分布很少，全年降雨量约为600～1000mm，属典型的寒冷干旱带。因此，在高寒地区的工程岩质陡坡坡面建造适合植被生长的生态护坡基材难度较大，选用恰当的生态护坡基材保水、保肥和粘结剂及其组分配比是实现该区岩质陡边坡生态恢复的技术要点。

岩质边坡表面无植被生长的载体，植被生长所需的水分和养分很难赋存，是岩土边坡生态护坡的技术难点。诸如三维网、拱形骨架内植草和生态护坡基材护坡等方法均是结合工程措施首先在岩质边坡表面营造供植被生长的客土，尽量使外来土壤的水分和养分满足植被生长所需的条件，从而达到岩质边坡绿化的目的。因此，岩质边坡植被生长的先决条件是在坡面营造外来土壤并保持其稳定性和使之具有满足植被生长所需的水分和养分。

2生态护坡基材关键组分的室内实验

2.1试验目标及规划

基于以上认识，室内试验以聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、粉煤灰磁性肥料和植壤土为生态护坡基材的主要组成部分。通过不同的组分正交试验，根据生长效果和土壤的性质来确定各组分的最佳配比，为野外现场植物生长试验和基材喷射试验提供技术支持。室内试验所研究的基材混合物的性质主要有：

(1)基材的养分、肥效；

(2)基材的抗旱性；

(3)基材的团粒化度；

(4)基材的稳定性。

2.2试验设计

影响生态护坡基材物理化学性质的主要因素有：聚丙烯酰胺的用量、粉煤灰磁性肥料的用量、羧甲基纤维素钠的用量和水的用量。根据本课题组的研究成果，采用正交试验设计的方法，选择以上四种因素，充分考虑坡地和喷射损耗的影响，每种组分给定三个水平进行试验。试验组分及水平设定和试验方案见表1和表2。

                   表1 试验因素及水平

水平	聚丙烯酰胺(g/m2)	羧甲基纤维素钠(g/m2)	粉煤灰磁性肥料(g/m2)	水(ml/m2)
					1	260	200	260	1000
2	280	220	280	3000
					3	300	240	300	5000

                                  表2 试验方案

试验样本编号	聚丙烯酰胺	羧甲基纤维素钠	粉煤灰磁性肥料	水
					1	1	1	1	1
2	1	2	2	2
					3	1	3	3	3
4	2	1	2	3
					5	2	2	3	1
6	2	3	1	2
					7	3	1	3	2
8	3	2	1	3
					9	3	3	2	1

(各试验样本均是在相同的气候条件下做的试验)

2.3试验结果分析

(1)因素对植被发芽率的影响

植被的发芽率与土壤温度、肥效、含水量等因素相关，在同样的气候条件下，试验基材植被的发芽率则与影响土壤结构的聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、粉煤灰磁性肥料和水的含量密切相关。植被的发芽率与基材中粉煤灰磁性肥料和水的含量都呈正相关的关系，而且受水的影响更大一些。与羧甲基纤维素钠的含量呈负相关的关系，而当聚丙烯酰胺的用量为280g/m²时，基材种子的发芽率最高达到75％。综合分析表明，植被的发芽率与水、粉煤灰磁性肥料和聚丙烯酰胺的含量均呈正比关系。聚丙烯酰胺含量过大时，基材团粒化程度加大，使基材的气相比例太大而不利于水分的保持，从而影响种子破土发芽。羧甲基纤维素钠的含量较大时，土壤的固化板结严重，影响基材的透气性，阻碍种子发芽。因此，恰当的聚丙烯酰胺和水的含量是保证种子发芽率的关键因素。

(2)因素对植被长势的影响

通过室内生长观察试验可知，植被的株高受土壤中肥料的含量影响最大，当水分超过一定含量时，植被的生长受水分的影响不是很明显，粘结剂的含量越多，就越抑制植被的生长，而聚丙烯酰胺的含量过多时，会使基材的三相结构中的气相比例过大，不适合植被的生长。所以粉煤灰磁性肥料是影响植被长势的主导因素，水含量超过3000ml/m²时，水含量成为次要影响因素。

(3)因素对基材强度的影响

基材强度是指基材抵抗外力的能力，主要与基材组分中的聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠和水的含量有关，正是这三者的相互作用，在土体中形成土壤胶体，使土壤具有一定的强度。由公路部门路基土质固化试验经验可知土壤强度随羧甲基纤维素钠的含量增加而增加，而当羧甲基纤维素钠含量超过240g/m²、聚丙烯酰胺含量超过350g/m²时，粘结剂粘度增大，不易在土壤中分散，影响土体的整体粘结效果，反而降低基材的强度。通过室内模拟植物在岩石坡面上的生长观察可知，JYC生态护坡基材基本上具备了在岩质陡边坡上稳定的条件。

4)因素对基材团粒度的影响

为保证植物正常的生长发育，同土壤一样，基材混合物也必须具有良好的团粒结构。与自然土壤不同的是，基材混合物主要是用于边坡面，为使基材混合物能够稳定地附着在坡面上，基材混合物地团粒结构比自然土壤应具有更高地水稳性。用团粒化度来反映基材混合物的水稳团粒结构所占比例的大小，即粒径大于0.25mm的水稳性团聚体的质量和占基材混合物总量的比例。本试验基材混合物团粒结构主要靠聚丙烯酰胺来实现，基材团粒化度的测量按《森林土壤大团聚体组成的测定》(GB7847-87)的湿筛法进行。通过室内试验测定表明：本生态护坡基材具有良好的团粒结构体；采用聚合物团粒剂，可以明显提高基材混合物的团粒化度，改善基材保水保肥的能力。

5)因素对基材抗旱性的影响

适合高寒地区植被生长的生态护坡基材必须要有一定地抗旱性，室内试验对比了各配方基材的极限抗旱天数，及其在干旱的条件下植被的生长状况。基材中的保水剂为聚丙烯酰胺，在相同的养护条件下，不同的保水剂用量下，基材的含水量变化曲线存在明显差异，聚丙烯酰胺用量为280g/m²时，可充分发挥其保水的能力，不至于过量时由于基材孔隙度增加而造成的水分挥发，从而导致极限抗旱天数减少。可见聚丙烯酰胺的保水性能使基材的抗旱能力得到加强，采用合理的养护措施，生态护坡基材是能够抵御高寒地区的干旱天气的。当聚丙烯酰胺用量适当时，可充分发挥其保水的能力，不至于过量时由于基材孔隙度增加而造成的水分挥发，从而导致极限抗旱天数减少。可见聚丙烯酰胺的保水性能使基材的抗旱能力得到加强，采用合理的养护措施，本生态护坡基材是能够抵御高寒地区的干旱天气的。

3生态护坡基材受辐射影响研究

我国生态护坡基材的研究主要是针对平原和城市周边地区，对于高寒高海拔地区的研究还处于一片空白。本发明生态护坡基材不仅立足于对平原和城市周边地区的边坡生态防护，而且还针对高寒高海拔地区的高温、强辐射等恶劣环境条件进行研究，以满足其生态护坡工程的要求

3.1聚丙烯酰胺的降解

聚丙烯酰胺的降解是指其在化学、物理及生物因素的作用下，分解成小分子或简单分子，甚至分解为CO₂，H₂O及硝酸盐。在进行生态防护时聚丙烯酰胺是和土壤等材料混合形成的生态护坡基材，很少直接暴露于空气当中，而致密的基材中氧气含量很少从而抑制了聚丙烯酰胺的氧化降解。由于臭氧层的存在，吸收了286～300nm的全部辐射，因此太阳辐射只能使C-C键断裂，而对C-H和C-N键影响很小。当坡面的覆盖率达到80～90％时，基材表面基本被植被覆盖形成了一层天然的保护层，从而降低了聚丙烯酰胺的光降解作用。在高寒高海拔地区土壤的最高温度一般在30℃左右，对于聚丙烯酰胺的热降解和生物降解的影响不大。由于要满足植物的正常生长，本发明生态护坡基材的PH值呈中性(6.5～7.5)，非离子型聚丙烯酰胺溶液粘度受PH值的影响不明显只有当PH值在10以上时，聚合物由于水解，粘度很快升高。这时PH值的影响明显地显示出来。在进行生态防护时，本发明生态护坡基材在坡面上自身是很稳定的很少受到拉、压及剪切作用的，其机械降解作用是很微弱的。所以聚丙烯酰胺在生态护坡基材中的降解是很微弱的，能够满足高寒高海拔地区生态护坡工程的要求。

3.2羧甲基纤维素钠的降解

在一般条件下羧甲基纤维素钠是比较稳定的，在土壤环境中羧甲基纤维素钠的降解主要受到温度和PH值的影响。

根据聂华荣等对羧甲基纤维素钠的降解速率与温度关系的研究表明最佳反应温度为37℃，太高或者太低降解速率都会下降。根据研究表明，羧甲基纤维素钠水凝胶在不同pH值的环境中，降解率不同：在酸性环境下，即pH＝4.5～6.5时，生物降解性较好，且在pH＝5.2时，降解率最高；当pH＞5.2时，降解率随pH值增大而减小。根据Michaelis.Menten纤维素酶解机制，Rodriguez等认为在pH＜5时，随着pH值减小，速率常数减小，而在pH＞5时，随着pH增大，米氏常数增加，这两者均导致降解率减小。在高寒高海拔地区土壤的最高温度一般在30℃左右，而且本发明生态护坡基材的PH值呈中性(6.5～7.5)，所以羧甲基纤维素钠在生态护坡基材中的降解是很缓慢的。

对于生态护坡基材的其他主要成分土壤、纤维及膨润土等受到高温、强光和强辐射的影响很小。根据2004年5月～2007年3月的生态护坡基材现场护坡试验研究，坡面植被的生长情况较好没有出现缺水或掉块的现象，从而说明了聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠的降解很少，充分发挥了其保水和粘结的作用。所以本发明生态护坡基材，能够满足在高寒高海拔地区恶劣的地质、气候条件下生态护坡的要求。

4高寒地区生态护坡基材护坡的现场试验研究

4.1生态护坡基材护坡技术简介

生态护坡基材护坡是采用混凝土喷射机把基材与植被种子的混合物按照设计厚度均匀喷射到需防护的工程坡面的绿色防护技术，生态护坡基材护坡主要针对岩石陡坡的植被防护而开发。其基本构造附图所示，由锚杆、网和基材混合物三部分组成。

生态护坡基材护坡是在岩石坡面形成一层类似于自然土壤且能够贮存水分和养分的植物生长所需的基层材料，从而解决岩石边坡无法生长植物的难题。基材混合物由生态护坡基材、种植土、纤维和植被种子组成。生态护坡基材由土壤、无机非金属矿物、肥料、植物纤维、保水剂、黏合剂、团粒剂等合成。

4.2现场试验目标与设计

根据植物生物生态学特性，对高海拔的区域进行外来植物绿化时，必须进行实验性绿化。生态护坡基材作为岩质陡边坡生态护坡的技术核心，必须通过现场施工试验，来全面评价生态护坡基材在陡坡上的耐寒抗贫瘠性和稳定性，以及草种在高寒气候条件下的生长状况和越冬越夏能力，为全面推广岩质陡坡的生态护坡基材护坡技术提供强有力的技术支持。因此，本试验选取川西高寒高海拔地区国道317线鹧鸪山隧道西引道上一处工程边坡进行。

(一)试验场地选择与边坡稳定性

在工程区选取K7+008～K7+063段为试验边坡，边坡为逆向岩质坡，最大坡高约30m，岩性为中厚层变质砂岩及板岩，岩体质量为IV类，边坡整体稳定性较好，坡口一带岩体破碎，有1～5m厚的覆盖层，在雨水作用下极易发生滑塌。

(二)试验方案设计

从边坡稳定和环境美化的角度考虑，采用以下设计方案：路基标高至垂直高度18～20m段按1∶0.5坡比刷坡，设1m宽的平台，平台以上按1∶0.75刷坡至坡顶，边坡均采用生态护坡基材喷射绿化，平台上覆土15～20cm，直接植草，带状栽植灌木。

生态护坡基材护坡的基本构造主要由锚杆、网和基材混合物组成。

坡面锚杆用1m长的Φ12和0.5m长的Φ12锚杆以梅花形布置，锚杆间距1m，排距1m。锚杆露出坡面9cm，作防锈处理。坡外端头下2cm处用长15cm长的Φ12螺纹钢十字交叉焊接。坡面用Φ2.8孔距54×54的镀锌铁丝编织网与锚杆结合加强坡面稳固。坡面设置间距4m长1m的Φ60排水孔(其内安装Φ50软式排水管，管外用砂充填)。

本试验中生态护坡基材厚度为10cm，分两层：上层为植物种子层，下层为植物生长维持层。生态护坡基材的主要组分及含量如下：

(1)植壤土：0.2～25kg/m²；

(2)聚丙烯酰胺：0.30～0.35kg/m²；

(3)羧甲基纤维素钠：0.20～0.25kg/m²；

(4)粉煤灰磁性肥料：0.30～0.35kg/m²；

(5)膨润土：0.90～1.0kg/m²；

(6)植物纤维：1.5～2.0kg/m²，采用秸秆，粉碎至10～15mm长；

(7)水：3.0～5.0kg/m²，水的含量根据喷射时喷射压力及基材状况来调整。

种子：拟选黑麦草、午夜、高羊茅、紫花苜蓿，并按1∶1∶4∶4的比例组合，总量控制在35～40g/m²，为增强坡体的立体景观效果辅加了当地的剑竹灌木种，以及小叶扶芳藤藤蔓植物种。

4.3施工步骤

生态护坡基材护坡的施工步骤主要有：a)配制种植土；b)钻孔；c)排水孔；d)安装锚杆、挂金属网；e)喷附生态护坡基材；f)挂遮阳网、养护。

4.4试验结果观察及分析

现场试验工作于2004年5月28日开始进场，于2004年7月12日完成。从施工现场观察到的情况看，植壤土和腐殖土的混合物在基材的水解作用下，呈现一定强度的粘性，能与铁丝网粘结成一体，共同组成边坡表部的柔性防护层，且基材良好的团粒结构为植被提供了发芽生长的养分和水分。

(一)植物的生长与恢复情况

据现场观察，基材喷射后一周左右草籽开始发芽，先锋型种子发芽率达90％以上。2004年9月，试验边坡的植被覆盖率达到90％以上，植被长势良好。在2004至2005年冬季最低气温达-20℃的情况下，草本根系生命力旺盛，呈绿根状，具有极强的抗冻能力。经历一个水文周期后，长势依然较好，植被覆盖率较高，选用的草种能抵制工程区高寒气候不良影响，2005年8月观察的植被覆盖率达85％以上。

2005年10月22日观察可知：植被覆盖率达85～90％，由于接近冬季黑麦草和早熟禾部分枯黄植被部分枯黄，紫花苜蓿依然翠绿部分开出紫色小花。黑麦草地面上茎叶长80～100cm，并成熟结出黑麦籽。地面下主根长30～50cm，并穿进岩缝20cm左右；须根系长度5～10cm，根系与基材、岩石结合很紧密，粘结力强；基材较紧密、较潮湿，含水量较大40～50％呈可塑状态，基材粘性力较大。2006年4月29日观察可知：植被依然枯黄，有少部分黑麦草和早熟禾发芽、紫花苜蓿基本发芽，整体发芽率15～20％，茎叶长5～10cm，长势较好；主根系长20～40cm、须根系长5～10cm，基材表面被苔藓和枯草覆盖形成一层植被保护网，能够起到保温保湿、抗侵蚀的作用。基材很紧密、较潮湿，含水量较大40～50％呈可塑状态，基材温度2～3度，根系、基材及岩石粘结的很好已经形成一个整体。2006年8月10日观察可知：植被生长茂盛，覆盖率达到100％，基本已形成稳定的坡面植被群落；基材结构紧密、较潮湿，含水量较大约45％呈可塑状态，在雨季最大暴雨的侵蚀下，基材无掉块、脱落现象，根系、基材及岩石已形成一个稳定的有机体。2007年3月1日观察可知：植被发芽率较高70～80％，覆盖率达85～90％，坡面已形成了稳定的植被群落，当地植被也逐渐交替了坡面的先锋性植物，植被长势较好；基材结构紧密、较潮湿，含水量约30～40％，呈可塑状态，基材表面被苔藓和枯草覆盖形成一层植被保护网，能够起到保温保湿、抗侵蚀的作用，在暴雨和严寒的侵蚀下，基材无掉块、脱落现象，根系、基材及岩石已形成一个稳定的整体。

(二)根系、基材复合体的稳定性

生态护坡基材在岩质坡面的稳定性是保证绿化效果的技术关键。生态护坡基材通过其自身良好的联结性和锚杆及铁丝网复合工程结构与边坡成为整体，覆盖在边坡表部的基材抗冲刷能力将直接影响边坡的浅层稳定和植被覆盖率。经过多次的雨水冲刷考验，除边坡局部凹凸不平部位基材流失严重外，大部分基材抗冲刷能力较强，尤其是边坡一级平台以下部分未发生一处基材流失现象。

根据2005年10月22日的观察结果：黑麦草、早熟禾和高羊茅部分枯黄，紫花苜蓿依然翠绿；黑麦草地面上茎叶长80～100cm，地面下主根长30～50cm，并穿进岩缝20cm左右牢牢扎根于边坡的岩体缝隙中；须根系长度5～10cm，与岩石表面连接紧密。紫花苜蓿长势较好，地面上茎叶长20～60cm，根系以主根为主长20～70cm，牢牢扎根于边坡的岩体缝隙中，较难拔出，须根系长度5～10cm不发育。所以根系、基材和岩石已经完全形成一个了整体，须根系起到了很好的稳固基材和连接岩体的作用，而主根系则形成了植物锚杆，起到了加筋作用。

现场生态护坡基材喷射施工试验表明，生态护坡基材在岩质陡坡上的耐寒抗贫瘠性和稳定性较好，护坡草种在高寒气候条件下的越冬越夏能力较强，取得了良好的绿化效果，初步开发了一套适用于工程区岩质陡坡的生态护坡基材护坡技术。在其绿化效果的理论研究方面，如基材的水分、肥效、强度等物理化学性质上也得到了一定的实践证明。

4.5小结

综上所述，水和磁性肥料是影响植被发芽和生长的主要因素，聚丙烯酰胺起到了保水、保肥和增加土壤团粒化的作用，和羧甲基纤维素钠的结合施用使基材具备较高的团粒化程度的同时，还提高了基材的强度。从而，在基材中加入适当的上述组分，结合纤维、铁丝网和锚杆使用，以多年生黑麦草、草地早熟禾品种作为先锋型草种，高羊茅、紫花苜蓿作为主要建植草种，在较陡的岩质边坡上实现坡面绿化是可能的。该新型生态护坡基材用于高寒高海拔地区岩质陡边坡的防护是可行的，既可封闭坡面，抑制坡面落石和岩土体溜滑，又可实现边坡绿化，可广泛推广使用。

二、高寒高海拔地区生态护坡基材的基本性质研究

1概述

在室内组分试验和现场试验取得成功的基础上，为了进一步研究新型生态护坡基材的各种物理性质、化学性质以及力学特性是否能够很好地满足高寒高海拔地区岩质陡边坡植物生长的要求，以及进一步探索生态护坡的护坡机制；将新型生态护坡基材的各种性质与土壤的各种性质进行进一步的对比试验研究，力求从理论依据上探讨本发明生态护坡基材的各种性质。

根据土壤状况对植物生长的影响、生态护坡基材的特性、岩质陡边坡生态防护技术的特点以及鹧鸪山高寒地区的环境气候条件等因素的影响。从而进一步研究新型生态护坡基材的各种物理性质、化学性质以及力学特性是否满足高寒地区岩质陡边坡植物生长的要求，以及各组分对植物生长的影响。本试验从“两个部分”，“三个方面”进行研究。两个部分：现场取样试验和室内模拟试验；现场取样试验：在现场种植试验的基础上，在不同的时间把基材取样回实验室进行试验，测定其各种指标随时间的变化关系。室内模拟试验：由于一些试验在现场情况下较难实现，只能在室内模拟以测定其各种指标对植物生长的影响。三个方面：物理指标的测定、化学指标的测定以及力学指标的测定。

1)物理指标的测定：

(1)基材的基本物理性质

天然含水量；饱和含水量；自然容重；土粒比重(ds)；空隙率等。

(2)基材的三相比例

(3)基材的水分—物理性质

最大持水量，最小持水量(田间持水量)；凋萎含水量；有效含水量；毛管持水量；毛管空隙；总空隙度；土壤通气度；最佳含水量；最大吸湿量等。

2)化学指标的测定：

(1)基材的养分含量：全氮；有效磷；有效钾；有机质；C/N

(2)基材的酸碱度(pH值)

(3)基材的阳离子交换量(CEC)

3)力学指标的测定：

(1)基材的抗剪强度(c，Φ)，分为以下两个方面的试验：无根系的纯基材的抗剪强度试验(c，Φ)；基材-根系复合体的抗剪强度试验(基材-根系复合体的抗剪强度试验—含根量；体积密度；含水量)；

(2)基材的抗冻力学性质，分为两个部分的试验：一部分是无根系的纯基材在室内冻结成不同的温度进行快剪试验；另一部分是基材-根系复合体在不同的温度下进行现场快剪试验。

(3)基材的抗侵蚀性(人工室内降雨试验)。

本发明生态护坡基材的物理指标和力学指标的测定单位是成都理工大学-地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室，测试方法是参照《公路土工试验规程》(JTJ051-93)和《森林土壤分析方法》(LY/T 1210～1275-1999)的测试方法。生态护坡基材化学指标的测定单位是四川省农业科学院分析测试中心，测试方法是参照《森林土壤分析方法》(LY/T 1210～1275-1999)和国标(GB7859-1978)的测试方法。

2生态护坡基材物理性质研究

2.1基本物理性质

通过对基材的基本物理性质在施工后七天到九个月这一段时间进行检测，测试结果如表3所示，结果证明本发明生态护坡基材的自然容重处于较疏松状，天然含水量较大；生态护坡基材中空隙较多，基材比重大于有机质土、小于矿物比重较适合植物生长。在施工后六个月(12月底～1月初)，鹧鸪山处于全年最冷的越冬季节最低温度在-10℃～-20℃，植被基本枯萎、停止生长且表面被雪覆盖，降雨量很低、冰雪很少融化，所以基材的自然容重和天然含水量较低，空隙率和基材比重相对较高。但由于植被基本枯萎、停止生长，只有根系和离地2～5cm的主茎还存活，所以基材的各项基本物理性质能够满足主茎和根系的生存要求。而在施工后第九个月(三月底～四月初)，鹧鸪山气温回升冰雪融化、降雨量增大，基材的自然容重和天然含水量增大、空隙率和基材比重减小；植被开始发芽生长，基材的各项基本物理性质也回复到适宜植物生长的范围。这种变化规律也是高寒高海拔地区土壤和气候变化的一大特点。所以本发明生态护坡基材的基本物理性质能较好的适应高寒高海拔地区岩石陡边坡植物的生长要求。

            表3生态护坡基材的基本物理性质指标

取样时间(施工后)	自然容重/g/cm-3	天然含水量/％	空隙率/％	土粒比重
					七天	1.35	41.7	63	2.59
一个月	1.43	53.8	64	2.56
					三个月	1.39	45.6	63	2.56
六个月	1.13	19.69	65	2.69
					九个月	1.28	24.9	60	2.55

2.2三相比例

由于自然土壤的合理的三相分布并不完全适合于生态护坡基材，而生态护坡基材合理的三相分布影响着基材的肥力状况和植物的生长状况，它是基材肥力的物质基础。因此，需要找到适合植物生长的合理三相分布。通过对生态护坡基材不同配比的三相变化的研究，参照周德培、张俊云总结的基材三相分布的合理分布范围：固相比例一般为24％～38％；液相比例一般为44％～58％；气相比例一般为18％～25％，以验证本生态护坡基材的三相分布是否符合高寒地区岩石陡边坡植物的生长要求，以及进一步研究高寒地区生态护坡基材的合理三相比例分布。基材的三相比例是根据基材的基本物理性质(天然含水量；饱和含水量；自然容重；土粒比重(ds)；空隙率)等指标，参考《公路土工试验规程》(JTJ051-93)和钱家欢的《土力学》换算得到。在施工七天后到九个月时检测到的生态护坡基材的三相分布比例可知，在植被生长期间本生态护坡基材的平均三相分布大约为固∶液∶气＝0.36∶0.45∶0.21，由于生态护坡基材含有吸水能力很强的保水剂使一部分水处于固态与液态之间，因此本发明生态护坡基材的三相分布比较合理、适宜植物的生长。

2.3水分-物理性质

本发明生态护坡基材的水分常数的测定采用《森林土壤分析方法》(LY/T 1215～1217-1999)的测试方法，在生态护坡基材喷射施工后七天开始测试，其水分常数结果如表4所示。

根据试结果可知，本生态护坡基材的水分常数基本稳定，但季节性降雨对其有一定的影响。在施工后一个月(八月底～九月初)鹧鸪山处于全年降雨高峰期基材的水分常数(g/kg)处于最大，最小持水量达到582.82g/kg、质量含水量达到538.82g/kg，而在施工后第六个月(12月底～1月初)越冬季节。

                              表-4生态护坡基材的水分常数测试结果

取样时间(施工后)	质量含水量g/kg	最大持水量g/kg	毛管持水量g/kg	量小持水量g/kg	最大吸湿量g/kg	稳定凋萎含水量g/kg	有效含水量g/kg	最佳含水量下限g/kg
									七天	416.33	698.83	339.65	247.85	205.95	308.93	107.41	173.49
一个月	538.82	739.05	708.87	582.82	216.58	324.87	213.95	496.21
									三个月	456.18	720.07	691.93	292.29	209.26	313..89	142.19	204.63
六个月	196.90	760.20	690.69	324.04	108.67	141.27	55.63	226.83
									九个月	249.00	602.09	570.26	180.37	122.32	159.02	89.98	126.26

由于植被茎叶基本枯黄、植被已停止生长且表面被雪覆盖，故水分常数较低，质量含水量为196.90g/kg、稳定凋萎含水量为141.271g/kg，但足以维持植被根系的存活。在施工后第九个月，覆雪融化植被发芽恢复生长，水分常数也逐渐增高，质量含水量为249.00g/kg，能够满足植物的发芽和生长要求。

总的来说，由于本生态护坡基材中含有高分子保水材料，具有持续的、超强吸水能力使得基材的水分常数远远大于一般土壤的水分常数，从而使基材具有很强的持水和保水能力，所以本发明生态护坡基材能够满足高寒地区岩石陡边坡植物生长的要求。

2.4基材团粒化度

本试验基材混合物团粒结构主要靠聚丙烯酰胺来实现，基材团粒化度的测量按《森林土壤大团聚体组成的测定》(LY/T 1227～1217-1999)的湿筛法进行。根据试验可知，随着团粒剂含量的增加，基材混合物的团粒化度逐渐增大，团粒剂(聚丙烯酰胺)含量为20g/m²、40g/m²、60g/m²时，基材混合物的团粒化度依次为64.5％、70.8％、83.9％。采用聚合物团粒剂，可以明显提高基材混合物的团粒化度，改善基材保水保肥的能力。本生态护坡基材的团粒结构主要是粒径在2～3mm的团聚体，经水浸泡后很长时间不松散，所以能够较好的调节基材的水、肥、气、热状况，并能为植被生长发育创造一个很好的基材环境。

3生态护坡基材化学性质研究

3.1养分含量及其变化规律

本试验通过在两年多时间里对生态护坡基材全氮、有效磷、有效钾含量的测定，以监控基材中氮、磷、钾含量的变化，从而估算出基材中养分对植物供应的持续时间，确保养分的平衡；并进一步研究JYC生态护坡基材中粉煤灰磁性肥料对土壤的改良作用。生态护坡基材全氮的测定按GB7173-1987；有效磷的测定按《森林土壤有效磷的测定》(LY/T 1233-1999)；有效钾的测定按《森林土壤有效钾的测定》(LY/T1236-1999)。本试验是将植被不同生长期的生态护坡基材送样于“四川省农业科学院分析测试中心”进行检测，其养分含量测试结果如表5所示。

经分析可知，基材的养分含量远大于一般的农田土壤，且全氮含量大于0.2％、有效磷含量大于20mg/kg、有效钾含量大于200mg/kg，故基材为富含氮素、磷肥和钾素，不用再施加其他肥料；在粉煤灰磁性肥料和膨润土对基材的共同作用，不仅为坡面植物的生长提供了充足的养分，而且磁化、改良了基材和岩石坡面的养分含量，使基材和岩石坡面中的氮、磷、钾等养分元素经磁化后更利于植被吸收。在植被正常生长的情况下，全氮和有效钾消耗较低，而且有效磷的含量还在不断增高，从而证明了粉煤灰磁性肥料是适合贫瘠的岩石坡面上植被的生长要求的。

                表5生态护坡基材的养分含量测试结果

取样时间(施工后)	全氮/％	有效磷/mg/kg	有效钾/mg/kg
				七天	0.39	10.06	913.33
一个月	0.41	10.85	679.30
				三个月	0.445	8.60	540.03
六个月	0.435	11.57	504.77
				九个月	0.365	13.59	419.83
十四个月	0.343	20.8	249.33
				十六个月	0.265	28.4	420.33
十九个月	0.259	36.7	454.73
				二十三个月	0.354	25.00	422.50
二十九个月	0.351	29.97	505.47
				平均值	0.339	27.17	468.57

对于基材混合物保障植被所需养分的长期平衡可以通过简单的估算以确认，根据周德培、张俊云的《植被护坡工程技术》对基材养分供应时间的估算如下：

以氮为例，取基材混合物的干容重平均值(前六个月)787kg/m³，基材混合物的喷射厚度为10cm，则每平方米基材混合物的全氮含量为：

                787×0.1×4.1＝322.67g/m²

旱地早熟禾每月需氮量为1.1～1.5g/m²，多年生黑麦草为2.0～5.0，高羊茅为2.5～5.0。若取三者平均值3.0g/m²，一年的生长按9个月计，则基材混合物的总氮量可连续供给植物的年限为：322.67÷3.0÷9＝11.95年

另外，植物也可以通过以下途径获得所需的养分：植物枯枝、落叶的矿化，豆科植物根系的固氮，岩石的生物风化，自然降水的带入。

通过以上的分析，可以认为坡面植物再形成稳定的植物群落后，不借助于人工的持续管理，完全可以实现所需的平衡养分。在植物群落未完全稳定以前，依靠本发明生态护坡基材中所含的养分，可以提供给植物一般不少于10年的养分，从基材两年多的检测数据中也可证明这一点。

3.2有机质含量及碳氮比

有机质含量的多少，对土壤物理、化学和生物学性质影响很大。因此，有机质的含量是土壤肥力高低的重要指标。一般耕作土壤多在5％左右，且含量大于5％就认为富含有机质。本试验通过在两年多中不同时间对生态护坡基材中有机质含量的测定以及碳氮比(C/N)的计算，以评价基材肥力的高低，从而确保植物持续的正常生长。生态护坡基材的有机质含量及碳氮比(C/N)的计算按《森林土壤有机质含量及碳氮比的计算》(LY/T 1237-1999)。经测定在基材喷射后七天到二十九个月两年多的时间内，本发明生态护坡基材的有机质含量的变化范围在5.24～9.38之间，远远大于一般的农田土壤，属于富含有机质的基材，能够确保植物长期正常生长；基材中的碳氮比(C/N)在10.41～13.6之间，基材有机质的矿化处于稳定阶段，能够较好的满足植被长期的生长要求。

3.3酸碱度

本试验通过对基材的pH值长时间、周期性的测定来检验生态护坡基材的pH值是否满足高寒地区岩质陡边坡植物生长的要求。生态护坡基材的酸碱性的测定按《森林土壤pH值的测定》(LY/T 1239-1999)，经测定在基材喷射后七天到二十九个月两年多的时间内，本发明生态护坡基材的PH值的平均值在6.81～7.49之间，属于中性土壤范围，比较适合其选用草种的生长，其微生物活性最强，养分的有效性也最高，对植物生长最适宜。

3.4阳离子交换量

本试验通过不同时间对生态护坡基材的阳离子交换量的测定，检验基材的保肥、供肥、耐肥的性能，从而确保基材有较好的保持和供应植物养分的能力。生态护坡基材阳离子交换量的测定按《森林土壤阳离子交换量的测定》(LY/T 1243-1999)；根据测试分析结果可知，在基材喷射后七天到九个月这段时间内，JYC生态护坡基材阳离子交换量的平均值在22.7～25.7cmol/kg之间，基材喷射后阳离子交换量逐渐增大，在三个月时达到极大值25.7cmol/kg，此后逐渐趋于稳定且各组阳离子交换量都大于20cmol/kg，说明JYC生态护坡基材属于保肥能力强的基质，具有较高的保肥、供肥、耐肥性能，能够确保基材有较好的保持和供应植物养分的能力。

3.5生态护坡基材肥力评价

针对高寒地区气候、土壤特征以及生态护坡基材对基材的要求，根据国内众多学者研究的经验和成果，拟定本发明生态护坡基材的肥力评价指标如下，物理指标：质地、容重、稳性团聚体、孔隙度、持水量；化学指标：全氮、速效钾、速效磷、pH值、CEC、碳/氮；生物指标：有机质。评价方法采用直接评价法，直接评价法是用实验手段直接去探讨土壤对某种用途的适宜程度。直接评价的方法简单，其结果应用到具体的实验地点项目上效果较好。

(1)物理指标的评价

本发明生态护坡基材的质地是介于砂质土和粘质土之间的壤质土，兼有砂质土和粘质土的优点，既具有良好的水、养、气、热状况和协调能力，又有良好的物理形状和通气性，且保水保肥能力较强。生态护坡基材的容重在1.35～1.43之间与黏质土壤的容重1.1～1.6接近；其孔隙度在60％左右是适合植被生长的孔隙度，具有良好的通气透水性和保水性；团粒结构主要是粒径在2～3mm的团聚体，经水浸泡后很长时间不松散，能够较好的调节基材的水、肥、气、热状况；由于保水剂的作用JYC生态护坡基材的天然持水量在40～50％之间，有效持水量在15％以上，能够保证为植物的生长提供充足的水分。所以，本发明生态护坡基材的各项物理指标均能很好的满足坡面植被生长的要求。

(2)化学指标的评价

本发明生态护坡基材在喷射后七天到植被生长两年多的时间里，其各种养分含量的平均值分别为全氮含量为0.326％、有效钾含量为431.67mg/kg、有效磷含量为24.37mg/kg，均远大于一般的农田土壤的养分含量，所以本生态护坡基材为富含氮素、磷素和钾素。根据估算，依靠JYC生态护坡基材中所含的养分，可以提供给植物一般不少于10年的养分。生态护坡基材pH值在6.81～7.49之间属于中性，微生物活性较强，养分的有效性也很高，适宜植物生长。基材中的碳氮比(C/N)为10.41～13.6，基材有机质的矿化逐渐处于稳定阶段；基材阳离子交换量在22.7～25.7cmol/kg之间，说明JYC生态护坡基材属于保肥能力强的基质，具有较高的保肥、供肥、耐肥性能，能够确保基材有较好的保持和供应植物养分的能力。所以，本发明生态护坡基材的各项化学指标均能很好的满足坡面植被长期持续生长的要求。

(3)生物指标的评价

有机质的主要作用是改善土壤理化性质、生物学性质和为植物提供生长所需的营养，本发明生态护坡基材有机质的含量为5.24～9.9％之间，远远大于一般的农田土壤属于富含有机质的基材，能够确保植物长期正常生长；

综上所述，从物理指标、化学指标和生物指标三个方面对本发明生态护坡基材的肥力进行了评价。结果证明，本发明生态护坡基材的综合肥力很高，各项指标均能满足高寒高海拔地区岩石坡面上植被长期持续生长的要求。

4生态护坡基材力学性质研究

4.1抗剪强度及其变化

生态护坡基材的抗剪强度(c，Φ)试验包括以下两个方面的内容：一个方面是无根系的纯基材的抗剪强度试验，另一个方面是基材-根系复合体的抗剪强度试验(基材-根系复合体的抗剪强度试验---含根量；体积密度；含水量)。

(1)无根系的纯基材的抗剪强度试验(C，Φ)

生态护坡基材的抗剪强度是基材的重要力学性质之一，不仅与基材自身的特性有关，而且还与基材的含水量、温度以及垂直压力等有关。本试验一方面考虑到在基材中首次加入高分子材料作为粘结剂，所以对基材在喷射后到强度达到最大值这一过程进行了研究，发现基材的抗剪强度随时间的变化的规律，以及基材的最大抗剪强度。从而保证JYC生态护坡基材与铁丝网、岩石坡面之间有足够的粘结力。基材的抗剪强度试验(C，Φ)参照《公路土工试验规程》(JTJ051-93)进行。根据试验可知，在基材喷射6小时后到15天这一过程中，由于基材加入了高分子材料作为粘结剂使得基材的抗剪强度逐渐增加达最大值，而后逐渐趋于稳定。在稳定后基材的粘聚力C为13.6KPa、内摩擦角ψ为25.5°远大于一般土壤的粘聚力和内摩擦角，再加上铁丝网和锚杆的加固作用，所以能保证JYC生态护坡基材与铁丝网、岩石坡面之间有足够的粘结力，使植物在岩石坡面上能正常的生长。

(2)基材-根系复合体的抗剪强度试验

无根系的纯基材的抗剪强度与基材-根系复合体的抗剪强度有很大的不同，根系在基材中起到了一个加筋作用。研究基材-根系复合体的抗剪强度，可以进一步了解根系与基材的相互作用，阐述基材复合体的含根量、体积密度、含水量以及垂直压力与基材-根系复合体的抗剪强度的关系，从而进一步研究根系与基材的相互作用机理。试验方法参照杨亚川等对“土壤-根系复合体的抗剪强度试验研究”和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)进行。根据试验可知，在施工后七天～二十三个月中生态护坡基材的粘聚力C，随基材含根量的增大而一直增大，最小值为17.8KPa、最大值33.9KPa，受其他因素的影响较小；而在十九个月后根系的加筋作用，随基材含根量的稳定而趋于稳定；内摩擦角在施工后六个月达到极大值33.93°，其主要影响因素是含水量，但内摩擦角对基材的抗剪强度影响不大。总的来说，生态护坡基材-根系复合体的抗剪强度很大，能够很好地满足基材在高陡岩石边坡上的稳定性要求。

综上，影响本生态护坡基材的抗剪强度的主要因素为基材的含根量和含水量。随着基材的含根量和含水量增加，基材的粘聚力C和内摩擦角ψ也增大，基材-根系复合体的抗剪强度不断加大，所以坡面基材和表面岩土体的稳定性也逐渐增强。

4.2抗冻力学性质

温度的变化对土的工程性质有很大的影响，如温度对土的固结、土的膨胀、土颗粒间的作用力和孔隙水压都有一定的影响。在鹧鸪山高寒地区进行生态护坡基材护坡，由于温差较大且最低可达到零下20度左右，基材的抗剪强度也随温度有一定的变化关系。本试验采用无根系的纯基材在室内冻结成不同的温度试样进行快剪试验，试验方法参照杨亚川等对“土壤-根系复合体的抗剪强度试验研究”和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)进行。

                 表6生态护坡基材的抗剪强度随温度的变化关系

温度	-20℃	-10℃	-5℃	0℃	5℃	10℃	20℃	30℃
									粘聚力/KPa	31.2	21.0	23.8	19.0	15.2	14.4	13.6	24.3
内摩擦角/°	21.16	21.81	21.60	24.35	25.53	24.72	25.5	24.40

由室内的模拟试验可知生态护坡基材的抗剪强度随温度的变化关系如表6所示。在20℃时，JYC生态护坡基材的粘聚力最低；随着温度的降低基材的粘聚力逐渐增加，而摩擦角变化不大。这是由于随着温度的降低基材的含水量逐渐降低，尤其在零度以下基材中的一部分液态水变为固态水，改变了基材的水分结构使基材与固态冰渣之间有一定的粘结力，从而增大了基材的抗剪强度。另一方面，随着温度的增加，基材的内聚力也有逐渐增加的趋势，主要是由于随着温度的增加基材的含水量逐渐降低，再加上高分子粘结剂的作用使得基材的结构更加紧密，从而增大了基材的抗剪强度。在20℃时基材的粘聚力C为13.6KPa、内摩擦角ψ为25.5°远大于一般土壤的粘聚力和内摩擦角，再加上植物根系有加筋作用。因此，无论是在更高或更低的温度下，基材的抗剪强度都能满足其在岩石坡面上的稳定性要求。

4.3抗侵蚀性

基材混合物的抗侵蚀性是指基材混合物抵抗雨水侵蚀的能力。基材喷射到坡面后，在坡面植被完全覆盖以前，必须要具有较好的抗侵蚀性。借用水土保持学科中突入的侵蚀模数概念，用基材的侵蚀模数反映基材的抗侵蚀能力的大小。基材的侵蚀模数是指在一定的雨强的降雨条件下单位时间单位面积的基材流失量(g/m².h)。采用人工降雨试验测定基材的侵蚀模数。本试验在通过不同时间对生态护坡基材侵蚀模数的测定，检验基材的抗侵蚀性能是否有抵抗高寒地区高强度、长时间降雨侵蚀的能力，从而确保植物、基材在岩石陡边坡上的稳定性，以及进一步研究植物根系与基材的抗侵蚀性之间的关系。

1、试验方法：参照周德培、张俊云《基材混合物的抗侵蚀性》的试验设计和鹧鸪山的气象资料，利用成都理工大学环工院的人工降雨试验系统进行人工模拟降雨试验。

2、试验控制参数如下：

降雨雨强：170mm/h；持续降雨时间：1小时；试验坡体：1∶0.75；试验时间：基材喷射后3天、1周、1.月和2月；试验槽规格：100cm*50cm*10cm；试验地点：成都理工大学-地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室。

3、主要实验步骤：

1)制作基材混合物供试体；2)降雨雨强的控制；3)固定供试体；4)降雨模拟；5)烘干基材混合物并称量；6)计算基材混合物的侵蚀模数。

4、试验结果分析

经测得基材混合物的平均干容重为890kg/m³，面积为0.5m²，基材喷射后3天的侵蚀模数为275.8g/m².h，最大流失量为137.9克仅占基材混合物总量的0.31％，可以认为基材的流失量很小不会影响草籽的发芽生长。随着时间的延伸，坡面植被的生长，基材混合物的流失量和侵蚀模数迅速减小，经过1个月当坡面植被完全覆盖后，在雨强为170mm/h的降雨条件下，基材混合物的流失量为31.6g，侵蚀模数也仅为63.2g/m²·h，相当于基材混合物总量的0.07％，基材流失也相当微弱了；在经过2个月后坡面植被已完全覆盖了坡面且植物根系的加筋固土作用也加强了，基材混合物的流失量为19.5g，侵蚀模数也仅为39.0g/m²·h，相当于基材混合物总量的0.04％，基材已基本不流失了。

综上所述，该试验证明了本发明生态护坡基材的流失量很小，抗侵蚀能力很强，能够抵抗高寒高海拔地区高强度、长时间暴雨的侵蚀，而不会自身失稳，也不会影响草籽的发芽和植被的生长。

三、主要成果与结论

适合于岩质陡边坡的生态绿化方法有喷混植生绿化和生态护坡基材绿化方法，但随着工程对环境保护要求的提高，采用混凝土作为土壤粘结剂将逐渐被淘汰，掺入高分子材料的生态护坡基材绿化方法，是岩质陡边坡生态绿化的发展方向。本研究通过收集总结国内外大量关于岩质陡边坡生态防护方面的资料，结合川西高寒地区气候、土壤和植被特征，以鹧鸪山隧道工程西引道岩质陡边坡为研究对象，采用室内试验和现场试验相结合、定性和定量方法相结合的综合技术研究方法，研发了一种适合于高寒高海拔地区岩质陡边坡生态护坡的新型生态护坡基材，并从理论和实践上论证了本生态护坡基材的合理性和可靠性，在鹧鸪山工程地区应用较为理想。主要成果和结论如下：

(1)通过岩土工程、土壤学、矿物学、高分子化学等学科的交叉研究，开发了一种新型生态护坡基材，并得到了其最优配合比。该生态护坡基材主要由土壤、植物纤维、高分子调节剂、粉煤灰磁性肥料等组成，该基材具有适合高寒地区植被恢复和生长的良好物理、化学和力学特性，能满足裸露岩质陡边坡的绿化及坡面土壤植被的稳定性要求。

(2)在生态护坡基材中，聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠是影响生态护坡基材物理化学性质的最主要因素。聚丙烯酰胺与水聚合的特征，使土壤具有团粒化特征，起到保水、保肥的效果；羧甲基纤维素钠是一种非离子型的水溶性胶体，具有良好的粘结性能。二者结合使用，性能互补，消除单用羧甲基纤维素钠作土壤粘结剂时使土壤脆化的缺点，既使基材具有保水保肥能力，又使基材通过锚杆、铁丝网与岩石坡面形成一体，达到绿化和护坡的双重目的。

(3)以粉煤灰磁性肥料代替常用的无机肥料作为生态护坡基材的主要肥源，可人为调节土壤磁环境，增加土壤剩磁，从而改善土壤电学性质和加强土壤颗粒团聚化作用，并通过对土壤水的磁化作用来克服无机肥料造成土壤酸化板结而带来的环境污染，而且粉煤灰磁性肥料能引起植物根系与土壤的磁化学和磁生物学效应，促进作物对肥料中微量元素的吸收。

(4)从理论分析和现场护坡试验方面，证明了在本发明生态护坡基材护坡的过程中聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠的降解很少，能够充分发挥其保水和粘结的作用。而其他主要成分土壤、纤维及无机矿物等受到辐射的影响很小，所以本发明生态护坡基材，能够满足在高寒高海拔地区恶劣的地质、气候条件下生态护坡的要求。

(5)本发明生态护坡基材的的三相比例比较合理，基材的水分常数基本稳定，而且由于基材中含有高分子保水材料，具有持续的、超强吸水能力，使得基材的天然含水量在40％左右，远远大于一般土壤的含水量，具有很强的持水和保水能力。因此，该生态护坡基材能够满足高寒地区岩石陡边坡植物生长的抗旱性要求。

(6)本发明生态护坡基材的养分含量、酸碱度以及阳离子交换量的测试结果表明，其养分含量远远大于一般的农田土壤，而且能够持续提供植物生长10年以上。待植物群落完全稳定以后，基材的pH值属于中性土壤范围，其微生物活性最强，养分的有效性也最高，对植物生长最适宜。生态护坡基材的阳离子交换量大于20cmol/kg，属于保肥能力强的基质，具有较高的保肥、供肥、耐肥性能，能够确保基材有较好的保持和供应植物养分的能力。

(7)本发明生态护坡基材的粘聚力为13.6～33.9KPa、内摩擦角为25.5～33.92°，远大于一般土壤的粘聚力和内摩擦角，再加上铁丝网和锚杆的联合作用，本发明生态护坡基材与铁丝网、岩石坡面之间有足够的粘结力，能够为植物在岩石坡面上正常的生长提供稳定的环境。

附图说明：

图1为生态护坡基材护坡基本示意图。

具体施例方式：

本发明实施例1见表7：

表7：

表7(续)

图1中序号1、2、3、4分别为锚杆、植被、网、基材混合物。

上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (3)

1、生态护坡基材，其特征在于包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料    0.25～0.35kg/m²，

植壤土            25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺        0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠    0.20～0.25kg/m²，

水                3.0～5.0kg/m²。

2、如权利要求1所述的生态护坡基材，其特征在于包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料    0.25～0.35kg/m²，

植壤土            25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺        0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠    0.20～0.25kg/m²，

膨润土            0.90～1.0kg/m²，

水                3.0～5.0kg/m²。

3、如权利要求2所述的生态护坡基材，其特征在于包括下列配比的组分：

粉煤灰磁性肥料    0.25～0.35kg/m²，

植壤土            25～30kg/m²，

聚丙烯酰胺        0.25～0.35kg/m²，

羧甲基纤维素钠    0.20～0.25kg/m²，

膨润土            0.90～1.0kg/m²，

植物纤维          1.5～2.0kg/m²，

水                3.0～5.0kg/m²。

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