随着世界经济的高速发展,铁路、公路及水利基础设施等的建设不可避免地破坏着原有的地表和地貌,虽然建设成果为人类创造了极大的便利,改善了人类的生活条件,但是生态环境问题却成为了人类活动与自然界不可调和的矛盾[1]。

为了减少水土流失、恢复生态平衡、保护生态环境,国内外相关学者和机构开展了大量的研究。美国和日本起步较早,相继研究出了喷播设备,开发出了纤维土绿化工法、高次团粒SF绿化工法、厚层基材工法和客土喷播等工法。随着我国科学技术的不断发展,国力的不断增强,环保意识的全面提高,涌现出了一大批如周德培、张俊云等生态研究学者以及西南交通大学等研究机构,在借鉴了国外经验的同时加入了中国元素,开发出了适合我国国情的工艺,形成了科学的理论研究基础。近年来,较多学者及工程技术人员在该理论基础上结合边坡特殊的立地条件进一步改良后开发出了如植被混凝土、喷混植生[2,3]等新工艺,为我国边坡植被修复开辟了新的道路。

但是,目前这些常用的、成熟的生态修复技术如喷混植生技术[2,3]、三维植被网法[4]等一般工艺只适用于坡比小于1∶0.75的岩石边坡,在大于1∶0.75的岩面上存在基质易脱落、抗侵蚀能力弱、不易构建基质-植被综合体系等缺陷[5],达不到理想的生态效果。生态袋技术引进后由于其具有操作简单、技术性强、可随坡就势、防护效果好等特点受到了人们的重视,在丰富岩质边坡生态景观内容方面也发挥了非常积极的作用[6],因此,被广泛应用于边坡生态修复领域中。随着生态袋的大量使用,越来越多的问题也随之暴露,如袋子破损填充物泄漏、整体或局部垮塌、表层植被难以建成或生长不良等。通过对这些问题的实地调查、研究分析后认为主要根源是行业内对生态袋产品的适用性和适用范围认识欠缺、材料质量把关不严、施工行为不规范等引起的。查阅相关资料发现文献报道多集中在施工介绍方面而且报道数量较少,该研究从生态袋的结构、原理、施工技术要点及应用等方面进行了较为系统的总结和论述,以期在工程实践中发挥一定的指导意义并能够充实生态袋技术在相关方面的研究资料。

1、生态袋的结构及技术要点

1.1生态袋的结构

生态袋系统由生态袋袋体、三维排水联结扣(简称联结扣)、扎扣带、加筋格栅等组成,生态袋各结构及功能见表1及图1。

1.2生态袋工作原理

在水平向放置的生态袋骑缝处插入三维排水联接扣,再将上层袋体的中心位置压入联结扣上方的锥刺上,最终形成横向与纵向均为稳定状态的整体互锁结构。

表1生态袋结构及功能

图1生态袋结构关系

1.3技术要点

生态袋施工技术要点:1)清除坡面不稳定体、杂物等保证作业环境的稳定性;2)基础力求稳定、硬实、平整;3)灌装基材配比科学,利于系统稳定与植物生长;4)生态袋灌装量达到85%～90%;5)扎口带必须拉紧并与缝线结合处靠内摆放;6)叠砌时由下至上、层层错缝、接头紧密;7)过程中夯平、夯实生态袋顶面、侧面,确保袋间联结紧密和叠砌质量。

2、生态袋的应用

生态袋为柔性结构,具有可塑性强、随坡就势等特点,既可单独摆放也可堆叠发挥群集效应。摆放完成后既可结合喷混植生绿化工艺实现水土保持、生态修复,也可为景观苗木的种植提供良好的物质基础,从而丰富植被层次感和提高观赏性。

2.1鱼鳞坑

受前期开采及后期自然降雨、地表径流的共同侵蚀,边坡上通常存在大量凹凸不平的微地形,较多的水分和养分在此集聚,为植物的生长与存活创造了有利条件。采用生态袋在这些坡面凹陷四周围堰或在地形低矮一侧叠砌数层形成或大或小的鱼鳞坑,可有效减缓地表径流速率、减少水土流失,促进边坡稳定性。此外,在鱼鳞坑内回填种植土种植部分乔灌木及爬藤类植物可增加坡面植被丰富度和物种多样性,进一步显著提升边坡景观效果。

2.2坡脚围堰或堆叠

边坡开采完成后时常形成坡度>63°甚至倒倾状岩面,严重制约了边坡生态治理常规工艺的利用及效果的发挥,裸露岩面与周围自然生态环境形成强烈对比,视觉效果不良。对坡高小于20m的稳定边坡可采用生态袋技术修复,在坡脚地基相对稳固区域叠砌生态袋形成大的围堰区,回填种植土需满足植物生长需要最低土层厚度和生理特性,也可采用大量生态袋堆叠创造斜坡环境,其表面或采用喷混植生或采用种植。

围堰区内或堆叠的斜坡上靠近坡面一侧种植高大速生乔木,如刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn)、泡桐(Paulowiniafortunei(Seem.)Hemsl)及竹类(Phyllostachysheterocycla(Carr.)Mitfordcv.PubescensMazelexH.deleh)植物等;乔木下栽植爬山虎(Parthenocissustricuspidata(S.etZ.)Planch)、凌霄(Campsisgrandiflora(Thunb.)Schum)及络石(Trachelospermumjasminoides(Lindl.)Lem)等爬藤类植物;乔木周围布置桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.)Lour)、鸡爪槭(AcerpalmatumThunb)、杨梅(MyricarubraSieboldetZuccarini)、小叶女贞(LigustrumquihouiCarr)球等灌木形成植被层次感;为丰富群落观赏性可搭配红枫(AcerpalmatumThunb.F.Atropurpureum(VanHoutte)Schwer)、紫叶李(PrunuscerasiferaEhrhartf.atropurpurea(Jacq.)Rehd)、红叶石楠(PhotiniaserrulataLindl)等彩叶树种以及花卉类植物。通过园林植物的合理配置制造出小范围植被群落改善裸露岩面的生态缺陷,待速生乔木和爬藤类植物成活后可逐渐遮挡裸露面,最终达到边坡生态修复治理的目的。

2.3填充格构

稳定性较差、较破碎的边坡常使用格构梁进行加固,以提高边坡稳定性,为避免裸露岩面受风雨侵蚀进一步风化,维持格构质量,常采用填充生态袋结合挂网喷播的复合工艺修复。植被的生长在显著促进边坡稳定性的同时也覆盖了混凝土结构,实现了坡面植被修复与保护边坡的双重目的。

这种复合工艺在工程实践中被大量使用并取得了较好的生态效果。袁磊等[7]对济南市大量破损山体高陡岩质边坡修复成果进行了调查研究,选择了5种不同的施工工艺做对比,研究表明,格构+生态袋+挂网喷播模式下植被覆盖度、物种个体总数、物种丰富度指数最高,植被多样性指数最低,证明了此复合工艺可行且更具优势,这也与马娅等[8]的研究结论相似。

2.4截、排水沟

传统的边坡截、排水沟防护措施如浆砌片石、混凝土结构等主要强调了对边坡稳定性的贡献,而忽略了对工程与周围生态环境的和谐相处[9]。生态袋技术结合喷播组成的柔性系统将硬质的工程结构与绿化合二为一,既构建了稳定、抗冲刷的防护结构,又构建了能透水、透气、适合植物生长的生态防护平台,满足了生态平衡需要,实现了结构安全与生态绿化同步[10]。

按设计规格开挖截、排水沟基础,依据施工方案和相应技术要求将生态袋叠砌其中,每隔一定间距用L型锚钉将生态袋系统固定于水沟基槽内,经过一段时间的养护管理,生态袋表面植被覆盖度增加后其下部根系土壤吸收部分水分,上部植物枝叶则拦截一定径流,促使水流流速降低,减弱其对袋体及内部土壤的侵蚀,从而起到截、排水作用。

3、质量影响因素

3.1坡度

坡度是影响生态袋技术使用效果的一个关键因素。国内部分学者研究认为生态袋可以铺设于近垂直乃至倒倾状岩质坡面实现生态修复,这似乎夸大了生态袋的应用范畴,与工程实际存在显著差异。大量的科学研究及工程实践证明,边坡坡度值与其植物的总密度近似趋于负相关,坡度值越大,该点植物的总密度值越小[11]。这是由于在较大坡度下生态袋降雨入渗系数小、袋内基材持水率低、养分损失率大,难以维持植物生长所需导致。李华翔等[11]在河南焦作市北部矿区对已经竣工6年的生态袋覆绿技术植被生长状况进行了调查,发现坡脚和坡度较缓区域的生态袋中植物普遍生长良好,而在较陡区域则未见袋中植物成活,研究提出在边坡稳定的情况下生态袋技术适用于≤63°范围内的岩质边坡。这一调查研究验证了工程实践中陡坡植物难以成活的事实,也为同类型边坡生态修复治理工艺的选择提供了扎实可靠的科学依据。

3.2袋体质量

在工程实践案例中经常发现生态袋完工几年后即出现袋体破损严重、基材外泄、表层植被生长不良甚至严重退化或者袋体排水不畅导致滑坡等现象,不仅严重影响了边坡本身的生态效益和社会效益而且严重威胁着工程自身的安全稳定性。究其原因,一方面可能是规划有误、设计不到位,对影响边坡稳定的因素、植物成活的基本条件把握不周、施工不规范等原因所致;另一方面则是采购生态袋过程中忽视了袋体本身质量的重要性。在袋体选取过程中相关技术人员除索取供应方的袋体合格证、试验报告外还必须将进场的材料实物抽检取样送达有资质的单位进行复检,检测结论与《土工布及其有关产品宽条拉伸试验》(GB/T)、《土工合成材料梯形法撕破强力的测定》(GB/T)等相关规范要求指标对比,满足规范要求时才可发放使用。这与李华翔等[11]通过调查实验认为拉伸强度≥7.25kN·m-1、撕裂强度≥160N、握持强度≥400N、CBR顶破强度≥1.5kN、同时降雨入渗系数>0.36的生态袋可以满足工程应用质量要求的结论是一致的,与杨政文等[12]在生态袋护坡加筋挡墙结构研究中对生态袋性能试验的研究结果相似。工程实际案例结合各学者研究结果综合表明生态袋质量是影响施工质量的另一个重要因子,其本身的物理力学性能决定着整个生态工程的质量[13]。

3.3基材

生态袋中基材的配比非常重要。实际施工中基材一般由当地种植土,部分有机质、少量复合肥和保水剂等材料组成。种植土主要为植物生长提供物质基础、养分和矿物质等,是生态袋内主要填充物质;有机质等可提高基材疏松度,改善种植土性质,增加植物根系透水、透气、持水能力,利于植物健康生长。因国内基材的配比并未形成统一的标准[14],基本都由施工技术人员根据工程实际情况依靠经验现场配置,现场人员缺乏相关理论基础知识时,基材配比往往不尽人意,为了节省成本有机质等辅料太少甚至不添加造成基材自重大、运输安装不方便、叠砌后在相互挤压的情况下基材结块严重,强度陡增,透水性及持水能力差,不利于植物根系的伸展发育,无法正常提供植物所需的生长环境,导致覆盖度低、退化明显,致使缺少植被保护长期裸露在外的生态袋受外界作用力的影响极易出现破损。从而引起垮塌等次生灾害,严重影响工程质量。当有机质等含量过大时,施工成本增加且基材过于疏松,不利于整个工程的稳定性[15]。所以,基材的配比要同时兼顾工程的稳定性和植被的持续生长,改良到能够满足草本、木本植物生长需要即可[16]。

4、讨论

1)李华翔等[11]曾在河南焦作对生态袋失败案例进行了调查,研究了生态袋内的填充基材,归纳出了采用耕植土58%、腐殖质15%、砂土25%、蛭石1.5%、珍珠岩0.5%的配比方案,但该研究认为这仅仅是对一个地区或一种气候具有适用性。植物受施工区域的纬度、海拔和坡度等影响较大,基材配比方案也应当要发生改变。所以,生态袋内基材科学、合理的配比与纬度、海拔、坡度、植物品种等的相关性还有待于国内研究学者进一步研究开发,奠定相关行业的理论知识基础。

2)生态修复过程中常发现工程技术人员在一块孤石顶部或者陡崖脚部某个特殊位置摆放单个生态袋,上面种植观叶灌木或宿根类花卉,期望能够创造出野生生境植被群落中“山丹丹花开”的景观形象,但是,植物最终消亡殆尽。这是因为植物生长过程中土壤是最关键的基础物质,特别是对于岩石边坡来说,如果没有一定厚度和宽度的土层做基础,要保证和维持植物群落的长期稳定发育是很困难的[17]。因此,在边坡生态修复工作中掌握植被的生长要求与坡度、基材厚度及宽度等的关系非常必要。

3)目前国内边坡截、排水沟主要采用传统的浆砌片石砌筑,人工痕迹明显,破坏了自然景观结构[18]。陈冀川等[19]认为生态袋可以代替传统型截、排水沟,既可有效排水又可隐藏排水沟。现实中也有少量的案例采用了这种方法,效果较为显著。张梦娇等[20]在天津市北大港农场进行了生态袋护坡排水毛沟排水排盐效果研究,结果表明,生态袋护坡排水毛沟的效果与其它排水沟效果相差无几。陈文学等[21]研究认为生态袋在护岸工程中可以起到一定的作用,但是在生态袋植被生长之前应采取一定的工程措施,避免水流波浪长期直接冲刷生态袋护岸造成坍塌。以上2位学者的研究成果佐证了陈冀川等[19]所提观点的正确性并为工程实践提供了一定的科学依据。这与KIM等[22]对生态袋抗冲刷特性的研究结果相似,当水流流速不超过1m·s-1时长有植被的生态袋最大损失率几乎与水流流速无关。但是,陈文学等[21]同时提出目前国内人们对生态袋护坡水力特性的研究很少,缺乏生态袋浪蚀特性的定量分析,相关方面还有待于深入研究。因此,生态袋在实际工程应用中作为截、排水沟护坡措施使用时要综合考虑截、排水沟的坡度、宽度、高度及沟底平顺度等因素的影响确保生态袋的安全稳定性,同时要在生态袋植被覆盖度不足之前采取合理的保护措施。

4)坡度为45°的边坡在生态修复领域是非常理想的,在边坡稳定状态下国内一般采用机械化程度高,复绿效果快的客土吹附、喷混植生等工艺修复。为了进一步提升景观效果、增加物种丰富度、增强植被层次感,往往采用坡面挖坑种植的方式,但是受种植坑间距的影响只能孤植或簇植,无法片植或形成景观带。当对坡面提出种植要求体现景观时这些传统的喷播工艺及坡面覆土均因无法满足乔灌木维持生命的最低土层厚度而不被采纳。此时,采用坡面固定生态袋的方式不失为一种有效措施,既可解决种植基础的厚度又可保证系统的稳定性。这与MORIDA[23]提出的在边坡低于45°的坡面上采用生态袋垒砌复绿法种植乔灌木的做法大致吻合。

5)鱼鳞坑的布置能够改变边坡局部小地形,增加坡面的粗糙度,提高土壤入渗能力,不但对降雨径流侵蚀能量有很大的减弱和消除作用,减轻坡面水土流失强度,而且有利于土壤水分的补充[24]。但是在旱季同样增加了土壤与空气接触面积,增加了水分的无效蒸发,因此,对鱼鳞坑内回填种植土的表面采取覆盖措施是非常必要的,既可以拦蓄降雨又可以保墒蓄水。这与李虹辰等[25]的研究结果相似。

5、结语

生态袋技术虽然在边坡生态修复领域被广泛应用,但是生态袋的施工成本、适用范围、袋体质量及基材配比等要素对质量的影响也要加以重视。因此,要结合工程特征、地质环境特点及技术要求等因素综合考虑,因地制宜地灵活应用。

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