喷射生态护坡技术是利用喷射机将植物种子与基材混合物喷射到边坡上，形成适宜植物生长所需的基质层，利用植物与土木工程措施一起对边坡进行防护的同时，恢复或改善边坡的生态环境。它是一种集恢复生态学、水土保持工程学及岩土力学等多学科交叉的综合工程技术[1]。喷射生态护坡技术具有机械化程度高、生产效率高的优点。经过几十年的发展，衍生出众多的种类，逐渐成为主流的生态护坡技术，广泛应用于公路、矿山边坡等各类边坡的生态修复工程中。然而，受气候环境及区域发展等条件的限制，喷射生态护坡技术主要集中在南方地区，西北方等高寒地区鲜有相关应用和报道。目前，关于青藏高原地区边坡的生态修复报道主要集中在铺草皮及覆土撒种等技术上。孙寿等[2]对青藏高原三江源地区高速公路植草皮护坡中草皮生长特性和移植厚度等关键参数进行研究，得出了草皮移植宜在气温回升至15℃左右时进行及移植草皮的厚度应在15～20cm等结论。李林[3]对青藏铁路羊八井段路基进行单播、混播及育苗移栽植草试验，筛选出披碱草、聚合草及羊茅等物种适宜在该地区生长。赵燕洲等[4]研究了不同设计参数的植生袋在青藏铁路路域生态修复中的应用效果，试验表明每个植生袋加入5g冷地早熟禾、4g披碱草和4g老芒麦种子时恢复效果较好。陈桂琛等研究和分析了在青藏铁路取土场直接播种梭罗草的研究，试验结果表明梭罗草对青藏高原气候和土壤环境具有较好的适应性，可以快速恢复裸露取土场的地表植被。上述研究提供的生态修复技术在青藏高原地区边坡的生态修复中能取得较好的恢复效果，但存在施工效率低、机械程度小等问题。近年来，随着青藏高原交通工程的大规模开展，为提高生态护坡效率，有必要在青藏高原地区引入喷射生态护坡技术。在对几种喷射生态护坡技术对比分析的基础上，依托穿越青藏高原仙米国家森林公园自然保护区的国道569曼德拉至大通高速公路(简称曼大公路)NK-SG4标段3#取土场边坡生态修复工程，介绍了湿式喷射生态护坡技术在青海曼大公路取土场边坡的具体应用情况，以为本地区类似工程提供借鉴。

1、喷射生态护坡技术

喷射生态护坡技术最先起源于美国与英国，但得到大规模的发展和应用是在日本，之后经一些科研机构及李光旭等人引入中国[61]。经过几十年的发展，喷射生态护坡技术已衍生出许多不同的方法，为规范这些技术，需要进行科学的分类。叶建军等在2004年通过对喷射生态护坡技术进行考察，从喷射方式的不同将喷射生态护坡技术分为干式喷射生态护坡技术、湿式喷射生态护坡技术和液压喷射生态护坡技术，但限于当时技术还不成熟，该分类体系还不够完善，有必要对其修正和完善。

1.1 干式喷射生态护坡技术

干式喷射生态护坡技术，是在干式喷射混凝土施工技术的基础上发展起来的一种生态护坡技术，施工设备和工艺与干式喷射混凝土技术的大致相同，不同的是两者的混合料不同。干式喷射生态护坡技术中的混合料主要以土壤、有机质、肥料及植物种子等混合物为主。这种技术的工作原理是混合料在搅拌箱中随着转子以一定的速度转动，搅拌到一定程度后在压风的输送下，物料被运输到喷嘴处，并在喷嘴处与水接触形成有一定粘聚性的拌合物，喷射到待修复的边坡表面形成适宜植物生长发育的喷层(即种植层)。干式喷射机的动力泵主要有螺旋式、转子式、罐缸式及转盘四种类型。其中转子式和转盘式应用最多，影响最大。目前在干式喷射生态护坡工程中应用最广泛的PZ-5型干式喷锚机就是转子式喷射机。干式喷射生态护坡技术种类繁多，其中最具有代表性的是许文年等发明的植被混凝土生态护坡技术[9]。植被混凝土生态护坡技术是以水泥为粘结剂，且绿化基材中有机质含量一般不超过20％，同时在绿化基材中添加专利产品一植被混凝土绿化添加剂，使基质层具有良好的结构及营养条件，基材pH值能有效控制在植物正常生长发育的范围内。

1.2 湿式喷射生态护坡技术

湿式喷射生态护坡技术，是在湿式喷射混凝土施工技术的基础上发展起来的一种生态护坡技术，湿式喷射生态护坡技术的混合料呈泥浆状。这种技术的工作原理是混合料与水按一定的比例混合，在料斗中加水搅拌，经泵送或气送将混合料输送到喷嘴处，然后直接喷射或者在喷嘴接入压风(把混合料打散)，再喷射到边坡表面形成适宜植物生长发育的喷层。湿喷机可以分为泵送型和气送型，泵送型主要有柱塞泵式、螺杆泵式及挤压泵式4种类型。气送型又包括转子式和转子活塞式2种类型。而螺杆泵式与挤压泵式湿喷机缺点较为明显，现在已经很少生产。而工程中应用主流的恒睿HKP一180型湿式喷播机就是柱塞泵式喷射机。湿式喷射技术种类较少，其中具有代表性的是湿式客土喷播技术[10]。湿式客土喷播技术的基材混合物中土壤含量较多，喷层厚度一般在8--10cm。

1.3 液压喷射生态护坡技术

液压喷射生态护坡技术的机械工作原理与湿式喷射生态护坡技术相同，从某种意义上来说该技术属于湿式喷射生态护坡技术的范畴。不同之处在于液压喷射技术的混合料更呈现流态，为不含土壤或少量土壤的悬浊液(含种子)；经湿喷机喷射到土质或类土质边坡上形成1cm厚的基质层[11]。液压喷射生态护坡技术所使用的喷射机主要为离心泵式喷播机，如工程中主流的恒睿HYP一5液力喷播机就是离心泵式液压喷播机。由于悬浊液流动性较强，它不适用于较陡的岩质及土壤贫瘠的土质及类土质边坡，应用范围较小，下文不做详细探讨。

1.4 2种喷射生态护坡技术的对比

为了进一步阐明湿式喷射生态护坡技术和干式喷射生态护坡技术的异同点，下面从基材拌和状态、工作环境及适用场合等方面对比分析这2种技术。

表1     湿式喷射生态护坡技术与干式喷射生态护坡技术对比

相对于干式喷射生态护坡技术，湿式喷射生态护坡技术在工作效率等方面有显著的优势，但干式喷射生态护坡技术设备成本较低，能适应更陡的边坡。因此在实际工程中，应从适用性及经济性等方面选择合适的喷射生态护坡技术。下面结合曼大公路取土场的生态修复工程具体介绍喷射生态护坡技术的应用。

2、取土场概况

2.1 气候

3#取土场位于青海曼大公路宁缠垭口至克图段K63+500左侧150m，该地属海北自治州门源县。该地区为祁连山系东端，隶属于青藏高原区域。为高原大陆性气候，光照充足，日照强烈，冬寒夏凉，暖季短暂，冷季漫长；春季多大风和沙暴，雨量偏少，雨热同季，干湿季分明。年平均气温在零度以下，年平均降雨量300,～500mm，主要集中在6-8月份，占全年降雨量的70％，无绝对霜降期。降雪期一般为10月至第2年4月，冻土深度为183cm。全年日照时数在2440～3140h。

2.2 地质与植被

3#取土场所在地区海拔高度为3200～3500m，土壤主要为高原草甸土，质地为粉砂质粘壤。取土场坡高20m，总面积约13000m2，机械开挖后的边坡坡率不尽相同，取土场大部分区域的坡率在l：0.75以下，小部分边坡坡率>1：0.75，属土夹石边坡。取土场边坡坡面植被被彻底破坏，表层土被完全剥离。在自然条件下，植被难在短期内恢复。公路沿线土壤营养成分分析表明，表层土壤含氮、钾和有机质丰富，但缺磷较严重(也缺铁和钙)，pH稍偏碱性(表2)。取土场周围发现常见植物10余种，且大部分是草本植物，其次分布有少量灌木。其中草本植物主要以禾本科牧草和莎草科牧草为主，如冷地早熟禾(Poacrymophila)、披碱草(Elymusdahuricus)、短花针茅(Stipabreviflora)、星星草(Puccinelliatenuiflora)、门源蒿草(Kobresiamenyuanica)、冰草(Agropyroncristatum)等关键物种，及分布金莲花(Trolliuschinensis)、乳白香青(Anaphalislactea)、矮火绒草(Leontopodiumha72“m)等杂草。

表2     公路沿线土壤理化性质

3、取土场生态修复

3.1 生态修复技术选择

不同类型的生态修复技术，由于坡面土壤层厚度、土壤肥力，边坡坡度及气候等条件的不同，其恢复效果和生态修复成本有较大的差异性。因此应该从适用性和经济性的角度出发，结合本地实际情况选择合适的生态修复技术。

3#取土场表层土壤被完全破坏，在进行生态修复时首先应考虑在取土场表面覆盖种植土，为植物的生长发育提供最基本的条件。对于坡顶有道路的边坡，覆盖种植土的做法通常是利用施工机械将种植土从坡顶向下倾倒，然后人工整平。当边坡坡率较大时，种植土不易自然覆盖在边坡上，应采用喷射技术将基材喷射到坡面上，即先在坡面铺设镀锌铁丝网，然后利用喷播机械将基材喷射到边坡上。考虑到取土场位于自然保护区，对环保要求高；以及大部分区域坡率在1：0.75以下，且本区植被生长周期较短，应尽量缩短施工工期等因素，应该采用施工效率高、基材状态较好及无粉尘污染的湿式喷射生态护坡技术。部分取土场坡率>1：0.75，考虑到其面积较小，采用干式喷射生态护坡技术将导致成本增加较多，就一并使用湿式喷射生态护坡技术。

3.2 湿式喷射技术要点

3.2.1 喷播机的选择

选择保定森力克环保设备制造有限公司研制的森力克HPB80120K型湿式客土喷播机。该机采用封闭式搅拌系统能使土壤和基材在罐内均匀搅拌，降低堵塞率，其日喷播面积达到10001212以上。

3.2.2 喷播基材的选择与配比

喷播基材的选择与配比是湿式喷射绿化技术能否成功实施的关键。为保证植物的正常生长，喷播基材应该包括适宜植物生长的种植土以及生长发育所需的各种营养元素和水分。根据表2提供的测土结果，应对表层土进行改良，改良措施为土壤中加人600---800g／m2过磷酸钙及50g／m2的硫酸亚铁。喷播基质应具有这些特征：对植物没有毒害作用、具有良好的团粒结构、能稳定的附着在边坡表面且能抵抗雨水的冲刷、具有较好的保水、保肥性能，可持续为植物提供水分和营养等。综合考虑以上因素，确定喷播基材配比(表3)。

表3     喷播基材种类与配比

3.2.3 植物选择与配比

合理的植物种类及相应植物的配比是构建稳定健康的生态系统的关键[14-15]。植物配置应该满足适应性强、多品种植物搭配及植物景观性好等条件；通常遵循生态适应性原理、生物多样性原理和生态位原理等恢复生态学理论，采用乡土植物及地带性植物。具体的植物配置原则见相关文献，3#取土场的植物配置主要以草本植物为主，适当加入豆科植物，具体的植物配置与用量如表4所示。

表4     护坡檀物种类及种子用量

可见。取土场坡度为1：0.75以下的区域(简称缓坡处)基材保存完整，没有出现因雨水冲刷而形成的冲沟和滑塌，坡底无积水产生。在养护期间，取土场坡度<1：0.75的区域种植的披碱草、冷地早熟禾、星星草及豌豆在一周内相继发芽，其中披碱草和冷地早熟禾率先发芽并迅速覆盖坡面，星星草和豌豆随后相继发芽。而坡度>1：0.75的区域植物发芽率低，生长缓慢。如图2所示，经过1a时间，发现披碱草、冷地早熟禾的越冬能力较强，返青率达到95％以上，并成为取土场的优势物种。对取土场及附近自然边坡的植被覆盖率、物种丰富度及物种多样性等指标进行测定，测定方法见相关文献。结果如表5所示，取土场缓坡区域植被覆盖率达到70％，植物平均高度达到10.8cm，而陡坡区域植物覆盖率约为10％，植物平均高度为7.5cm，植物自然边坡的植被覆盖率为80％，植物平均高度为12.0cm。说明取土场缓坡区域植被覆盖率及植物高度明显高于陡坡区域，且接近于自然边坡。对植物群落的物种丰富度进行调查，发现取土场缓坡区域有自然物种入侵，入侵植物为门源蒿草，而陡坡区域没有物种入侵，且原有的星星草和豌豆物种消失，坡面仅有披碱草和冷地早熟禾。在物种多样性指数方面，缓坡区域Shannon-Wiener多样性指数高于陡坡区域，Pielou均匀度指数低于陡坡区域，且与自然边坡相比没有明显差异，说明取土场缓坡区域物种丰富度和物种多样性优于陡坡区域。综合来看，取土场坡度为1：0.75以下的区域生态修复效果较好，已逐渐向自然植物群落进行演替，而取土场坡度>1：0.75的区域生态修复效果较差，其植物群落逐渐退化。通过观察，发现坡面较缓处基材保持完好，而坡面较陡处基材有不同程度的侵蚀。基材的不同状态是导致生态修复效果差的最主要原因。

表5     取土场生态恢复效果指标

5、结论与讨论

青藏高原自然保护区年积温低、植物生长周期较短及地表植被生产力低，是典型的生态脆弱区。在这种地区进行公路建设应十分注意取土场边坡的生态修复。本研究在充分对比分析湿式和干式喷射生态护坡技术的基础上，选择湿式喷射生态护坡技术对穿越青藏高原仙米国家森林公园自然保护区的国道569曼德拉至大通高速公路NK-SG4标段3#取土场进行生态修复。结果表明：取土场恢复效果因取土场坡度的不同而表现出较大的差异，其中坡度<1：0.75的区域植被覆盖率、植物生长高度及植物多样性指标明显高于坡度>1：0.75的区域，且植物群落逐渐向自然边坡演替。表明湿式喷射生态护坡技术适用于坡度<1：0.75的边坡。可以考虑在坡度>1：0.75的区域采用千式喷射生态护坡技术。不同坡度的取土场坡面生态修复效果的差异性是由坡面基材的不同保持状态引起的。陡坡处基材的保持远不如缓坡，局部基材全部消失。造成这个现象可能的原因主要是：

1)基材流动性大。湿喷基材流动性较大，喷射到较陡坡面时会造成喷层流淌、基材难以定型及喷层厚度难以保证等问题。

2)水土流失。喷层在自然降雨作用下，一部分雨水下渗到喷层里，改变基材的内部结构，在雨滴打击和水流冲刷下，造成基材严重侵蚀。

3)冻融破坏。取土场所在的青藏高原地区太阳辐射强烈，气温相差大，夏季多降雨，冬季多风雪，易发生冻融破坏。冬末春初时期，白天取土场表面温度上升0℃以上，坡面积雪和基材层冻土逐渐融化，水分向下渗流，夜间温度又下降到0℃以下，基材层中的水分重新冻胀。在上述冻融交替的作用下，极大的改变了基材层的内部结构，降低基材的稳定性，同时基质内部形成冰夹层，使冰层上的水分难以下渗，导致基质表层增重，在重力作用下产生剥落。为了解决在较陡边坡(一般>1：0.75)运用湿式喷射生态护坡技术时造成的喷层流淌、脱落等问题，在以后的施工中可采取加强覆盖(如使用无纺布、遮阳网、植物纤维毯覆盖)、改善基材配方(加入植物纤维和使用更好更多粘合剂)、使用我们的发明“一种草笼加筋喷层生态护坡结构及其施工方法(申请号：201710923186.1)”提供的新型生态护坡结构等措施加以解决。上述措施的综合运用，将有望彻底解决湿喷工艺用于陡坡时存在的问题。

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基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0502208);中铁十六局横向科研项目“青海曼大公路建设生态环保技术研究”(4201/00324).

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