厚層基材(TBS)工藝在功果橋電站邊坡生物防護(hù)中的應(yīng)用

田青懷，廖 綾,張洋寧，肖振華，李 威

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司, 浙江 杭州 310030；2.華能瀾滄江水電股份有限公司苗尾·功果橋水電工程建設(shè)管理局,云南 大理 672708)

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厚層基材(TBS)工藝在功果橋電站邊坡生物防護(hù)中的應(yīng)用

田青懷1，廖 綾1,張洋寧1，肖振華1，李 威2

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司, 浙江 杭州 310030；2.華能瀾滄江水電股份有限公司苗尾·功果橋水電工程建設(shè)管理局,云南 大理 672708)

為了探索西部邊坡生物防護(hù)模式，將厚層基材(TBS)工藝引入到云南功果橋水電站邊坡生物防護(hù)治理工程中，以此實例介紹了TBS工藝流程及邊坡防護(hù)植物的選擇，對綠化后的植被生長情況進(jìn)行了數(shù)年的跟蹤調(diào)查。結(jié)果表明，只要合理選擇防護(hù)物種，TBS工藝在西部邊坡生物防護(hù)中完全可以達(dá)到預(yù)期效果并具有推廣價值。

厚層基材；水電站邊坡；生物防護(hù)；應(yīng)用

地球的環(huán)境日益惡化，人類在不斷地采取不同的措施進(jìn)行改善，我國也已經(jīng)將生態(tài)環(huán)境治理納入每年的政府財政預(yù)算中。目前，全國國土、公路、建設(shè)以及房地產(chǎn)等系統(tǒng)均在對歷史遺留的和建設(shè)生產(chǎn)中不可避免破壞的礦山以及新開挖邊坡等，采用不同工藝進(jìn)行著生態(tài)治理修復(fù)[1-2]。傳統(tǒng)的綠化方式如開挖種植、貼草皮、格構(gòu)梁覆土綠化及客土吹附等曾解決過緩坡和土質(zhì)邊坡的綠化問題，但對巖質(zhì)邊坡和坡度較大的邊坡特別是混凝土封閉坡面則無計可施或?qū)嵤┖笮Ч怀志?，不理想?20世紀(jì)90年代，我國工程研究人員引進(jìn)了國外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)邊坡設(shè)計水平、自然氣候和經(jīng)濟(jì)條件等，不斷地試驗、研究和改進(jìn)，形成了一套獨(dú)立的適合我國國情的生物防護(hù)技術(shù)[3]即厚層基材(TBS)工藝。其主要原理為在裸露坡面上噴附一層結(jié)構(gòu)類似于自然土壤且能夠貯存水分和養(yǎng)分的植物生長所需的基質(zhì)材料，使其中植物與土木工程措施有機(jī)結(jié)合，以減輕工程坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕，通過植被根系的力學(xué)加固[4]和地上生物量的水文效應(yīng)[5-6]達(dá)到護(hù)坡和改善生態(tài)環(huán)境的目的，進(jìn)而解決裸露邊坡無法生長植物的難題。由于其具備施工靈活便捷，生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，到目前為止已成為邊坡生態(tài)防護(hù)的主流方式，特別是在我國東部地區(qū)，已被大力發(fā)展和推廣，并受到了社會的檢驗和青睞。

新建電站為國家的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，但是建設(shè)過程中對周邊原始生態(tài)的破壞問題也愈顯突出，為此，被破壞區(qū)域的生態(tài)修復(fù)率已成為新建電站是否具備發(fā)電條件的一項硬性指標(biāo)。對云南功果橋水電站緩坡或土質(zhì)邊坡采用格構(gòu)梁結(jié)合覆土種植，對水泥封閉邊坡與高陡邊坡則采用爬藤進(jìn)行綠化，但見效慢、生態(tài)修復(fù)率低。TBS工藝可以提高邊坡生態(tài)修復(fù)率，加快綠化進(jìn)程，但是工程區(qū)蒸發(fā)量大于降水量的干熱河谷氣候?qū)υ摴に囂岢隽藝?yán)峻的考驗。在云南地區(qū)采用TBS工藝的真實案例較少，相關(guān)文獻(xiàn)報道鮮見，可參考依據(jù)不足，本研究首次將TBS工藝應(yīng)用到云南功果橋水電站開挖邊坡的生物防護(hù)中，以期以工程實例為契機(jī)和基礎(chǔ)，研究出一套適合云南地區(qū)的TBS技術(shù)體系，為相關(guān)工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 工程地概況

功果橋水電站位于云南省大理州云龍縣舊州鎮(zhèn)媳姑壩社，地理位置為98°52′-99°46′ E，25°28′-26°23′ N，氣候呈現(xiàn)旱雨季分明、雨熱同季、干涼同季、冬春干旱的特點(diǎn)。治理區(qū)及其周邊最低氣溫-8.5 ℃，最高氣溫35.6 ℃，多年平均氣溫17.8 ℃，每年最冷月為1月，平均氣溫7.6 ℃，最熱月為8月，平均氣溫21.6 ℃，多年平均最小、最大蒸發(fā)量分別為1 600和1 900 mm，相對濕度75%左右；氣溫年變化大于日變化，年較差平均15.1 ℃，日較差平均14.7 ℃。年平均降水量729.5 mm，但降水量在時間和地區(qū)的分配上極不均衡，全年降水多集中在6月-10月，約占全年降水量的80%。東部、西部降水量偏少，屬少雨區(qū)；東北部、西南部降水量偏多，屬多雨區(qū)，特別是地處西南部的漕澗壩，年平均降水量高達(dá)1 659.7 mm。周邊有豐富的植物種群，有暖性針葉林、常綠闊葉林、硬葉常綠闊葉林和杜鵑灌叢(RhododendrondumicolaTagg et Forrest)等多種植被類型，有高等植物170多種[7]。

1.2 施工區(qū)組成及概況

由壩后右岸邊坡、觀禮臺上邊坡及壩后左岸邊坡3部分組成的工程施工區(qū)均由混凝土封閉，坡面上無任何綠化(圖1、2)。

1) 壩后右岸邊坡：混凝土邊坡，呈梯形狀，坡腳長約200 m，坡長約70 m，坡度55°～60°，開挖形式基本為一坡到底型，無馬道，面積約10 000 m2；

2)左岸觀禮臺上邊坡：混凝土邊坡，三角形狀，坡腳長約100 m, 坡長約10 m，坡度30°～60°，面積約10 000 m2；

3)壩后左岸邊坡：混凝土邊坡，長方形狀，坡腳長約60 m，坡長約50 m，中間設(shè)馬道，面積約3 000 m2。

圖1 壩后右岸邊坡Fig.1 The right bank slope behind the dam

圖2 觀禮臺上邊坡及壩后左岸邊坡Fig.2 The reviewing stand behind the dam slope and the slope on the left bank

1.3 材料

1.3.1 植物種類 植物種類及用量如表1所示。為豐富坡面植物種類，改善坡面景觀，治理工程中選用了高羊茅、狗牙根、山合歡、木豆、豬屎豆、坡柳、翅莢決明、胡枝子、紫穗槐、刺槐、馬棘、多花木藍(lán)、紫花苜蓿和野花組合。

1.3.2 基材 混合基材由當(dāng)?shù)乇韺臃N植土、泥炭土、有機(jī)肥、三元復(fù)合肥、草纖維、保水劑和固化劑等材料組成。TBS工藝材料基本情況如表2所示、基材配比如表3所示。

1.4 方法

1.4.1 TBS生物防護(hù)技術(shù) 采用特制PE網(wǎng)材，網(wǎng)材左右搭接間距10～20 cm，視坡面平整度調(diào)整，錨釘采用“J”型，規(guī)格Φ6 mm，L12～20 cm， 4～6枚·m-2，梅花形布置；網(wǎng)材與坡面間距保持5～6 cm，貼面不足區(qū)域采取墊層解決。將基材以及按既定比例配合的混合種子放入攪拌機(jī)內(nèi)充分拌合，形成類團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的混合基材，由高風(fēng)壓噴射于鋪設(shè)好PE鐵絲網(wǎng)的坡面上，形成植物生長的基質(zhì)層。技術(shù)實施時間為2012年5月-9月，前期養(yǎng)護(hù)持續(xù)45 d左右。

1.4.2 植被調(diào)查 于2012-2015年對施工區(qū)域采用樣線法進(jìn)行植被調(diào)查[8]，利用GPS定位并記錄樣方所在的海拔和經(jīng)緯度。選擇具有代表性的混凝土邊坡植被地段確定樣方范圍，每個坡面選擇10個樣方。樣方確定后采用目測方法根據(jù)生物防護(hù)的作用和目的著重調(diào)查植物生長狀況，包括植物種類、蓋度、高度等指標(biāo)。

表1 植物種類及種子用量Table 1 The plant species and seed dosage

表2 材料基本情況表Table 2 Basic information of material

表3 基材配比Table 3 Process matrix

2 結(jié)果

2.1 植物群落變化

在第1年，高羊茅、紫花苜蓿、木豆、豬屎豆、刺槐、馬棘和多花木藍(lán)生長健壯，表現(xiàn)良好；狗牙根、山合歡、坡柳、翅莢決明、野花組合、爬山虎和常春藤表現(xiàn)一般，胡枝子和紫穗槐未見生長(表4)。植被恢復(fù)第2、3年，山合歡、坡柳、翅莢決明生長量變化較大，表現(xiàn)良好；前期生長良好的豬屎豆和刺槐則消失不見；地被植物和藤本植物經(jīng)過3年的生長，表現(xiàn)更加良好。綜合植被生長的蓋度及高度情況，該工程TBS綠化取得了很好的效果，邊坡植被蓋度在90%以上，沒有發(fā)生大面積的水土流失，景觀效果顯著。該邊坡植被種群已形成了穩(wěn)定的多樣性群落，大量的植物已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)?shù)貧夂?，表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，但是依然有不少物種在雨季集中、干旱期長的立地條件下出現(xiàn)了退化、快速消亡等不適應(yīng)現(xiàn)象。

2.2 施工效果

對該邊坡施工工藝、生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行了近3年的持續(xù)觀測，施工20 d后先鋒物種開始發(fā)芽，3個月后綠色覆蓋坡面，6個月后坡面植被蓋度超過90%，植被中生長著不同品種的小灌木，密度8～10株·m-2，人工引入的觀賞性花卉爭艷怒放，同時已有大量的當(dāng)?shù)匾吧参锶肭?，形成了多物種植被群落的雛形。3年后，坡面植被物種在不斷競爭中趨于穩(wěn)定，先鋒植物在夏季過分潮濕、冬春季極端干旱的氣候下條件逐漸退化，原配方中個別物種已消亡，適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻奈锓N與當(dāng)?shù)匚锓N生長茂盛，種間競爭趨于正常，相互平衡后逐漸形成了優(yōu)勢種群。栽植的灌木成活率100%，爬山虎、常春藤兩種爬藤類植物成活率98%，在前期人工牽引下已朝既定方向攀爬并向四周擴(kuò)展，形成了覆蓋裸露坡面的絕對趨勢。最終構(gòu)成了以灌木為主，草、花、藤共存的多樣性植物群落結(jié)構(gòu)。

期間經(jīng)歷了2013年近兩個月的持續(xù)陰雨、大壩底孔換水和泄洪等高強(qiáng)度雨水沖刷未出現(xiàn)基質(zhì)滑落的現(xiàn)象，2014年1月-3月右岸分別經(jīng)歷24與20 d的養(yǎng)護(hù)斷水，對植物造成較大的傷害，但恢復(fù)供水后均得到返青，進(jìn)一步證明了TBS工藝在此電站邊坡上應(yīng)用的可行性。植被建成后的整體效果如圖3、4、5所示。

表4 植被種群組成及表現(xiàn)Table 4 Species composition and vegetation

注：灌木品種數(shù)量≥5 株·m-2，植株平均高度≥10 cm，枝葉繁茂為良好；品種數(shù)量1～2 株·m-2為一般；植株明顯生長不良、未見或消亡為淘汰；草本植物平均蓋度≥90%為良好，75%～90%為一般，≦75%為不良。

Note：The good shrub species with lush vegetation, density is more than 5 plants per square meters, the mean height is more than 5 cm; the ordinary species density is about 2 plants per square meters; plants failed to grow or disappeared is elimination; mean grass coverage is 90% is good and 75% is ordinary.

圖3 生物防護(hù)邊坡的整體效果Fig.3 The overall effect of biological protection of slope

圖4 植被群落的組成Fig.4 The composition of vegetation communities

圖5 觀賞植物在坡面的效果Fig.5 Ornamental plants in the slope effect

3 討論

3.1 植物種類的選擇

在TBS植被護(hù)坡技術(shù)中，植物種類選擇采用優(yōu)勢群落+伴生群落+試驗群落+觀賞群落的搭配原則[9]，保證發(fā)揮先鋒種群的絕對優(yōu)勢，使其最大限度地生根發(fā)芽，發(fā)揮固土護(hù)坡、涵養(yǎng)水源、遮陽擋風(fēng)等保護(hù)功能，促進(jìn)后續(xù)植物的順利成長。草本植物播種后數(shù)月生長茂密，固土護(hù)坡、防止沖刷效果明顯，但禾本科草易退化衰老，必須采用壽命長、耐干旱、耐瘠薄，固土護(hù)坡及景觀功能勝于草本的灌木，如馬棘、多花木藍(lán)、山合歡等的優(yōu)勢才是生物防護(hù)成功之根本。在植被建植初期，并不追求高的草本蓋度，使灌木能夠充分生長通過自然演替達(dá)到邊坡建植森林的目的[10]。本技術(shù)推廣研究中將草、灌混播護(hù)坡，加上藤本植物的攀巖效果，不僅提高了整個坡面的植被修復(fù)蓋度，縮短了綠化見效時間，同時加入野花組合，極大地提升了施工坡面的觀賞性。

TBS植被護(hù)坡技術(shù)中的植物種類選擇，經(jīng)歷了從簡單到多樣、從傳統(tǒng)技術(shù)到現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展過程。最初的植物種類局限于園林草坪物種，不僅養(yǎng)護(hù)成本高，且生態(tài)效益不理想。美國自1995年以來就強(qiáng)調(diào)鄉(xiāng)土物種的利用和野花植物的生態(tài)景觀功能[11]。而日本也強(qiáng)調(diào)鄉(xiāng)土植物的利用，且主張利用灌木進(jìn)行公路邊坡防護(hù)，要求邊坡綠化結(jié)合坡面綜合防護(hù)進(jìn)行[12]。有研究也曾提出，開發(fā)利用本土優(yōu)良的水土保持植物資源是紫色土丘陵區(qū)斷面植被恢復(fù)、生態(tài)治理的必經(jīng)之路[13]。

結(jié)合巖石與混凝土邊坡干旱、無種植土壤層的生態(tài)環(huán)境，本技術(shù)提出了草、灌、花立體構(gòu)建和諧共融的植被系統(tǒng)；與根據(jù)生物氣候的地帶性，邊坡環(huán)境的適應(yīng)性，植物形態(tài)共生的互補(bǔ)性，以及生態(tài)景觀的統(tǒng)一性，以灌木為主，多科屬、多品種結(jié)合，構(gòu)建喬、灌、草、藤、花立體群落[14-16]的觀點(diǎn)基本一致；與我國南方地區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)、巖質(zhì)邊坡綠化植物應(yīng)用搭配的基本原則相一致[17]。

相比草本植物，灌木對水、肥的需求少，適應(yīng)性強(qiáng)。灌木的深根伸入坡體內(nèi)部，一定程度上可起到錨固坡體的作用[18]。經(jīng)過3年的自然生長與發(fā)展演變，坡面形成了以固土護(hù)坡能力強(qiáng)、景觀效果好的灌木為優(yōu)勢種群，大面積覆蓋基質(zhì)的草和其它地被植物為伴生種群，小喬木與花卉局部點(diǎn)綴的共生群落。該群落可自然協(xié)調(diào)生長與演替且與周圍自然生態(tài)環(huán)境基本融合。從跟蹤調(diào)查結(jié)果來看，灌木中的多花木蘭、馬棘、山合歡、坡柳、翅莢決明能更好地適應(yīng)功果橋水電站壩后邊坡困難立地條件，木豆、高羊茅、狗牙根、苜蓿、野花組合也較適應(yīng)該環(huán)境。

3.2 生物防護(hù)模式

功果橋水電站邊坡生物防護(hù)工程中所采用TBS工藝在連續(xù)雨季、大壩泄洪以及底孔換水等綜合因素作用下基質(zhì)流失量小。在長期干旱條件下未出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂而掉塊的現(xiàn)象，基質(zhì)中前期先鋒類植物雖然出苗緩慢，但后期還是覆蓋了坡面，不僅阻隔了部分降水滲透，也有效防止了水土流失，給后續(xù)植物營造了有利的生存環(huán)境，保證了灌木類的順利成長。木本植物長勢良好，種類繁多，與草本及當(dāng)?shù)厝肭值囊吧参镄纬闪艘粋€共生的多樣性植被系統(tǒng)。綜合來看，采取TBS工藝對該邊坡進(jìn)行生物防護(hù)的生態(tài)效果較為理想，基本達(dá)到了邊坡生物防護(hù)的預(yù)期目的。

發(fā)達(dá)國家如美國、法國、加拿大和澳大利亞等對邊坡綠化很重視[18-19]。如日本，在工程建設(shè)中的主導(dǎo)思想是建設(shè)與綠化同步進(jìn)行。國外邊坡綠化常用的方法有鋼筋水泥框格法、植生卷鋪蓋法、客土植生帶法、纖維綠化法、生態(tài)多孔混凝土綠化法以及客土噴射綠化法等。其中客土植生帶法、纖維綠化法以及生態(tài)多孔混凝土綠化法可用于巖石邊坡綠化[20]。但是客土植生帶法、纖維綠化法和客土噴射綠化法的共同弱點(diǎn)是強(qiáng)度很低，不能承擔(dān)邊坡防護(hù)作用，并且客土植生帶法只能用于緩坡，纖維綠化法和客土噴射綠化法有著保水性能差、不耐旱等缺點(diǎn)。生態(tài)多孔混凝土綠化法強(qiáng)度比較高，防護(hù)作用好，但也存在基材為植物提供養(yǎng)分能力差且成本過高的問題。目前，國內(nèi)在邊坡防護(hù)與綠化方面的研究多限于模仿和引進(jìn)國外的邊坡防護(hù)綠化方法。有的生物防護(hù)模式由于地理位置、氣候條件的差異，很難適應(yīng)植物的生長。

TBS生物防護(hù)模式中，PVC鐵絲網(wǎng)的作用至關(guān)重要，既可以對邊坡進(jìn)行前期的包容而保持一定的穩(wěn)定性，又可以起到噴播后基質(zhì)與坡面聯(lián)系的加筋作用，網(wǎng)材質(zhì)量的選擇和施工決定了整個邊坡植物防護(hù)系統(tǒng)的持久性。植被形成后，PVC鐵絲網(wǎng)和植物的根系糾纏在一起，共同發(fā)揮防沖刷的作用。基材需要含有滿足植物生長3～5年的養(yǎng)分。

另外一個重要因子是基質(zhì)。為了使基層緊實，基材中添加了堿性的土壤固化劑，將SY、GT土壤固化劑和水泥摻入砂壤土，固化劑能顯著提高砂壤土的力學(xué)性能和抗凍性能；在同一個固化劑摻量下,其力學(xué)性能和抗凍性能隨著水泥含量的增加而提高；固化劑摻量、水泥含量與土壤含量三者之間存在協(xié)調(diào)性[21-23]。水泥含量的增加，導(dǎo)致基材pH上升，土壤呈現(xiàn)堿化狀態(tài)，嚴(yán)重影響了豆科植物、灌木的生長，土壤中有效磷含量很低，成為阻礙豆科植物生長的因素[24-25]。

木屑和泥炭土等基質(zhì)的添加，顯著改善了土壤的理化特性，也提高了土壤持水能力[26]，并從一定程度上緩解了固化劑引起的土壤硬化。由于2 mm直徑的稻草會造成土壤過度松散，可能降低基質(zhì)的抗侵蝕能力，所以不宜過量應(yīng)用[27]。

經(jīng)歷了3年時間的自然雨水沖刷，本研究中不同植被條件下土壤徑流量隨沖刷時間的變化較明顯，總體上表現(xiàn)為先增大后減小。對照裸地徑流量隨時間變化低于灌木林地，但高于其它植被條件，這與何淑勤等[28]的研究結(jié)果相一致。

西部困難立地條件實施TBS邊坡綠化施工后，在干旱高溫環(huán)境時需要特別注意前期養(yǎng)護(hù)。種子發(fā)芽期濕潤深度控制在3～5 cm，幼苗期依據(jù)植物根系的發(fā)展逐漸加大到5～15 cm，但要控制不至在基材混合物內(nèi)形成“壤中流”，侵蝕基材混合物中小顆粒及淋失養(yǎng)分，破壞養(yǎng)分平衡。

4 結(jié)論

TBS工藝適用于西部邊坡生物防護(hù)工程，但必須因地制宜地選擇并科學(xué)搭配物種形成共生有效的植被群落，其中更多的考慮種間競爭[29]，合理規(guī)避雨季施工，保持基質(zhì)強(qiáng)度和防治病蟲害是本工藝成功的另一關(guān)鍵要素，干旱季節(jié)根據(jù)植物不同的生長周期采取科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)方法格外重要。

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Application of TBS in biological protection of side slop at Gongguoqiao hydropower station

Tian Qing-huai1, Liao Ling1, Zhang Yang-ning1, Xiao Zhen-hua1, Li Wei2

(1.Zhejiang Eastern China Construction Project Ltd., Hangzhou 310030, China;2.Miaowei·Gongguo Bridge Hydroelectric Engineering Construction Administration of Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Dali 672708, China)

To explore biological protection pattern of western slop, the TBS technology was introduced to manage slop biological protection at Gongguoqiao hydropower station in Yunnan, which presented TBS process and the choice of slop protection plant. Meanwhile, vegetation growth survey was followed after greening for several years, which proved that TBS technology can achieve the desired effect and has promotional value if reasonable species were selected.

TBS; side slop of hydropower station; biological protection; application

Tian Qing-huai E-mail:15216998@qq.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0108

2016-03-03 接受日期：2016-06-14第一作者：田青懷(1977-)，男，浙江杭州人，高級工程師，本科，主要從事高邊坡生態(tài)修復(fù)工程。E-mail:15216998@qq.com

S688.9;Q731.9

A

1001-0629(2016)10-2144-09*

田青懷,廖綾,張洋寧,肖振華,李威.厚層基材(TBS)工藝在功果橋電站邊坡生物防護(hù)中的應(yīng)用.草業(yè)科學(xué),2016,33(10)：2144-2152.

Tian Q H,Liao L,Zhang Y N,Xiao Z H,Li W.Application of TBS in biological protection of side slop at Gongguoqiao hydropower station.Pratacultural Science，2016,33(10)：2144-2152.