高性能植被保護(hù)墊對膨脹土邊坡植被恢復(fù)影響實(shí)驗(yàn)研究

□ 許英姿 黃 效 許松宜

1 引言

隨著廣西區(qū)內(nèi)重大工程的推進(jìn)，工程建設(shè)中涉及特殊土的工程問題日漸增多。廣西是我國膨脹土的主要分布地區(qū)之一[1]，膨脹土因礦物成分而具有脹縮性，主要包括蒙脫石、伊利石和高嶺土。這3種礦物都具有吸水膨脹、失水收縮的特性，其中又以蒙脫石最為顯著。廣西降雨量豐富，由于膨脹土脹縮的特性，夏季溫度高的氣候特點(diǎn)使膨脹土脹縮反復(fù)，土體結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)的作用下逐漸破碎強(qiáng)度降低，坡面裂隙發(fā)育對膨脹土邊坡穩(wěn)定性降低[2、3]。

近年來，隨著“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”理念的推動(dòng)，植被恢復(fù)是廣西公路建設(shè)中有效的邊坡防護(hù)方法。植被護(hù)坡一方面能有效攔截雨水，減少雨水對坡面的侵蝕，減少自然條件下表層巖土的風(fēng)化[4]，植被的莖葉使土體晝夜溫差減小，使土坡表層的含水量趨于穩(wěn)定[5]，減少因不同坡面深度下水分不均勻蒸發(fā)而導(dǎo)致裂隙的可能。植物的根系在邊坡上還能起到加筋固土的作用，約束土體裂隙的開展，確保坡面穩(wěn)定。

針對膨脹土邊坡失穩(wěn)問題，結(jié)合國家生態(tài)友好發(fā)展戰(zhàn)略，植草加固是工程中常用的方法，將草根作為加筋材料加固膨脹土。目前，已有的膨脹土植草加固邊坡機(jī)理研究成果主要集中在含根膨脹土強(qiáng)度提高方面，但膨脹土邊坡防護(hù)工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)植草在一段時(shí)間后坡面仍然會開裂，自身的生態(tài)防護(hù)效應(yīng)不足以維持膨脹土邊坡的穩(wěn)定，且開挖邊坡后進(jìn)行種植到植被生長發(fā)育完全存在一段真空期，容易發(fā)生順著裂隙面的淺層破壞。采用植被與高性能植被保護(hù)墊（High Performance Turf Reinforcement Mats，HPTRM）相結(jié)合的柔性護(hù)坡系統(tǒng)可以解決這一問題[6]。HPTRM網(wǎng)是高性能土工材料，具有較高的抗拉強(qiáng)度，約束因膨脹引起裂隙的產(chǎn)生，并且兼具一定的韌性，允許膨脹土產(chǎn)生一定的膨脹變形，減少因膨脹產(chǎn)生的膨脹力對護(hù)坡系統(tǒng)的破壞。HPTRM網(wǎng)與植被相結(jié)合，植物發(fā)揮自身固坡效益的同時(shí)兼顧綠色美觀，HPTRM網(wǎng)的存在彌補(bǔ)了植被在防護(hù)膨脹土邊坡存在的缺陷[7]，彌補(bǔ)開挖邊坡后植被種植生長的這段真空期。采用以植被為主體的柔性護(hù)坡體系防護(hù)膨脹土邊坡，是膨脹土邊坡防護(hù)的新趨勢[8]，目前對HPTRM網(wǎng)的研究主要是物理力學(xué)性質(zhì)的研究，但針對覆蓋HPTRM網(wǎng)后對植被的生長的影響還較少，對HPTRM植被恢復(fù)機(jī)理還鮮有研究。

本文研究高性能植被保護(hù)墊HPTRM對黑麥草生長發(fā)育的影響，分析植被的形態(tài)學(xué)指標(biāo)，為在膨脹土邊坡上進(jìn)行植被恢復(fù)提供有益參考。

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)的土樣取自于廣西南寧市四十九中膨脹土。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999），對土樣進(jìn)行室內(nèi)基本物理力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

2.2 植被選擇

廣西膨脹土養(yǎng)分試驗(yàn)結(jié)果與土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較[9]，其耕植性能遠(yuǎn)低于一般根植土，養(yǎng)分貧瘠、土壤結(jié)構(gòu)性差、PH值呈中性或弱堿性。本文選用適合廣西本土生長環(huán)境，具有一定抗逆性的禾本科黑麥草進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 高性能植被保護(hù)墊（HPTRM）影響試驗(yàn)

研究HPTRM對黑麥草植株生長的影響，設(shè)置3組對比試驗(yàn)，試驗(yàn)坡度均為15°，試驗(yàn)條件相同。第1組是純耕植土，第2組為膨脹土上覆蓋薄層耕植土，第3組在第2組相同條件下，膨脹土與覆土之間鋪設(shè)HPTRM，待出芽后統(tǒng)計(jì)各組的種子發(fā)芽率。試驗(yàn)完成后，各組隨機(jī)齊地面割斷30株黑麥草，測量黑麥草植株高度，取其平均值進(jìn)行比較，并測量各組樣品鮮重，計(jì)算黑麥草的含水量，觀察余下黑麥草的生長情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）發(fā)芽率影響。經(jīng)處理，發(fā)芽率見表2。

表2 發(fā)芽率計(jì)算表

結(jié)合表2可知：雖然3類試樣的條件不同，但在膨脹土上覆蓋耕植土與純耕植土條件下的發(fā)芽率基本一致，在84%～86%。第3種試樣得出覆蓋HPTRM網(wǎng)時(shí)發(fā)芽率為73%，較無網(wǎng)條件下減少近12%，表明在鋪設(shè)HPTRM網(wǎng)時(shí)，黑麥草種子因?yàn)槁癫剌^深，呼吸減弱，發(fā)芽率將會有所降低。

（2）植株生長影響。觀察各試樣出芽后12天內(nèi)黑麥草的生長情況，每隔3天齊地測量出芽后的黑麥草長度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示。

試驗(yàn)于出芽后第66天結(jié)束，隨機(jī)抽取30株黑麥草并且齊地割斷后進(jìn)行測量，統(tǒng)計(jì)3類試樣中黑麥草的長度處于不同長度范圍的占比，如圖1（b）所示。

圖1 黑麥草的生長

從圖1（a）得出，在相同的生長條件下，觀察純耕植土試樣黑麥草植株的生長高度，長勢最好，在出芽后第12天超過含有膨脹土試樣4cm～6cm，結(jié)果表明膨脹土的養(yǎng)分貧瘠，不適宜大多植被生長，這與廣西膨脹土養(yǎng)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論一致。最初發(fā)芽的前3天，由于膨脹土無網(wǎng)試樣的種子埋藏較淺，種子與空氣有良好的接觸，無網(wǎng)試樣出芽較快。但是于出芽的第3至4天后，含有HPTRM網(wǎng)試樣的黑麥草平均長度逐漸超過無網(wǎng)試樣，在出芽后第12天黑麥草的平均長度超無網(wǎng)試樣2cm。這表明HPTRM網(wǎng)改善土壤的通氣性，對微生物和農(nóng)作物生長有一定幫助，能夠促進(jìn)黑麥草初期的生長。

由圖1（b）可知，純耕植土的黑麥草平均生長高度最高，其中最高的植株高度可達(dá)40cm以上，膨脹土覆耕植土試樣長度范圍主要集中在30cm～35cm，占比44%；20cm～25cm次之，占比37%，最高植株可達(dá)35cm～40cm。膨脹土上覆耕植土并鋪網(wǎng)的黑麥草生長更為均勻，長度大致相等，均在25cm～35cm范圍內(nèi)，占比72%。且最高植株達(dá)35cm～40cm范圍的株數(shù)較無網(wǎng)試樣多，說明HPTRM能夠有效地給試樣進(jìn)行水的重分布，使黑麥草生長得更為均勻。

（3）含水率影響。經(jīng)烘干處理，3種不同條件下生長的黑麥草的植株干重（DW）和平均含水率如圖2（a）和圖2（b）所示。

從圖2（a）發(fā)現(xiàn)，純耕植土條件下的黑麥草的干重較其他兩種試樣要高0.05g左右，膨脹土經(jīng)覆土后有無HPTRM網(wǎng)對黑麥草的平均干重影響較弱，HPTRM網(wǎng)的覆蓋對植物生長進(jìn)行的光合作用沒有明顯的阻礙，生產(chǎn)的無機(jī)物產(chǎn)量基本不變，黑麥草正常生長。

圖2 黑麥草的單株干重和平均含水率

由圖2（b）可知，3種不同條件下黑麥草的平均含水量基本相同，黑麥草的平均含水量均在88%～90%。結(jié)果表明在膨脹土上覆土與純耕植土條件下，黑麥草持水能力相差無幾。在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)HPTRM使土壤具有更好的持水能力，比無網(wǎng)試樣多1%的自由含水量，生長狀況良好。

試驗(yàn)結(jié)束后停止?jié)菜?天后觀察純耕植土和無網(wǎng)條件的試樣均出現(xiàn)不同程度的枯萎，但覆有HPTRM網(wǎng)的黑麥草仍正常生長，沒有明顯的衰敗跡象，表明HPTRM對黑麥草的耐旱能力有顯著提升。

4 結(jié)論

經(jīng)覆土改造后膨脹土鋪設(shè)HPTRM的黑麥草出芽后植被的生長速度較無網(wǎng)快。在供水條件不足下，鋪設(shè)HPTRM使土壤具有較好的持水能力，植被的單株含水量和干重較無網(wǎng)條件高。鋪設(shè)HPTRM網(wǎng)后黑麥草生長較為均衡，植株高度大致相同。HPTRM能夠進(jìn)行水的重分布，在邊坡表面覆蓋HPTRM使得植被的耐旱能力較無網(wǎng)時(shí)得到了提升。