固废基生态护坡基材的抗侵蚀性能与区域适用性

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Erosion resistance and regional applicability of a solid-waste-based ecological slope-protection substrate

　　

传统的生态护坡基材严重依赖种植土，限制了工业固体废弃物的大规模利用。本研究以粉煤灰作为泥炭土的主要替代物，并采用烟气脱硫石膏（flue gas desulfurization gypsum, FGDG）与水泥组成的复合胶凝材料，开发了一种固废基生态护坡基材。采用L16正交设计和熵权法评价了配合比对理化性能、植被相关性能及力学性能的影响。最优配方为30%粉煤灰、12%水泥、15%FGDG和43%泥炭土，并添加2%保水剂和2%生物炭。在保持良好植被生长和力学稳定性的同时，总固废含量超过50%。模拟降雨试验表明，径流随降雨强度和坡度的增大而增加，而入渗受基材入渗能力阈值的限制。在相同降雨和坡度条件下，固废基材的土壤流失量比泥炭土基材低约60%。采用中国土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation, CSLE）的区域评估将大连30°–50°坡面划分为微度或轻度侵蚀。因此，所开发的基材可在减少种植土消耗的同时，为生态护坡提供足够的抗侵蚀能力。

生态护坡是兼顾边坡稳定与生态恢复的可持续工程措施，其效果在很大程度上取决于所用基材的性能。传统生态护坡基材严重依赖种植土，而随着中国农田保护政策趋严和城市化推进，适宜土壤资源日益紧缺，这限制了生态护坡技术的经济可行性与长期可持续性。同时，工业固体废弃物的大规模利用已成为可持续发展的重要方向，但以往固废多作为辅助改性剂使用，对种植土的替代率较低。因此，开发以工业固废为主要组分的生态护坡基材，并系统评估其抗侵蚀性能与区域适用性，具有重要的工程与环境意义。

针对上述问题，研究人员以粉煤灰作为泥炭土的主要替代物，采用烟气脱硫石膏（flue gas desulfurization gypsum, FGDG）与水泥组成的复合胶凝材料提供结构稳定性，并添加生物炭改善植被生长条件，制备了固废含量超过50%的固废基生态护坡基材。通过室内种植试验、模拟降雨侵蚀试验以及基于中国土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation, CSLE）的区域评估，证实了该基材在减少种植土消耗的同时具备足够的抗侵蚀能力。相关研究成果发表在《KSCE Journal of Civil Engineering》。

在技术方法上，研究采用了L16正交设计安排配合比试验，结合熵权法对理化性能、植被性能和力学性能指标进行客观赋权与综合评分，从而确定最优配合比；利用可调坡度的室内模拟降雨装置，在4种降雨强度和3种坡度下测定坡面变形、径流、入渗和土壤流失量；并通过CSLE模型估算大连地区的土壤侵蚀模数。试验所用固体废弃物由大连环富生态科技有限公司提供。这些方法为固废基材的配方优化和区域适用性评价提供了系统框架。

研究结果方面：

3.1 降雨作用下坡面变形：通过钢尺测量坡顶、坡中和坡脚处基材厚度变化。结果表明，坡顶厚度减小，坡中和坡脚厚度增大；在46 mm/h暴雨强度下，坡度从30°增至50°时，坡顶平均厚度下降约11%，坡脚厚度增加超过30%，说明坡面颗粒被径流搬运并在中部和坡脚沉积。

3.2 降雨入渗与地表径流：根据体积含水率将降雨过程分为非饱和与饱和阶段。非饱和阶段，50°坡在暴雨条件下的平均径流比小雨时增加约115%；暴雨时坡度从30°增至50°，径流增加19.8%，入渗减少约11.0%。饱和后径流进一步增大，入渗减小，高强降雨条件下呈现径流主导的排水特征。总体而言，径流随降雨强度和坡度增大而增大，入渗主要受入渗能力阈值控制。

3.3 坡面土壤流失：暴雨条件下的土壤流失量平均为每增大10°坡度增加19.2%，而小雨时对应增加45.7%。同一坡度下，暴雨土壤流失量约为小雨的5-8倍，表明降雨强度是侵蚀总量的首要控制因素。

3.4 固废基材与泥炭土基材抗侵蚀性能对比：在40°坡度下对比两种基材在4种降雨强度下的土壤流失，固废基材平均减少约60%。这归因于其更低的孔隙率（41.3%对88.7%）和更高的干密度（1.58 g/cm³对1.30 g/cm³），以及粉煤灰与FGDG-水泥水化产物形成的致密结构。

3.5 基于CSLE的大连区域适用性：利用修正Fournier指数法计算降雨侵蚀力因子R，用修正EPIC方程计算土壤可蚀性因子K，并根据坡度计算坡长坡度因子LS，结合植被措施因子B等，得到固废基材在30°-50°坡面下大连各行政区的侵蚀模数。按SL 190-2007分级，庄河、瓦房店、大连市区和长海为轻度侵蚀区，普兰店、旅顺口和金州为微度侵蚀区，均属可接受范围。

讨论部分指出，降雨强度主要控制径流产生量与侵蚀强度，而坡度通过增强顺坡重力分量和径流输移能力加速颗粒迁移。基材入渗能力阈值是径流增大的关键，高强降雨和陡坡条件下径流主导的水流会增加坡面水力和颗粒剥离风险，需辅以排水和表面防护措施。固废基材的致密结构减少了快速入渗和浸润软化，有利于提高抗冲刷能力。

研究结论可归纳为：（1）L16正交设计与熵权法确定的最优配方为30%粉煤灰、12%硅酸盐水泥、15%FGDG和43%泥炭土，外加2%保水剂和2%生物炭，在显著减少种植土的同时满足植被和力学要求。（2）模拟降雨试验显示坡顶减薄、坡中坡脚淤积，暴雨条件下30°至50°坡度使坡顶厚度下降约11%、坡脚增加超过30%；径流随降雨强度和坡度增大，入渗随坡度增大而减小；降雨强度控制径流和侵蚀量，坡度促进颗粒输移和沉积。（3）相同条件下固废基材土壤流失比泥炭土基材平均低约60%，其低孔隙率和高干密度及致密结构是其抗侵蚀性更好的原因。（4）CSLE评估显示大连所有行政区在30°-50°坡面下为微度或轻度侵蚀，满足生态护坡基本抗侵蚀要求，但仍需场地实测验证。