（道路与铁道工程专业论文）公路边坡植物防护和绿化的研究.pdf

摘要 随着环境问题越来越受到人们的重视，公路的环境正成为人们关注的焦点。公路不 仅在建设期内破坏环境，而且在运营期间也在污染环境。因此，解决公路环境阃题已经 刻不容缓。 本文从道路工程和生态防护两方面，对公路边坡植物防护与绿化的进行理论研究， 同时结合以往的公路边坡绿化的经验，以g 3 2 2 线全州黄沙河至桂林段旅游公路( 以下 简称全桂路) 的改造为基础，探索公路边坡植物防护的一般方法。进而提出应用在全挂 路的植物物种选择和配置方式、防护类型和植物防护施工方法。 具体内容包括研究了边壤破坏的原因，双理论上分析边坡破坏鼢因素，论述_ ，边 坡植物防护在防边坡破坏的作用。利用水力学原理和泥沙冲刷理论及公式检验边坡植物 防护的作用。对植物防护下的边坡进行力学演算，即利用泥沙理论和水利学原理计算在 植物防护下边坡的防冲刷能力。在参考多条公路的基础上，从理论方面提出示范公路 合适的边坡植物选择、配置模式及防护施工技术，研究的方法主要是通过调查、分析 和比较云南已建公路边坡防护的情况，总结出适合依托工程的植物类型和组合方 式，并利用已有的资料开发出适合试验路的护坡植物种f 组合，并取得良好的敲 采。通过分析以往不同区域公路边坡植物防护施工方式，总结出不同施工方式的适用 性。通过分析不同地区的道路施工方式的应用，检验各种簏工方式的优缺点。j 司时利用 云南与广西地理位置的相似性，为试验路利用此技术提供理论基础。通过在全柱路上施 用护坡技术，从而证明护坡技术在公路上的适用性。 关键词公路；边坡；绿化；植物防护 东北林业大学醺土学位论文 a b s t r a c t w h e nt h e p e o p l e a t t a c hm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c et oe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h c e n v i r o n m e n ti st h ep e o p l e sf o c u sp o i n to nt h eh i g h w a y t h ee n v i r o n m e n tn o to n l yi sd e s t r o y e d d u r i n gb u i l d i n gt h eh i g h w a y ，b u ta l s oi sp o l l u t e dw i t hu s a g eo fh i g h w a y s ow cm u s ts e t t l e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mo nt h eh i g h w a y t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dl a n d s c a p ep l a n n i n go nt h eh i g h w a y t h r o u g hr e s e a r c h i n gp l a n t p r o t e c t i o na n de n g l n e e d n gw es h o u l df i n dt h ew a yo ft h es i d es l o p ep l a n tp r o t e c t i o n a tt h e s a m et i m ew es h o u l du n i t et h ee x p e r i e n c ew h i c hi sg o tb yt h er e s e a r c ho fq u a nz h o ut og u ii i n h i g h w a ya n dt h eo t h e rh i g h w a y t 1 i ep a p e rb r i n gf o r w a r dp l a n ts o r ta n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y o nt h eq u a ng u ih i g h w a y a ll a s tt h ep a p e rb r i n gf o r w a r de x e c u t i o nw a yo nt h eh i i g h w a y t h ep a d o rr e s e a r c ht h er e a s o no fs l o p ed e s t r u c t i o n t h ep a p e rd i s s e r t a t et h ea c t i o no fs l o p p l a n tp r o t e c t i o nb yt h ea n a l y s i so fs l o p ed e s t r u c t i o no nt h et h e o r y n ep a p e rv e r i f yt h ea c t i o n o fs l o p ep l a n tp r o t e c t i o nb yt h eu s eo fh y d r a u l i c sa n ds e d i m e n tc o r r o s i o nt h e o r y t h ep a p e r b r i n gf o r w a r dt h ew a yo fm e c h a n i c sc a l c u l a t i o na b o u ts i d es l o p e t h ep a p e rb d n gf o r w a r d p l a n ts o r ta n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo nt h eb a s i no fs e v e r a lh i g h w a y i ti st h ew a yt h a tt h e p a p e rg e n e r a l i z ep l a n tc a t e g o r ya n dc o m b i n a t i o nw a yi n t h e s u b t r o p i c a lz o n eb yt h e i n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s 。t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dp l a n ts o r ta n dp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yo nt h e b a s i no fs e v e r a lh i g h w a y 1 r h cp a p e rg e n e r a l i z et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ed i f f e r e n te x e c u t i o nw a y b yt h ea n a l y s i so fp l a n tp r o t e c t i o nc x e c u t i o nw a yi nt h ed i f f e r e n tz o n e t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo ft h ed i f f e r e n te x e c u t i o nw a yi sv e r i f i e db yt h ea n a l y s i so fr e a de x e c u t i o nw a y a p p l i c a t i o ni nt h ed i f f e r e n tz o n e b e c a u s et h es i t u a t i o no fy u nn a np r o v i n c ea n dg u a n gx i p r o v i n c ei ss i m i l a r t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dt h et h e o r yb a s i no ft h eu s eo ft h et e c h n o l o g y t h e p a p e rv e r i f ya p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o t e c t i o ns l o p eb yt h eu s eo fs e v e r a lt e c h n o l o g yo nq u a nz h o u t og u il i nh i g h w a y k e y w o r d sh i g h w a y ；s i d es l o p e ；l a n d s c a p ep l a n n i n g ；p l a n tp r o t e c t i o n i i 1 绪论 1 。1 引言 1 绪论 随着我国工业、农业、商业、旅游业及交通运输业的迅速发展，高速公路已进入辉 煌的发展时期，交通量不断增加。公路已不再仅仅是种交通基础设施，它已成了人们 生活环境中的一部分。修建高速公路虽然提高车辆行驶速度，满足了人们通行的需要， 但也会破坏大地的原始景观和土地结构，减少绿色植物的覆盖砸积，降低生态环境质量 i l | 。同时高速行驶的汽车产生的嗓音、震动，排放的尾气也会对自然环境造成污染。因 此，我们在建设和发展高速公路的同时，必须十分重视环境的保护，重视绿化，保持自 然环境与社会环境的协调。根据现代环境状况和生态要求，高速公路绿化、美化和环境 保护己成为现代交通附属设施之一，是行车安全和舒适的重要举措。 从生态学观点看，公路的建设是从破坏地表生态开始的，随着公路交通的发展，越 来越多的公路面临着新建和改造，如何能在公路的新建和改造过程中，减少对生态环境 的破坏，使公路和周围豹景观相协调和融合，促进公路两侧的旅游和经济发展，成为公 路新建和改造过程中面临的首要问题。 高速公路边坡绿化及栽植l 丑，在国外发达国家已有专门的设计机构和专门的研究人 员，目前我国还处于探索和试验研究阶段，无章可循，探索研究高速公路边坡绿化及栽 植技术，对高速公路沿线的生态环境，保护公路设施，提高行车的安全和舒适，具有重 要理论及实际意义1 。 从工程方面来说，尤其是对公路边坡采取工程加匿措施，对减轻坡面修建初期的不 稳定性和侵蚀方面效果很好，作用非常显著。然而，随着时间的推移，岩石的风化，混 凝土的老化，钢筋的腐蚀，强度降低，效果也越来越差。采用植物护坡则与此相反，丌： 始作用非常虚弱，但随着植物的生长，植物的繁殖，强度增加，对减轻坡面不稳定性和 侵蚀方面的作用会越来越大。另外，植物护坡还有一个显著的优点是能够恢复由于人 类 ：程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡。 植物护坡也有其局限性，如植被根系的延伸使土体产生裂隙，增加了土体的渗透 率；又如植物深根锚固仍无法控制边坡更深层的滑动，若根延伸范围内无稳定的岩土l 层，则其作用便不明显，若遇大风雨则易连根拔出。另外，对于高陡边坡，若不采取工 程措施，植物生长基质也难以附于坡面，植物当然无法生长。因此，植物护坡技术应与 工程措施结合，发挥二者各自的优点，可有效解决边坡工程防护与生态环境破坏的矛 盾，既保证了边坡的稳定，又实现坡面植被的快速恢复，达到人类活动与自然环境的和 谐共处。 1 2 公路边坡植物防护和绿化技术国内外现状 东北林业大学磺上学位论文 1 2 1 公路边坡植物防护和绿化技术国外研究进展 盔饱尝了“黑风暴”等生态灾难后果之后，美国首先开始认t 到了生态平衡和环境 治理的藿要性。1 9 4 3 年m o o h s hr h 进行了利用草皮恢复路边植被的实验。到了五 | 年代扔期，随着公路建设长度的增加，美国制定了相应的法律，要求新建公路必须进行 生态恢复。其中，公路边坡的植物防护技术是研究的重点i “7 1 。 鲴外般把植物护坡定义为：“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非 生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀”。植物护坡的实践却是历史久 远，最初植物护坡主要用于河堤的护岸及荒山的治理。近些年，植物护坡开始广泛应用 于公路的植物防护和绿化工程。 植物护坡工程技术的应用，欧美国家主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的目的丽 进行的，目前常用的护坡方法有活枝捆垛( 1 i v ef a s c i n e ) 、活枝扦插( 1 i v ec u t t i n g ) 、树枝压 条( b r u s hl a y e r ) 、枝条篙墙( w a t t l ef e n c e ) 等，主要应用于公路边坡的植被防护及河堤护 岸。另外液压喷播技术o t y d r o s e e d i n g 或h y d r a u l i cm u l c h i n g ) 自2 0 世纪5 0 年代发明后至 今也获得广泛应用。2 0 世纪8 0 年代又发明了兰维网植草护坡方法。从总体上看，目前 日本在植物护坡工程技术研究方面处于领先地位【8 1 。 在日本，植物护坡被称为坡面绿化。二战结束后日本大规模的公路建设为其现代 坡面绿化提供了大量的机会，发展至今已有半个多世纪的历史，期间已经历了无数的变 化。最初以川端勇作为代表，开发了采用外来草种的植生盘用于道路坡面，标志着以牧 草类为代表的外来革种开始用于坡面绿化。随后是京都大学农学部造园学研究室研究快 速绿化工法，开发了喷射种子法并应用于高速公路取得良好效果。在其后数年开发出的 纤维土绿化工法( f i b e r - - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) 标志着岩体绿化工程的开始，这也是日本 最早开发的厚层基材喷射工法1 9 8 3 年开发出高次团粒s f 绿化工法( s o i lf l o c k g r e e n i n gm e t h o d ) ，工法的基本特征为：壤士系，并添加团粒剂，促进了基材团粒结 构的形成；粘结材料为特殊的沥青乳剂，基材抗侵蚀性更强，且p h 值呈中性。此技 术开发至今，在臼本已施工2 万余处，施工总面积超过2 0 0 万时。 】9 8 7 年6 月，同本从法国引进连续纤维加筋土工法随后把它与已有的坡面绿化工 程方法结合在一起，开发出连续纤维绿化工法f r g 绿化工法1 。工程；的基本特征为： 如 于砂粒和连续纤维相互混合，基材的抗侵蚀性更强，能适应坡体的微小变形；由于确 保了犬根系的伸长空间，可引进木本类植物，用于坡面的树林化：施工体系由绿化基 材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。t g 工法于1 9 8 8 年开始实用 化，至1 9 9 2 年4 年间就已施工3 0 0 万时。之后，此工法又获得加拿大、日本等国发明 专利，并推广到中国香港、台湾。 纤维土绿化工法、高次团粒s f 绿化工法和连续纤维绿化工法是近2 0 年来n 本最常 用的厚层基材喷射工法。在这三类工法中，由于主要用材、粘结剂及纤维的种类不同， 又形成种类繁多的厚层基材喷射工法。总体上讲，按主要用材分类，厚层基材喷射工法 可分为砂质土系列、粘土系列、粘土与有机质混合系列和全有机质系列；按粘结剂分 类，町分为瞢通硅酸盐系列、特殊沥青乳荆系列及高分子树脂系列；按纤维分类，可分 为有机纤维系列、无机短纤维系列及连续纤维系列。从实际工程应用看，已可应片j 于域 度小于h0 5 的软岩、中硬岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，另外，也有应 用于混凝土面及片石挡墙面的实倒由于厚层基材喷射工法需要消耗大量的天然有机质 材料( 如泥炭及其它天然腐殖质等) ，而这些资源都是有限的，因此。在2 0 世纪9 0 年 代日本又着手研究下水道污泥、废纸浆、废木材、木屑、畜粪等废弃物回收形成富含有 机质的喷射基材，并取得一定研究成果 除厚层基材喷射工法外，其它常用的坡面绿化工法还有框格植被绿化工法f 包括预 制框格、现浇框格) 、绿化网等另外，为防止水流对河岸的冲刷并考虑环境的保护， r 本于1 9 9 5 年又开始进行植被型多孔混凝土的研究，并取得一定成效，目前只是由于 成本过高( 2 3 万日元m 。) 丽没有得到广泛的应用。 虽然日本的边坡绿化水平很高。但也存在着不少问题。当前边坡绿化存在的三个问 题； ( 1 ) 不设定具体的绿化目标，而采用惯用的植物种 近十年来，所谓“高质量的绿色”被认为是“树术”。并被无限制地应用。如果仅 仅是施工引入的植被正常生长。即使是树木也不应该被判定为“高质量的绿色”，而只 有是根据设计思想确定的绿化目标且在机能上具有同等作用，才能被称为“商质量的绿 色”。 ( 2 ) 不重视环境保护，琉忽坡面必要的机能及具体的植被构成设计 坚持快速地引入树木，在绿化目标设定上缺乏研究，而随意先用那些易于取得的树 种，作为绿化工程的设计是不合适的因为绿化工程追求最优的机能是保护坡体表层， 植被大小受到坡面利用条件等的限制，因此引入树木时必须预测树木根系的分布状态和 伸长状况，从所能期待的根系固效果以及对坡面稳定性的影响来确定引入树术的可行 性。 ( 3 ) 规划设计、绿化目标与其发挥的机能不致 近年来，作为绿化工程出现了多种多样的施工方法，新开发出来的施工方法，有的 在资料上关于机能和效果记述不明，过分评价了方法本身；有的方法和使用材料的特性 使用者认识不清，即规划时的目的和设计时的绿化目标与最终在施工地点完成的工程所 发挥的机能不一致捧i 。 总体来说，国外的研究有以下特点；西欧和美国受公路边坡较小、坡度也不大， 其土质、气候等环境差异较小的制约，研究主体环境变异小，坡面植被建植难度不大； 湿式喷播技术仅用于建植草本植被，且植被养护工作量大，养护成本高；在f 1 本客 土喷播技术成本高，需要较长时间才能达到9 0 的植被盖废。 1 2 2 公路边坡檀物防护和绿化技术国内研究进展 囤内在植物护坡技术应用方面的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撒 草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方法1 9 8 9 年，广 东省水利水电科学研究所从香港弓l 避1 台喷播机开始在华南地区进行液压喷播试验。 1 9 9 f f - - 1 9 9 1 年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了坡面 喷播绿化技术( 即液压喷播) 试验研究。此后。经过十年左右的发展完善，液压喷播技术 一：= 一：。：一：垒坠些堂型兰塑兰一= ：一：= ： ：= = ：= ： 已j 一泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。1 9 9 3 年我围引进 土术材料植草护坡技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，月：发研制出了各式 各样的土工材料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术 在铁路、公路、水利等工程的边坡中陆续获得应用1 9 j 。 对于劣质土坡及岩石边坡的植被防护，目前国内的研究还很少，陈扳盛( 1 9 9 5 ) 及黄 尊景( 1 9 9 5 ) 对台湾泥岩边坡采用播种、植苗及植生带等方法来防护，刘桂元( 1 9 9 8 ) 对软 岩边坡栽植葛藤、松树等进行防护。李旭光( 1 9 9 5 ) 、张俊- 云( 2 0 0 0 ) 、杜娟( 2 0 0 0 1 和江玉林 ( 2 0 0 0 ) 分别介绍了日本的客士喷播护坡技术。章梦涛( 2 0 0 0 ) 、张俊云( 2 0 0 1 ) 、舒翔 ( 2 0 0 1 ) 、周颖( 2 0 0 1 ) 等在借鉴日本同类技术的基础上，进行了以e 壤为主要材料、硅酸 盐水泥为粘结材料的喷混植生试验，并在内昆、株六等铁路及惠河高速公路进行了现场 试验，取得一些研究成果。另外，许文年( 2 0 0 2 ) 开发的植被混凝土边玻绿化技术，与喷 混植生技术也较为相似。1 9 9 9 年及2 0 0 2 年，针对劣质土坡及岩石边坡的植物护坡做了 大量调查，发现目前采用的方法护坡效果并不理想。总体上看，国内对劣质土坡及岩 i 边坡的植被防护研究仍处于初期探索阶段。针对硬质岩边坡的植被防护，西南交通人学 等单位成功开发了厚层基材喷射植物护坡技术，并且在嗣内获得了较为广泛的应用【8 j 。 总体来说，目前关于国内植物防护方面的研究不足在于： ( d 缺乏大范围的公路路 域生态恢复研究。公路路域植被恢复的理论研究较少。公路路用植物资源研究较少 在公路边坡植物防护系统工程技术方面研究不够，特别是坡面硬度大而陡的地段，其 边坡植物防护难题尚未解决。取、弃土场生态恢复技术研究不够国内公路路用植物 育种： 作还未开展公路生态恢复工程成本效益分析研究缺乏。 1 3 本文研究的内容和方法 1 3 1 本文研究的目的 本文研究的目的在于通过调查、研究及分析，从力学角度对植物防护下的边坡进行 分析，从而验证植物防护的作用：从公路边坡植物防护和绿化角度，提出公路边坡! l ：态 恢复指导原则；丌发一系列适用于公路边坡生态恢复的植物种组合配置模式：研究 针对性强、操作简便、经济而适用的公路边坡植被建植技术。 1 3 2 本文研究的内容和方法 1 3 。2 1 边坡植物防护的理论及力学演算 通过对植物防护机理的研究，从理论上阐述植物防护的作用及意义。同时通过对边 坡的力学演算，检验植物防护对舫治边坡雨水冲刷侵蚀的效果。 1 3 2 2 公路边坡范围内的植物物种选择 通过公路边坡的调查结果，根据绿化和植物防护的原则，对植物物种进行选样，并 选择典型区域进行试验，观察其效果，从而为依托工程的大面积垒；i 化积累经验。 1 3 2 3 植被建植技术的研究 i 绪论 通过以往的建植技术的经验，对建植技术进行比选，从而寻找出适应不同条件的建 植技术，应用在试验区，并检验其效果，从而为公路边坡植物防护技术的应用本地区提 供基础。 1 3 。3 拟解决的问题 ( 1 ) 公路边坡植物防护冲刷理论计算分析方法 ( 2 ) 公路边坡植物种组合配置模式的选择 ( 3 ) 公路边坡建植技术的选择 东北林业大学颈士学位论文 2 公路边坡植物防护的作用机理及力学分析 2 1 影响边坡坡面不稳定因素分析 2 1 1 边坡破坏的类型 边坡的破坏主要有2 种类型：( 1 ) 由于边坡本身的稳定性不够，随着时间的推移，边 坡发生徐变变形而最终失稳，形成整体或局部滑坡破坏：( 2 ) 边坡本身稳定性满足要求， 但因边坡常年暴露予自然环境中，承受着各种自然条件的影响，使边坡发生各种变形、 病害蜒至破坏，其中水的冲刷作用尤为明显，由于水流对边坡冲刷、浸润，使得边坡土 体颗誊立之间( 或岩层闯) 抗剪能力减少，而造成的失稳现象屡见不鲜。前者可以在设计中 充分考虑加以克服，而后者，郎雨水对边坡的冲刷产生的侵蚀却是无法避免的，必然要 采取防护措施。 2 1 1 1 由边坡失稳引起的边坡破坏 影响公路边坡坡面稳定性因素比较多，主要是地质因素。由于公路边坡大面积暴露 于自然界，长期受到自然因素( 雨水、日照、气温、风力等) 的反复作用，使边坡岩士 的物理力学性质常发生变化。土质边坡浸水后湿度增大，表土的强度惫剧降低；岩性差 的岩体，在水温条件下，加剧风化，边坡表面在温差和湿差作用下形成胀缩循环，干缩 不断，导致岩士强度衰减和边坡剥蚀；地表水流冲刷，地下水源渗出，使岩：t 表层失 稳，产生鸡爪沟、易造成和如剧边坡的水毁瘸害【m 玎l 。 在传统的公路工程施工中，对公路边坡坡比的设计大多是以边坡的地质稳定性为柘 准而很少考虑针对因为风、雨和冻涨等所造成的表面侵蚀问题的公路边坡植物防护下 程。近年来，许多研究结果和工程实践也表明，植物工程在防治侵蚀和表层脱落非常有 效，但在具有复杂地形、地质、土壤、地下水等的边坡j 二，单靠种植植物，容易造成坡 面植被与岩体的脱离、滑坡和崩塌等，而不能达到边坡稳定的目的，通常，需要【程防 护措施或综合措施。因此，公路边坡植物防护的意义在于：防治边坡病害，减少水二l ：流 失，加强边坡稳定性；促使被破坏的生态系统尽早恢复，改善路域生态环境，创造优美 的自然景观；确保行车安全和正常的交通运输。 2 1 1 2 由边坡冲刷引起的边坡破坏 雨滴溅蚀：指在无护坡的坡面上，雨滴直接打击坡面所引起的风化物颗粒分散、e 溅，或撞击地表薄层水流，增大水流的紊动，从而使坡面流产生和增大侵蚀能力。 l 面蚀：指坡面上风化物颗粒受薄层水流或地表径流作用所发生的侵蚀。 细沟侵蚀：指水流从细小的、轮廓清楚的沟槽或地表径流集中的流路形成的坡面 冲蚀。 浅沟冲蚀：指在一般线状股流作用下的冲蚀，形成具有一定深度和宽度的沟槽。 冲沟冲蚀：浅沟在横向和纵向进一步发展就形成冲沟冲蚀，是冲刷发展到后期的 一一种高强度冲刷形式。 ：釜笔墨苎墨塑堕芏些芝里墨兰墨奎兰坌堑 坍塌：指沟槽两邦的掉块、小坍塌或与冲刷相关的坡面坍塌。它不是由坡茹流水 力作用直接产生的，但与冲刷有很大关系。特别沟蚀发展到一定程度，冲槽两坡变 陡，加上花岗岩残积层水稳性差，在重力作用下发生崩塌，崩塌物随后被水流冲走。 这种模式是冲沟发展到后期的表现。 推移运动：指风化物中粒径较大的颗粒沿坡面滚动、滑动、跃动或成层状在水流作 用下沿坡面向下运移，有时运动，有时处于静止状态，呈间歇性。 悬移运动：指风化物中粒径较小的颗粒在水流中呈悬浮状前进，其顺水流运动的速 度与坡面流基本相同。 冲蚀：指水流沿护坡工程与坡面接触的部位或护坡体裂缝破损处下渗、下灌，掏蚀 护坡体内的土物。冲蚀往往使护坡工程失效1 1 2 1 。 2 1 2 边坡破坏的影响因素 2 1 2 1 边坡稳定的影响因素 影响边坡稳定性的主要因素有：岩士性质、岩体结构、水的作用、风化作用、地 震、地应力、地形地貌及人为因素等。边坡稳定是坡面绿化的必要条件。浅层和深层破 坏都会使边坡失稳，严重影响坡面的植被。另外，浅层和深层破坏相互作用。当浅层破 坏不断发展，将发展为深层破坏。因此，当已建的公路边坡在基本稳定的基础上，应优 先考虑浅层破坏。恰好植物防护对边坡的浅层破坏有很大的帮助，因此在边坡稳定方 面，植物防护有良好的表现。 2 1 2 2 边坡冲刷的影响因素 影响边坡冲刷的因素很多，土的冲刷主要是由于自然因素与人为因素的作用，土结 构被破坏，稳定性削弱，进而从原来位置被侵蚀，而搬运到其他位置并沉积的过程，其 影响因素一般有；降雨的溅蚀力、径流量的大小、土分离的难易程度、水流冲刷挟带泥 沙的能力。这些参数又取决于雨滴动能、雨滴数量及降雨强度、地质、土质类型及结 构、坡度、植被、土的含水量以及各种形式的水流因素( 如流速、流量) 等特征值【l “。 根据公路边坡冲刷机理初探中，李志剐等人的研究得到公式 f = 1 2y 【n ( i ) i _ j t a n o 3 1 + 2 d 2 + ( yr r ) d 3 ( s i nd n c o sq ) 6 “ ( 2 1 ) 式中l 降雨强度； n 坡度； i r 坡长； d 土颗粒平均直径； ys 土的比重： n 坡面粗糙系数，反映了坡面土壤本身的物理特性 这样，由公式可知，坡面冲刷是受多因素影响的函数，可表示为： f = f ( 1 ，a ，l ，x ，n ，d ， ys ) 对坡面水蚀来讲，坡度大小决定了径流的冲刷与搬运能力，而且随着坡度的变化， 影响着坡面冲刷的方式。许多研究表明；在一定范围和条件下，土冲刷量与坡度成正 比，但是在斜面坡度超过一定限度时，它们的冲刷量与坡度成反比| l ”j 。 从目前掌握的资料来看，随着坡面径流流量的增大，径流能耗相应增大，径流侵蚀 产沙率也随着增大。在流量相同而坡度不同的情况下，坡面径流侵蚀产沙率随着坡度的 增大而明显增加，在坡度相同而流量不同的情况下，坡面径流侵蚀产沙率随着流量的增 大也明显增加。同时径流冲刷置的大小并不是唯一决定径流冲刷量多少的因素，它不仅 与径流能耗、粒问的粘结力以及土粒的受力状态均有关系，而且与其作用方式、单位 时间消耗的能量、流量、坡度等因素也有关系。在坡度和流量两个因素中流量对土壤 侵蚀的影响要大于坡度对土壤侵蚀量的影响。 大量的研究发现土流失量与降雨量、降雨历时和3 0 r a i n 最大降雨强度( i3 0 ) 关系密 切。而对公路路堤边坡，除了研究雨滴对土的溅蚀及坡面径流冲刷过程外，由于其特有 性质，路堤顶面的汇流作用可使坡面发生强烈沟蚀使其成为路堤坡面主要的冲刷形 式。沟蚀量的大小主要取决于股流量，股流量主要由降雨量和路堤顶面半宽决定。在寻 求路堤边坡土冲刷量与各因子的相关性时，用路堤顶面半宽雨量来代替总雨量。当降雨 强度大于土壤的入渗能力时，多余的降雨就会转交成地表径流。近年来，国内外许多学 者对坡面流的水力学特性进行了详细分析，普遍认为径流影响坡面冲刷量最重要的因素 是径流流量大小和流速。 边坡土本身性质比如土颗粒之间的粘聚力和密实程度( 对公路这样的土工构造物称 为压实度) 在很大程度上决定了土体分离的难易程度。而边坡坡度和坡长是最基本的地 形因子，描述边坡冲刷，这两个参数不可缺少。此外不可忽略人为因素对边坡冲刷的影 响，这个参数很难量化。由此可见，影响冲刷量的因素是非常复杂而多样的，这使得利 用一种或几种影响因子建立的经验公式必然具有一定的局限性。当把自然影响因素的特 征值作为整个侵蚀冲刷系统过程的输入量，冲刷量作为它的输出量，而把土、坡面及其 径流本身固有的特征值作为一个中问系统。这些影响因子相互作用，既存在输入输出为 前向传播的关系，又存在某种内在的反馈关系。 通过系统研究土壤分离速率随冲刷时间的变化规律结果表明i ”。j ：不同流量、不同 坡度条件下，二l 壤分离速率均随着冲刷时间的延长，呈良好的幂函数( d r = a t “) 关系下降 ( r 2 0 9 6 ) ，系数a 随着流量和坡度的增大而增大，而指数b 与流量和坡度间的关系并 不显著；土壤分离速率与流量和坡度间的关系随着冲刷时间的变化而变化，当冲刷时渊 为1 0 s 时，其相关性最为显著f r 2 = 0 8 8 ) ，陡坡大流量对土样的下切十分迅速，导致随着 冲刷时间的延长，其相关性持续下降；以土样下切2 c m 为条件，建立了最佳冲刷时j n jt 与流鼠和坡度问的幂函数关系，为相关实验径流冲刷时间的设计提供了思路；通过对t 时刻土壤分离速率与流量和坡度间相关性的分析，论证了以土样冲刷深度相同为前提， 进行- ：壤分离过程水动力机理实验室模拟的合理性。 一般公路坡面产流为超渗产流，当降雨强度大于入渗强度时，坡面出现积水t 填律 完成后即开始产流，而且从上坡到下坡由于水深( 产流量) 逐渐增加，侵蚀深也相应增 加。j ：壤侵蚀深均随坡长的增长而增加，这是由于较长坡面上的径流有较大的累积，渊 而增加了径流剥离能力和输移能力的缘故，根据观测资料分析，坡长( 路堤商) 与侵蚀深 呈幂指数关系，达极显著水平。 2 公路边坡植物防护的作用桃理及力学分析 2 2 公路边坡植物防护的作用机理分析 降雨对坡面的侵蚀有三个过程：首先是雨滴击溅侵蚀，进而形成片状水流侵蚀，最 后在水流集中处出现细沟侵蚀，其中以细沟侵蚀破坏作用最强，细沟逐步加大形成较大 的冲沟，引起坡面滑坍等破坏。植物对坡面的防护，主要表现在拦截雨水、减缓迳流和 保护士壤，具体包括：缓和雨水的冲击，植物的茎叶及枯枝路叶层能拦截雨滴起到 消能作用，降低了雨滴对坡面的冲击：增大入渗量，相应地减少了坡面径流量，随着 覆盖度增加，入渗量也随之增大，而坡面径流量和径流速度相应随之减少。这是由于植 物的枯枝落叶在地面形成松散覆盖层，植物的根系在土壤中形成了大小不一、纵横变错 的孔道，植物的残体为土壤制造了的腐殖质，增加了土壤的团粒结构，大大增强了士壤 透水能力相应地减少了坡面径流，同时也大大减缓了坡面径流的流速，降低了雨水的 侵蚀作用强度；支撑作用，植物根系交织形成了巨大的根系网络，在土壤表层形成网 状结构，将其周围土壤缚紧，使得坡面2 0 c m 左右深度范围内形成了一个加筋整体。因 而在坡面上建植植被对坡面表面具有较好的护坡作用。( 作用机理如图2 1 ) 圄2 1 植被护坡机理框闰 其中，植物的水文生态功能：植物的水文生态功能有垂直截留和蓄水等作用。 植物的垂直截留作用，它含有树冠层、灌木草本层、枯枝落叶的截砥，据刘向东研 究树冠层的截留作用因树种、树分密度和郁闭度不同而有较大差异，截留率约9 7 2 5 之间，有时还要高；枯枝落叶片对天气降水的截留率约为5 6 4 1 3 。 东j 林业大学壤士学位论文 桔叶落叶层和腐殖质层的保水作用：据邹厚远、贾恒义等的研究，枯叶落叶层的最 大持水量为1 7 3 5 倍，而腐殖质层的最大持水分为6 1 2 7 3 4 ，较一般土壤多1 0 2 3 4 。 虽然植物防护优点明显，但是公路边坡植物防护仍然存在局限性。植被的覆盖增加 了地表粗糙度和土层的渗透性，导致土层渗透能力的增加，提高了土体的孔隙水压力。 边坡植物离不开赖以生存的土体环境，因此边坡植物需要适当条件才能生存。虽然坡面 植物具有同杆或桩相类似的功能，但不应该简单地把坡面植物的力学增强效果同锚杆或 桩的加固效果类比。植物是活的生命体，它与自身生活的环境( 即根系分布范围内的岩 土体) 互相影响、互相作用，形成一个开放的系统，它具有自我发展、自我适应的特 性。分析坡面植物对边坡浅层土体的稳定，应把有利因素及不利因素综合起来考虑，同 时，边坡植物防护对边坡的防侵蚀有很大的作用。因此，本章主要考虑边坡植物防护的 浅层加固和边坡边冲刷问题。 2 3 植物防护的力学分析 2 3 1 坡面径流侵蚀的能量分析 坡面水流在由坡顶向坡下流动过程中，由于势能向动能转化，径流流速愈来愈大； 同时，由于水流在流动过程中要克服冲刷、携带输移土壤颗粒以及流体内部紊动、混掺 消耗内能等而作功，其具有的能量将会在流动过程中损失掉一部分。现利用能量守恒定 律来分析水流自坡面顶端到坡面上任一断面间的能量损耗。设单宽径流在坡面顶端所具 有的势能为e 势= pq g l s i ne ，动能为e 动= 1 2 pq 旷，在理想情况下，水流到达坡面任 意断面时的总能量应为pq g l s i n0 + 1 2 pq v 2 ：但由于能量耗损，坡面上任意断面处水 流的实际总能量与理想情况下有很大差别，可根据实测的任意断面处水流的实际总能量 束h 算水流流动过程中的能量耗损【2 1 2 4 1 ，即： e x = l 2 q o v ：+ q 7o g ( l - x ) s i n 0 ( 2 - 2 ) 式中i 坡面的长度； 卜坡面上任意一点距坡项的距离； v x 流速； q7 流量 假设坡面土壤基本达到水饱和状态，因此入渗的水量可以忽略不计。则坡面任意断 面处径流所损失的能量为e 耗= e 势+ e 动e x 。其中，e 主要由两部分组成：即水流 耗于土壤冲刷及输移土壤颗粒的能量和水流内部混掺紊动的内能消耗。实际上，水流内 能消耗与水流的流态等有关，对应一定的坡度和地表糙率状况、坡面水深等变化不大 而水流冲刷地表耗能则与地表糙率、流速、水深及地表物质组成、地表抗蚀性等关系密 切。 2 公路边坡檀物防护的作用虮理及力学分析 在不同的坡度下坡面径流侵蚀产沙率和坡面径流能耗之间均存在着良好的对数关 系。该关系可以用下式表达； d r = k ( 1 nae - e o )f 2 3 ) 式中k 与土壤种类有关的侵蚀性系数； 卜径流在坡面上的能耗： e 旷一坡面土壤侵蚀发生的临晃能耗； d r 一坡面土壤侵蚀率 2 3 2 坡面冲刷水动力学分析 2 3 2 1 水流中土颗粒受力分析( 泥沙运动力学理论) 土颗粒在坡面上除了本身的重力和粒间粘结力外，在水流作用下，还会受到浮力、 拖曳力f d 、上举力f l 、渗透压力f s ，在运动过程中，还会受到粒间离散力、摩擦阻力 等力的作用。在这些力的共同作用下，坡面表层土颗粒表现为稳定和失稳起动、运动、 沉积及其不同状态。 ( 1 ) 土颗粒的浮容重w 7 w = ( g l - y ) n d 一6( 2 4 ) 式中r 。颗粒容重； g 水的容重； 髓一土壤的粒径 ( 2 ) 拖曳力和上举力 水流和土颗粒表面接触时将产生摩擦力f 。当水流雷诺数稍大时，颗粒顶部流线将 发生分离，并在背水面产生涡漩，从而在颗粒前后产生压力差，形成形状阻力f 2 。f l 和 f 2 的合力为拖曳力f d 。坡面流流动过程中，固体物颗粒顶部的流速显著大于底部颗粒 问渗透水流的流速，根据伯努力原理，将产生压力差和与空气动力上升力类似的上举力 f l 。设土物颗粒为直径为d 的球状体，则： f d = c d ( d 2 4 ) ( pu o z 2 )( 2 - 5 ) f l = c l ( d 。4 ) ( pu 0 2 2 )( 2 6 ) 式q c 旷一阻力系数； c 广上举力系数； p 水的密度； u o 颗粒表面水流速度 ( 3 ) 渗透压力当土体入渗率较大时，水流入渗会产生与入渗方向一致的渗透压力 f s = c ( 1 + e ) yo h d sh ( 2 7 ) 式中c 一系数； e 一： ：体的孔隙率； 曲瓠水力坡度 或f s = yj s p d j 6( 2 8 ) 式中f s 渗透压力； 东北辣业大学硕士学位论文 j s 土壤中渗透水流的水力坡度 ( 4 ) 粒问离散力 当大量颗j 立产生推移运动时，这些推移质颗粒有的刚起动，速度还很小，有的则已 从水流中获得较大的动能，以较快的速度向前运动。它们在运动过程中便不可避免地相 互碰撞，由此发生能量交换，从而产生一定的力。所产生的沿水流方向的力为剪切离散 力，与水流方向垂直的力为粒间离散力。粒间离散力可由动量原理来推求l 捌。 ( 5 ) 粒间粘结力 粒间粘接力为周相颗粒之间的力，表现为颗粒问具有亲和力，是土壤颗粒的吸附作 用、薄膜水不传递静水压力、颗粒的电化学作用和水的化学作用等综合作用的结果。 2 3 2 2 坡面土颗粒的起动条件 f 1 ) 在平面上的起动条件 当坡面土为无粘性均匀土时，从士颗粒受力平衡出发平面j ：颗粒开始滑动的临界 条件为： f d = f ( w f l + f s )( 2 9 ) 式中卜一土颗粒之间的摩擦系数 设土的粒径为d ，f d 、f l 、w 的表达式见式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 。其中，流速分布 选用： u o = 5 7 5 u l 0 9 3 0 2xo2 q1 = u f ( u + d v )( 2 一l o ) 式中u + 摩阻流速： x 校正系数，与霄诺数有关； n 2 左右的一个系数： n2 接近1 的一个系数； v 动力粘滞系数 注意到式to = yl l j 和u * = g h j ，把上面有关表达式代入上式，演化，得到起动拖曳 力t 。 tc = f ( u d v ) ( ys - y ) d ( 2 1 1 ) ( 2 ) 在坡面上的起动条件 在斜面上，必须考虑土颗粒沿斜面方向的分力。设坡面倾角为0 ，水流与坡碰水、卜 轴成n 角度。重力在平行和垂直斜面的分力分别为w s i n8 、w 7 c o s0 。拖曳力f d 与 水流方向一致，上举力f l 与斜面垂直，则沿斜面的合力f 为： f - - ( ( f d s i n a + ( w7 + f s ) s i ne ) 2 + f d 2 c o s 2q ) 1 ，2( 2 - 1 2 ) 斜面上土的起动条件可表示为f ( ( w + f s ) o 0 - f l 】= t g 庐= f 式中庐士在水下的休止角；f - t g 庐土壤颗粒起动摩擦系数 用t 表示斜坡上的起动拖曳力，结合( 2 7 ) 式的平面上的起动条件： 为了简化计算，a = 9 0 9 ，即水流沿斜面向下流动，相当于坡面和冲刷沟槽底侧的 冲蚀，此时，t 。= ( c o s0 s i n0 t g # ) t 。( 2 - 1 3 ) 2 3 3 檬物与边坡相互作用力学分析 2 3 3 1 在草本植物根系加筋的作用下，二t 体的抗剪强度可写为 2 公龉边壤拉材防护的作用机理及力学分析 t = c + t yt a n 庐+ tr = ( c + 乃s i n e a + 7 ) s i n ( 9 0 一咖) ，a ) + 卅 一 ( 盯+ 乃c o s 岛a + t c o s ( 9 0 一咖) ) t a n b ( 2 1 4 ) 卅 一 、 式中t f 掇的抗拉应力；由根的实验室抗拉实验确定； p i 根剪切变形角，由野外根系直剪实验获得； 土体内摩擦角，可由土的直剪实验获得 2 3 3 2 在垂直根系木本植物根，根系的最大锚固力为 t = f = 2 upyr p ( z ) q ( z ) 砘 ( 2 1 5 ) 2 3 3 3 水平根系木本植物根作用下，若要保持土体的稳定则须满足 f x c o sd - w s i n _ wc o sqt a n 庐一c l 0 ( 2 1 6 ) 2 3 3 4 植物的水文效应 ( 1 ) 植被的降雨截留 e = pp p + ( 2 - 1 7 ) e = e p p ( 2 1 8 ) 式中e 降雨截留量； 最大截留系数； 卜一降雨量。 e 最大降雨量 ( 2 ) 植被的削弱溅蚀功能 无植被覆盖，雨滴的动能为 e l = m g h( 2 1 9 ) 有植被覆盖，雨滴的动能为 e 2 = m g h ( 2 2 0 ) 对于草本覆盖层，可认为h = 0 ，则雨滴到达地表时的动能为e 2 = o ，可认为植被完全 消除了雨滴的溅蚀。 ( 3 ) 植被的抑制地表径流功能 土地冲蚀的强弱取决于径流流速的大小、径流所具有的能量。在草本植物多时，能 够有效地分散、减弱径流改变径流形状，径流在草丛间迂回流动，则径流历时 t = u v ( 2 - 2 1 ) 由于径流在草丛问迂回流动。从而加大了流程和减慢了流速，