（森林工程专业论文）植物固土边坡稳定基本原理的研究以及固坡植物的选择设计.pdf

摘要 摘要 随着基础设施建设的迅猛发展，工程建设与环境保护的矛盾也日益突出。 不断开发出大量的岩土边坡，对水土保持、生态保护、环境保护都产生极不利 的影响。因此，如何快速恢复坡面的植被保护是需要研究和解决的难题。目前 我国植物固坡的研究成果远滞后于工程应用，主要原因是对植物根系与土体的 作用原理没有得到充分认识。 植物根系能够明显增加边坡土体的抗剪强度，增大了边坡的安全系数，但 是目前的研究都停留在定性地分析根与土体的作用关系上。本文试图在定量分 析其作用原理方面做些探索性的工作，论文把植物根系分为两类：摩擦型和锚 固型。文章通过对草本植物的根系( 包括木本植物的侧根系) 与岩土体的相互 作用的研究分析，建立了摩擦型力学作用模型，并且与实验结果符合得很好， 实验验证了模型预测的正确性；对木本植物主根与土的作用建立锚固型力学模 型。两类力学模型的建立为定量地分析植物根系与土体的相互关系提供了重要 的理论意义和应用价值。 檬物根系迩自够撼高土体抗冲蚀的性能，遇过与体的缠绕等作用稳定土 体结擒，增强土壤的虢j 中性能。植耪羹叶也麓够发挥藏水文效应，g 对边坡稳 定有益。与此圊时植物固坡也有其局限性和负蕊影响，植物横系对土体的加鼹 范围有限，植被的存在加速了士体地下水的循环，提离土体的渗透性能，增加 了岩嚣水化反斑的速虞，这些都会对边坡稳定造成不利的影噙。 在坡面植物生长j 缱程中离不开所需的生长环境。坡面植物的健康持续生长， 必须以坡嚣具窍适宣攘貔生长驰土壤环境秘稳定的植物群落，因此，棱物固坡 技术必需遵循土壤学和生态学的基本规律，同时也要考虑工穰的经济效益和景 褒生态效果。论文对边坡绿饯鹣各项影响因子标准镌，运嗣层次分辑法寒诗冀 各项影晌因予得分来排序选择嫩有竞争力的固坡植物种类。 关键词；植物网坡；力学模型；摩擦擞；土壤擘：生态学；层次分桁法 中南林学院硕士学位论文 w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h e c o n f l i c tb e t w e e n i ta n de n v i r o n m e n th a s e m e r g e di n c r e a s i n g l y t h e f r e q u e n te x p l o i t a t i o no fr o c ks l o p eh a sd i s a d v a n t a g e ds o i lc o n s e r v a t i o n a n de c o s y s t e ma n de n v i r o n m e n t ，s oi t i sh a r da n dr e q u i s i t et or e s t o r e t h ev e g e t a t i o nc o v e r 。n o wo w i n gt ot h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o ne f f e c t b e t w e e nv e g e t a t i o nr o o ta n ds o i ll a c ko fc o m p r e h e n s i o n ，t h et h e o r e t i c a l c o m p r e h e n s i o no ft h ee f f e c th a sl a g g e db e h i n dt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g r e s u l t s v e g e t a t i o nr o o t sc a ni n c r e a s et h es h e a rs t r e n g t ha p p a r e n t l ya n d s l o p ei sr e i n f o r c e dw i t hr o o t s ，b u tt h er e s e a r c hr e m a i nq u a l i t a t i v ea t p r e s e n t t h ea u t h o ra t t e m p tt oa n a l y z et h ep r i n c i p l eo fi n t e r a c t i o ne f f e c t q u a n t i t a t i v e l y t h ee f f e c t sa r ed i v i d e di n t ot w os p e c i e s ：f r i c t i o na n d a n c h o rt y p e s ，t h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o ne f f e c tb e t w e e ns o i la n dh e r b r o o t s ( i n c l u d et r e el a t e r a lr o o t s ) i sa n a l y z e d ，t h ef r i c t i o n a lm e c h a n i c s m o d e li ss e t u pa n dt h ee x p e r i m e n ta c c o r dw i t hi t sc a l c u l a t i o n ，t h e e x p e r i m e n tj u s t i f yp r e d i c t i o n t h ea n c h o rm e c h a n i c se f f e c tb e t w e e ns o l l a n dt r e er o o t si sm o d e l e d t h e s ep r o v i d et h e o r e t i c s i g n i f i c a t i o na n d a p p l i c a t i o nv a l u ef o rm o r er e s e a r c ha n dp o p u l a r i z a t i o n t h e v e g e t a t i o nr o o t se f f e c t i v ec o n t r o le r o s i o na n ds t a b i l i z a t i o n s o i ls t r u c t u r eb ym e c h a n i c a le f f e c t sb e t w e e ns o l la n dr o o t s b e s i d e s v e g e t a t i o na c th y d r o l o g i c a la n dh y d r a u l i ce f f e c t s b u tt h i st e c h n i q u e h a si t s s h o r t a g ea n dd i s a d v a n t a g e r o o t sm e r e l yr e i n f o r c es l o p ei nt h e f i n i t e s c o p e ，v e g e t a t i o na l s oa c c e l e r a t eg r o u n d w a t e rc i r c u l a t i o na n d i n c r e a s es o i li n f i l t r a t i o na n da u g m e n tt h es c a l ea n dv e l o c i t yo fc h e m i c a l w a t e r r o c ki n t e r a c t i o n v e g e t a t i o ng r o w t hn e e da p p r o p r i a t es o i l c i r c u m s t a n c ea n ds t e a d i l y v e g e t a t i o nc o m m u n i t y ， s ob 主o e n g 童n e e r i n gm u s tf o l l o ws o i ls c i e n c ea n d e c o l o g i c a l l a w b e s i d e se c o n o m i c a lp r o f i t sa n d l a n d s c a p i n g a r e c o n s i d e r e d a f t e re a c he f f e c tg e n ei s s t a n d a r d i z e d ，t h ep a p e ra p p l y a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s st oc a l c u l a t ee a c he f f e c tg e n es c o r ea n ds e l e c t 摘要 t h em o s te x c e l l e n tv e g e t a t i o n k e yw o r d s ：v e g e t a t i o n f o rs l o p e p r o t e c t i o n ：m e c h a n i c sm o d e l ：f r i c t i o nt y p e ； s o i ls c i e n c e ；e c o l o g y ；a h p 寺由静蘑法 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 惚二 作者签名：纬弓 泖譬年6 月1 f 日 幸智舟蘑像 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于： 1 、 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密哦 、( 请您在以上响应方框打“”) 作者签名：佯乃导师签名：谶， 加b 马肠；巩龟 绪论 1绪论 1 1 问题的提出以及研究意义 随着我国经济建设的蓬勃发展，基础设施建设得到迅猛的发展。与此同时， 基础设施建设与环境保护的矛盾也日益突出。处理好这一矛盾是关系到我国经 济持续发展的大事。不断开发出大量的岩土边坡。对水土保持、生态保护、环 境保护都产生极不利的影响，造成重大损失。有关部门已经高度重视基础设施 建设和生态保护，尤其随着西部大开发步伐的加快，西部广大地区的生态环境 更加脆弱，如果遭到破坏更加难以恢复，经济建设和环境保护的矛盾显得更加 突出。因而，如何在岩土边坡上采取植物保护的问题追在眉睫，目前工程界正 在积极推广应用植物固坡工程技术。总之，如何快速恢复开挖边坡的生态环境 并实现坡面的植被保护是一个亟需研究和解决的课题。目前植物固坡的研究成 果远滞后于工程应用，而造成这一局面的主要原因是对植物护坡的作用机理还 没有充分认识清楚“1 。 植物固土边坡是一门新兴的技术，涉及到岩土工程学、恢复生态学、景观 生态学、植物学、土壤肥料学、水文地质学、工程地质学等多学科领域，是典 型的交叉型、边缘型综合工程技术。与传统的工程护坡方式相比，植物固坡以 其具有环境保护功能和景观生态功能，有低投入、低养护极具竞争力而得到广 泛应用。植物固坡除了有明显的生态效益，并且同时有很好的经济效益和社会 效益”1 。 植物固坡工程技术有以下重要的意义： ( i ) 可解决边坡工程建设与生态环境破坏的矛盾 基础设施建设和环境保护兼顾是经济可持续发展的重大课题。在人类生存 环境日益恶化的今天，不同学科的科学家和工程师们无疑都希望在自己的工作 领域内为环境的改善做出贡献。在当前的环境问题中，很多与岩土工程密切相 关。近2 0 年来，世界备地的岩土工程师和学者们己经主动或受业主委托参与到 解决上述各方面问题的工作中。1 9 8 2 年在旧金山召开的第1 0 届国际土力学与基 础工程学术会议上，有学者提出了一篇关于环境岩土工程现状报告的文章”1 ， 引起了同行的注意。“环境岩土工程”这个词汇的出现是这门新的学科分支形成 和不断完善的产物。 龚晓南教授指出，“环境岩1 3 2 程是岩土工程与环境科学密切结合的- - i 中南林学院硕十学位论文 新学科。它主要应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务”。这 个晓法比较简单明了地阐明环境岩土工程学科的定义。 伴随西部大开发步伐的加快以及大量基础设施的建设，在公路、铁路、水 电等基础设施建设工程的施工中，经常要丌挖大量边坡，边坡的丌挖破坏了原 有的植被覆盖层，导致出现大量的次生裸地以及严重的水土流失和土地沙化现 象，无疑将加剧生态环境恶化。以前的边坡处理往往过分追求强度功能，大多 数采用浆砌片石、喷射混凝土等灰色边坡防护技术。随着人们环保意识的不断 增强，要求工程建设同时保护生态环境的呼声越柬越高，实施植物固坡技术则 兼顾护坡和环保的功能，能够有效解决这一矛盾，所以这一新兴技术一出现就 受到广泛的好评。 ( 2 ) 有助于贯彻落实国家环保政策的实施 基础设施建设与保护环境并重是我国的一项基本国策，因务院在2 0 0 0 年就 下发国务院关于进一步推进全国绿色通道建设的通知，要求公路、铁路、水 利设施建设统筹规划要与绿化同步设计、同步旌工、同步验收，纳入工程概算。 新建的公路、铁路更是绿化的重点，而边坡的绿化也是道路绿化的难点，因此 采用这一技术将有助于贯彻国家的环保政策，绿色通道工程建设是贯彻落实国 家关于建设秀美山川的重大举措。其中铁路、公路绿色通道工程建设不仅能够 保护路基，改善沿线的生态环境，并且能够改善行车的环境，对于促进国民经 济和社会可持续发展，实现祖国山川秀美有着重要的意义”1 。 ( 3 ) 有利于具有完全知识产权的植物固坡技术迅速推广及完善。 加入w t o 以后我国将面临更多的国际竞争，在飞速发展的知识经济时代， 保持自己的技术处于领先地位，必须使得植物固坡技术形成产+ 业化，占有市场 并且做进一步研究，这样才能在竞争中处于有利位置。植物固坡技术在国际尚 处于发展阶段，国内与国际先进水平差距不是特别大，国内技术水平相当于2 0 世纪9 0 年代中期的国际水平，国内市场方面介入的国外公司还较少，加上植物 固坡又有气候、水文等条件的限制。因此，加大植物固坡技术的研究和推广的 力度，实行产业化，完全可以承受国外公司的竞争，迅速占有市场并发展壮大。 “人类活动与自然和谐共处，经济发展与环境保护协调并进”是人类生存 和发展的基本要求。 1 2 国内外发展现状 植物固坡的实践历史久远，最初主要用于河堤的护坡及荒山治理。在我国 绪论 春秋时期( 公元前5 9 8 5 9 1 年) 安徽寿县“3 就出现了用草来加固土坝的水利工 程。在中世纪，法国、瑞士的运河就采用栽种树木的方法来防护，在我国明朝 出现了通过载植柳树来加固与保护河岸，在1 7 世纪用栽种树木用来保护黄河。 日本在1 7 世纪就有载植树苗治理荒山的记载，植物固坡这一古老的技术直到2 0 世纪初才被人们重新发现和认识。作为一项工程技术，人们从固坡理论及技术 应用两方面做了大量的研究。 在欧美国家生态护坡技术应用已有很长的历史，美国在1 9 3 6 年在南加利福 尼亚州a n g e l e sc r e s t 公路边坡治理中就应用了生态护坡技术”1 ，日本的生态护 坡几乎与其公路建设同期发展，至今已经有半个多世纪的历史，获得多项生态 护坡技术的专利“1 。二战以后，日本大规模的公路建设为其现代坡面绿化提供大 量的机会，1 9 6 0 年，日本引进当时很先进的液压喷播技术，1 9 7 3 年开发出纤维 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，后面 又开发出高次团粒s f 绿化工法( s o i l - f l o c kg r e e n i n gm e t h o d ) 和连续纤维绿化 工法。尽管植被固坡获得广泛的应用，但是形成一门学科，还是近十年的事， 至今还没有一个很贴切的术语，英文有b i o t e c h n i q u e ，s o l l - b i o e n g i n e e r i n g ， v e g e t a t i o n 或r e v e g e t a t i o n 等，国内也有植被护坡、植物固坡、坡面生态工程 等。在国际上专门以植物固坡为主题的首次国际会议于1 9 9 4 年9 月在牛律举行。 国外一般把植物固坡定义为：”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“”。 国内在植物固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 式。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 坡面喷涂绿化技术( 即液压喷播) 试验研究。此后，经过十年左右的发展完善， 液压喷播技术已广泛应用于我国不同地区的公路、铁路、市政及水利等工程中 的边坡防护。1 9 9 3 年我国引进土工材料植草护坡技术，随后土木工程界与土工 材料生产厂商合作开发研制出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，结合植草技术在公路、铁路、市政及水利等工 程的边坡中陆续获得应用。 对于劣质土坡及岩石边坡的植物防护，目前国内的研究很少。李旭光1 ( 1 9 9 5 ) 和张俊云“2 1 ( 2 0 0 0 ) 分别介绍了日本的客土喷播护坡技术。章梦涛“3 1 ( 2 0 0 0 ) 、张俊云“”( 2 0 0 1 ) 、周颖“”( 2 0 0 1 ) 等在借鉴日本同类技术的基础上， 进行以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为粘结材料的喷混植生试验，并在内昆、 中南林学院硕十学位论文 株六铁路及惠河高速公路进行了现场试验，取得一些研究成果。但是总的来说 植物固坡的研究成果远滞后于工程应用，有关植物固坡的成果也很少；而且没 有制定统一的设计、施工规范，导致设计理论、施工方法各行其是，工程预算 也难以统一；另外与之配套的设备和原材料也没有相应的规范：所以提出相应 的设计、旋工方法、施工质量管理和工程验收标准是当务之急。 1 3 边坡稳定的基本理论哺1 刚 边坡稳定性的研究及其维护有极其重要的意义。矿山、水利、交通、市政 等部门都涉及到大量的边坡问题。而且作为三大自然灾害( 地震、洪水和崩塌 滑坡泥石流) 之一的滑坡灾害严重地危及到国家财产和人们生命的安全，所以 对边坡进行稳定性研究的意义非常重要，它不仅可为工程施工提供科学的理论 依据，而且对边坡加固和滑坡的准确预报也具有重要的指导作用。 边坡研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩 石力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。 影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括 组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力 等。外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件以及人为因 素等。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。 ( 1 ) 岩土性质和类型 岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。颦硬完整的 块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡。而在淤 泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随 塌，难以成形。黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减， 变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。 ( 2 ) 地质构造和岩体结构的影响 在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡 稳定性差。断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易 发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定 性较好，如果存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边 坡( 结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角) 的稳定性比反向倾斜的差， 这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾角愈陡，稳定性愈差。 ( 3 ) 水的作用 绪论 地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与 水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托 力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水 静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩 体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地 下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。 ( 4 ) 工程荷载 在水利水电工程中，工程荷载的作用影响边坡的稳定性。例如，拱坝坝肩 承受的拱端推力、边坡坡顶附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载、压力隧 洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力、库水对库岸的浪击淘涮力、为加固边坡 所施加的力：如预应力锚杆时所加的预应力等都影响边坡的稳定性。由于工程 的运行也可能间接地影响边坡的稳定，例如由引水隧洞运行中的水锤作用，使 隧洞围岩承受超静水荷载，引起出口边坡开裂变形等。 ( 5 ) 地震作用 地震对边坡稳定性的影响表现为累积和触发( 诱发) 等两方面效应 a ) 累积效应 边坡中由地震引起的附加力s 的大小，通常以边坡变形体的重量w 与地震 振动系数k 之积表示( 乒七功。在一般边坡稳定性计算中，将地震附加力考虑为 水平指向坡外的力。但实际上应以垂直与水平地震力的合力的最不利方向为计 算依据。总位移量的大小不仅与震动强度有关，也与经历的震动次数有关，频 繁的小震对斜坡的累进性破坏起着十分重要的作用，其累积效果使影响范围内 岩体结构松动，结构面强度降低。 b ) 触发( 诱发) 效应 触发效应可有多种表现形式。在强震区，地震触发的崩塌、滑坡往往与断 裂活动相联系。高陡的陡倾层状边坡。震动可促进陡倾结构面( 裂缝) 的扩展， 并引起陡立岩层的晃动。它不仅可引发裂缝中的孔隙水压力( 尤其是在暴雨期) 激增雨导致破坏，也可因晃动造成岩层根部岩体破碎而失稳。 碎裂状或碎块状边坡，强烈的震动( 包括人工爆破) 甚至可使之整体溃散， 发展为滑塌式滑坡。结构疏松的饱和砂土受震液化或敏感粘土受震变形，也可 导致上覆土体产生滑坡。 1 4 边坡的防治措施 5 ! 塞整堂堕堡堂垡笙苎 一 边坡的治理应根据工程措施的技术可能性和必要性、工程措施的经济合理 性、工程措施的社会环境特征与效应，并考虑工程的重要性及社会效应来制定 具体的整治方案。防治原则应以防为主，及时治理。 1 4 1 深层滑坡的防治措施 ( i ) 消除和减轻地表水和地下水的危害 防止地表水入浸滑坡体。可采取填塞裂缝和消除地表积水洼地、用排水 沟截水或在滑坡体上设置不透水的排水明沟或暗沟，以及种植蒸腾量大的树木 等措施。 对地下水丰富的滑坡体可在滑体周界5 m 以外设截水沟和排水隧洞，或在 滑体内设支撑盲沟和排水孔、排水廊道等。 ( i i ) 改变边坡岩土体的力学强度，提高边坡的抗滑力、减小滑动力以改善边坡 岩土体的力学强度，常用措施有： 削坡及减重反压：对滑坡主滑段可采取开挖卸荷、降低坡高或在坡脚抗 滑地段加荷反压等措施，这样有利于增加边坡的稳定性，但削坡一定要注意有 利于降低边坡有效高度并保护抗力体。 边坡加固：边坡加固的方法主要有修建支挡建筑物( 如抗滑片石垛、抗滑 桩、抗滑挡墙等) 、护面、锚固及灌浆处理等。在不安全岩石边坡的工程地质测 绘中，经常发现岩体的深部岩石较峰固，不受风化的影响，足以支持不稳定的 和某种危险状况的表层岩石。在这种情况下采用锚栓或预应力锚索进行岩石锚 固，效果非常好。一般采用抗拉强度很高的钢杆来锚固岩石，其道理是很明显 的。钢质构件既可以是剪切螺栓的形式，垂直用于潜在剪切面，也可以用作预 拉锚栓加固不稳定岩石。过去锚栓的防锈存在严重的问题，但是目前已经取得 了重大的进展。支护结构由于对山体的破坏较小，而且能有效地改善滑体的力 学平衡条件，故为目前用来加固滑坡的有效措施之。 上述边坡变形破坏的防治措旌，应根据边坡变形破坏的类型、程度及其主要 影响因素等，有针对性地选择使用。实践证明，多种方法联合使用，处理效果 更好。如常用的锚固与支挡联合、喷混凝土护面与锚固联合使用等。 1 4 2 浅层边坡的防护”7 3 对于容易风化的或容易受雨水冲刷的岩石和土质边坡以及严重破碎的岩石 边坡，都应该防护。 常用的护坡类型 6 绪论 ( 1 ) 植物护坡 凡适宜植物生长且坡度不大于1 ：1 的边坡，应优先采用植物防护，对于植 物不易生长的边坡，根据地质情况、坡度等条件能够与其他工程措施结合使用 的尽量用。 ( 2 ) 灌浆及勾缝防护 灌浆适用于较坚硬的、裂缝较大的岩石边坡。勾缝适用于较坚硬的、不易 风化的、节理裂缝多而细的岩石边坡，灌浆可用水泥砂浆，当裂隙很宽时，可 以用混凝土灌注。勾缝一般用水泥砂浆或混合砂浆。 ( 3 ) 抹面防护 对于未严重风化的各种岩石边坡，对边坡坡度不作限制，但是坡面应干燥。 使用年限较短。抹面厚度一般为3 0 7 0 m m 。抹面护坡的周边与未防护坡面衔接 处应严格封闭。根据当地气候条件，当需要增强抹面的抗蚀能力及防止开裂时， 可在表面涂沥青保护层。 ( 4 ) 喷浆及喷射混凝土 对易风化但未遭受严重风化的岩石边坡，采用喷浆或喷射混凝土效果较好。 对高而陡的边坡，上部岩层较破碎而下层岩层完整的边坡和需要大面积防护的 边坡，采用此法更经济。喷浆厚度不宜小于5 0 m m ，喷浆及喷射混凝土护坡的周 边与未防护坡面的衔接与抹面坡面相同，坡脚应做l 2 m 高的浆砌片石护坡。 当坡面岩体严重破碎时，为了加强防护的稳定性而采用锚杆铁丝网。锚杆 锚固深度及铁丝网孔密度视边坡岩石性质及风化程度而定，一般锚固深度为 2 0 0 m m 。锚杆用水泥砂浆固定。 ( 5 ) 干砌片石护坡 当土质路堤边坡易受表面水冲刷或边坡经常有少量地下水渗出而产生小型 溜坍等破坏时，土质路堑边坡下部局部需要嵌补，边坡坡度不大于1 ：l ，2 5 时， 采用单层干砌片石护坡，干砌片石厚度一般为3 0 0 m m ，其下设不小于l o o m m 厚的 碎石或砂砾垫层。 ( 6 ) 浆砌片石护坡 适用于各种易风化的岩石边坡和土质边坡。在路堤边坡上采用时应等路 堤沉实后再施工，要求边坡坡度不大于1 ：l 。浆砌片石一般采用等截面，其厚 度视边坡高度及坡度而定，一般为3 0 0 4 0 0m m 。 ( 7 ) 浆砌片石骨架护坡和浆砌片石护墙 在土质边坡及其严重的岩石边坡上，当坡面受到冲刷严重或边坡潮湿时， 中南林学院硕十学位论文 如果采用植物护坡易被冲毁，则可采用浆砌片石骨架的加强措施，骨架内可根 据土质边坡、坡度及当地材料来源情况来选择植物护坡的方式， 浆砌片石护墙能防治比较严重的坡面变形，适用于各种土质边坡及易风化 剥落的岩石边坡。边坡坡度一般不大于1 ：0 5 ，护墙一般分为等截面或变截面 两种形式。对于等截面护墙，当边坡为l ：0 5 时不宜超过6 m ；当截面小于1 ： 0 5 时，不宜超过l o m 。对于变截面护墙，单级不宜超过2 0 m ，否则应采用双级 或三级护墙，但总高度不宜超过3 0 m ，护墙的背面坡度一般与墙面坡度相差较小。 对于稳定边坡浅层的坡面防护目前在我国边坡防护系统中大致有两种防护 系统。种是刚性防护措施，且尤其以浆砌片石或喷混凝士护坡、锚固和浆砌 片石拦石墙等最为常见；另一种新的防护方法一柔性防护系统，本文所用到的 植物护坡工程技术就是其中最有代表性的一种，f 在得到越来越多认可和普遍。 在不稳定或具有潜在不稳定的坡面，植物难以生存。为促使植物正常生长 发育，防止侵蚀和崩塌，保持坡面表土的稳定性是非常重要的自0 提条件。通过 人工辅助方法，使自然本身具有的恢复力得以充分发挥，是边坡绿化的基本思 想。人们在边坡工程中人工地促进自然绿色植被恢复的行为，称为边坡绿化。 1 ，4 3 表土的固定方法 对坡面表士的固定，一般有工程方法和化学方法。 ( 1 ) 工程方法 框架工程 框架工程是坡面制成框架固定在坡面上。利用框架的作用，防止框架内回填 客土的流失。主要用于无土壤或土壤不适于植物生长的边坡，需要从别处移入 客土，以创造植物生长发育的所需的土壤环境。可利用各种工程材料如混凝土、 塑料、钢材、浆砌片石等在坡面做成方形、圆形、三角形等不同形状的框架。 这些框架可以在工厂预制后再到现场拼装：也可以在现场制作，其优点是可以 根据边坡实际情况自由设计框架大小，适用于不易平整的边坡。 铺网工程 对于较陡的岩土边坡，尤其是岩石边坡，由于不存在植物生长所需的土壤 环境，而采用框架工程回填客土施工难度较大，客土的稳定性也较差，因此， 一般采用客土喷播方法。由于喷射的客土层较厚，一般为5 1 5 c m ，有脱落危险， 为使喷播的客土稳固在岩土坡面，需要在坡面铺网来加固喷射客土。铺设网的 绪论 种类有：三维网、土工网、土工格栅、金属网等。 ( 2 ) 化学方法 主要采用化学防蚀剂来防止表土的侵蚀。防蚀剂主要有三类： 薄膜覆盖型。能在表土上形成一层不透水的薄膜覆盖层，达到防止表土侵蚀 的效果。 渗透填充型：防蚀剂从土壤表面渗透到一定的深度，使土粒子相互聚结。 渗透连接型：能使土粒相互之间连接起来，增加土壤的粘聚力，从而提高表土 的抗侵蚀性。 无论采用哪一种的防蚀剂，其防蚀的持续时间一般为3 4 个月。在此期间， 稍微增加或者减少防蚀剂的旌用量，防蚀效果也不会出现较大变化。通常认为， 防蚀剂是从旌工初期的种子发芽到形成植物覆盖之间的时间内发挥其防护效果 的一种临时性的化学药剂。 常用的化学防蚀剂有：s f i x 、沥青、e b 、n s a 、s o i lg a r d 等等。它们大 多数是高分子聚合物。 1 4 4 边坡排水工程设计 坡面侵蚀、崩塌，大多数是由于降水、坡面径流、渗透水等诱发的，做好 边坡排水工程的设计，对边坡稳定有重要的作用，在很大程度a ：i 丕, - i 以防止或 减轻侵蚀、崩塌等灾害的发生，特别是实施边坡绿化之前，对边坡的排水工程 进行设计和施工是非常必要的。 ( 1 ) 坡顶排水沟 在坡顶部容易受到侵蚀的岩土层设置排水，以避免坡顶上方水流在坡面形成 大的汇水面，减弱坡面径流。 坡顶排水沟应根据边坡的汇水面积、设计降水量的合理设计。设置的排水沟， 应防止出现溢水、漏水等现象发生，从而导致坡面的崩塌等灾害。如果边坡汇 水面积、坡面径流的流速和流量比较大，则可在坡顶设置多条排水沟，以满足 排水需要。在设置坡面排水沟时，采用粘土等具有不透水的土进行内垫，施工 时应注意使坡顶来水能够流入排水沟内。另外，也可以采用泥浆喷射工程或铺 草皮工程来建造排水沟。 ( 2 ) 平台排水沟 不良的边坡平台排水沟引起坡面崩塌的实例很多。其原因是由于排水沟断 9 中南林学院硕十学倪论文 面规格不够，使坡面来水不能充分流入，或者是排水沟产生漏水所致- 也就是 对平台排水沟进行施工时，回填部分夯实效果较差，由此而产生渗透水的迅 速下渗和土砂下沉。特别是对易发，i l 三侵蚀的土质边坡和由于渗透水作用易产生 崩塌的边坡，通常在排水沟下面用不透水性土进行夯实处理；或采用混凝土块 铺砌、喷射水泥砂浆处理，达到覆盖和保护平台的目的。 ( 3 ) 纵向排水沟 纵向排水沟是将凹形坡面聚集于鞍部的水流及宽平台排水沟的水流导向坡 脚而设置的排水工程。对于连接平台排水沟的纵向排水沟，在连接处应设置集 水井盖板。 纵向排水沟设置时，应采用防止溢水和水跃发生的断面结构。当采用u 形 沟或混凝土涵管时，应在连接处用不透水土充分固定，采取防止漏水的措施至 关重要。 1 5 本文的主要工作 针对目前植物固坡工程技术在实际工程中得到广泛应用，而理论研究却远 远落后的局面，论文广泛收集国内外有关资料、总结前人的研究成果的基础上， 对植物固士边坡稳定的基本机理进行探讨，主要完成的工作有： 1 本文试图在定量分析其作用原理方面做了探索性的研究，论文把植物根 系与土体分为两类：摩擦型和锚固型根一土力学作用模型。文章通过对革本植 物的根系( 包括木本植物的侧根系) 与岩土体的相互作用的研究分析，建立了 摩擦型力学作用模型，并且与实验结果符合得很好，实验验证了模型的正确性； 对木本植物主根与土的作用建立锚固型力学模型。这为定量地分析植物根系与 土体的相互关系提供了重要的理论意义和应用价值。 2 ，本文对植物固坡的局限性和负面影响进行了探讨，目前在国内外对于植 物固坡的积极作用有一定的研究，而对植物固坡的局限性和负面作用几乎没有 报道，论文客观地指出植物固坡工程技术的局限性，目的是为了更好地了解植 物固坡的机理，能够在实际工程中防患于未然，与其他工程防护措旌结合使用， 各取所长。 3 运用层次分析法对固坡植物进行选择，先对影响植物固坡的因子标准化， 按照各自的权重计算各种植物的得分后排序，选出最有竞争力的植物种类。 4 结合具体典型工程事例进行全面剖析，一方面验证理论分析结果，另 绪论 方面通过实际工程提出适宜的植物固坡的设计、施工方法以及建议的验收方法 和养护管理方法。 植物固土边坡稳定的基本原理的研究 2 植物固土边坡稳定的基本原理的研究 2 1 概述 2 1 1 引言“侧 目前在我国边坡防护系统中大致有两种防护系统。一种是刚性圬工建筑为 主的工程防治措施，且尤其以浆砌片石、喷混凝土护坡、锚固和浆砌片石拦石 墙等最为常见。其中特别是锚固技术在7 0 年代给边坡治理带来了一次技术革命， 它一改过去单一的圬工防护措施，为治理边坡问题提供了一种非常有效的技术 措施，在设计施工上已日趋科学化。对于浅层滑坡治理而言刚性防护难以满足 长期使用要求。为此人们不断地对公路边坡治理问题进行分析研究，引入另一 种新的防护方法一柔性防护系统，它不仅节省防护投资，达到防护的目的；更 重要的是保护生态、净化空气、绿化环境。故柔性防护方法正在公路、铁路、 水利等工程领域中逐步替代传统的砌石护坡、骨架护坡、砂浆封面等防护形式 而得到越来越广泛的应用。 柔性防护系统与传统刚性系统相比，不管在经济上还是在技术上确实占有 一定的优势。另外柔性防护系统不仅在公路护坡上的应用，而且在铁路、湖边、 河道、堤防等都具有相当的效果。柔性防护系统是一项新技术，是综合利用了 生物和加筋各自的优点，达到防护的效果，是一种经过实践证明的有效的边坡 防护方法。该技术可以说给边坡治理带来了一次技术革命。该系统具有明显的 经济性、技术性和施工便利的优点。 2 1 2 植物固坡的功能及优点 植被固坡有与单纯的工程护坡相比有以下的功能和优点。”蚓： 1 护坡功能 ( 1 ) 深根的锚同作用。 植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层，锚固到深处较稳定的岩土层 上，起到预应力锚杆的作用。 ( 2 ) 浅根的加筋作用 植物的根系在土中盘根错节，使边坡士体成为士与树根的复合材料，草根 可看为带预应力的三维加筋材料，使土体强度提高。其实现代加筋的理念最初 中南林学院硕士学位论文 来自植物加筋的原理，因为早在古代人们就已经在土工、水工结构中运用原始 的筋材一树枝、稻草来提高土体的强度”1 。 ( 3 ) 降低坡体孔隙水压力 边坡的失稳与坡体孔隙水压力的大小有密切关系，雨水的渗入植物通过吸 收和蒸腾坡体内水分，降低土体的孔隙水压力，提高土体的抗剪强度，有利于 边坡体的稳定。同时根系也能增加地表粗糙度和土层渗透性，导致土层渗透能 力增加，对坡体稳定造成不利影响。 ( 4 ) 降雨截留，消弱溅蚀 植被抗蚀护坡的作用可以通过它的水文效应和机械效应来实现。在水文方 面，植被调节近地面气候、地表和地下水文状况，使植被生长地区的水循环途 径发生一定的变化，因而影响了侵蚀过程。在机械方面，植被通过其枝干、根 系与土壤的机械作用，增加根系土层的机械强度，甚至直接加固土壤，起到抗 蚀圆坡的作用。水文效应和机械效应相互补充，形成了复杂的因果关系，一部 分降雨在到达坡面之前就被植被截留，以后熏新蒸发到大气或下落到坡面，植 被能够拦截高速下落的雨滴，减少能量及土粒的飞溅。 ( 5 ) 控制土粒流失，防止水土流失 地表径流带走已被滴溅分离的土粒，迸一步可引起片蚀、沟蚀，植被能够 抑制地表径流并削弱雨滴溅蚀，从而能控制土粒的流失。 表2 1 植物固坡因素与边坡稳定性的关系“” 2 改善环境功能 ( 1 ) 恢复被破坏的生态环境 植物固土边坡稳定的基本原理的研究 边坡植物的存在为各种生物的生存繁殖提供了有利的条件，完楚的生物链 又逐渐形成，被破坏的环境也慢慢地恢复到原始的自然环境。 ( 2 ) 降低噪声、光污染，保证行车安全。 在交通工程中，因植被能吸收刺耳的声音，多方位反射太阳光线及车辆光 线，而降低噪声、强光对行人及驾驶员的辐射干扰，减轻和消除大脑和眼睛的 疲劳，让驾驶者轻松愉快的驾车，保证行车安全。 ( 3 ) 促进有机污染物的降解，净化大气、调节小气候 来自大气、雨水及汽车等交通工具的废气，以及排放的废水都含有大量的 有机污染物，由于环境中的有机污染物种类繁多，成分复杂。因此仅靠传统的 微生物消除有机污染物是很困难的，而植物却具有修复功能，能降低环境负荷 及污染循环。植物主要通过三种机制去除环境中的有机污染物，即植物直接吸 收有机污染物、植物释放分泌物和酶刺激根系区微生物的活性和生物转化作用、 植物增强报区的矿让作用。 植物光合作用能吸收大气中的c 0 ：，释放出0 t ，能稀释分解、吸收和固定大 气中的有害物质，并为植物生长所利用。另外植物也能吸收大气中的n h ，、h ，s 、 s 0 ：、n o 、h f 、c l ：和h g 、p b 蒸气等，同时吸收大气中的金属和非金属粉尘，达 到净化大气的作用。 一肓南一- - 甜- - - 1 木本植物 图2 1 植物护坡机理图 在路上行驶的车辆，由于风流、摩擦、燃油能量转化过程，使环境的湿度 降低，温度升高的小气候，应用植物固坡，则能调节小环境的温度和湿度，创 造一种温暖适宜的行车环境。据试验。炎热的夏天，当水泥地面温度达到3 8 。c 时。草坪面的温度可保持在2 4 ，太阳照射到地面的热量约5 0 被草坪蒸腾所 中南林学院硕士学位论文 吸收，通常在夏季，草坪地表温度比裸地低8 ，高温时间可缩短2 3 小时。 3 景观功能 人的眼睛感觉到的最舒适的是波长为5 53 n m 的绿色，有绿色引起的紧张感 最小。绿色植物给予人们的美感效应，是通过植物固有的色彩、形态、风韵的 个性特色和群体景观效应所体现出来的，季节的变化、光线、气温、风、雨、 霜、雪等气象因子作用于植物，使植物呈现出朝夕不同、四季互异、千变万化、 丰富多彩的景色变化，丰富着植物的美。边坡植物的组合配置，据不同的地质 状况、环境、气候条件，优先选用乔、灌、藤、花、草相结合，有机融入公路、 铁路等工程边坡中，车辆穿行在郁郁葱葱的绿色环境中，在我们的视野内更显 示出立体的画面，让人们体验到清新、凉爽、洁净、和谐、安定的美感，心胸 开阔，感情奔放，把美传到人的内心。 4 经济效益分析 根据目前工程中运用较多的几种防护系统方法与柔性防护系统所作的经济 比较见表2 2 表2 2 各种防护体系经济效益比较”。 从表2 2 可知，柔性防护体系比传统的工程防护方法经济得多，比纯生物 防护略高，然而防护效果却远胜于纯生物防护体系。故柔性防护体系既能满足 工程防护的要求，同时又能因对施工而遭受破坏的生态环境起到恢复和绿化的 作用。 鉴于植物固坡有如此多的功能，所以在国际地质科学滑坡工作组提出的整 治滑坡方案体系中，植物固坡与锚固等力学手段并列，被推荐为斜坡内部加强 的手段之一。 2 2 植物根系一边坡岩体力学作用模型 植物固土边坡稳定的基本原理的研究 植物固坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用护坡，其作用可 概括为根系的机械和力学效应以及植被的水文效应。 2 2 1 概述 植物固坡对边坡稳定性的影响程度与根的直径、长度以及根的延伸方向密 切相关。首先，植物根必需穿过边坡的可能滑移面，最理想的情况是能伸进基 岩的裂隙中，这样它才能起到桩与锚杆的作用，可以将士层的剪切变换成植物 根的拉伸作用。植物根系的长度是有限的，一般限制在几米范围以内。植物根 对不同类型边坡的加固作用如图2 2 所示。 显然，只有类型b 和c 两种情况，植物根可发挥明显的固坡作用；而对于 类型a 和d ，植物根对边坡加固作用不大，在大风的作用下，甚至还可能因树根 的拉出而加剧边坡的失稳。 纱； 纱5 疆土层较薄基岩为 完整岩石，树根不能 伸进岩石 粪似于类型a 但基 岩有裂隙，树根可伸 进，起到抗滑桩作用 土层与基岩的接触面 为弱面，通常为滑动 面，根系对边坡加固 作用不大 植物固坡的作 用很大 覆土层较犀，接近基 植物固坡作用明显 岩赴番一过菠土层 其密度与抗剪强度随 深度增加，树根可伸 进过菠层加固遗坡 疆土层很犀，超过树植物固坡的作用鞍小 根长度树根可影呐 土层水文状毒但不 能伸至深层可能滑穆 面 图2 2 植物根系作用的范围“5 2 2 2 植物根系提高土壤的抗剪强度 中南林学院硕士学位论文 当土体受到剪应力作用时，土体对剪应力增大所产生的阻力称为抗剪强度。 土壤的物理性质对土壤的抗剪切强度影响很大，土壤的抗剪强度与土壤的颗粒 组成、土壤容重、土壤含水率等因素密切相关。植物根系的存在能明显地改善 土壤的物理性质，因而在一定条件下，可以把土壤抗剪强度的增加归结为植物 根系存在的结果。代全厚、张力( 1 9 9 8 ) “圳等人通过对嫩江大堤护坡植物根系及 土壤抗冲、抗蚀及抗剪强度的测定分析，发现同一地段土壤的抗冲、抗蚀指数 及抗剪