（交通运输规划与管理专业论文）高速公路边坡生态防护技术研究.pdf

摘要 生态防护技术是随着世界范围内高速公路建设而兴起的一门工程技术。与传 统的工程防护技术不同，生态防护技术是工程防护与植物防护的适当结合，其充 分利用工程防护深层加固和植物浅层固坡及生态环保的特点达到了工程建设与环 保及生态恢复兼顾的目的。在越来越重视环境保护和生活质量的今天，生态防护 已成了高速公路边坡防护的一种趋势，代表着边坡防护的发展方向。 目前生态防护技术研究主要集中在对旌工工艺以及水土保持学的研究，忽略 了坡面植物根系的工程力学效应及植物防护与工程防护相结合的研究。本文在对 现有生态防护理论及应用的相关资料研究的基础上，首先采用多种研究方法和理 论，系统的研究了边坡生态防护的力学效应、水文效应、生态效应和景观效应。 其次阐述了边坡植被恢复技术，从物种选择、配置及建植技术详细论述。接着对 生态防护模式结合边坡稳定性计算进行研究，分析其适用性，提出生态防护体系 的建立及综合防护理念。最后依托交通部西部重点项目秦岭山区高速公路建 设生态保护技术研究课题，针对西汉高速公路一户县涝裕口至洋县槐树关段，引 证说明生态防护体系对高速公路边坡治理与防护的应用。 关键词：高速公路、植物防护、生态防护系统、综合防护 a b s t r a c t e c o p m t e c t i o nt e c h n o l o g yi sak i n d o fe n g i n e e r i n gt e c l l l l o l o g yr i s i n g 谢t l l c o n s t n j c t i o no fe x p r e s s w a yi nt h e 、v h o l ew o r l d d i f f 矗e n t矗o mt h e 仃a d i t i o n a l e n g i n e e r m gp r o t e c t l o nt c c h n o l o g y e c o p m t e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yc o m b l n e 仃a d i t l o n a l c n g i r i e 谢n gp r o t e c t i o na n dv e g e 协t i o np r o t e c t i o np r o p e r l y nu t i l i z ed e e p - g 讪i l i z i n g s l o p e so fe n g i n e e r i n gp r o t e c t i o na l l ds u p e r _ s 切b i l i z m ga n db i o l o g i c a lf 1 1 n c t i o no f v e g e 诅t i o np r o t e c t i o n t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n s i d e r a t i o nb e 铆e e ne n g i n e e r i n g c o n s n u c t i o na 1 1 de n v i r o n m e n t a 】p r o t e c t i o n m l l y ，p e o p l ep a ya _ t e n t i o nt oe n v i m n m e n t a l p r o t e c t i o na n dl i f eq u a l 时m o r ea i l dm o r en o w a d a y s ，u s i n ge c o - p r o t e c t i o nt c c h n o l o g ) ， b e c o m e sak i n do f t r e n di ns l o p ep r o t e c t i o no fh i 曲w a y ，i ta l s 0r 印r c s e n tt l l ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no f s l o p e 脚c t i o m a t 肛s e n tr c s e a r c ho f e c o p r o t e c t i o nt e c l l n o i o g ) ，c o n c e n 仃a t eo nc o n s 仉l c t i o nc r a r a n dr e s e a r c h w a t e r 锄d i lc 0 i l s c n ，a t i o n m a i l d y ，酉e c tp l a m 曲l 戗渤g m e c h a n i c sb e h a v i o ro fd o o ts y s t e mp r o t c c t i s e a r c h 鲫n b i n e dt o g 甜埘w i 也p l a m p r o t e c t i o n 锄de n 百n c e 血gp r o t e c t i 0 nt l l eb 粥i so fs t u d yn l ea v a i l a b l er e l e v 觚t m a t c i i a l sa b o mt l l ee c o - p ”0 t e c t i o n 也e o r y 强da p p l i c a t i o n ，f i r s t l y ，“吼髓m a r i z c s 幽e 眦c h a i l i c a la c t i 咀h y d l o 盱e 腩e c o l o g i c a le c ta n d1 锄d s c a p ee 恐c to f e c o - 1 ) r 咖c t i o nb yn u n 山c r i a lt h e 耐e sa i l dw a y s s e c o n d l y ，t l l ep a p 盯s t a _ i e st e c h i l o l o g yo f v e g 咖t i o nc o n s t m c t i o n 丘d mt 1 1 es e i e c t i n g 辩e d 觚dd i s p o s e 觚dn l ep l 锄t i l l g t k r d l y ， t l l ep 印盯c o n c l u d e st h ew a y so fe c o p r o t e c t i o nm o d e l ，a n a l y z e s “ss p e c i a l t i e sa i i d a p p l i e ds i t i l a t i o n ，g i v e st l l e 叩i i l i o no fs e t t i n gu pe 枷- p r o t e c t i s y 毗m 舭d 渊p r e h e n s i v ep t e c t i l 蒯y 幽e 弘i p e rb 目 s e do nt 1 1 es t u d yf 部l i l t so ft h es c i e n t i 矗c 锄d ，i 砒n o l o 百c a lp r o j e 吐o fw e s t e m 北g i o n ， n es u b j e c to ns t u d ya n da p p h c a t i t l ：屺t e c h n o l o g ) ro fs l o p ep r o t e c t i o n 趾de c o l o 百c a lr c s t 0 e a t i o na l o n gn 圮e x p r e s s w a y 曲mh u c o u r 蚵t oy h gc o u n t ys h 趾) ( ip r o v i n c c ，q u o t ep 础c t i c a la p p l i c a t i o ne x a m p l e t 0p r o v et t l i ss y s t e mc a i ls o l v ea c t u a le x p r e s s w a ys l o p e p r o t e c t i o np r o b l e m 1 ( q 肿o r d s ：e x p r c s s w a y ，v e g e 协t i p 腓吐i o n ， e c o p r o t e c t i o ns y s t e m ， c o m p r c h e n s i v ep r o 俐o n 论文独创性声明 v 9 7 8 3 3 ， 上 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒嗡 如一6 年参月哆日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：事媚卿6 年6 月哆日 导师签名：f 霉v 。伽z 年6 月侈日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 由于人类活动加剧与全球气候变化的交织作用，导致地球表面各类生态系统 大幅度退化，如森林锐减、沙漠扩展、湿地干涸、海平面上升等。由此引起全球 范围内生物多样性的急剧下降，生态系统高价值功能的丧失，灾害不断，疾病肆 虐，人类深深感受到生命支持系统的紊乱与恶变对自身健康与安全的威胁。”环境 问题的实质是发展问题，要实现人类同环境的协调发展，就要走可持续发展的道 路。公路建设对社会和经济的发展有着非常重要的作用，但它同时又是对环境产 生严重影响的行业之一。因此，如何在公路建设的同时保护我们的生态环境，进 而实现交通环境的可持续发展，是迫切需要解决的一个问题。 高速公路建设中导致了沿线原生植被破坏，水土流失，土地分割等生态环境 问题，同时高速行驶的汽车产生的噪音、震动，排放的尾气也会对自然环境造成 污染。随着对生存与发展问题认识的不断深化，人们的生态环境意识逐渐加强， 国家已经十分重视公路建设中生态环境和环境保护，在国发 2 0 0 0 3 1 号文件“国 务院关于进一步推进绿色通道建设的通知”中指出：绿色通道要和公路、铁路、 水利建设统筹规划，并与工程建设同步设计，同步施工，同步验收。 目前，高速公路正以每年递增5 的速度在世界范围内扩展和延伸。高速公路 由于其造价高，线形指标高，尽管采用多种避让措施以减少对原有生态环境的影 响，但是在选线和施工过程中不可避免地对沿线的生态和植被产生破坏，留下许 多裸露的边坡。或是高大陡峭、缺土少肥的路堑边坡、或是贫瘠干旱的路堤边坡、 或是路边回填的平台地段。有的是土质边坡，有的是岩质边坡，有的是陡峭边坡， 这些边坡普遍存在冲刷侵蚀、水土流失和浅层局部滑坡现象，边坡植被在3 5 年 甚至更长的时间内都难以恢复倥】。如果不及时进行适当防护和植被恢复，将会导 致崩塌、滑坡等地质灾害，中断交通，严重影响高速公路的正常使用同时对环境 产生极大破坏。我国传统的边坡防护常采用圬工防护，代表形式有：干砌块石护 坡、浆砌片石护坡、灰浆或砂浆抹面护坡、喷射混凝土及打设锚杆护坡等。这些 方式在使用初期对减小坡面侵蚀、保证边坡的稳定性效果很好，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。并且这些方式都难以恢复自然植被、不利于环境保护和生态平 衡，如果采用植物防护，开始作用非常弱，但随着植物的生长，强度增加，对减 轻坡面侵蚀和维持边坡稳定的作用越来越强，并且随着社会对生态环保的要求的 提高，采用植被护坡由于能够恢复公路建设所破坏的生态环境、保持生态平衡而 引起重视，更成为当今的研究热点之一。 国际上一般把植物防护d 1 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”。其途径与手段 是利用植被进行坡面保护和侵蚀控制。因此，植物防护被誉为有“生命”防护。 一般来说，边坡生态防护就是将工程防护和植物防护结合，在边坡基本稳定的基 础上，主要是靠植物根茎与土壤间的附着力以及根茎间的互相缠绕来达到加固坡 面、提高坡面抗冲刷的能力。边坡生态防护不仅可以加固边坡，保土涵养水源， 减少水土流失，而且还可以净化空气，保护生态、美化环境、保证行车安全、具 有良好的经济效益、社会效益和生态效益，在越来越重视环境保护和人类自身生 存质最的今天，生态防护已成了公路边坡防护的一种趋势，代表着边坡防护的发 展方向。h 3 因此，如何结合我国实际情况，综合考虑防护效果、环境美化及环保效益， 合理应用工程措施与植物防护的结合，采用生态恢复技术，建立可适性强的生态 防护体系对提高我国边坡防护技术水平、保证公路安全与通畅、维持路域生态系 统的平衡有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 美国等发达国家从2 0 世纪3 0 4 0 年代就意识到了道路建设中生态平衡的重 要性，开始在道路边坡开展植被恢复工作。例如m o 嘶札r h 和h a r r i s o i l ，c m 早在 1 9 4 3 和1 9 4 4 年就进行了公路两侧草皮种植的试验，通过不同播种时间、不同草种 及草种组合的小区试验来探讨建立草皮的方法；2 0 世纪5 0 年代后随公路的大量兴 建，美国政府制定法律要求新建公路必须进行绿化，并采用多种机制奖励对公路 绿化做出贡献的团体。 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 目的而进行的，目前常用的护坡方法有活枝捆垛( 1 i v e 缸咖e ) 、活枝扦插( 1 i v e c u n i i l g ) 、树枝压实( b m s hl a y 哪、枝条篱墙( ( w a n l e6 m 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( h y d r o s e e d i n g 或h y d r a u l i cm u l c l l 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 年代又发明了三维网植草 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。”。 日本从2 0 世纪8 0 年代开始意识到生态道路建设的重要意义并进行了很多实 践。日本的坡面绿化技术已逐步发展到工程措施与植物措施相结合，绿化工程方 法不下十种。如在2 0 世纪5 0 年代，学者仓田宜二郎首次提出“绿化工程”的概 念，发展了诸如喷附绿化、袋筋绿化等坡面绿化工程技术，取得了良好的植被恢 复效果：2 0 世纪8 0 年代，研究人员在湿法喷播技术的基础上，开发出了客土喷播 技术，解决了在石质边坡上进行植物种植的难题，是绿化技术的一大进步；2 0 世 纪9 0 年代，山寺喜成和竹内雅彦都认为坡面树林化有利于边坡的稳定。近年来， 日本又开发出了厚层基质挂网喷射、水泥砼框格喷附和生态水泥喷附等技术，使 以往难以解决的高、陡岩石边坡的绿化问题也得到解决。另外日本还发展了大量 的与绿化工程技术相配套的生态技术，如客土技术、人工土壤技术、菌根技术、 植被设计技术等。 近年来，绿化网防护、厚层基料喷射、植被型混凝土等己成为日本最广泛的 生态防护技术，获得了多项生态防护技术的专利。虽然日本在高速公路防护方面 起步比美国晚二、三十年，但现在其公路生态防护水平处于世界领先地位。 理论研究方面，主要集中在对植物根系的对岩土体抗冲蚀性能增加以及加固 边坡的力学机理研究上。d mh e r i g c h v a i l i c h 两3 通过对几种植物根系土壤的剪切强 度试验表明，根系在土体中穿插，能明显地增大土壤的剪切强度。其中草本植物 由于根密度大，须根数量多，每一单位草本植物的剪切强度增加值是树木根系的 2 3 倍。f i 皿g s t a d 3 在其硕士论文中基于植物生理学与生态学，对植物根系 的主根与侧根加固作用的力学机理进行了系统分析，并建立了模型可计算边坡的 安全系数。 总体来说，国外的研究有以下特点：西欧和美国由于其地形及经济方面的 原因，选线多顺应地形地貌走向，尽量避免高填深挖，所以公路边坡较小、坡度 也不大，其土质、气候等环境差异较小，研究主体环境变异小，坡面植被建植难 度不大，我们可以在中小边坡的生态防护中借鉴其技术，但在植被恢复中，要根 据气候土质的差异注意物种筛选与配置；引导生态防护先进水平的日本已研究 3 成熟的技术手段主要有：湿式喷播技术、客土喷播技术、绿化网防护等，但其植 被的生态恢复研究还不够深入，绿化品种往往较单一，长期以来的绿化偏重于植 树，多应用经验模式，而且在日本客土喷播技术成本高，需要较长时间才能达到 9 0 的植被覆盖度。在植被防护理论研究方面，通过对植物根系的加固作用、抗 剪及抗侵蚀作用等建立了较为完善的试验手段和计算模型，对在生态防护下的边 坡稳定性计算提供了很大的帮助，但是对植被护坡产生的附加效应一生态效应和 景观效应研究的较少。， 1 2 2 国内研究现状 与国外发达国家相比，国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引进l 台喷播 机开始在华南地区进行液压喷播试验。1 9 9 0 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。1 9 9 6 年云南省昆明一曲靖高速公路全线路堑、路堤、中央分隔带和立交区等 进行了全面防护和绿化，并首次采用瑞士湿法喷播技术进行大规模的植被种植， 为我国公路绿化技术的提高做出了有益的尝试( 陈济丁，1 9 9 8 ) 。1 9 9 3 年我国引 进土木材料植草护坡技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，开发研制 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。碍31 9 9 6 年1 0 月 在交通部在昆明举办的“全国交通环保培训班”，为公路绿化尤其是喷播技术的宣 传和推广起到了积极的推动作用。 对边坡防护的难题岩质边坡和劣质土质边坡的植被防护，也有了一些研 究。陈振盛( 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 ) 和江玉林( 2 0 0 0 ) 分别介绍了日本的客土喷播护坡技术。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、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坡绿化技术，与喷混植生技术也较为相似。针对硬 质岩边坡的植被防护，西南交通大学等单位成功开发了厚层基材喷射植物护坡技 4 术，并且在国内获得了较为广泛的应用。3 同时，某些技术如岩石边坡客土喷播技 术已成功地在广东惠河高速公路、湖南临长高速公路、江苏宁杭高速公路、京珠 高速公路f 驻马店至信阳段) 等地推广应用，取得了良好效果。 目前，国内常见方法为铺草皮、香根草篱、藤蔓植物护坡、液压喷播、三维 植破网、土工格室植草、浆砌片石骨架植草、喷混植生、钢筋混凝土框架内填土、 预应力锚索框架地梁、预应力锚索地梁植被及厚层基材喷射工法等。 在植被防护理论研究方面，中国科学院南京土壤研究所王库h ”、中国科学院 成都生物研究所吴彦、中国利学院地理研究所吴淑安”。、中国科学院水利部西 北水土保持研究所李勇、吴钦孝、朱显漠”1 4 等人通过模拟降巾试验对根系对 土壤侵蚀的防护效应进行了研究。解明曙n 卯在综合国内外现有研究成果基础上， 对植物根系固坡的力学机制进行了深入的理论研究。 在植被恢复及养护管理方面，国内在边坡绿化方面有一些研究，包括植物种 类、混播比例、后期养护管理等。但尚处在初期阶段，没有完整总结出一套适合 于中国各类环境的边坡治理方法。如中山大学席家宾、山西省农科院刘建宁等对 草种混播比例作了一些研究，总结出适宜于当地生长的混播组合，指出多个品种 混播效果较理想，品种过多或过少均生长不良。另外也有一些人对养护管理作了 部分研究工作，但所总结出的经验不能在其他环境使用，目前所作研究还处于初 始阶段，有待于从多方面作深入的研究工作。 综合来说，国内高速公路边坡生态防护研究有以下特点：目前比较成熟的 技术主要有：三维植被网、浆砌片石骨架植草防护、藤蔓植物护坡、土工格室植 草及钢筋混凝土框架植草护坡等，对于填方边坡或较缓的中小挖方边坡实施效果 良好，但对于高陡岩质或劣质土边坡的防护措施，虽然已有如锚杆框架梁、客土 喷播、液压喷播及厚层基材喷射工法等技术出现，但由于高速公路地域性的差别， 而引起的地质土质差别较大，笼统照搬试点成功技术大多达不到满意效果，缺乏 生态防护技术适应性研究，造成资源和财力的浪费。对单一防护形式研究较多， 但对于防护体系的研究较少，缺少综合防护研究；同时，在生态防护的重要内容 植被恢复中，缺乏系统全面的恢复理论研究，物种选择显得很随意，没有进 行基于恢复生态学理论基础上的筛选与配置，导致了绿化效果的千差万别，造成 了不必要的损失与浪费。在防护形式研究中，缺乏对不同防护模式对边坡稳定 性影响的计算分析，大多为定性分析，缺乏数据支撑。 5 1 3 论文研究内容与章节安排 1 3 1 论文研究内容 通过上节里对国内外研究已有成果的学习和对研究现状的总结分析，认识到 高速公路边坡生态防护技术研究目前仍存在若干比较薄弱的方面，所以将以下几 个方面作为论文研究的主要内容。 ( 1 ) 在了解国内外关于生态防护理论的基础上，总结其中具代表性的理论研 究成果，包括植物根系系统的力学效应、水文效应的产生条件、作用机理及影响 范围，较系统的得到植物防护理论方而的支持。同时进一步对植被系统的生态效 应和景观效应进行讨论。 ( 2 ) 在对生态恢复原理与方法研究的基础上结合植物护坡效应机理研究，提 炼出高速公路边坡植被恢复的理论依据，阐述合理进行边坡植物物种选择，配置 模式及建植技术的方法。 ( 3 ) 结合具体算例，研究采用单纯植被护坡模式及植被与工程防护结合模式 对边坡稳定性的影响，分析各模式的特点及适用性。总结我国现有的主要生态防 护形式的特点及适用性，研究建立生态防护体系的一般模式。 ( 4 ) 依托国道主干线g z 4 0 一户县涝峪口至洋县槐树关段高速公路进行实例 分析，根据工程概况和地质地貌等实际情况，应用植物物种选择及配置、防护形 式的合理选择及生态防护技术体系建立的研究成果，选取户洋高速典型路段作综 合防护方案设计。 1 3 2 论文章节安排 本文全部内容分为六章，第一章是绪论，最后一章是总结，研究的主要内容 都集中在第二、三、四、五章。 本章主要对边坡的生态防护机理的一些方面进行了较深入的研究，得到以下结论： 第二章从界定生态防护的概念入手，研究生态防护的功能及特点；在此基础 上，对植被护坡效应机理作深入研究，主要从植被的力学效应及水文效应来研究 护坡作用，并分析了植被护坡的附加效应一生态效应和景观效应。 第三章在对生态恢复原理研究基础上结合上章植被护坡效应机理研究结论， 提炼出公路边坡植被恢复的理论依据，在此基础上归纳植被筛选原则、研究配置 模式，最后对植物的建植技术进行分析。 6 第四章对生态防护的两种模式植被防护模式及工程防护与植被结合的模式 进行深入研究，分析在不同防护模式下边坡稳定系数的变化。讨论不同防护模式 的适用范围。总结了国内现常用的高速公路边坡生态防护形式的特点及适用性： 建立生态防护体系的一般模式，提出综合防护设计理念。 第五章将护坡植破一恢复、生态防护模式研究结论应用于户洋段高速公路的 边坡防护设计中，并结合典型段落给出综合设计方案。 7 第二章边坡生态防护效应机理研究 2 1 生态防护的界定 国际上对生态防护技术目前为止还没有一个确切的术语【1 6 】，近期一些学者将生 态防护技术定义为基于生态工程学、工程力学、植物学、水力学等学科的基本原 理，利用活性植被材料，结合其它工程材料在边坡上构建具有生态功能的防护系 统，通过生态工程自支撑、自组织与自我修复等功能来实现边坡的抗冲蚀、抗活 动和生态恢复，以达到减少水土流失、维持生态多样性和生态平衡及美化环境等 目的技术。国内从事生态防护技术的学者也提出类似的说法。胡利文提出边坡生 态防护技术原理体现在植物对边坡力学效应、水文效应及生态效应上通过加固防 护达到边坡水土保持及环境优化的目的【1 7 】；周跃提出的坡面生态工程( s l o p e e c o e n g i l l e e r i n g 简称s e e ) 指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建造 工程，也指利用植被进行坡面保护和侵蚀控制的途径与手段【1 8 】；冯美军等人提出 的生态工程防护是指采用植物与土木工程相结合的固坡措施，此方法主要是针对 裸露岩石坡面的生态恢复工程。另外还有生态绿化与生态治理等概念。由于国内 在生态防护方面研究还比较少，目前工程界更直观地把它称为“边坡绿化”。 笔者认为现今的边坡生态防护应该是工程防护与植被防护的适当的结合。边 坡防护的理念应该是以保证边坡稳定性为出发点，再考虑经济、环保及美观。即 对于一般地质情况相对简单，坡度较缓且高度不大的边坡，如果单独的植被护坡 可以满足维持边坡稳定的要求，则可以取代工程防护，这种情况不仅可以美化环 境，并且能减少造价；如果地质情况复杂的高陡边坡，则应该采用工程防护和植 被结合的方法。 2 2 生态防护的功能 边坡生态防护的功能体现在以下几个方面： ( 1 ) 稳定边坡边坡常见的病害就是土壤侵蚀、水土流失、坡面失稳、塌陷 或者产生滑坡。生态防护首先通过工程防护作为受力或施力框架来维持边坡的稳 定性，其次通过植被恢复来利用植物护坡功能来进一步稳固土体，同时植物根系 起到加筋作用，茎叶截留降雨，减小坡面冲刷和侵蚀。 8 ( 2 ) 改善高速行车安全条件及路面状况边坡植被还可以改善高速行车安全 条件。譬如，通过视线诱导种植可预示或预告线型的变化；通过遮光种植可防止 车辆夜间行驶对向灯光的炫目；通过明暗适应种植，当汽车进入隧道时，可帮助 驾驶员缩短对明暗急剧变化的适应时间；通过缓冲种植，当车体与路外物发生冲 击时，可降低车辆和驾驶员的损害程度。栽植的树木花草增加了地表植破覆盖度， 拦截、抬升部分气流，消除风的动能，可起到降低风速、防止风沙危害的作用( 据 研究，裸露的公路边坡风速比林地大1 5 倍，比草地大8 倍) ：覆盖的植物( 如路侧 的灌木林) 能减缓坡面温差及温度变化的影响，从而降低路表的温度，延缓沥青 的老化，延长公路使用寿命。 ( 3 ) 生态及景观功能边坡开挖，在一定程度上会破坏坡体与周围地区的生 态环境。采用植被护坡技术可以较大程度地恢复被破坏的生态环境。植被的存在 可为一些小动物和微生物的生存与繁殖提供必需的环境，也能逐渐恢复因坡体开 挖而遭到破坏的生物链，使已破坏的生态环境得到最大程度恢复；植物对颗粒污 染物具有吸滞和阻挡作用，能使空气中的部分颗粒物沉降下来。据称草坪的滞留 尘埃的能力比裸露的土地大7 0 倍。并且已知植物能吸收的交通污染物质有c 0 2 ， c 0 ，n h 3 ，h 2 s ，s 0 2 ，n 0 x ，c 1 2 和h g 、p b 蒸气及大气中的金属和非金属粉尘；植物 的吸声作用会有效减弱交通噪声，据北京园林科学研究所研究测定，2 0 m 宽的草 坪，可减少噪声2 d b 。特别对于覆盖植被的路堑边坡，相当于隔断视线的声屏障， 平均声障衰减量达到5 7 d b ；高速公路两旁的人工边坡用绿色的乔木、灌木、草 合理搭配覆盖，加上公路两侧天然生长的乔木、灌木、花草及栖息的生物，可建 成一条人工与自然相结合的风景迷人的公路线。 2 3 生态防护的特点 2 3 1 生态防护区别于常规工程防护的特点 常规的边坡工程防护包括坡面防护及支挡结构防护，坡面防护措施有灰浆或 三合土等抹面、喷浆、喷混凝土、浆砌片石护面墙、锚喷护坡、锚喷网护坡等。 此类措施主要用以防护开挖边坡坡面的岩石风化剥落、碎落以及少量落石掉块等 现象。如常用于风化岩层、破碎岩层及软硬岩相问互层( 如砂页岩互层、石灰岩 与页岩互层) 的路堑边坡的坡面防护，用于保持坡面的稳定。其所防护的边坡， 应有足够的稳定性。对于不稳定边坡先支挡再防护，支挡的结构类型主要有挡土 9 墙、锚杆挡墙、抗滑桩等。这些支挡结构既有防护作用，又有加固坡体的作用。 长期以来的工程实践表明：采用工程防护，往往过分追求强度功效，破坏了 多样性自然生态的和谐，使工程所到之处，全是毫无生气、坚硬呆板的水泥通道， 坡面采用工程防护后，由于缺乏植物生长的环境，被破坏了的植被很难迅速恢复， 生态效果极差。随着时间的推移，混凝土面、浆砌片石面都会风化、老化，甚至 造成破坏，后期整治费用高。 高速公路边坡生态防护与常规工程防护相比来说：常规的工程防护技术见效 快，能迅速稳固边坡，且维护费用低。但由于初期设计思路单一、简单，未考虑 工程防护与环保绿化、景观之间的相互关系，未对坡面进行综合处置，导致已完 工的坡面呈现外观色泽灰暗、单调，缺乏生气，不能满足高速公路对环保绿化、 美化景观及消除司机疲劳等要求；植被防护在防止水土流失、环保、美化景观、 净化空气等方面效果突出，但也有其局限性，比如初期防护效果较差，对于深层 的边坡滑动及可能失稳的边坡，则作用不明显。因此，所研究的生态防护就是要 根据情况，适当选取常规工程防护为基础，再进行边坡植被恢复，这样可将工程 防护与生态防护有机的结合起来，生态防护吸收了常规工程防护的优点，为前期 的边坡稳定提供了保证，再加上植被恢复，利用植被后期稳固边坡作用增加的特 点来弥补常规工程防护的不足，并凭借边坡植被系统其独有的生态和景观功能来 弥补“白色防护”的缺陷，这样既能保证边坡的稳定，又能达到绿化环保的效果， 将带来十分乐观的生态效益、社会效益和经济效益。所以生态防护是基于并优于 常规工程防护的环保型防护理念。 2 3 2 生态防护区别于一般绿化工程的特点 高速公路边坡生态防护与一般园林绿化工程相比，具有其独特性：园林绿化工 程是通过精细种植和精心养护来使植物形态优美，实现其观赏价值。其面积小， 施工难度低，植物物种选择侧重于观赏性和经济性，有充分的人力和时间去养护， 所以对其抗病害和适生性要求不高；而高速公路的生态防护是结合植物措施与工 程措施，除保证边坡基本稳定之外，更要起到恢复自然，改善道路路域环境以及 防止边坡受冲刷、减少水土流失等生态功能及利用植物自身的固坡功能使边坡达 到长久稳定的目的。其植物选择必然侧重于护坡性和生态性，且由于受高速公路 边坡的坡面特点及立地条件的影响，物种选择要“因地适宜”，能适应项目区独特 土壤和气候条件，并能有较强的抗病害能力。所以其物种选择和施工方法都要较 一般园林绿化工程有相当难度。 2 4 植被护坡效应机理 对于植被护坡效应机理研究，主要基于植被护坡功能及特点基础上，通过对 影响植被护坡的稳定主因素的分析，构建框架图2l 来进行阐近。 图2 1 植被护坡效应机理研究框图 下面通过对植物根系的力学效应、植被系统的水文效应来研究植被的护坡机 理，并进一步讨论植被护坡产生的附加效应一一生态效应及景观效应。 2 4 1 植物根系的力学效应 植被主要通过其根系的加固作用来提高土壤的抗剪强度，从而增强边坡的浅 层稳定性。根系对土的加固作用的大小依赖于根的强度和根的特性，以及根在土 壤里的空间分布情况。根的强度和根系结构又受植物的种类和当地土壤条件的影 响。 根据植物生长的特点，草本植物的根系一般均为直径小于1 r n m 的须根，根系 密度随土壤剖面深度的增加表现出3 个显著特点，即在o 3 0 c m 土层急剧减少， 在3 0 7 0 锄土层逐渐减少及在7 0 1 5 0 c m 土层保持最低水平，总根数的9 0 集 中分布在0 3 0 c m 的土层内，3 0 7 0 c m 土层内根数约占总根数的8 ，7 0 c m 以下 土层仅占总根数的2 左右。草本植物的根系分布特征决定了对土体的加固作用主 要是加筋作用。而木本植物由于其根系主要由深入土壤的垂直根系和较浅层分布 的水平根系组成，根据根系分布特点决定木本植物主要是垂直主根对土的锚固作 用和水平根对土的加筋作用。下面将通过对根的形态、含量、根的强度及受力分 析来研究护坡植物根系的护坡机理。 ( 1 ) 根系的形态 根系分三部分：主根、铅垂根和横向根。主根是指主要与植物茎干相连的竖 向生长的根；铅垂根是指竖向根，生长在主根和横向根上；横向根是指生长在主 根上，但其方向是水平的。一般情况下，较深的竖向主根可以穿过较深的潜在受 剪面提高边坡的稳定性，从而使边坡不宣发生浅层滑动。直径较小的高密集须根 在提高土壤的抗剪强度方而要优于分布稀少的大直径根。由于大部分根集中在地 表附近，因此，在离地表大约1 5 m 的范围内，植物浅根可穿过坡体松软的浅层， 锚固到较稳定的土体或岩体中，起到预应力锚杆的作用，增强边坡稳定性。研究 表明，8 0 9 0 的根都集中在o 9 m 的深度内，因此在此深度范围内植物根系对 土壤的加固作用明显【2 0 l 。 ( 2 ) 土中根的含量 土中根的含量不同，根对土的加筋作用的效果不同，因而植物对边坡稳定性 的影响程度就不同。随着深度增加，根在土中的含量越来越少。衡量根在土中的 含量的一个常用的指标是“根的面积比率”( r 0 0 t a r c a r a t i o ，简记为r a r ) ，它指 的是在一个土层断面上( 水平断面或垂直断面) 根的截面面积与总断面面积的比率。 根据s l l i e l d s 和g r a y l 9 9 3 年在美国加利福尼亚洲萨克拉门托河的砂质堤岸上测得 接骨木灌木丛的r a r 随深度变化的曲线1 ，见图2 2 所示。我们得出结论是：随 着深度的增加r a r 迅速减小。在水平断面上，r a r 一直很小。这说明大部分根是 水平伸展的侧根。其实，我们最关心的是临界滑移面上的根的面积比率。所以， 确定边坡的临界滑移而后我们就可以测出在在这个临界面上根的面积率，然后根 据后面将详细介绍的根的强度公式算出根系抵抗边坡沿滑移面滑移的定性的作 用。还有一种衡量土中根的含量的方法就是“根的生物量集度”，即单位体积土中 根的质量，它与融幔存在定的转化关系。 植被根系的生长和根系结构的分布除与植被本身种类有关外，更多的是受环 境和土壤条件的控制。 2 o 静1 5 口 蕊 嘎1 o o 。5 o o o 图2 - 2砂质堤岸上接骨木根的面积比率随深度变化曲线 ( 3 ) 根的强度 在众多的根的强度的研究数据中可以发现一个规律：根的强度可以达到7 0 m p a ，一般位于1 0 4 0 m p a 之间，针叶状树木的根比落叶乔木的根的强度低，而 灌木的根的强度并不比乔木的根的强度低，灌木根的抗拉强度几乎与树根的抗拉 强度相当。所以，存在浅层滑动的边坡中，可以用灌木代替乔木，这样不仅能起 到加固作用，而且灌木的重量却远小于乔木的重量；同时灌木也没有乔木的刚性 大、易被风吹倒的缺点。 根的强度受直径影响很大，很多研究表明，随着直径的增加，根的强度有降 低的趋势。抗拉强度和直径之间存在如下关系瞄1 ： 丁= ，d ” ( 2 一1 ) 式中：t - 一树根的抗拉强度； d 一树根的直径； n ，m _ 一给定树种的经验常数。 由公式2 1 可看出，根的抗拉强度随着直径的增加而降低。植物的根的强度一 般随着直径的增大而减小。细小的根对土的抗剪强度的提高具有较大的贡献，这 是由于细根不但具有较高的抗拉强度，而且由于比同样l t 的粗根具有较大的表 面面积，所以和土之间的摩擦力较大，抵抗拉脱的能力强。 植被虽然可以提高边坡土壤的抗剪强度和稳定性，但是，由于伐木、火灾、 移植等原因造成植物移走时，根会慢慢腐烂，强度降低，造成边坡稳定性降低。 当植被被砍伐后，强度最大、直径最小的根的强度最先消失。砍伐后的根的抗拉 强度会随时间而降低，如式2 2 t 2 4 1 所示： r = 丁。p 4 ( 2 2 ) 其中，”树根活着时的抗拉强度： o 被砍伐t 个月后的树根抗拉强度； b 树根腐烂概率； t 树桩的年龄( 砍伐和取样所间隔的时间) ； p 一。根的强度腐蚀率( 根的强度降低率) 。 根的抗拉强度降低到原来活着时强度的一半时，所需要的时间为： = l o go 5 l o gp ( 2 3 ) 这里，f o 5 是指在植被被砍伐后根强度的“半衰期”。 o ，l o u h i na n dw a t s o n ( 1 9 7 9 ) 研究表明i 埘，树被砍伐2 9 个月后，树根的 抗拉强度会从1 8 m p a 降低到3 m p a 左右，而根的直径将从5 3 m m 增加到8 3 m m 左 右，说明树在被砍伐后较小直径的根会快速腐烂并消失。 ( 4 ) 根受力分析 植被对土壤的加固作用主要表现为深根的锚固作用和浅根的加筋作用两方面。 植被根系的存在可以提高土壤的粘聚力，锚固作用可以提高土壤的抗剪强度，使 1 4 原土体的抗剪强度向上推移了距离v c ，加筋作用又限制了土体的侧向膨胀而使 仃3 增加到仃3 ，在仃1 不变的情况下使最大剪应力减小( 如图2 3 所示) ，在 这两种作用的共同影响下，能使边坡岩土体的承载力提高【2 l l 。 厶c c oiol ， ojol ，ol 膏 o 图2 3根系对土壤的加筋作用 根据查阅的参考文献可知【9 1 叫，根纤维提高土的抗剪强度主要是通过根土接触 面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的，其受力平衡模型提出( w h e ta 1 ，1 9 7 9 ) ，此平衡模式【2 5 1 假定根系垂直锚固于土层中( 图2 4 ) 。 未雯形的根位移以后的根 图2 - 4 正交根系受力平衡模型分析图 其表达式为： v s = f rp i l l p + c o spt a n 妒】( 2 _ 4 ) 式中：v s 由于根系加筋作用所增加的土体的抗剪强度； f r 单位面积上根产生的拉应力； p 剪切变形角； 妒土体的内摩擦角。 根的平均抗拉强度可以用下式表示： 铲等 式中：r 根的平均抗拉强度； 号产根的面积比率； 彳r胛f 口f _ _ _ 。一= = 。- 。_ _ _ _ _ - - _ - _ 一 彳彳 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：甩f 植被的根茎为i 的根的数目； 口f 植被的根茎为i 的根的横截面积。 = 鬻 协， 式中：，植被的根茎为i 的根的强度。 将2 5 代入2 4 中，得 v s = 争p i n 日+ c 。spt a n 妒】 ( 2 - 8 ) w ue ta 1 1 9 7 9 年提出，西i 1 1 日+ c o s8t a n 妒】的平均值为1 2 ，所以式 2 8 可简化为： 耶_ 1 2 x 手 ( 2 - 9 ) 由式2 9 可得出结论：土壤抗剪强度的提高值vs 完全依赖于根的平均抗拉 强度r r 和根的面积比率产，并与它们成正比关系。 2 4 2 植被系统的水文效应 在自然界降雨情况下，边坡不断经受降雨的袭击，其中一部分下渗，一部分 在边坡面汇集，形成径流，产生冲刷口6 1 【2 7 1 。降雨对边坡的破坏大致分为以下几类： 溅蚀、溶蚀、片蚀、沟蚀、溜坍。边坡植物系统具有增强土壤抗侵蚀的能力，通 过降雨截留、径流延滞、土层固结等作用减缓坡面侵蚀。 ( 1 ) 削弱溅蚀：边坡植物防护的植被覆盖率高，交错的植被叶系使降水不能 直接降落于边坡土体表面，而只能沿着叶系下落，由于叶面的脉络对流过的水滴 有分割效应，使水滴变小。经过叶系后，水滴的动能、体积均大为减小，从而使 水滴对地表的冲击大为减少。 在无植被时，让一质量为m 的雨滴从距地表h 的高空落下，假设不考虑雨滴 下落时所受的空气阻力，雨滴的动能为： e l = m g h( 2 1 0 ) 若地表有植破层，植被层距地表高度为h ，则内滴落到植破后由于其动能破覆 盖植被的缓冲作用所消耗，因此雨滴的速度减小为零，假定雨滴又被分散为n 个 质量相等的小雨滴，则每个小雨滴到达地表时所具有的动能为 e 2 = m 西妇( 2 - 1 1 ) 对于草本植被层，可认为h = o ，则雨滴到达地表时的动能e 2 为0 ，可认为植被 完全消除了雨滴的溅蚀。 ( 2 ) 降雨截留：植被主要通过茎叶来实现降雨截留功能，其密实的树叶组成 的树冠拦阻了雨水。一部分降雨直接被植被的茎叶暂时存贮在其中，重新蒸发到 大气中，另一部分流经茎叶形成二次降雨，落到坡面。在w i i n a 勰s e n 【4 7 1 等人对 降雨截留的研究中，就把降雨量分为林外降雨量和林内降雨量，通过其差额来对 降雨截留量进行衡量。当降雨较大或时间较长存在林内降雨时，下层的地被植物 ( 主要是草本类) 又起到截留作用，因为一个完整和谐的植被系统不是单一的植 物群落。对于植被雨水截留的能力，决定的因素很多，比如降雨量大小、林冠郁 闭度、植被种类及构成、当地环境气候和人为因素等。在郁闭度越高、降雨量越 少的情况下，截留率越大，甚至可接近1 0 0 ，在降雨强度很大，或降雨持续时间 很长、林冠已饱和的情况下，则截留率趋于o 。平均来说，林地冠层( 木本类) 截 留雨量在年总降雨量的1 5 左右，而地被植物( 草本类) 在1 0 左右【4 射。 ( 3 ) 坡面植被增加了地表糙度，从而降低了径流的流速。坡面径流一般携带 大量的土类，易造成水土