植物根系对边坡稳定方面的研究毕业论文.doc

哈尔滨工业大学成人教育学院本科毕业论文（设计） 植物根系对边坡稳定方面的研究毕业论文第1章 绪论1.1 问题提出的背景与意义由于人类活动的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。于是，人们对环境给予了越来越多的关注。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。交通建设对社会和经济的发展有着非常重要的作用，但同时又是对环境产生严重影响的行业之一。因此，如何在交通建设的同时保护我们的环境，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。例如，公路建设中导致了沿线原生植物的破坏、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、排放的尾气也对自然环境造成了污染。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的生态环境和环境保护。在国发【2000】31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。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植被产生破坏，留下许多裸露的边坡。或是高大峭壁、缺土少肥的路堑边坡、或是贫瘠干旱的路堤边坡，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35年甚至更长时间内都难以恢复。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用圬工防护，代表形式有：干砌块石固坡、浆砌片石固坡、灰浆或砂浆抹面固坡、喷射混凝土及打设锚杆固坡等。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，作用显著。然而，随着时间的推移，岩石的风化、混凝土的老化、钢筋腐蚀、强度降低，加固效果也越来越差。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护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、保持生态平衡而被引起重视，更成为当今研究的热点之一【18】。 从近代以来，以发达国家如德国、英国为领队的世界各国逐渐提升了建筑物的功能，建筑物在原来功能要求的基础上，更加重视对环境的要求，尤其是在自然边坡的保护和治理上，逐渐采用植物方法与传统的工程方法相结合，使得自然边坡在原来水土保持的基础上，具有了美化环境、改良气候的作用。公路边坡上传统岩土工程和植物方法的结合，不但保证了公路路基的稳定性，而且美化环境、改良了公路沿线的小气候、改善了驾驶员行车的舒适度；河流堤岸上传统岩土工程护坡和植物方法的结合，不但加固了堤岸，而且对改善环境、改良气候以及平衡河流微生物，实现整个生态系统的协调具有重大的现实意义。我国自改革开放以来，经济取得了突飞猛进的发展，人民生活水平不断提高，在进行土木工程建设的同时，对环境的关注也不断增多。从南昆铁路、青藏铁路的建设到小浪底、三峡工程的建设都在保护自然环境方面投入了大量的资金。很多地方铁路、公路工程也在保护环境、改善气候等方面给予了越来越多的关注。公路、铁路的路堤边坡的传统防护方法是在坡面上作浆砌片石或干砌片石护坡，有的作浆砌片石或干砌片石骨架护坡，并在骨架的框格内铺设草皮或栽种灌木。公路、铁路的路堑边坡常常是采用挡土墙，墙上再修筑护坡，往往在深路堑中采用多级护坡，远远看去甚是壮观，但是与周围的自然环境，缺乏协调，缺乏以人为本的设计理念，难免生硬。河流堤岸的边坡，传统的护坡方式多是采用片石护坡或混凝土护坡，带来的不利影响往往是破坏了河流的微生物环境，致使水质恶化。但是，采用了植物护坡方法以后，不但起到了加固边坡，防止风雨侵蚀冲刷的作用，还改善了公路、铁路或河流沿线的小气候，美化了环境，促进了生态平衡，提高了人们的生活和工作的舒适度。但是目前我国在生态土木工程方面的研究和应用还处于试探阶段，有些高速公路的边坡采用香根草植物篱技术护坡， 其它大多数的河流堤岸和铁路边坡仍然采用传统的土木工程方法。为了避免走发达国家先发展后治理的老路，我们应该未雨绸缪，加紧进行生态土木工程的研究和开发，促进植物方法和传统土木工程的结合，在进行土木工程建设的同时尽量减少对原有生态环境的干扰和破坏，最终达到美化环境、促进生态平衡的目的。总之，如何结合实际情况，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、保证公路安全与畅通、维持路域生态系统的平衡有着重要的意义。1.2 植物固坡的发展历史 边坡的植物防护方法在几千年前我们的祖先就有应用。人们自觉不自觉地一直沿用着，并没有去仔细地研究它的原理及可靠性。随着人类生活水平的提高和科学技术水平的逐渐发展，人们对生存环境给予了越来越多的关注，认识到土木工程师应该和生态保护专家、植物学家密切协调，把传统土木工程和生态工程有机结合起来。1948年，英国土木工程师协会第一次在全世界范围内召开了议题为“生态和土木工程”的会议。当时把问题仅仅限制在“人工植物”(vegetation)而不包括野生植物。在会后的第三年，英国的土木工程法案中出现了“由于堤岸上柳树的生长和萌根给堤岸造成的严重危害，禁止河岸植柳”的条款。在接下来的几十年里，很多国家在植物与边坡稳定方面的研究仍在继续，也进行了一些现场试验和室内试验，只是关于植物护坡的讨论和交流逐渐减少了。到了1994年，才又在英国的牛津召开了一次关于植物护坡的世界性会议。这次会议可以说是第一次全面的会议，在植物护坡领域有了全面的交流。这次会议更加强调植物对边坡稳定的积极因素的开发，从而在一定程度上可以定量描述植物对边坡稳定的作用。应当意识到，现代植物固坡方法不仅仅是单纯采用植物材料，而是把岩土工程和植物方法结合起来，把土石结构和植物方法结合起来的一种新的方法。随着时间的增长，植物根系也逐渐在固坡中起主导作用，从而防止水土流失，抑制边坡的蠕移和滑动。1.3 研究现状边坡绿色防护实践的历史由来已久，但其成为一门技术，按规范由程序的实施还是近几十年的事。边坡的绿色防护技术从观念、技术、设计、施工等都经历了一个逐步发展的过程，如从简单的人工播种草籽、铺草皮发展到机械喷播植草、草皮卷工厂化生产；从单一的草种发展到科学的植物配置；从土质边坡植生发展到岩质边坡植生，边坡绿色防护技术得到了全面的发展。1.3.1 国外研究现状 国外对边坡的绿色防护技术研究较早，欧美、日、韩等发达国家在20世纪30年代已对工程建设中的生态环境问题作出重视，将生态保护和恢复纳入了公路铁路等工程建设中，并为此开展了相应的技术研究。例如，近几年来，绿化网防护、厚层基料喷射、植被型混凝土等成为日本最广泛地生态防护技术，并获得了多项生态防护技术的专利。虽然日本在高速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。在英国、意大利，将加筋土技术与植被护坡技术有机结合起来，用植被墙面代替传统的钢筋混凝土墙面，成功地修建了包裹式的加筋土植被草墙面挡土墙【18】。理论方面，主要研究如下：（1）植物对边坡的加固作用主要是通过根来实现的。Gray and Ohaashi （1983）等通过大量试验证明，砂土中生长少量根就能显著提高砂土的抗剪强度。另外，Greenway（1987）等详细总结了根对边坡土壤的锚固和抗滑作用。（2） Turnanina（1965）、Wu（1976）、Burroughs and Thomas（1977）、Nilaweera（1994）等人证实，树根强度与树根直径成反比。Gray（1996）利用试验得到的数据，建立了树根抗拉强度与直径的关系式。显然，根据这一发现，须根比粗根更有利于土壤加固和抗剪强度的提高。（3）在过去30年期间，Waldron（1977）和Wu et al.（1984）等人先后建立了土壤-根相互作用的力学平衡模型。通过模型，得到一个重要公式，即土体抗剪强度的增加量和根的面积比率（RAR）成正比。试验室已证明了这一点。（4）Endo and Tsuruta（1969）在野外进行大体积带有桤木树根的土体剪切试验，Ziemer（1981）在野外原地进行了大体积带有松木树根的土体剪切试验。他们的试验证明：单位体积土体中每增加一公斤树根，土体抗剪强度平均增加3.5kPa。这个数字有助于大致估计树根对土体抗剪强度的贡献量。通过试验确定了单位土体中单位重量的某种树根对土体强度的贡献，就可以根据某种树根的强度和土体中树根的量，算出土体强度增加量【17】。（5）Wu（1977）的试验表明在7cm深产生剪应力。Wu（1999）认为310cm处根的形态分布承担剪应力。Nilaweera（1994）由带主根的几个种类进行试验，根系整个被拔出，与Wu（1977）结果一致。表明荷载点在一定距离的位置上。但是试验情况是最终荷载比理论计算值要小得多【1】。1.3.2 国内研究现状与发达国家相比，国内在植物护坡技术应用方面的研究起步较晚，20世纪90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（见图1.1）等护坡方法。而目前又增加有香根草篱、藤蔓植物护坡、液压喷播、三维植被网、喷混植生等。图11 六棱砖植草关于植被恢复及养护管理，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。但尚处于初级阶段，没有完整总结出一套适合于我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它环境使用。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。理论方面，主要研究如下：植物根系增加土体抗剪强度，植物根系具有“加筋作用”。代全厚等（1998）试验表明：牛毛草地抗剪强度0.163kg/cm2、天然草地0.119kg/cm2,比农地0.058 kg/cm2高。杨亚川等（1996）用节节草试验直径为0.6mm的根抗剪强度达22.32 MPa，为级钢筋抗拉强度1/10，产生显著的根系“加筋作用”。史敏华等 （1994） 的林木根系抗拉试验满足幂函数关系,并且林木对土壤固结力的大小决定于根系分布特征、根径、根的抗拉等因素，认为根的抗拉力是衡量水土保持树种的一个重要指标。封金财等（2003）认为土壤抗剪强度的提高值完全依赖于根的平均抗拉强度和根的面积比率（）。通过对茅草根室内测定应力-应变关系曲线，根纤维22条的土体是对照(无根)土体2倍，根的存在大大提高了浅土层（H1m） 的稳定性, 但深度大于1m时 ,根的加筋作用逐渐减弱。范兴科、蒋定生（1997）认为土壤抗剪强与土壤物理因素有关 ,土壤抗剪强度的增加归结为植物根系存在的结果。根系在土壤中穿插能明显增大土壤的剪切强度，其中草本植物根系密度大、须根多，单位须根密度的剪切强度增加值是树木根系的23倍。程洪（2002）年在香根草等暖性草本植物根系的抗拉试验表明，香根草根系平均抗拉强度达85MPa，相当于普通钢筋抗拉强度的1/6。国内对植物根系受力作用下的变化也有所研究。刘国彬等（1996）报道沙打旺、无芒雀麦应力-应变为对数函数关系，应变递增快，不符合胡克定律(具有弹塑性材料)。长芒草、狗芽根、胡枝子、茵陈蒿遵从胡克定律(弹性材料)。朱清科等（2002）研究表明蛾眉冷杉、冬瓜杨根系受拉过程中为典型弹性断裂，杜鹃根系由于存在生理节理，则表现为节理处断裂(脆性断裂)。这说明不同植物根系材料力学特征是有差异的，因此需要从遗传学、解剖学、组织学并结合根系发育的环境状况探求乔、灌、草根系力学性质。 1.4 本文主要研究内容与方法研究内容：1. 对有无根系土壤进行对比剪切试验研究；2. 进行白三叶草、结缕草、高羊茅的根系直径、分布、强度试验；3. 总结根系抗拉强度；4. 分析研究植物固坡的基本原理和基本规律；5. 提出植物护坡的使用建议；6. 植物固坡的经济、技术等可行性分析。研究方法：1. 通过试验进行研究分析； 2. 通过直接和间接调查进行总结。 第2章 植物固坡的功能和特点植物固坡和传统的工程固坡方法相比，不管在经济上还是在技术上确实占有一定的优势。另外，植物固坡不仅在公路护坡上应用，而且在铁路、湖边、河道、堤坝等都具有相当的效果。植物固坡技术是一项新技术，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。该方法可以说给边坡治理带来了一次技术革命，而且具有明显的经济性、技术性和施工便利性的优点。2.1 植物固坡的功能植物固坡的功能主要体现在以下几个方面：1. 加固边坡 边坡的常见病害就是土壤侵蚀、水土流失、坡面失稳、塌陷或者产生滑坡等。植物便可通过其根系对边坡起到加筋作用，通过其茎叶截流降雨，减小坡面冲刷和侵蚀。 2. 改善环境 （1）恢复了被破坏的生态环境。因为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，完美的生物链又逐渐形成，被破坏的环境也就慢慢恢复到原始的自然环境。（2）同时降低了噪声、光污染，改善了行车条件。在交通工程中，植被能吸收刺耳的声音。还譬如，通过视线诱导可预示或预告线形的变化；通过遮光植物可防止车辆夜间行使对灯光的炫目；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，可降低车辆与驾驶员的损伤程度；栽植的树木花草增加了地表植被覆盖率，拦截、抬升部分气流，消除风的功能，可降低风速、防止风沙危害的作用；覆盖的植物（如路侧的灌木林）能减缓坡面温度变化的影响，从而降低路表的温度，延缓沥青的老化，延长公路的使用寿命【18】。（3）可促进有机物的降解，净化大气，调节小气候。来自大气、雨水、汽车等交通工具的废气及排放的废水都含有大量的有机污染物。植物可通过三种机制去除环境中的有机污染物，降低环境负荷及污染循环，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、植物增强根区的矿化作用。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。应用植物固坡，则可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38C时，草坪面的温度可保持在24C，太阳照射到地面的热量约50被草坪蒸腾所吸收，通常在夏季，草坪地表温度比裸地低8C，高温时间可缩短23小时【21】。 3. 景观功能 边坡植物的组合配置，根据不同的地质情况、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. 经济效益分析目前工程中运用较多的几种防护方法的经济效益比较见表2.1。由此可以看出： 植物生态防护在经济上具有明显的优越性，不论是纯植草（木）防护，还是框格植草（木）防护均比其它防护形式工程造价低。在技术可行的前提下，应首选植物防护； 纯植物防护和土工合成材料护坡在不同地区的工程造价差别不大，其它防护措施差别较大，应择优选择； 土工合成材料护坡与拱式砌石植草护坡造价相当；其它框格植草护坡工程造价大约增加1.52倍；封面防护增加23倍；挂网喷锚增加6倍左右。2.2 植物固坡的特点2.2.1 植物护坡区别于常规工程防护的特点表21 造价对比表序号防护类型分项工程预算（元/m2）山岭区（区）半山、重丘区（区）平原微丘、干旱区（区）1植草防护（人工或机械喷播）787992矮灌木护坡（以紫穗槐为例）6767673土工三维植被网垫植草（木）27.38927.12927.7254拱式砌石（顺拱）植草（木）26.86626.91236.6275六角形砼预制块植草（木）49.39959.35958.7936正方形内圆角预制块植草38.46748.60745.7037菱形网格砌石植草41.30538.7988土工格室植草（木）43.84143.52744.3829浆砌片石防护46.88753.48169.72110水泥砼预制块护坡59.18581.40275.6411浆砌块石护面墙72.44378.17106.37812挂网喷锚防护169.464168.191注：区计算以延吉市附近高速公路工程为依据；区以长春市附近高速公路工程为依据；区以白城市附近高速公路工程为依据。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、锚喷护坡等。此类措施主要用以防护开挖边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间互层（如沙页岩互层、石灰岩与页岩互层）的路堑边坡的护面防护，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，被破坏了的植物很难迅速恢复，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。高速公路边坡植物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简单、单一等，为考虑工程防护与环保绿化、景观之间的相互关系，为对边坡进行综合处置，导致已完工的边坡呈现外观色泽灰暗、单调，缺乏生气，不能满足高速公路对环保绿化、美观环境及消除司机疲劳等要求；植物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，所研究的植物防护就是要根据情况，适当选取常规工程防护为基础，在进行边坡植被恢复，这样可将工程防护与植物防护有机的结合起来，这样，既为前期的边坡稳定提供了保证又达到了绿化环保的效果，将带来十分可观的生态效益、社会效益和经济效益。2.2.2 植物防护区别于一般绿化工程的特点 边坡的植物防护与一般的园林绿化工程相比，具有其独特性：园林绿化工程是通过精细种植和精心培养来使植物形态优美，实现其观赏价值。其面积小，施工难度低，植物物种选择注重观赏性和经济性，有充分的人力和时间去养护，所以对其抗病害和适应性要求不高。而边坡的植物防护除保证边坡稳定外，更要起到恢复自然，改善道路或环境以及防治边坡受冲刷、减少水土流失等生态功能及利用植物自身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，且由于坡面特点及立地条件的影响，物种选择要“因地制宜”，能适应项目区独特的土壤和气候条件，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【21】。 2.3 不同类型植物对边坡的防护作用 植物根系的抗压和抗拉强度一般都高于土体。但是，不同类型的植物，其根系的生长习性及力学性质各不相同。在边坡上种植不同类型的植物对边坡起到的防护效果也各不相同。本部分将根据不同植物根系对边坡的力学加固效果进行对比研究。2.3.1 草本植物根系对边坡的加固作用 生长良好的草本植物，其根系与边坡表层土体相互连接，提高土体的抗剪强度。其根系对土体的力学改善见图2.1。图21 根系对土体的力学改善【7】由图21可以看出，草本植物根系对土层提供了附加的“粘聚力”，它使原土体的抗剪强度提高了；其次植物根系还限制了土体的侧向膨胀而使土体中应力增加到，在不变的情况下，使土体的最大剪应力减小。在这两个方面的共同作用下，草本植物根系有效地提高了土体的承载力。草本植物的根系大多以须根为主，其生长深度不大，90%分布在030cm深度范围内。进入基岩的根系较少，风化土层和基岩间的结合力很弱，只有少量根系深入基岩裂隙中，而且当土体的含水量较高时，草本植物根系与土体间的摩擦力迅速降低，对边坡表层土体（风化层）的加固作用减弱，很容易在边坡表层发生滑塌。所以草本植物根系对边坡表层土体的加固作用是很微弱的【15】。2.3.2 木本植物根系对边坡的加固作用木本植物根系的抗拉强度明显高于草本植物。木本植物根系生长深度深，可以深入岩体基岩裂隙中。另外，木本植物根系盘根错节生长的庞大植物网络，对边坡表层土体或风化层起到防护加固作用。周德培教授，张俊云曾对木本植物根系的抗拔性和植物根系对边坡的加固作用建立数学模型进行分析。周跃教授还针对木本植物的抗拔性作了大量的野外现场测试。张俊云所建力学模型的基本思路为：垂直根系的抗拔力、植物根系与岩土体相互作用的摩擦力在铅垂方向的合力即为其植被的抗拔力。水平根系在土粒间的摩擦力对土体同样具有加固作用。以上力学模型偏重于分析植物根系土体间的相互作用，并没有对植物根系与边坡表层岩土体的力学加固机理和加固效果进行分析。2.3.3 草本和木本植物固坡作用的比较草本植物固坡与木本植物相比有以下优点： 方法简单，费用较低。 早期生长快，对防止初期的土壤侵蚀效果较好。 再生能力强，具备连片生长的能力，能使裸露的土壤得到有效的覆盖，起到水土保持的作用。 作为生态系统恢复的起点，有利于表土层的生成。这也是草本植物在坡面绿化工程应用广泛的原因。但是单纯草本植物用于边坡绿化工程中并不理想，主要有以下几方面的原因： 由2.3.1中分析可知，单纯的草本植物，其根系分布单一，固持风化土层的作用差。因而，单纯由草本植物绿化的坡面容易发生崩塌，往往是地质灾害的根源。 草本植物易发生衰退。特别是花草植物更易衰败，持续生存性差。一个生长周期后，常因植物衰退使坡面裸地再现，使坡面生态恢复的进程难于持续进行，需要采取持续性的管理措施。 单纯的草本植物绿化的边坡，不易于自然景观协调，改善周边环境的效果差。木本植物与草本植物相比具有以下优点： 根系固持力强，比草本植物覆盖的坡面稳定性强，不易发生坡面崩塌。而且木本植物根系不仅根系粗长，而且具有韧性，对土壤的加固作用逐年增强。 容易与自然景观协调。 木本植物不易衰退，绿化后的边坡不易滑塌，维护管理少，使坡面生态恢复的进程得以持续进行。通过绿色防护功能，景观特征及改善环境效果的分析表明，木本植物在边坡绿化中优于草本植物。所以在进行边坡绿化植物选种时，优选木本植物。第3章 植物固坡调查3.1 各地区固坡植物分析济青高速公路沿线的边坡基本采用统一的上草下灌的护坡模式，上部12m处大部分种植草坪植物结缕草，结缕草以下栽植紫穗槐。结缕草和紫穗槐抗逆性强，生长茂盛，在护坡中发挥了巨大的作用。部分路段也采用野牛草、狗牙根、高羊茅等，护坡也取得了较好的效果。有些路段自然生长了一些野生的狗牙根、狗尾草等，也起到了一定的护坡作用。 互通立交内除了用冬青、小叶黄杨、小叶女贞、龙柏栽植的图案外，各段根据实际情况栽植了乔木（毛白杨、白蜡、法桐、垂柳等）、灌木（丰花月季、紫薇、红叶小檗等）、经济林（苹果、桃树、杏、李、银杏等），并建立了自己的苗圃和温室，现已初步有了效益【9】。另外，青莱高速公路的设计固坡植物有：连翘、沙地白、紫穗槐、垂柳、合欢、黑松、冬青、月季、紫薇等。而206国道则有龙柏、黑松、月季等。 在安徽的试验,以灌木为主。例如合徐高速公路陇西立交边坡等,大量扦插不带根的紫穗槐枝条,每平方米约30枝。第一年夏季有少量水土流失,通过清理排水沟将土回覆坡面。到秋季,紫穗槐成活生根并大量萌蘖的比例虽然不高,仅有10%左右,但每平方米3、4丛的灌木足以形成70%覆盖度的绿荫。灌木之下以狗牙根为主的乡土草种自然生长。两、三年后,已不需要管护,形成了稳定的生态群落。在云南的试验以草本植物为主,灌木以种子形式与草种混合播种。如玉溪-元江高速公路、楚雄-大理高速公路等,边坡喷播草种中混播灌木坡柳的种子,初期草本植物出苗均匀,效果整齐美观。灌木两、三年长大后,已形成稳定的生态群落【39】。虎跳峡地区频繁的浅层侵蚀是峡谷坡面不稳定的主要表现。而云南松广布于滇西北高山峡谷区，根系发达，垂直主根长1.21.5m。在地表面下40cm土层中，侧根密集，一般占总根系生物量的60%以上。这些侧根顺坡伸延，相互盘绕，与土壤一起形成基本与坡面平行的根际土层。它的斜向牵引效应对控制侵蚀和保护坡面起到了重要意义【5】。105国道从化市良口、吕田路段为南岭山地山前丘陵，土壤为花岗岩发育的赤红壤，风化壳深厚疏松。该段采用的护坡方式为香根草绿篱。香根草带之间种任豆、菜豆树等。该方法取得了显著的效果。总结得，各地区护坡植物都有自己的特色，这是由护坡植被物种筛选原则决定的。 3.2 常用固坡植物用于固坡的植被类型比较多，一般可分为乔木、 灌木、藤木、花卉和草本植物等，其各自的特点、种类和适用范围如下表。 物种筛选原则如下： （1）适应性强，能适应当地气候、土壤条件，以本土植物为主，引进物种为辅。 根据生态适宜性和限制因子原理，在进行护坡植物的选择时，首先应对要防护路段的气候、土壤、植被、地质、地形、地貌以及人文情况进行调查，并对坡面生态环境进行分析，确定限制因子，按照本地植被类型和可适应坡面的生长环境划出一批备选物种。因为本土植物经过时间的长期考验，发生变异与变种而适应了当地的气候与土壤，是自然界自然选择的结果，相比引进物种，在本土有较强的竞争力和较旺盛的生命力。在生长条件异常艰苦的公路周围，也只有本土植物才可以长期适应恶劣的环境形成绿化带。（2）抗逆性强，绿化见效快，养护简单。根据生态位原理，应区分植物抗污染特性，耐旱、耐寒、耐水和抗病虫害等生态和生物学特性，配置于适当路段、部位。抗逆性包括抗干旱性、抗热性、抗寒性、抗贫瘠性、抗病虫害等。公路边坡的蓄水效果一般较差，不利于植被生长；而且，边坡植物的人工养护条件也不好；同时，还要求植被能快速生长，早日达到护坡和美化的效果。因此，要求所选用的植物种类应具有抗逆性强、绿化见效快、养护简单的特点。表31 护坡植物植被类型特点种类适用范围乔木树形高大、主干明显、寿命长、树冠多姿，植于坡面时，遭遇大风时会倒伏，影响边坡稳定性一般为落叶乔木和常绿乔木可用于护坡道、碎落台或边坡平台等地方灌木无明显主干，分枝多且枝点低可分为落叶灌木和常绿灌木，种类繁多用于植被护坡时常与草本植物混合种植，可增加植被对土壤的加固能力和观赏性藤木属于禾本植物，其植株体不能自立，依靠其特殊器官（吸盘或卷须）攀附在其它物体上典型代表有爬山虎、葛藤、扶芳藤、山葡萄等适用于边坡的垂直绿化，和草本、灌木等种植结合在一起，可形成坡面的立体绿化景观花卉种类繁多，有一年生、多年生和水生，是植被恢复美化装饰的主要材料种类繁多与草本植物结合，多用于景观要求较高的边坡绿化或者一般的收费广场植被护坡和收费站边坡植被恢复中草本植物多以禾本科和莎草科为主，是护坡的主要材料按气候区划分为冷季型和暖季型用于生态防护植被恢复的主要物种（3）常年生或多年生植物边坡上种植的植物，应具有长期使用的特点。由于大部分的高速公路边坡不易攀援或者经济条件的不允许，充分养护较困难，故要求边坡上的植物具有长期护坡的特点，且不需要时常大面积的更换植被。所以，边坡植被不能经常补种，不宜采用一年生的植物，以减少种植和后期维护工程量。（4）地上部分较矮，根系发达，生长迅速，能在较短时间内覆盖坡面。根据护坡植物力学分析得知，根系发达的植物对土壤的抗剪强度的提高值较大，在相同的种植条件下，固坡的能力显著。选择低矮一些的植物，是因为降雨时，落在高植株植物上的雨滴会以较大的速度二次降落，雨滴在着地时的动能会变大，在边坡坡面上也会形成较大的击溅力。另外，高植株植物更容易受到外力（风力）的影响，造成边坡的不稳定。从枝叶分布情况来看，应选择枝叶团结紧凑的植物，因为它有较高的“覆盖率”，单位面积上所阻挡的雨滴数量较多，在削弱雨滴击溅力、抑制坡面径流方面作用明显。（5）适于粗放型管理，生长迅速，易繁殖高速公路人工边坡不仅要求护坡植物的自生能力较强，而且要求其养护要求低，所以边坡植被要适应粗放型的管理模式。选择以种子繁殖的种类为主，无性繁殖为辅，育苗容易并能大量繁殖，以便进行机械化施工，减少人手操作。公路护坡植物种类非常多，在实际工程中，根据边坡植物恢复基本原理，结合公路的自然环境来选择适宜的物种。下面介绍常用的护坡草本、灌木、乔木和藤本植物。用于公路边坡的护坡草本植物应该具有如下特点：苗期生长速度快、覆盖速度快；再生能力强、可以进行修剪美化；具备连片生长能力以达到有效的覆盖度，起到水土保持作用。我国常用的主要护坡草本物种见表3.2。作为公路护坡选用的灌木应该满足如下要求：根系发达、固土能力强；耐贫瘠、耐干旱，突破边坡保水能力差的限制；枝条密集富有弹性，可以对交通事故中冲下山的车辆起到缓冲作用。我国常用的主要护坡灌木见表3.3。乔木主要用于大型互通式立交区及公路两侧作为行道树。在作为行道树或种植在高速公路两侧的乔木，选择物种时，尽可能选用不同树种交叉种植，以减少病虫害的发生率；另外在选择乔木时，还要考虑乔木的降噪功能。根据有关资料介绍，当声能投射到树叶上时被反射到各个方向，叶片之间多次反射使声能透射到树叶上后转变为动能和热能，噪声被减弱或消失了。因此，在选择乔木时，为了减噪可以选择叶片大，具有坚硬结构的树。主要乔木有：马尾松、油松、华山松、白皮松、巴山松、樟子松、雪松、云南松、栓皮松、杜仲、白蜡、弈树、樟树、香樟、祯楠、女贞、国槐、刺槐、龙爪槐、侧柏、水青树、青冈、龙柏、刺柏、胡杨、小叶杨、杨树、亲树、苦表32 我国各大地区主要护坡草本植物地区冷季型草本植物暖季型草本植物华北野牛草、紫羊茅、羊茅、苇状羊茅、林地草熟禾、草地草熟禾、加拿大草熟禾、草熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、白颖苔草、异穗苔草、小冠花、白三叶结缕草东北野牛草、紫羊茅、林地草熟禾、草地草熟禾、加拿大草熟禾、匍茎剪股颖、白颖苔草、异穗苔草、小冠花、白三叶结缕草西北野牛草、紫羊茅、苇状羊茅、林地草熟禾、草地草熟禾、加拿大草熟禾、草熟禾、小糠草结缕草、狗牙根西南羊茅、苇状羊茅、草地草熟禾、加拿大草熟禾、草熟禾、小糠草、多年生黑麦草、小冠花、白三叶狗牙根、假俭草、结缕草、沟叶结缕草、百喜草华东羊茅、草地草熟禾、草熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、小冠花、狗牙根、假俭草、结缕草、沟叶结缕草、中华结缕草、马尼拉草、百喜草华中紫羊茅、羊茅、草地草熟禾、草熟禾、小糠草、匍茎剪股颖、小冠花狗牙根、假俭草、结缕草、沟叶结缕草、马尼拉结缕草、百喜草华南狗牙根、地毯草、假俭草、结缕草、细叶结缕草、中华结缕草、马尼拉结缕草、百喜草表33 我国各大地区主要护坡灌木表地区灌木种类东北胡枝子、沙棘、兴安刺玫、黄刺玫、刺五加、毛榛、树锦鸡儿、柠条锦鸡儿、紫穗槐、杨柴黄河区绣线菊、虎棒子、黄蔷薇、柄扁桃、沙棘、胡枝子、多花木兰、白刺花、山楂、柠条、荆条、黄栌、六道木、金露梅北方区黄荆、胡枝子、酸枣、怪柳、杞柳、绣线菊、照山白、荆条、金露梅、杜鹃、高山柳、紫穗槐长江区三棵针、狼牙齿、绢毛蔷薇、报春、爬柳、密枝杜鹃、山胡椒、山苍子、紫穗槐、马桑、乌药 南方区爬柳、密枝杜鹃、紫穗槐、胡枝子、夹竹桃、木包树、茅粟、化香、白檀、海棠、野山楂、冬青、红果钓樟、水马桑、蔷薇、紫穗槐、黄荆、车桑子热带区蛇藤、米碎叶、龙须藤、楠竹、紫穗槐、桤木、杜鹃可用于公路边坡植被防护的藤本植物有：爬山虎、五叶地锦、蛇葡萄、三裂叶蛇葡萄、藤本蛇葡萄、东北蛇葡萄、地锦、葛藤、扶芳藤、常春藤和中华常春藤等。藤本植物主要采用扦插的方式进行繁殖。藤本植物攀援性强，造型美观，可与其它乔、灌混种，达到坡面立体效果。3.3 不同物种的配置在植物护坡中，选择单一物种还是不同物种之间的混播，也是需要深入研究的一个问题。在传统的护坡工程中，为了施工方便，造价低廉，往往根据经验选择单一物种种植，这样常常出现植被覆盖率不理想，枯期无绿色，抗病害性不高，成长风险大等各种不利现象，更重要的是难以恢复破坏植被系统的生物多样性。这就需要进行不同物种配置的研究，其理论依据可以建立在基础生态学原理和景观学原理上。由于草本植物为边坡植被防护中的首选也是应用最广泛的物种，所以经常有草本间混播和草本与其它物种配置。 3.4 固坡植物抗拉强度调查植物试验建立的抗拉力评判方程抗拉或抗剪强度/MPa文献白 榆 荆 条 虎榛子 黄荆梅 山 杏 山 桃 黄牙刺 连 翘 油 松 沙打旺 紫花苜蓿胡枝子 无芒雀麦长芒草 狗尾草 谷 子 茵陈蒿 茭 蒿 铁杆蒿 绵 蓬 节节草牛毛草天然杂草 冬瓜杨 峨眉冷杉 冷 杉 杜 鹃 冬瓜杨 青冈属 松 属 沙 草 宜安草 白三叶 香根草 假俭草 百喜草 马尼拉 狗芽根 茅草根异叶铁杉银白槭大 麦苔 藓欧洲水青冈红皮柳黄花柳欧洲落叶松欧洲榛绿赤杨欧洲云杉欧洲白蜡滨 藜粘胶乳香树利坚草毛花雀稗胶皮枫香树美国梧桐黑 柳美洲榆刺 槐河 桦辐射松柳 树 杨 树 桤 木 黄 衫 银 槭 西铁衫越 桔 地 衣山毛榉Salix purpureaSalix caprea Fraxinus excelsa Corylus avellana 云 杉落叶松欧洲岑树挪威云杉1Larch西欧黑松南欧海松挪威云杉2欧洲山毛榉甜 栗棉白杨绣线菊无花果 摩擦禾喜玛拉雅黑莓长叶松 俄勒冈州岑树河 桦沙洲柳 香 枫Switch grass土耳其栎木心形桤木S-Elygrass S-Eragrass S-Pangrass S-香根草P-Cold Vetiver P-Elygrass提高抗剪强度值 22. 32 (抗拉强度) 0. 163(抗剪强度)0. 108(抗剪强度)0. 1905(抗剪强度)0. 0627(抗剪强度)整株拔拉力150 kg 整株拔拉力170 kg 整株拔拉力176 kg 1040 530 24. 5 4. 2 19. 74 3. 00 24. 64 3. 36 85. 10 31. 227. 3 1. 7419. 23 3. 5917. 55 2. 85 17. 45 2. 18 27 (1530) (1531) (27) 57.5 51.5 47.8 66.1 67.9 20.4 38.9 36.9 57.2 55.0 37.8(15.224.3) 32 28 7833 45 26 17.6 9365384741961153027160. 0020. 00757.4751.4747.8036.8667.8738.9466.14131111111144111111111145114647垂向(侧向垂直根系发达)(水平根发达)(垂直根发达)1120111111143131313132323232323232323333333435354035353536373737、40373737373740404040404040404040414141414142424242424242424242424343434343434343第4章 植物固坡稳定分析4.1 边坡失稳的内在机理4.1.1 概述边坡稳定分析是土力学的三大经典问题之一，也是岩土工程中的重要课题，在土木工程、水利工程中具有广泛的应用背景和实际意义。随着国家西部大开发等战略计划的实施，公共建设与基础设施建设蓬勃兴起，公路、铁路等交通设施的建设，水利工程、港口工程及城市建设中都会遇到大量的边坡工程问题。边坡稳定性分析是判断边坡是否稳定、是否需要加固及采取何种防护措施的主要依据，因此它是边坡工程中最基本最重要的问题，也是边坡工程设计与施工中最难和最迫切需要解决的问题之一。4.1.2 边坡发生崩塌、滑坡的成因分析（1）边坡侵蚀的主要类型及形成概况边坡侵蚀类型主要有5种，即崩塌、陷穴、细沟状面蚀、沟蚀和击溅侵蚀。 崩塌主要发生在坡面较陡、坡长较大的坡面。由于公路建设对原始坡面的切挖，改变了原有的地形、地貌，使坡脚失去了支撑，破坏了原来相对稳定的状态，或下渗水分的增加改变了原来土体的物理性状，导致坡面整体或部分崩落。由于黄土抗蚀性能及高速公路边坡的坡度很大，防护问题得不到很好解决，一旦发生崩塌危害将很严重。 陷穴地表径流以黄土垂直缝隙渗流到地下，由于可蚀性矿物质和细粒土体被淋渗至深层，土体内形成空洞，上部土体失去顶托而发生陷落，呈垂直洞穴。 细沟状面蚀由于高速公路边坡较陡，暴雨过后，坡面被分散的小径流冲成许多细密的小沟，这些小沟基本上沿流线方向分布。坡度较陡且无植被的坡面细沟侵蚀易发育。 沟蚀在公路边坡上，由于有些地段未布设植物措施以及相应的排水设施，原地面上的水流汇集后，能量很大，冲刷坡面，形成了从坡肩至坡中部侵蚀沟发育的沟蚀现象。 击溅侵蚀由于地面受雨滴击溅而引起的土壤侵蚀现象。（2）影响边坡稳定的因素 坡度地面坡度是决定径流冲刷能力的基本因素之一，而径流冲刷能力是影响边坡稳定性的重要因素之一。径流冲刷能力越强，对边坡的破坏作用就越大。坡度与径流冲刷能力的关系为，在一定的范围内，坡度越大，径流冲刷能力越强，侵蚀量也越大，但有一临界坡度，超过临界坡度，侵蚀量随坡度的增加而减小。 坡长坡长是影响边坡稳定性的因素之一，已有的资料表明，在相同降雨条件下，坡长越长，它的径流量也越大，但是当坡面较长时，水流量输送由上坡侵蚀的泥沙量多，能量消耗大，于是，流速降低，低流速水流对坡面正压力增加，入渗量增加，因而径流量的增量减小。因此，当坡长超过一定长度(约40m)时，单位面积侵蚀量将减小。 土壤硬度土壤硬度是土壤物理性状的一个综合指标，是土壤颗粒度、结构、孔隙度、有机质含量、土壤水分含量和团粒结构的综合体现。当土壤中砂砾含量越多，结构越紧密，孔隙度越小，有机质含量越少，水分含量也越少时，土壤硬度也越大。因为影响土壤硬度的因素与土壤的透水性、抗蚀性、抗冲性有密切关系，所以土壤硬度也是影响边坡稳定的重要因素之一【28】。 4.2 植物的固坡机理对于植物固坡效应机理研究，主要基于植被固坡功能及特点基础上的，通过对影响植被固坡的稳定性