公路边坡植被防护机理及应用

1、市政交通水利工程设计 【文章编号】（） 公路边坡植被防护机理及应用王淑妹 ， 郑建荣 ， 袁安华 （ 福建农林大学 ，福州； 福州市规划设计研究院，福州）【摘 要】植 物 根 系 对 抵 抗 边 坡 浅 层 滑 坡 和 表 土 侵 蚀 起 重 大 作用， 植 物 根 系 通 过 增 强 土 体 的 抗 剪 强 度 发 挥 固 坡 效 应 。通 过前 人 在 植 物 护 坡 研 究 成 果 的 基 础 上， 指 出 植 物 护 坡 可 以 改 善环 境 质 量， 促 进 公 路 建 设 与 环 境 协 调 的 可 持 续 发 展， 其 发 展空 间 广 阔 。【关 键 词】植 物 根 系； 土

2、壤 抗 侵 蚀 性； 边 坡 加 固【中图分类号】； 【文献标志码】 ， ， （ ， ，； ， ）【】 ， ， ， 【】 ； ； 引言边坡是公路建设中必不可少的一部分。在公路建设过程中，由于开挖、填筑及堆载等人为因素影响，引起孔隙水压力增加和土体强度降低，造成边坡滑塌、崩塌和剥落。工程防护加固措施，初期效果很好，作用显著，但随着时间推移，岩石风化，混凝土老化，钢筋腐蚀，防护效果越来越差；植物护坡，开始作用虚弱，但随着植物生长，植物繁殖，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。同时植物护坡能够恢复由于人类工程建设所破坏的生态环境，保持生态间的平衡。植被对边坡稳定性的影响因素包括水

3、文机制和力学机制。水文机制指植被能够拦截高速下落的雨滴，减少雨滴的动能及土粒的飞溅，延长和增加雨水的滞留；根系分泌物及腐殖质可固持土壤，增加土壤水下渗，减少土粒冲刷与淋溶，从而减少或阻止边坡侵蚀，达到稳定坡面的目的。力学机制指植被根系在土体内的生长促使土土以及根 土间的摩擦力增加，同时根系自身的抗拉、抗剪性能也增强了土壤的抗剪切性能。对应于根系的固土作用，形成了根系固土的理论，主要是加筋理论、锚固理论。本文主要探讨植物根系固土的理论基础，并简要说明目前植物护坡的应用现状及前景。植物抗侵蚀性能土壤侵蚀是土壤在诸如流水、风力等外营力作用下发生的被剥蚀和迁移的过程。土壤抗侵蚀性划分为抗蚀性和抗冲性能

4、：抗蚀性是指土壤抵抗水分分散和悬浮的能力，主要与土壤内在物理化学性质有关；抗冲性是指土壤抵抗径流机械破坏和推移的能力，主要与土壤的物理性质和外在的生物因素有关。植被通过改善土壤的自然侵蚀环境提高土壤的抗侵蚀能力，主要通过地上部分冠层截流和枯枝落叶层的涵水作用，地下根系的稳定土壤结构、增强土壤抗冲性、提高土壤的抗剪强度、提高土壤的渗透性能等方面减少土壤侵蚀。植 物 地 上 部 分 冠 层 可 以 截 流 降 雨 的 ，减小了径流量和径流速度，降低地面降雨强度；枯枝落叶层可减小径流速度，增加土壤有机质含量，改善土壤结构。前人在植物抗侵蚀性能上进行了大量的研究，李勇等通过油松人工林根系与土壤物理性质

5、的关系研究认为，有效根密度（ 细根）与土壤物理性质改善的效应的关系最为密切，可明显提高土壤水稳性团粒，非毛管孔隙度，增加土壤有机质含量，降低土壤紧密度和容重，从而揭示了根系强化土壤抗冲性机理。刘国彬将根系固结土壤强化抗冲性作用分为三种方式，网络串联作用，根 土黏结作用，根系化学作用，揭示出根系提高土壤侵蚀性能的本质。姜志强等指出植物根系在土体中穿插、缠绕、网络、固结，使土体抵抗风化吹蚀、流水冲刷和重力侵蚀的能力增强，从而可以有效地提高土壤的抗侵蚀性能。刘定辉等系统分析了根系在稳定土壤结构、增强土壤抗冲性、提高土壤的抗剪强度、提高土壤的渗透性能等方面减少土壤侵蚀的原理。植物根系在固土护坡、防止土

6、壤侵蚀方面具有重要的作用，特别是直径小于 的细根对于土壤的抗侵蚀作用最大。从生态系统的角度看，植物根系不但具有固土护坡和抗侵蚀功能，而且还能够与环境之间形成一种良性互动。植物固土机理力学机制指植被根系通过对土壤的锚固和加筋作用，增大土壤的黏聚力和内摩擦角，增强含根土层的强度，提高滑移抵抗力。它是植被稳定土壤的最有效的途径。在研究植物根系固坡的力学作用中，两个最重要的参数是土中根的分布规律和根的抗拉强度，两者决定了土的抗剪强度的增加值。草本植物的根系一般均为直径小于 的须根，如香根草 占 。根系密度随土壤剖面深度的增加表现出三个显著特点，即在 土层急剧减少，在 土层逐渐市政交通水利工程设计 减少

7、及在 土层保持最低水平，总根数的 集 中 分 布 在的 土 层 内 ， 土层内根数约占总根数的 ， 以下土层仅占总根数的 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。木本植物根系按形态特征分成三个类型：主直根系、散生根系和水平根系。主直根系的主根发达，较各级侧根粗壮而长，垂直向下生长，可达。散生根系没有明显的主根，由若干支原生和次生的根，大致以根颈为中心，向地下各个方向作辐射状发展，并且由此扩展而成网状结构。水平根系由水平方向伸展的固定根繁多的链状细根群所组成，其主根不发达，侧根或不定根发达，并向四周 发 展 ，长 度 远 超 过 主 根 ， 根 系 一 般 分 布 在

8、土壤表层中。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。 植物根系加筋理论植物的浅细根系在边坡浅层错综盘结，根系可视为带预应力的三维加筋材料。植物的浅细根系与土共同组成根土复合体，这一复合体改变了土的力学性能，提高了土体的抗剪强度。根据加筋理论，根系提高土体强度的根本在于土体与根系在变形始末两方面存在着巨大的差异，因而在共同变形过程中，存在着相互错动的趋势。这种错动被根系与土体之间存在的摩阻连接产生的摩阻力所抵抗，从而使根系承受很大的拉力，同时根系之间的土体侧向约束力提高了根土复合体的强度。

9、植物根系锚固理论锚固理论是在岩土工程实践中总结出来的，从 世纪 年代开始至今，已逐步形成的各种锚固支护作用理论。得到工程和理论界认同的锚固作用机理集中为：悬吊作用，组合梁作用，挤压加固作用，围岩强度强化理论。植物锚固作用的实质是改善边坡力学参数，植物的深粗根本身具备一定的强度和刚度，当其穿过坡体浅层的松散风化带深入到深处坚硬的土层上，将会起到锚固体系的。市政交通水利工程设计 根系系统是一个复杂的动态系统，根系对土的加固作用机理更是复杂，前人对根系固土做了大量的理论和试验研究。李铁军等从机械学角度分析植被对防止地表滑坡的作用，通过根系抗拉强度、根系锚固抗拉强度、抗剪强度试验表明根系对土壤强度增加

10、效果明显；程洪等利用试验研究典型草本植物根系抗拉强度大小，典型草本植物抗拉强度 ， 香 根 草 假 俭 草 白 三 叶莎草 宜安草 百喜草 马尼拉 狗牙根 。程洪指出，草本植物与木本植物根系的最大区别是没 有 强 大 的 主 根 ， 通 常 以 须 根 为 主 或 细 根 为 主（），如香根草 占 。因而根系与土壤颗粒能够充分地接触，在接触表面上经受水的吸附力、有机无机胶体的黏结力、胶结力，以及土壤在根表面上滑动产生的摩擦力，增大土体的抗剪强度。植被护坡应用现状及前景植物根系生长和形态分布复杂，种类不同，其根系形态分布特征不同，立地条件不同，根系的强度特征和所发挥的固土能力也不相同。根据地区特

11、点，选择适宜的树种，采取适宜的植物护坡设计，达到稳定边坡和防止水土流失是植物护坡的关键。利用植物固土护坡机理，国内外进行了大量的植物边坡防护工程。总的来说，植物边坡防护技术具有功能性，经济性，安全性，美观性，生态性，可持续性，可操作性等，国内在应用研究上主要有陈振盛（）、黄尊景等（）采用播种、植苗及植生带等方法来防护台湾泥岩边坡；李旭光等 （）、江玉林等 （）、张俊云等 （）、周颖等（）等进行了以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为黏结材料的喷混植生试验，并在内昆、株六铁路及惠河高速公路进行现场试验，许文年等开发了植被混凝土边坡绿化技术；西南交通大学开发研究了厚层基材喷射植物护坡技术等。综合国内外研究

12、现状，公路边坡植被防护工艺主要有：挂网喷播、植草护坡、藤本植物护坡、植生带、三维网植草、厚层基材喷射植物和植被混凝土边坡等。其中主要有植生带护坡技术，厚层基材生态护坡技术、客土护坡技术和植被混凝土生态护坡技术。 植生带护坡技术植生带护坡技术是一种综合性的护坡技术，核心是采用孔隙率高达 的多功能过滤毯状纤维技术、绿化辅料（含草种、灌木种、培养料、保水剂、溶岩剂和肥料等）配方技术，按照特定的生产工艺，利用专门的设备 ，将 植 物 种 子 按 照 适 宜的 密 度 和 科 学 的 排 列 方 法 定 植 在可以自然降解的特殊纸带或无纺布上形成产品。它适用于稳定的土质边坡。 厚层基材生态护坡技术厚层基

13、材生态护坡技术解决了岩石边坡无法生长植物的难题，它是在边坡岩土上喷射一定厚度的含水泥、泥土、有机肥、保水剂、黏合剂、消毒剂和植物种子的混合材料，并结合锚杆和网等支护材料，形成一种既有绿化效果又有一定加固作用的喷射材料，在坡面形成植物生长的生长层。锚杆加固不稳定的浅层边坡，并将网固定在坡面上；网依据受力分析和边坡类型选用规格适宜的普通铁丝网、镀锌铁丝网或土工网；基材混合物由绿化基材、种植土、纤维和植被种子按一定的比例混合而成，其中绿化基材由有机质、肥料、保水剂、稳定剂、团粒剂、酸度调节剂、消毒剂组成。由于厚层基材强度不大，力学性能稳定的土质边坡和坡度大的岩质边坡通常不采用，它适用于 的岩石边坡。

14、湖北生荆门至宜昌高速公路采用此技术，保证了边坡的稳定性。 客土护坡技术客土护坡技术遵循土壤学、生态学原理。在边坡进行客土喷播前，先做好边坡的清理、挂网、锚固等，然后将客土（生物基础材料）、纤维（生物基础材料）、侵蚀防止剂、缓效性肥料和种子等按一定比例配合，加入专用设备中充分混合后，通过泵压缩空气喷射到坡面上形成所需厚度的基层，从而实现生态护坡的目的。客土护坡技术的主要材料是有机培养土，强度低、土壤质地肥沃、孔隙率大，喷附在坡面上能快速恢复生态系统的多样性，适用于 以下的岩石、力学稳定性较好的土石缓边坡。 植被混凝土生态护坡技术植被混凝土生态护坡技术是利用特制喷混机械将土壤、肥料、有机质、保水材

15、料、植物种子、水泥等混合干料加水后喷射到岩面上，由于水泥的黏结作用，在岩石表面形成一层具有连续空隙的硬化体。植被混凝土是根据边坡地理位置、边坡坡度、岩土性质、环境要求等来确定水泥、沙壤土、腐殖质、保水剂、长效肥、混凝土绿化添加剂、混合植绿种子和水组成比例，核心是植被混凝土配方。植被混凝土生态护坡技术适用范围广泛：土体边坡、岩石边坡、混凝土边坡等各种结构的边坡，从缓边坡到陡边坡，甚至直立边坡，都能研究出合适的混凝土配方和植物种子配方，并应用妥善的施工方法实施。在应用植物固土护坡的时候，不仅要考虑植物对所处环境的适应性和根系深扎土壤的程度，也应该考虑对所应用和选择的植物根系力学指标要有所了解，才能

16、做到科学合理，避免盲目。当今社会面临资源和生态环境危机、土地沙化、水土流失、资源减少、环境污染、大量生物物种濒临灭绝，各种自然灾害频繁发生，严重威胁人类生存和经济建设的可持续发展。植物护坡是采用“活的植物”代替人工构造物稳定边坡，防止公路对自然资源的破坏，保护和改善环境质量，促进公路建设与环境协调的可持续发展，其发展空间广阔。【参 考 文 献】【】程洪，张新全草本植物根系网固土原理的力学试验探究水土保持通报，（）：【】刘国彬，蒋定生，朱显漠黄土区草地根系生物力学特性研究土壤侵蚀与水土保持学报，（）：【】李勇黄土高原植物根系与土壤抗冲刷性北京：科学技术出版设，【】刘国彬黄土高原地土壤抗冲性及其机

17、理研究水土保持学报，（）：【】姜志强，孙树林，程龙飞根系固土作用及植物护坡稳定性分析勘察科学技术，（）：【】刘定辉，李勇植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究水市政交通水利工程设计 土保持学报，（）：【】鄢朝勇，叶建军，韦书勇植 被 对 边坡浅层稳定的影响水土保持研究，（）： 【】李铁军，李晓华植被固坡机制的研究水土保持科技情报，（）：【】程洪，颜传盛等草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究水土保持研究，（）：【】赵海涛，刘立健，陈永贵工程边坡植物防护技术及应用研究资源环境与工程，（）：【】陈振盛泥岩边坡植生技术研究水土保持研究，（）： 【】黄尊景，陈孟达台湾特殊地质区水土保持工法之运用水土保持研究，（）：【】李旭光，毛文碧，徐福有日本的公路边坡绿化与防护 年赴日本考察报告公路交通科技，（）【】江玉林，杜娟高等级公路生态环境保护问题与对策公路，（）：【】张俊云，周德培，李绍才岩石边坡生态种植基试验研究岩石力学与工程学报，（）【】周颖，曹映泓，启晓瑾，等喷混植生技术在高速公路岩石边坡防护和 绿 化 中 的应用岩土力学，（）：【】许文年，等植被混凝土力学性