两种框格梁生态护坡技术及其应用效果——以安徽岳武高速公路为例

杨阳，杨建英†，赵平，史常青，许泽宁，周枫

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.东方园林股份有限公司，100012，北京；3.安徽省高速公路控股集团有限公司，230000，合肥；4.北京盛鑫嘉华环保科技有限公司，100070，北京)

两种框格梁生态护坡技术及其应用效果
——以安徽岳武高速公路为例

杨阳1，杨建英1†，赵平2，史常青1，许泽宁3，周枫4

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.东方园林股份有限公司，100012，北京；3.安徽省高速公路控股集团有限公司，230000，合肥；4.北京盛鑫嘉华环保科技有限公司，100070，北京)

为了选择更适合在山区高速公路推广应用的生态护坡模式，选取安徽岳武高速公路边坡为试验区，以框格梁复合植被毯生态护坡技术及框格梁植生袋护坡技术作为试验坡面的植被恢复措施，调查并对比分析植物生长情况、土壤理化性质和水土保持效果。结果表明：施工半年后，采用框格梁复合植被毯生态护坡技术试验小区的灌木成活率、株高、基茎、冠幅、盖度均优于框格梁植生袋试验小区，且土壤孔隙度增加了2.78%，全氮增加了0.31 mg/kg，有效磷增加了3.59 mg/kg，速效钾增加了4.79 mg/kg，有机质增加了3.06 g/kg，土壤侵蚀厚度减少了1.7 mm，土壤侵蚀量减少了2 379.2 t/km2。对比2种生态护坡模式的经济成本，发现框格梁复合植被毯技术的施工效率更高，植被建植成本更低，养护费用及养护年限更少。

生态护坡； 框格梁复合植被毯； 框格梁植生袋； 应用效果

近年来，高速公路建设突飞猛进，大大促进了沿线地区的经济发展。截至2013年底，我国高速公路总里程已达到104 468 km，高居世界第1位[1]。毋庸置疑，高速公路建设过程中开挖路堑、填筑路堤，不可避免地破坏了沿线自然环境、植被与动物栖息地，导致植被退化、水土流失等若干生态环境问题的产生[2]；因此，需要对高速公路建设所产生的裸露边坡进行生态修复。目前，我国高速公路边坡主要采用客土喷播植草技术、挂网喷播植草技术、框格梁植生袋护坡技术、拱形梁植草护坡技术、蜂巢式网格植草护坡技术、植被毯植草护坡技术、生态袋植草护坡技术等生态护坡技术[3]。这些技术都有显著的护坡效果，但也有各自的局限性，在进行不同地区的高速公路边坡防护时不能简单的直接采用。为了达到最佳的边坡绿化效果，需要根据项目建设所在地的土壤地质条件、气候环境特点优化生态护坡技术。

框格梁复合植被毯生态护坡技术与框格梁植生袋生态护坡技术皆是应用于高速公路路堑边坡的绿化技术。在保证边坡绿化效果的前提下，为了选择施工成本更低，养护年限更短，且更适合在项目区推广应用的框格梁生态护坡技术，以安徽岳武高速公路边坡为试验区，对这2种框格梁生态护坡技术的应用效果进行系统的试验对比研究。

1 试验区概况

1.1 自然概况

安徽岳武高速公路地处大别山腹地，岳西县境内(E 116°15′～115°40′，N 30°26′～30°51′)，平均海拔410 m，属北亚热带季风湿润气候区，多年平均气温为14.5 ℃，1月气温最低，平均气温为2 ℃，7月气温最高，平均气温为26.3 ℃。多年平均水面蒸发量为1 343 mm，多年平均降水量为1 498 mm，年际间降水和年内降水季节分布不均衡，降雨主要集中在6—9月，占全年降水的70% 以上。工程所在地的地层岩系以大别山花岗石、片麻岩为主，其表层受长期自然风化、生物富集及人群生产活动等综合作用，成土母岩逐渐变成以麻碎石、麻沙子和麻泥土为主的砂质土壤。试验区野生植物资源丰富，多为一年生或多年生草本，有一年蓬(Erigeronannuus)、香薷(Elsholtziaciliata)、野艾蒿(Artemisialavandulifolia)、藿香蓟(Ageratumconyzoides)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等，灌木种类有山胡椒(Linderaglauca)、山橿(Linderareflexa)、檵木(Loropetalumchinense)、决明(Sennatora)、山茶(Camelliajaponica)等。

1.2 试验段边坡特征

图1 框格梁正立面图Fig.1 Front elevation of concrete frame

试验段选定在岳武高速公路1标段(桩号是K1+156—K1+335)的路堑边坡，坡面坡比为1∶1，平均坡高5 m，向阳岩质。该试验段边坡修建上下两排混凝土框格梁作为边坡防护措施，每个框格的尺寸(长×宽)为3 m×3 m，框格梁的厚度为20 cm，如图1所示。

2 材料及研究方法

2.1 技术设计

框格梁复合植被毯生态护坡模式是植被毯植草护坡技术与框格梁防护相结合的方式进行高速公路边坡绿化。该技术是在框格梁内覆盖植生基材，采用植被毯铺于其上，形成有利于护坡植物生长的土壤环境，故框格梁复合植被毯生态护坡模式是由植被毯、植生基层和护坡植物3部分构成。

1)植被毯的植物纤维层是由椰丝和秸秆混合的材料制成，将秸秆降解速度快与椰丝降解慢的特点相结合，模拟仿生枯落物层，既可以抑制降雨对表层土壤的侵蚀，又能够为种子萌发提供一个相对稳定的土壤环境，避免未萌发的植物种子或处于生长期的幼苗被雨水冲刷[4]。植物在生长阶段，其发达的根系与植被毯覆盖的边坡表层土壤形成了柔性保护层，提高坡面表层抗剪强度[5]。另外，植物纤维层可自行生物降解为有机质，增加土壤养分，为植物提供良性的生长基质[6]。

2)植生基层是由壤土、泥炭土、有机肥、秸秆屑等木质纤维混合而成的植生基材，将其覆盖在框格梁内，形成有利于植物种子萌发与苗期生长的土壤环境，与植被毯配合使用之后能够有效截留降雨，控制植被建植初期的水土流失。另外，植生基层在增加土壤渗透速率的同时，也能为植物生长提供必需的营养物质[7]。

3)鉴于项目区地域环境的差异，护坡植物的选择要与之相对应，这是决定生态护坡成败的关键之一，在合理选择护坡植物时要遵循以下原则：(1)与生长地的生态环境(包括气候、土壤条件等)相适应；(2)优先选择乡土类植物，易于融入当地自然环境；(3)抗逆性(包括抗旱性、抗贫瘠性、抗寒性、抗病虫害性等)强；(4)根系发达，生长迅速，能够短期内形成植物群落，多年生；(5)种子易得，适应粗放管理，成本低。

图2 框格梁复合植被毯生态护坡示意图Fig.2 Schematic diagram of ecological slope protection by concrete frame compound vegetation carpet

在试验小区进行框格梁复合植被毯生态护坡施工时，按照以下施工流程：首先要清理框格内的碎石并用壤土填平坡面；其次，将植生基材均匀覆盖在清理后的坡面上，厚度不少于15 cm；第三，在植生基材表面撒播种子；第四，采用雾状喷头湿润坡面，水渗透到坡面土8～10 cm，以保证坡面湿润；第五，从框格顶部至底部由上而下铺放植被毯，植被毯顶部采用生态棒或锚钉固定，底部采用锚钉固定，使其贴紧坡面，呈半绷紧状态而不悬空，两毯交接处利用U型钉重叠搭接，搭接宽度不小于10 cm。框格梁复合植被毯生态护坡的建成效果见图2。

框格梁植生袋护坡技术是用植生袋护坡技术与框格梁防护相结合的方式进行高速公路边坡绿化。该技术是将装有植生基材的植生袋堆砌于框格内进行坡面绿化的技术，已广泛应用于高速公路边坡绿化。植生袋采用无纺布与遮阳网制作，在袋的内表面粘贴2层原木浆纸、在2层纸的中间均匀地附着植物种子，原木浆纸见水就能融化，并与土壤紧密粘在一起，保证了种子与土壤能够直接接触，从而使种子能够更多地吸收土壤中的水分和肥料，保证了种子的发芽率并且有利于幼苗的生长。植生袋装土之前的规格为40 cm×60 cm，装满土后的规格为55 cm×35 cm×14 cm。

在本试验小区进行框格梁植生袋生态护坡施工时，按照以下施工流程：首先清理框格梁内的坡面，并用壤土填平坡面；其次，向附有植物种子的植生袋内装满与框格梁复合植被毯试验小区同样的植生基材，并及时堆垛到框格内，堆垛时注意将附有植物种子的一面朝上；第三，堆垛过程中，用植生基材将植生袋之间的空隙填严踩实，防止出苗后根部吊空；第四，检查植生袋堆砌的墙体外表面是否为一个斜面，避免出现比较明显的凸凹部位；最后，在堆垛的植生袋表面覆盖一层遮阳网，同时浇水并保持湿润，待出苗后揭去遮阳网。框格梁植生袋护坡试验小区的侧立面见图3。

图3 框格梁植生袋护坡侧立面图Fig.3 Side elevation of concrete frame compound vegetation bag

2.2 试验布设

该试验段的路堑边坡采用2种边坡防护措施，分别是框格梁复合植被毯生态护坡与框格梁植生袋护坡，2种护坡措施分别实施在2个距离相近的试验小区，每个试验小区的规格为50 m×7 m，且框格内的土壤厚度为15～20 cm。以马棘(Indigoferapseudotinctoria)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、胡枝子(Lespedezabicolor)3种灌木为供试植物，每m2播种量为30 g，种子重量比为2∶2∶1，混播，工程于2014年4月中旬施工，并于该月末完工。灌溉用水前期为人工洒水，待出苗后依靠天然降雨。

2.3 观测、分析方法

2.3.1 植被生长状况调查 从施工后第1个月(5月底)起至本年度生长季末(10月底)，逐月对试验小区进行植被生长状况的跟踪调查。采取2种框格梁生态护坡技术的坡面植物生长试验共设置16个样方，每个样方取样面积6 m×6 m(4个框格)共计64个框格，记录样方内灌木的成活率、株高、基茎、冠幅。

2.3.2 土样采集及分析 于植物生长季末(10月底)从植被调查样方的框格内各随机选取3点利用环刀采集0～10 cm的土样，共计48个。在每个调查样方内取土3份，每份50 g，将每个样方土样混合均匀后，测定土壤化学指标。土壤孔隙度采用《森林土壤水分- 物理性质的测定》[8]的方法测定，土壤有机质质量分数用外加热重铬酸钾氧化—容量法，土壤全氮质量分数用硫酸- 高氯酸消煮- 凯氏定氮仪法，土壤有效磷质量分数用氟化铵- 盐酸- 钼锑抗比色法，土壤速效钾质量分数用中性乙酸铵浸提- 火焰光度计法[9]。

2.3.3 土壤侵蚀量测定 采用插钎法对试验小区及路堑裸露边坡的土壤侵蚀厚度进行观测，即从每个试验小区随机选取5个框格梁，其内部均匀布设30 cm长的竹钎，采取3行×3列的排列方式。从6—9月(整个雨季)逐月定期观测，测定在不同生态护坡模式下降雨冲刷坡面的土壤侵蚀量。观测并记录坡面距竹钎上红线标记的高度，内业计算土壤侵蚀厚度及土壤侵蚀量[10]。试验期间的降雨量数据由Vantage Pro2自动气象站获取。

2.3.4 数据处理方法 数据整理与分析运用 Excel 2012和SPSS 18.0统计软件。统计分析采用ANOVA方差分析和LSD显著差异法来比较判断不同数据组间的差异显著性。

3 结果与分析

3.1 植物生长情况

高速公路边坡植被的生长情况不仅直接影响坡面的景观效果，而且会影响边坡稳定性和控制水土流失的能力，最直接体现护坡的生态环境效益。2014年10月底的调查结果显示，采用框格梁复合植被毯生态护坡模式的试验小区，其灌木成活率为90%，而采用框格梁植生袋护坡模式的试验小区，其灌木成活率为80%。

相邻柱形图标注不同字母表示差异显著(P<0.05)。Means with different letters in the adjacent column chart are significantly different at the 0.05 level. 图4 2种框格梁护坡模式下灌木的生长状况Fig.4 Shrub growthunder two kinds of concrete frame slope protection technologies

另外，分别对2个试验小区内灌木的株高(cm)、基茎(mm)、冠幅(cm)、盖度(%)逐月进行统计。如图4所示：从植物的生长情况来看，2个试验小区的灌木在生长初期(5—6月)，其株高、基茎、冠幅较接近，无明显差异；但随着气温的升高，降雨的增多，植物在7—9月进入生长旺盛期，框格梁复合植被毯试验小区的灌木生长更为迅速且盖度更大，2个试验小区的灌木株高、基茎、冠幅、盖度存在显著性差异(P<0.05)。这说明采用框格梁复合植被毯生态护坡的试验小区能够为植物提供更有利于生长的微环境，并且促使植物在框格内迅速生长，生物量增加，枝繁叶茂形成郁闭，从而使高速公路边坡短期内就能恢复适宜的植物生长环境，并形成较好的景观效果。

3.2 土壤改良情况

边坡植物生长过程中能够从边坡土壤中汲取养分，而随着植物的生长，边坡土壤条件也会得到改善，因此生态护坡效果可以由土壤的改良情况得到反映。测定于2014年10月采集的土样，对比采用2种框格梁生态护坡模式修复的边坡土壤孔隙度以及土壤中的全氮、有效磷、速效钾、有机质等理化指标。测定结果如表1所示。

表1 2种框格梁护坡模式的坡面土壤理化性质

注:同行数字标注不同字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Means with different letters in the same line are significantly different at the 0.05 level.

表1的数据显示，分别采用2种框格梁生态护坡模式的试验小区坡面土壤理化指标存在显著差异(P<0.05)，框格梁复合植被毯坡面较框格梁植生袋坡面的土壤理化性质有明显改善：土壤孔隙度提高了2.78%，全氮质量分数增加了0.31 mg/kg，有效磷质量分数增加了3.59 mg/kg，速效钾质量分数增加了4.79 mg/kg，有机质质量分数增加了3.06 g/kg。结果说明：首先，由于植物根系的生长过程以及入渗和蒸发反复交替进行能够增加土壤孔隙度和入渗能力，框格梁复合植被毯生态护坡技术为植物创造了更有利的生长条件，使得该试验小区的植物生长状况更好，因此与框格梁植生袋试验小区相比，其土壤孔隙度也更大；其次，2个试验小区生长的马棘、紫穗槐、胡枝子这3种供试植物皆为豆科固氮类植物，根瘤菌与根系形成的共生体系能够为植物提供氮素养料，也促进了土壤有机质的矿化作用，框格梁复合植被毯试验小区的灌木生长较框格梁植生袋试验小区更为茂盛，因此其土壤全氮质量分数明显更高；第三，由于框格梁复合植被毯试验小区铺设的植被毯经过微生物的分解作用，能够进一步提高土壤的养分含量，在一定程度上提高了其土壤有效磷、速效钾、有机质质量分数。框格梁复合植被毯技术在为坡面植物提供良好生长环境的同时，能够间接促进坡面土壤理化性质的改良，从而改善高速公路边坡的立地条件，大大降低了工程施工对边坡生态环境造成的损害。

3.3 水土保持效果

于2014年6—9月(整个雨季)对2种框格梁护坡试验小区的连续观测，见表2：试验区雨季降雨极为充沛，达到了987.5 mm。通过将这2种框格梁生态护坡试验小区雨季的土壤侵蚀进行对比，在相同的降雨条件下，框格梁复合植被毯试验小区边坡坡面的土壤侵蚀厚度为1.8 mm，土壤侵蚀量为2 485.3 t/km2，框格梁植生袋试验小区边坡坡面的土壤侵蚀厚度为3.5 mm，土壤侵蚀量为4 864.5 t/km2。二者土壤侵蚀厚度相差1.7 mm，土壤侵蚀量相差2 379.2 t/km2，这说明采用框格梁复合植被毯护坡技术进行高速公路边坡绿化能够更有效地控制边坡水土流失。

框格梁复合植被毯生态护坡技术有着更为出色的水土保持作用，主要是由以下原因决定的。首先，框格梁内铺设的一层植被毯具有良好的吸水性，降雨过程中，植物纤维材料能够在一定程度上吸收水分，这种仿生枯落物层起到了较好的截留作用；其次，铺于植生基材之上的植被毯能够增大边坡坡面的粗糙度，有效减缓坡面径流速度，增大土壤团聚体的迁移阻力，提高了坡面表土对滑移的抵抗力；最后，由于采用框格梁复合植被毯生态护坡技术的边坡植物生长更为旺盛，其植被冠层及地下根系通过截留、蒸腾、渗透等作用，可以截留降雨、延滞径流、减小坡体孔隙水压力、削弱溅蚀，抑制坡面土壤侵蚀，地下根系通过加筋与锚固作用，增加了根际土层的机械强度[11-12]，起到了显著的护坡作用。

表2 2种框格梁护坡模式下试验边坡的土壤侵蚀对比

3.4 技术经济成本

对于高速公路边坡绿化工程来说，除了要保证边坡防护作用及坡面植被恢复效果之外，施工及养护成本也是需要考虑的因素之一。这样不仅能够及时修复高速公路建设所产生的裸露边坡，达到预期的边坡绿化效果，而且也能够有效控制边坡绿化的技术经济成本；因此，为了更全面地比较框格梁复合植被毯生态护坡技术和框格梁植生袋技术的应用。本文参照GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》与JTGH 10—2009《公路养护技术规范》制定了框格梁生态护坡的施工与养护经济指标，分别为施工效率、材料成本、养护费用、养护年限。现将2种框格梁生态护坡技术从这4项经济指标进行对比，见表3。

表3 2种生态护坡模式的施工与养护比较

由表3可见，框格梁复合植被毯生态护坡模式的施工更为快捷、高效，能明显提高施工效率，缩短工期。其次，框格梁复合植被毯护坡技术的植被建植费用比框格梁植生袋护坡技术降低了70元/m2。另外，采用框格梁复合植被毯护坡技术进行边坡绿化在后期养护方面具有更大优势，每年每m2的养护费用降低了1.6元，养护年限缩短了1～2年。

4 结论

2种生态护坡模式在相同的天然降雨、边坡立地条件、植生基材下，其坡面植物生长情况、土壤改良情况、水土保持效果表现为框格梁复合植被毯>框格梁植生袋。框格梁复合植被毯生态护坡技术相对于框格梁植生袋生态护坡技术能够更好地节约施工成本，提高施工效率，缩短后期养护年限。通过对比2种框格梁生态护坡技术的应用效果，认为框格梁复合植被毯护坡模式较框格梁植生袋护坡模式更适宜在山区高速公路边坡修复中推广应用。

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(责任编辑：程 云 郭雪芳)

Two technologies of concrete frame ecological slope protection and application effect：Taking the Anhui Yuewu highway as an example

Yang Yang1，Yang Jianying1，Zhao Ping2， Shi Changqing1， Xu Zening3， Zhou Feng4

(1.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forest University, 100083, Beijing, China; 2.Orient Landscape Limited Company, 100012, Beijing, China; 3.Anhui Provincial Expressway Holding Group Co. Ltd., 230000, Hefei, China; 4.Beijing Shengxinjiahua Environmental Protection Technology Co., Ltd., 100070, Beijing, China)

To investigate the more appropriate ecological slope protection technology for the highway slope in mountain area, we systematically introduced the characteristics and construction process of the two compound frame technology systems at the Yuewu Highway slope experimental area in Anhui Province. Two technologies, i.e., the concrete frame compound vegetation carpet and concrete frame compound vegetative bag were selected for ecological slope protection. The two methods were used as vegetation restoration measures for investigating and comparing the plant growth, soil properties and soil conservation effect. Results showed that six months after the construction, the complex indexes including shrub survival rate, height, base stems, canopy breadth and coverage were better in the area using the concrete frame compound vegetation carpet technology than the area using concrete frame compound vegetative bag technology. The concrete frame compound vegetation carpet technology had a more significant effect in soil improvement and control of soil erosion than the concrete frame compound vegetative bag technology. The soil porosity increased by 3.78%; soil total N, P and K increased by 0.51 mg/kg, 5.59 mg/kg and 8.79 mg/kg, respectively; the organic matter increased by 9.06 mg/kg, the thickness of soil erosion and the amount of soil erosion decreased by 1.7 mm and 2 379.2 t/km2, respectively. Comparing the economic costs of the two technologies in our project, the technology of concrete frame compound vegetation carpet had higher efficiency in construction, lower vegetation planting and maintenance cost, and shorter maintenance period. Through comparing the application effect of two technologies, it is not hard to conclude that the concrete frame compound vegetation carpet technology is more suitable to be promoted and applied in the mountain highway slope restoration, and it provides guide in the ecological slope protection for the highway slopes in the future.

ecological slope protection; concrete frame compound vegetation carpet; concrete frame compound vegetative bag; application effect

2015-01-26

2015-08-05

杨阳(1987—)，男，博士研究生。主要研究方向：工程绿公。E-mail: yangyang5852@163.com

†通信作者简介：杨建英(1965—)，女，博士，副教授。主要研究方向：工程绿化。E-mail: jyyang.yjy@qq.com

S157.2

A

1672-3007(2015)05-0118-07

项目名称：安徽省交通科技项目“高速公路生态型护坡技术应用研究”(AHGS 2013- 5)