毛坝至陕川界高速公路边坡生态防护技术及其应用研究*

2015-03-10高照良

中国农业资源与区划 2015年6期

罗珂，高照良，，王凯

(1．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100;2．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

随着我国公路交通建设事业的迅速发展，在复杂地形条件下修建高速公路的情况日渐增多，高填深挖不可避免，由此出现了各种类型的公路边坡，在很大程度上改变了原始地貌，造成公路沿线植被破坏、边坡裸露、水土流失，甚至破坏生态平衡［1-2］。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防护技术。不同于传统的工程防护技术，生态防护技术充分利用植物自身特点并结合必要的工程防护起到工程建设与环境保护兼顾的目的［3］。高速公路边坡防护在我国目前没有成功的经验与定型的模式，更无技术规范可循，目前生态防护技术研究主要集中在对施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行为及植物防护与工程防护相结合防护的研究，导致防护理论远远落后于防护技术应用，制约边坡生态防护技术在边坡工程中的应用［4］。

边坡包括天然边坡与人工边坡，它具有一定的坡度与高度，并在重力与其它地质引力作用下不断地发展变化着［5］。如何缓解高速公路对生态环境的破坏与影响，已成为近年来高速公路建设中很重要的一个方面，边坡是高速公路生态环境中最脆弱的部分，因此边坡的防护与绿化是高速公路生态建设的重点，对高速公路的安全与景观重建都起着举足轻重的作用［6］。现今，高速公路建设越来越注重边坡的生态防护，生态护坡是运用植被或植被与传统的土木工程技术相结合形成的护坡措施［7］。与单纯的工程护坡相比，生态护坡不仅可以增加边坡的稳定性、减少水土流失，而且可以涵养水源、净化空气、保护生态、美化环境、保证行车安全、消除驾驶员视觉疲劳，具有良好的经济效益、社会效益及生态效益，是高速公路建设工程可持续发展的重要对策之一［8-9］。该文以毛坝至陕川界高速公路为例，分析了几种生态护坡的应用方式与适用条件，以期为生态护坡技术在高速公路建设中的应用提供参考依据。

1 研究方法

1.1 现场考察

现场考察工作分3期进行。第一次在2009年6月初，考察毛川高速公路沿线的气候、地质特征与土壤类型、边坡土壤侵蚀特点等;第2次在2010年9月中旬，对沿线的护坡植物类型、边坡特性、边坡防护类型、防护长度进行测量、考察与分析;第3次在2011年8月底，对沿线具有代表性的植物群落点位生态学特征与边坡防护效果进行考察，考察指标包括植物种类、植物生长情况、植被盖度、植物成活率及边坡土壤侵蚀特点等。

1.2 植被覆盖的测定方法

植被覆盖度的调查采用点测法。先选取一个具有代表性的植物样方，草本植物群落样方面积为1m×1m，灌木群落样方面积为4m×4m;再将样方等分成100个小方格，对每个网格结点登记是否在点向地面的垂线方向有植物物体分布，最后统计有植物体分布的总结点数与所有网格结点数的比值，并以此作为覆盖度指标，用百分数表示。

1.3 项目概况

阿荣旗至北海高速公路是国家高速公路网规划中的一条纵向联络线，是连接我国华北、华南地区便捷的公路通道之一，其中毛坝至陕川界高速公路工程 (以下简称毛川高速公路工程)是西部两个龙头城市西安与重庆市之间最便捷的运输通道，在陕西境内沟通了陕北、关中、陕南三大经济区。毛川高速公路工程地处长江支流-汉江流域，起于陕西省安康市紫阳县毛坝镇联合乡观音村，止于陕川界巴山隧道北口，与四川万源至达州高速公路相接，途经紫阳县及汉中的镇巴县。全线采用8车道，设计时速为80km/h。

该项目区地处北亚热带湿润季风气候区，冬暖夏凉，光照适中，雨热同季，雨量充沛。区内多年平均气温14．9～15．7℃，极端最高气温40．8℃，极端最低气温-9．6℃，全年日照时数为1 748．1小时，无霜期236～270天，最大冻土深度12cm;平均风速1．3m/s，最大风速21．43m/s，降雪期为11月至翌年2月，最大积雪厚度9 cm。区内多年平均降水量1 130～1 260mm，相对湿度72%，雨季一般集中在7～9月份，暴雨成灾，易引发滑坡、泥石流等自然灾害。工程沿线土壤类型主要有黄棕壤、水稻土、粗骨土及潮土等。植被属北亚热带常绿阔叶林，是南北生物交汇过渡地带，生物区系类群复杂，种类繁多。

路线穿越秦岭巴山基岩山区，既有变质岩、碳酸盐岩等岩体，也包括各级水系的河床、河漫滩及阶地中的砂类土、卵砾类土、粘性土等土体，岩石软硬不一，土体成分复杂。水土流失以水力侵蚀为主，兼有重力侵蚀，项目区属于国家级水源区重点治理区与陕西省重点治理区。

2 边坡生态防护技术的原理

2.1 植被的护坡机理

生态护坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用护坡，其作用可以概括为根系的力学效应与植物的水文效应两个方面。

植物的庞大根系可以穿过边坡表层的疏松土层，起到预应力锚杆的作用。研究表明，植物根系在地下0．75～1．50m深处有明显的土壤加固作用，对块状、碎裂、散体结构岩体也可以起到很好的锚固作用［10］。植被的根系在土壤中错综盘结，使边坡土体在其延伸范围内成为土与草的复合材料，浅层草根可视为带预应力的三维加筋材料，使土体的强度提高［11］。植物根系对土壤可起到网结与桩固作用，增加土壤的抗拉强度与抗剪强度，提高土壤的抗冲力，进而强化了土壤的抗冲性［12］。植物的网状根系还可以通过分泌有机质将土壤颗粒紧密地粘聚在一起，起到良好稳定的固土作用［13］。

降雨是诱发边坡滑动的重要因素之一，边坡的失稳与坡体水压力的大小有着密切关系，植物通过吸收与蒸腾坡体内水分，降低土体的孔隙水压力，增加土体吸力，提高土体的抗剪强度，有利于边坡土体的稳定［10］;一部分降雨在达到土壤表面之前就被植物冠层截流并暂时储存在植冠中，以后再重新被蒸发到大气中或落到地表［14］;植物茎叶对雨滴的分层拦截与缓冲作用减少雨滴的数量、滴溅能量及飞溅的土粒，可降低或避免雨水对地面的直接溅蚀［15-16］;植物的茎叶与枯枝落叶层能拦截雨滴，可降低雨滴对边坡的冲击，减缓流速，增加土壤渗透，减少地表水对坡面的冲刷、渗透等破坏作用，从而减少坡面侵蚀［13，17］;植被枯落物分解与根系生长的影响下，水稳性团聚体与粒径较大的微团粒大量产生，土壤容重降低、孔隙度增大，形成良好的土壤结构，进而提高了土体的抗蚀性与抗冲性，有利于蓄水保土［18］。

2.2 植被与工程措施相结合

植被护坡的局限在于生长前期，由于盖度较低，根系分布稀疏，短期内不能达到稳定边坡与保持水土的预期目标。然而同传统的土木工程措施相比，植被护坡具有土木工程措施无法比拟的优点，它能够快速恢复由于工程建设所破坏的生态环境;植被护坡造价低，经济性较工程护坡优越;而且可以避免工程加固措施随着时间的推移，伴随岩石的风化、混凝土的老化、钢筋的腐蚀而产生强度降低、效果也越来越差的问题。相反，采用植被护坡，随着植物的生长、繁殖，增加坡面稳定性与减少土壤侵蚀的作用会越来越大。正因为如此，将植被与混凝土框架等工程措施相结合的生态护坡具有长久的防护效益并能促进生态环境的恢复，受到了工程师们的青睐与关注［19］。

生态防护不只是边坡绿化的措施，还是自然生态系统的恢复与重建的一种方式，具有工程防护以及其它防护类型不可取代的作用与地位。生态护坡将植物措施与工程措施相结合，为植被的生长、恢复创造有利的条件，不仅能防治边坡土壤侵蚀，而且能够恢复由于高速公路建设对生态环境造成的破坏，维护公路沿线的生态平衡与重建边坡的景观［20］。

3 结果分析

3.1 边坡生态防护护坡植物种的选择

由于公路边坡大多是挖填方造成，边坡土壤稳定性差，结构紊乱，极易产生水土流失;而且边坡土壤贫瘠、理化性质差，如何选择适宜的先锋植物快速发挥水土保持作用是首要考虑的问题。目前中国的公路边坡一般坡度较大，坡比一般为1:1，即45°，有的甚至达到60°以上，栽植乔木会提高坡面负载，增加土体下滑力与正滑力，在有风的情况下，树木把风力转变为地面的推力，造成坡面的不稳定与破坏;同时，边坡栽植乔木还可能影响司乘人员观测公路两侧景观的视野，因此一般不宜在公路边坡栽植乔木［21］。

因此如何选择合适的草本植物、灌木及藤本植物是能否使护坡植被起到最大效果的关键问题。不同类型的植物都有着各自的优缺点，我们可以根据不同地区不同植物的特性，采取混播的方式来互相补短取长，这样可以达到很好的护坡效果 (表1)。

表1 草本、藤本及灌木护坡的优缺点

高速公路护坡植物种的选择遵循以下原则:(1)适地适树。即植物适合其生长土壤与气候条件，气候条件包括降雨量与分布，极端高温与低温也是重要的限制因子。(2)生根快、根系发达、对土壤束缚度大、萌芽力强、覆盖度大、易成活。(3)抗性强、耐干旱、瘠薄。公路边坡的土层一般都是瘠薄、干旱，因此要选择耐瘠薄、抗干旱的植物品种。(4)选择时应遵循经济、实用、安全及美观的原则。公路边坡是防治边坡土壤侵蚀与保护公路的设施，所应用植物同时要起到美化及改善沿线生态环境的目的［22］。

毛川高速公路具体选用的护坡植物包括:草本白三叶、狗牙根、紫花苜蓿、蜀葵、草木樨，灌木胡枝子、火棘球、紫穗槐、木槿、金叶女贞 (表2)。

表2 毛川高速公路生态护坡选用的主要植物物种

3.2 边坡生态防护技术分类

欧、美、日等发达国家非常重视保护生态环境，这些国家建设高速公路的时间比较早，他们很早就已将生态保护与恢复措施纳入了高速公路建设之中，并且为此进行了长期的研究与实践，如今这些国家己基本废除了浆砌片石与喷射水泥砂浆护坡等破坏自然环境的工艺，在边坡防护中取而代之的是各种柔性支护与绿化措施，基本上实现了全路段绿化［23］。生态护坡技术在日本、欧美等发达国家已获得广泛的应用，尤其是日本，生态护坡与道路建设同时发展，至今已有半个多世纪的历史，其公路生态防护水平处于世界领先地位，开发出众多适应其气候、地质等特性的生态护坡技术。日本开发出了厚层基质挂网喷射、水泥硅框格喷附及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、植被型混凝土等已成为日本最广泛的生态防护技术［24］。

近年来，由于高等级公路的大规模建设，经常需要开挖大量边坡。边坡的开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现象，加剧了生态系统的退化，这种现象在我国北方的干旱地区尤为明显。公路工程建设者受到来自生态环境保护方面的压力越来越大，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急需研究与解决的问题［25］。

国内在生态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、沟播、铺草皮、片石骨架植草等护坡方法。

1989年开始在华南地区进行液压喷播试验。

1990～1991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10余年左右的发展完善，液压喷播技术已广泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。

1993年，我国引进土工材料植草护坡技术，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，结合植草技术在边坡中陆续应用。

1997年以后，国内不少科研单位针对岩石边坡的生态防护，也开始进行广泛的应用研究，开发出喷混植生护坡、植被混凝土护坡、厚层基材植被护坡、喷射种植混合基材植被护坡等适用于岩石边坡的技术，统称为客土喷播技术。生态护坡技术在国内经过10余年的发展与不断完善，目前已形成多种多样的生态护坡技术 (表3)。

表3 边坡防护常用的方法及其主要特点与适用条件

1999年，在西安-黄陵高速公路，交通部科学研究院曾在路堑高边坡上作过植草试验。试验初期，边坡上的人工植草长势良好，为道路景观增添不少美色。然而，由于气候干旱的缘故，在道路运营过程中，长势良好的草被逐渐枯萎。

2009年，北京林业大学根据多年的实践经验与最新术手段，对坡面绿化、生态防护从坡面稳定分析、边坡工程防护、生态防护、坡面绿化多个层次对不同技术模式从材料选取、设计、适用范围以及边坡生态防护植物选配等方面进行了综合阐述，结合工程与设计实践，采用案例进行工程分析，对指导工程建设项目形成的不同立地类型坡面实现生态防护具有重要的实践指导作用。

各类边坡植物防护技术的主要作用及应用条件各不相同。在边坡植物绿化防护施工措施中，根据目前的国情、机械化施工程度、适用性、经济性及质量效果比较，液压喷播、客土喷播、喷混植生是具有典型生态防护施工技术，符合边坡绿化工程可持续发展的理念，值得普遍推广应用［26］。

3.3 边坡生态防护技术应用分析

现在，人们越来越重视环境保护与生态恢复，边坡生态防护技术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。根据调查结果 (表4)，毛川高速公路在坡度较为平缓、立地条件较好的土质边坡采用植草护坡、植生带护坡及客土喷薄播，植被、植生带及客土喷占护坡的21．4%，低缓坡面也便于植生带的铺设与喷播客土的附着，有利于植被的迅速成活，抑制水土流失，形成良好的生态景观。对于坡率达到1:0．8的岩质陡坡，土壤贫瘠的边坡，应用了挂网喷播技术，占4．2%，锚固金属网之后既可以增强边坡的稳定性，也有利于客土附着及植物根系的缠绕。该路段部分边坡坡度为1:0．3，坡面横坡陡峭，坡面上分布有大面积自然地质作用形成陡崖、悬崖及斜坡，具备崩塌与落石的自然条件，处于不稳定状态，采用SNS主动柔性防护网技术对该边坡坡面进行防护，占0．8%;SNS主动柔性防护网覆盖或包裹在边坡坡面上，限制坡面松散、崩塌、滚落的岩石体、土体等变形或破坏，或者将落石控制在一定范围内运动，不让岩石跌落;其开放性可保护原有植被生长及其生长条件，提供良好的视觉效果，并为人工绿化提供了条件，将工程治理、环境保护融为一体。该高速路段中土质及岩质成分较为复杂，存在大量不稳定边坡，实际建设中植被与圬工结构结合技术应用广泛，占到73．6%;在边坡上形成骨架，能有效地防止边坡在坡面水冲刷下形成冲沟，同时，提高了边坡表面地表粗度系数，减缓了水流速度;框格防混凝土骨架在稳定边坡的基础上，也为客土回填及植生带的铺筑提供了充足稳定的空间;拱形、窗孔、方形等不同造型的运用也营造了丰富的视觉效果，采用框格防护与种草防护相结合的方法，提高了防护效果，同时美化了环境。

各种生态护坡在坡长超过5～8m时进行分级，以截短坡长，增强边坡的稳定性，减弱降雨对坡面的侵蚀。对各级平台种植草灌结合的植被带或进行硬化处理，内侧修筑截排水措施。

表4 毛川高速公路生态护坡统计

3.4 毛川高速公路边坡防护效果

毛坝至陕川界高速公路经过秦巴山区的中高山脉，北依秦岭，南邻大巴山，由秦岭与巴山组成，为中生代末以来全面隆起的褶皱山地。沿线地形十分复杂，是陕西省高速公路网中施工难度最大、施工环境最复杂、桥隧比例最高的项目，全线路基土石方共计1 127万m3，桥梁4．821 1万m(双幅)/111座，隧道3．317 3万m(双洞)/23座，桥隧占路线总长的77．8%。项目区基岩裸露、断裂发育、新构造运动活跃、山体破碎、覆盖层少而薄、降雨集中，雨量充沛;由于高速公路建设项目改变原有的地貌、破坏地表植被与高挖深填，形成大量的裸露坡面，极易造成水土流失。

公路边坡生态防护的目的是抑制径流、防止边坡冲刷、稳定坡面、美化道路景观、保护环境。依据不同边坡的地质特性与立地条件，毛坝至陕川界高速公路采取了植被护坡、植生带护坡、挂网喷播、SNS柔性网防护、混凝土骨架与植被结合等生态边坡防护技术，植被草灌藤结合，具有良好的生态恢复与景观效益。植物的吸声作用会有效减弱噪音;据北京园林科学研究所研究测定，20m宽的草坪可减少噪声2dB［27］。生态护坡施工工期短，造价低;经计算边坡的生态防护成本不足工程措施的1/10，生态防护作用却随着植物的繁茂而加强，减轻坡面不稳定性与侵蚀的作用越来越大，因而可节约大量养护经费［28］。

4 讨论

(1)毛川高速公路护坡植物采用灌草藤结合种植模式，既利用草本植物先锋物种的固土作用，又发挥灌木后期稳定、持续的护坡能力，而且结合了藤本植物良好的景观效果。灌草藤植物的合理搭配既能起到控制水土流失、加固土体、加强边坡稳定性的作用，由可以通过其固有的色彩、形态等特征的合理搭配，避免植草或植灌护坡的单调性，绿化层次、空间变换丰富，更好的体现以灌草藤植物为一体的物种多样性与景观多样性，有利于绿化与周围景观的融合，增强自然景观效应，从而提高边坡环境的景观功能与价值。

(2)边坡生态防护技术把多种形式的植物景观合理的搭配起来，为高速公路边坡营造了良好的生态景观，给司机创造了良好的绿色视觉空间;还可降低噪音，吸附降解污染物、吸滞大量灰尘、减少烟尘对大气的污染，起到净化空气的作用，消除了驾驶员长期驾驶过程中产生的视觉疲劳，能降低发生交通事故率，保证高速公路安全运营。

(3)传统的工程防护造价高，防护成本很难控制，而且单纯的工程护坡、生物护坡的护坡质量及其效果与工程造价并不成正比，并不是造价越高，护坡效果就越好;合理使用生态护坡技术则可有效降低工程造价、节省施工及养护成本，既提高施工质量，又提高护坡效果。总之，目前高速公路边坡生态防护工程本着因地制宜、经济实用的原则进行施工，在工程建设中，可优先采用植物与工程防护结合的生态护坡技术，达到防护效果、生态效益、经济效益的统一。

(4)依据不同地质特性、边坡土壤特性及立地条件，毛川高速公路采取了植被护坡、客土喷播、SNS柔性网防护、植生带护坡、挂网喷播、混凝土骨架与植被结合等生态边坡防护技术;植被草灌藤结合，植物生长良好，植被盖度在85%以上，植被群落结构良好，生态功能稳定，不仅具有稳定的护坡效果，而且具有较好的景观效益。

毛川高速公路自2010年建成通车以来，沿线边坡稳定，无滑塌现象，未出现强烈的土壤侵蚀现象，生态护坡起到了稳定边坡、抑制水土流失、保证公路安全运营、美化环境的作用，为其它高速公路建设过程中的边坡生态防护提供借鉴意义。

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