混成型生态防护系统探究及在防治坡面落石灾害的应用方案

刘四昌，陈紫云，2，徐华

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017； 2.成都理工大学，成都 610059;3,西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

混成型生态防护系统探究及在防治坡面落石灾害的应用方案

刘四昌1，陈紫云1，2，徐华3

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017； 2.成都理工大学，成都 610059;3,西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

从我国边坡防护工程结构工作效力的角度进行检核和反思，例如场地需求匹配度、工程结构稳定性和耐久性、管养维护，等等，总结了落石防护工程的发展内在需求，进而在前人工作的基础上凝炼总结并发展出一种以被动网、落石挡墙等工程防护为临时措施、以散生竹等生态植被防护为永久措施的永临结合防护结构，文章将其命名为混成型生态防护系统。继而，将生态防护作为基本的指导思想，以某景区公路建设为例，通过对防护需求的分析研判，以及建设区域符合防护需求的生态植被的调研，将散生竹作为生态植被用作实践方案进行应用验证防护系统的可行性。文章进行了混成型生态防护系统的防护思路框架的初步探索，也力图通过对散生竹等植被研究资料的再利用、再研究，最后展望了该系统的发展、完善思路和方向。抛砖引玉，以供参考。

边坡；混成型生态防护系统；散生竹；落石灾害

山区公路上边坡的坡面落石普遍具有物源不确定、生成点多面广、发生突然、不易察觉和躲避、难以甚至无法根除等特点，落石致灾事故屡有发生，是下方行车行人安全的重大隐患，对政府和交通主管部门造成了很大社会压力，给交通技术人员也造成了很大的困扰，故防治问题亟待解决。

20世纪90年代以来，采用主、被动柔性防护网对崩塌落石等坡面灾害进行整治逐渐发展成为惯用做法[18,19]，但实践也一再证明，其缺陷也非常突出，如落石物源和防护范围的不易确定导致防护工程既不经济防护效果也常常挂一漏万。究其原因，总结起来大致有四条：固定位置的防治手段难以匹配和适应斜坡浅表生改造的发展变化；管养维护不及致网内落石清除不易，越后期防护效果越打折；落石规模多样、能级频谱太宽，柔性网难以适应所致结构立柱易遭砸翻或砸弯、网面易破损；柔性网高度低或地形原因所致落石经常越过防护网而致灾，防护结构起不到设计效果。总结起来就是存在防护效果欠佳、维护费用偏高、后期管养工作比较繁琐等部分问题。近些年，虽然发展和应用了窗帘式防护网[1]，对主、被动网的某些缺陷进行了改进，但因先天原因还是存在不足，例如防护网的防护能级与落石能级频谱的匹配问题仍未解决[14]，那么结构破损问题同样会时常发生，还有，它还是不能避免后期繁琐的维护、保养，以及破坏后的紧急修复，可能造成关键时候掉链子，需要时用不上，显得防护能力和效果大打折扣。所以，发展或开发一种防护效果好，保养维护简单的坡面地质灾害防护系统显得较为迫切。本文即以此为目标来展开研究工作，并以川西某工程为例进行了实践，以供同行甄选、参考。

1 混成被动型生态防护系统及其基本特征

鉴于前文论述的坡面地质灾害防护工程需求，应当开发能够满足防护功能，能够满足自然生态和环保，同时还具备使用寿命长、维护方便和简单、施工费用低等相关经济、技术指标的防护系统。在项目需求的背景环境下，作者通过对研究区域周边地区斜坡植被生长、覆盖，以及落石灾害的发育、致灾情况调研和分析，结合在边坡主、被动防护结构方面的工程经验，总结提炼了以SNS被动网结构作为临时防护，以竹木成长成林后的躯干杆体作为永久防护结构的混成被动型生态防护系统。

本文所谓混成型生态防护系统指为了满足工程建设和人类生产生活需要，最大程度地利用和保护自然地质环境，在工程建设阶段的近期以工程结构物如SNS被动网、窗帘式防护网、拦挡墙等作为临时防护措施，在工程运营阶段的远期通过设置生态植被如散生竹、丛生杉树等，使其按设计意图去生成和覆盖斜坡来达成坡面落石地质灾害的防护效果，兼具固持水土、涵养水源的能力，从而意图使得近期和远期不同防护结构的充分发挥最大效应，力图使得工程性与经济性更加优化组合，最终在远期形成立体、生态的坡面地质灾害防护系统，及植被根植作用下斜坡体稳定的生态屏障防护效应。

1.1 混成型生态防护系统的材料内在需求

项目研究区处在深切割的川西青藏高原边缘山区，在一定海拔高度以上那些植被生长发育不太茂盛的高海拔、高寒、干旱地区尤其具有工程类比意义。研究区由于山高坡陡，覆盖层薄，植被根植水土能力差，坡面上松散碎块石就非常发育，当然导致坡面落石时有发生，特别在汛期更为频繁，使得灾害高发期与川西地区旅游旺季高度重合，不但严重危害公路行人和车辆安全，而且对当地的旅游发展简直就是梦魇，并且该类灾害点多面广，防不胜防，防护防治均是难度极大。

为了达成更为有效的坡面落石防治效果，展开了本论文研究。经现场论证处治方案，结论如下：第一，如采用被动SNS防护网的话，不但在立面上其防护面太广，工程防护效率低，经济效益差，而且就纵断面上看，因为普通防护网一般不超过5 m，落石还是极易越网仍然造成灾害，即或采用2～3道防护都仍不能达到大幅提升防护效果的目的；第二，如采用窗帘式SNS防护网，同样还是存在防护对象明确困难，工程规模过大、造价过高、维护难度大等问题；第三，如采用被动拦挡墙，利弊与被动网类似，除了用材有所差别而已；如采用主动网，其效果与窗帘式防护网大致相类。故即是说，采用工程结构解决此类灾害问题，均存在使用周期短、损毁期与防护期高度重合、损毁修复率高、防护效率逐步降低等系列问题，况且不利于生态和环保，对旅游区建设而言是硬伤。所以，研究区项目客观要求去发展生态型防护系统方案。

1.2 系统防护材料及组成型式

(1) 被动网、拦挡墙以及窗帘式SNS防护网

具体内容本文不作赘述，主要是用作临时性防护，既最大程度保障在生态防护系统的防护能力形成之前达到临时防护效果，又避免繁琐的损毁维护工作，例如常用的SNS柔性防护网作为被动网结构。结构由钢立柱及(上、下、侧)拉锚、钢丝绳网及缝合绳、支撑绳、减压环组成，特别由其中的钢丝绳网、支撑绳和减压环以及立柱机构联结等配合使用赋予结构柔性，拦截落石时所产生的荷载首先通过绳网、支撑绳的缓冲，再向整个结构扩散传递，此外还促使结构发生可恢复形变，以延长碰撞作用时间，达到吸收和耗散能量、拦截落石的目的。根据建设场地条件或防护需求的不同，结构的组成有所不同，由此被动网可分为 RX、CX 和 AX三种类型(图1)[18]。为了建设过程中的其它目的，亦可以采用其它材料的被动防护，当然也可以采用本类型材料施做窗帘式防护[18]，控制局部的落石活动范围。

图1 临时工程的SNS柔性网防护结构型式[18]

(2) 单轴散生竹

为了弥补被动网在耐久性、运行维护和生态功能等方面的不足，可采用单轴散生竹形成生态的立体被动防护系统。散生竹防护高度一般超过10 m，如金竹等小型散生竹都基本能达到8～12 m，远远超过一般被动网的5 m高度；防护宽度(沿坡面倾向)可以根据地形土壤等条件布置种植后通过植被生长自组织调整满足而不会大幅提高建设投资，而被动网基本没有防护宽度，不能形成立体防护能力；散生竹防护能力主要通过密集的纤维结构韧性竹秆抵御冲击(图2)，竹林形成后的宽度愈宽，防御间隙愈小，防护能力愈强，且竹枝和竹叶在遭遇落石后具有更大的变形能力和韧性从而提高防护等级，还不受季节影响；散生竹通过广大的竹鞭系统形成了类似筏板的基础结构，稳定性较被动网更好。特别还应指出的是，如果坡面灾害发生后被动网造成损毁，必须待修复后才能形成防护能力，如坡面灾害持续不定发生将危害修复工作，导致被动网系统达不到防护功能，但是散生竹则不然，坡面落石灾害基本不可能造成整片竹林损毁，所以在坡面灾害持续不定发生的情况下同样具备防护能力，竹林具有自组织和自修复能力。

1.3 散生竹在生态防护系统方面的可用性

经研究，用作生态防护系统的植被需要满足一定的密植性、抗冲击刚度和强度及韧性、植被高度、耐候性、成长快速性和生态性，以及生态安全性等性能，才能加以使用，而部分竹类植物的性能恰似天成。

图2 散生的金竹林的竹秆分布排列情况(照片法线方向竹林的厚度约2 m)

1.3.1 竹类植物及特性概述

竹类植物属于多年生禾本科的竹亚科植物，具有枝干高大，生长迅速的特性，竹叶呈狭披针形，杆为类木质，含大量的纵向竹纤维。竹的品种繁多，现在世界上已知木本竹类约80属1 400多种，草本竹类约29 属170余种[2]。竹类植物在世界上的分布以亚洲东南部温暖湿润季风地带为中心，中心区之外，南、北美洲自然分布的竹类不多， 非洲、大洋洲自然分布的竹类更少，欧洲没有自然分布的竹类植物。在我国，除东北的温带湿润区之外，从暖温带往南的湿润地区，是竹类自然分布区，北方暖温带的半湿润区则 通过人工灌溉来经营竹林，半干旱区少数地点有竹林存在，干旱区内基本上无竹林[3]。

竹根据其地下茎分生繁殖和形态可分单轴散生型(散生竹)、合轴丛生型(丛生竹)、复轴混生型(混生竹)等3种。散生竹具有横走的竹鞭，鞭节生芽生根或具有瘤状突起，可发芽长成竹笋竹秆，也可形成次鞭，竹秆在地面呈散生状，典型如刚竹属白夹竹(金竹)、斑竹、毛竹等；丛生竹地下茎形成多节的假鞭，鞭节上无芽无根，由竹根侧顶芽出土成秆，竹秆在地面呈密集丛状，如慈竹；混生竹兼有单轴型和合轴型两种类型的竹鞭，在地上兼有丛生和散生型竹，如箭竹[4,5]。

1.3.2 散生竹的生态防护特性

生态型植被种类很多，为什么选择竹类，在竹类中为什么又选择散生竹，况且即使散生竹，中国是世界散生竹分布的中心，还有近300种的散生竹种[2,3]，也并不是所有的都适合用作防护系统植被。下面将论述作者选择的依据，来说明散生竹在生态防护系统方面具有的得天独厚的优势。

(1) 散生密植性

该系统是利用竹的杆体作为被动抗冲击的防护结构，所以，竹秆须在竹林的某个宽度范围内组合形成严密的、整体的被动防撞体，要求竹林具有密植性，不能存在较大的缝隙使得落石可以通过，这是也是选择散生竹作为生态防护系统主材的最主要原因，如丛生竹则不具备密植性。

(2) 抗冲击刚度、强度和韧性

由于是将竹竿用作防撞体，所以要求杆体应具备一定的直径，使得在抵御落石时具有一定的刚度和强度，一般说来直径越大越好，经调研，在坡面上多数直径3～4 cm的竹林即能够不被落石撞断、砸翻。还有，防撞体应具备一定的强度和韧性，使得具备抵御落石时不但能消除其冲击能，还能确保自身尽量不受损，以便长期效用，当然，在这方面，竹具有天然优势，它具有竹纤维管束及特殊的自外向内分层分布的结构特征(图3)，具有特殊的中空结节结构，具有按弯曲方向调整纤维管束分布的特征等[6,15-16]，故具有良好的强度和韧性。其次，竹的竹枝在竹竿上形成厚厚的附着层，当落石与竹枝碰撞时，因大量竹枝，以及竹冠的弹性和韧性，很好地形成了缓冲层，能极大地降低落石的运动速度，改变运动轨迹，使得就近掉落并稳定在坡面上竹林里。

图3 竹纤维结构(摘自[16])

(3) 竹林的植被高度

生态防护系统的主材应具备一定的高度来拦截落石，散生竹一般在10 m以上，远远大于一般SNS柔性网的规格(3×4、4×4、4×5)，个别散生竹高度甚至达到30 m，如此的高度和竹林面上的大范围行成的立体系统的防护能力是柔性网、拦挡墙不可以同日而语的。

(4) 散生竹的耐候性

散生竹具有较好的耐低温、耐干旱能力。虽然竹是喜温喜湿植物，但在暖温带有大量分布，也有部分竹类在半干旱的较寒冷地区也能存活，在地域上南北分明，东西有别，海拔由低至高也差别明显，丛生竹林和散生竹林分界显著，四川则由于气候因素，处于丛生竹和散生竹的混生林区范围[3]。所以，对于植被较难以生存的半干旱或较寒冷地区，坡面落石灾害问题本身非常突出，找到适宜存活，并能起到坡面防护效果的竹类植被显得作用突出，这也是散生竹用作生态防护系统材料的天然优势之一。刚竹属散生竹一般能在-6℃～-12℃(1月份平均最低气温)的区域存活，甚至部分箭竹属和巴山木竹属能在-6℃～-12℃(1月份平均最低气温)气候下生存[7,8]；对于竹林生存，年降水量是重要指标，仅有少数类别，如云南高黎贡山的龙陵，旱湿界限分明，当地牡竹经长期进化发展，冬季落叶休眠渡过旱期[3]。故，在选择生态植被竹的用材时应加大调查，特别注重当地物种利用。

(5) 成长快速性

竹类繁殖方式主要为无性的地下茎繁殖，也可通过开花繁殖，一般是在地下茎的鞭节间处长笋，春雨之后，24 h内即可拔节1～2 cm，50 d左右竹笋就可成竹，且竹秆是一次性生长成竹，通常4～5 a可成林[9]，故采用竹作为生态防护系统可以快速形成防护能力。

(6) 生态性和经济性

竹四季常青，枝叶茂盛，在保持土壤水分、涵养水源方面与树种显著不同，它有发达的根系，即使砍掉地上部分，地下茎还会长出新竹子，是防止土壤沙化和防治水土流失的理想植物[7]。其次，据研究，竹子与其他植物相比还能多释放35%的氧气，对净化空气、稳定大气成分起到重要的作用，曾有生态学家呼吁让竹子来拯救地球[7]。此外，竹子可应用于建筑、轻工、新材料、包装、运输、家具、食品、医药、保健、环保等方面，具有较高的经济价值，应用得当的话，防护和维护可以达到自给自足、相得益彰。

1.4 防护系统的构造

本系统采用永临有别的防护结构型式，在近期以SNS柔性被动防护网、拦挡墙等工程结构物为主，此时散生竹等生态防护系统尚未能发挥防护功效，故SNS柔性防护网等应设置在易于发生落石区，如崩落点附近，或落石运动路径上，如落石运动的坡面沟槽，保障公路构造物安全运营带，如上边坡坡口线、凸形坡的变坡线，具体设置时应根据病害发生机制、运动路径以及防护需要，相互结合综合论证后确定。

远期生态植被在横向上主要以防护宽度满足防护效果，故一般顺坡面分组间隔布设：在沿斜坡走向，即公路顺坡方向，植被应在组内连续布置，株间距以3～4 a期生长扩散范围为宜；在斜坡倾向上，即公路横坡方向，须充分考虑植被生长和发展的延续空间，设计上宜分组布置，在该空间范围的植被才是后期形成防护能力的主体，组间距以植被种类的生命周期生长扩散范围为宜，如夹白竹(金竹)为10～15 a；组内株可宜与顺公路方向株间距协同；植被系统布置可与临时工程防护结构在立面上重合布置。

生态防护系统形成期约3～4 a，故植被应具备侧向扩散快、躯体生长快、杆体密度大、纤维强度高、枝叶茂密等要素特征。散生竹几乎具备上述所有优点，不足的是，其地下鞭根系统较浅，一般仅20～40 cm，可以配以地下根茎系统深部发育，固持水土能力超强的植被，形成混合林，则防护效果将会更好。

因防护系统形成期较长，在工程建设中宜合理确定建设时机，如尽量将防护系统形成期放在建设期内，在投入运营时即能形成防护能力。

1.5 防护系统机理探讨

据新闻报道，2016年3月5日，杭州某四岁女童从十一楼掉落，中途受树枝遮挡后掉落在草坪上，受轻伤，救治后康复；无独有偶，2016年9月5日，成都某五岁女童从十一楼掉落，同样，中途受树枝遮挡后掉落在草坪上，受轻伤救治后康复。还有，作者大学时，同一栋宿舍楼的校友醉酒从七楼失足坠落，刚好掉在自行车棚顶，破顶后又掉落在自行车上，重伤，救治后康复。等等。按照生活经验，人从高空坠落，必死无疑，如何能受伤救治后康复？窃以为与坠落过程中树枝等物的阻滞作用有关。受此启发，作者认为坡面落石的防护亦可效仿此理。

(1) 竹枝和竹叶具有粘滞阻尼力学特性

散生竹的分枝开展，竹叶浓密，单根竹的竹冠分布范围大，竹枝和竹梢具有很强的弹性，竹秆与竹冠没有明显几何界限。所以，在抵御落石过程中，只要落石不与竹秆发生碰撞，则均可简化视为落石与竹冠发生作用。并且，由于竹枝、竹梢相对落石冲击产生被动变形的弹性应变能较之落石的能量显然太小，所以在力学机制上可视为竹冠里的竹枝、竹梢对落石产生粘滞阻尼效应。故，竹枝、竹叶在本生态系统中可视作粘性体，由粘性力学原理有如下公式：

(1)

由牛顿第二定律：

F=ma

(2)

式(2)及式(1)和静力平衡关系，

(3)

可见当应力恒定，速度梯度越大，应变梯度越大，它们呈正比，换言之，当竹枝、竹梢越密，粘滞系数越大，平衡式中的速度梯度(加速度)越小，表明其提供的阻滞力或阻滞加速度越大。由于模型忽略了竹枝和竹梢的弹性效应，则结果是偏安全的。

这里的为竹枝、竹梢的粘滞系数，如实际计算落石防护效率则需要测定，目前缺乏相关试验和数据。

(2) 竹秆在碰撞作用下的弹性力学特征行为

落石运动过程中，除竹枝、竹梢给予其作用力，大量削减其速度外，还可能与竹秆发生碰撞作用，这个过程既可能发生在速度降低之后，也可能发生在未遭遇竹梢、竹枝之前。

竹材主要由竹原纤维、木质素、多戊糖、果胶、竹粉等构成，具有良好的抵抗外力作用的性能，包括抗拉强度、抗压强度、静曲强度和抗剪、硬度、抗冲击性能等，特别是因为其具有整齐排列的生物细胞，以及非常规则的管壁形态，加之独特的中空竹节+曲面结节部结构，使其具有非常稳定的性能以及良好的比强度和比刚度，根据搜集已有的试验数据(表1)，表明竹秆本身具有高强的力学性能，并且落石运动中将以群体杆件组合达到迟滞落石速度的目的，因此，落石与竹秆的碰撞造成竹秆的破坏可能性小，多会发生大量的质点(落石)-(竹)杆、杆-杆粘弹塑性碰撞，进而发生能量耗散，落石速度降低而坠落。

表1 圆竹秆(毛竹)的部分力学性能(摘自[10,11])

落石与竹秆的撞击以及竹秆响应的过程非常复杂，若假设能量耗散平衡前石与杆的碰撞作用为连续时间，且发生碰撞的落石假定为球体、竹材料为各项同性的连续均值粘弹性体，竹秆为具有固定端的弹性细长空心杆件，则下面(4)式条件成立：

(4)

其中,Fc是接触力的弹性部分;Fv是粘弹性的阻尼部分；Fp是有溃曲变形导致的耗散部分；Fu为冲量所产生的作用力;Ek为落石的动能;h为落石竖直运动距离。

当碰撞发生后，要么竹秆不发生破坏而服从弹性杆应力应变，要么遭遇的同时杆发生屈服，下面分别讨论这两个过程。

① 服从弹性杆应力应变条件：理论上讲，在力F对竹秆中心位置的作用下，竹秆发生挠曲和偏转，当挠曲线或偏转角与另一根竹秆发生接触时，则2根竹秆同时受压并发生偏转，变形顺次传递，直至达到平衡，此时，因竹秆发生弹性挠曲变形后回弹，落石转向反方向运动，背离的竹秆则在起自身平衡位置发生弹性振动，如此，落石的动能转化为竹秆的波动，达到能量消耗的目的。从生活常识看，虽然竹林中的竹秆存在相当的间距，但竹林中的枝和梢基本可视为连续分布体，所以，当竹秆发生偏移时，其竹枝和竹梢存在挤压变形，产生了事实上的阻尼作用，其能量消耗贡献或许并不比竹秆小。实际情况下，落石若从高处坠落后多先受到枝、梢的阻隔，然后受到竹秆的碰撞，并且中心受压的概率非常小，多是碰撞后落石发生小的转向运动，部分能量消耗转化为竹秆的波动，如此，落石能量将会迅速被耗尽而坠落；若落石的运动高度相对不高，那么多与竹秆下部发生碰撞，受力及能量消耗过程同上，不同的是，因落石作用点距离固定端(竹根部)更近，杆发生挠曲角度更小，能量耗散更快。

② 竹秆碰撞后发生屈服：首先是第一个发生关系的竹秆发生屈服，它未能承受首轮“打击”，落石坠落接触即发生溃曲，因竹纤维分布特征及竹节、竹根等特殊结构，竹秆溃曲后并不会发生塑性屈服，而是发生破裂，此后竹秆变成了竹绳，竹林的枝、梢变成了柔性网兜，将落石网住使得运动速度迅速降低而落地，该过程中竹秆将变成受拉件。我国古代多有采用竹绳作为悬索桥缆索的记载，例如都江堰安澜桥，说明了竹在顺纹方向具有很高抗拉强度的特性，具有破裂后网住巨大落石的潜力。

1.6 系统长期运营及维护

本系统的维护相对较为简单，主要在系统防护能力形成之前，那时应做到SNS临时防护网的维护，注重散生竹等生态植被的成活和生长管养，根据植被特点做到保持适当水分、施肥，坏死植株及时更换。当系统形成之后，SNS临时防护网则无需再进行维护工作，维护工作主要针对生态植被，此时应注重利用散生竹的生命周期循环去疏林，伐掉老竹，给新竹生长腾出空间，确保系统中竹子的新陈代谢，系统长期良性运营。当然，同时也可以在过程中每年适当疏林，砍伐成竹、老竹，维护系统的同时经济利用。

2 防护系统施做的技术要点

由于本技术对作者属于初步涉猎研究阶段，各方条件尚不成熟，缺乏理论支撑和试验数据，故更多经验总结，下面即将作者的浅薄之见依发生顺序进行小结。

2.1 施做可行性评估

从前文论述可以看出，混成被动型生态防护系统具有局限性，主要受可用作生态防护系统的植被制约，因而受到了地域和气候的控制。即或找到了替代性植物，也须具备密植性、耐候性、强度和抗冲击韧性、植被高度，以及成长快速性和生态安全性，当然具备经济性则更佳。

2.2 临时防护方案制订及风险控制

在本系统中，临时防护方案同样具有不可替代的作用。临时工程的目的是为永久系统产生效用前实施防护。临时工程的阶段可为试运行阶段及以后，当然更可使其前置到施工期，这样可以降低试运行期的安全运营风险。对于方案本身，则应当在详细调查坡面灾害物源、运动路径、运动轨迹、引发和控制因素等基础上，本着防治价值工程最大原则布设临时防护，并应评估结构失效风险，做好修复或备用工程预案。

2.3 生态系统用材的调研和确定

生态系统用材属于地方建筑材料，这同客土喷播技术一样，即使初期植入更满足工程需求的植被种类也最终势必被地方植被所替代。应引起重视的是，这里的用材与仅仅绿化存在很大差别，它还担负了工程防护功能，被地方植被成功替代的风险太大，要么死亡，要么倔强的活着并逐步适应当地气候，“橘生淮南则为橘，橘生淮北则为枳”，只恐即使存活亦绝非当初之物了。所以，应用本系统的植被用材应加强地方植被调研，逐一比对植被性能与防护要求的适宜性后，择优定夺。

2.4 生态植被生长习性研究[12]

此是技术要点中的关键议题，研究其生长习性不仅可以合理控制工程造价，更是保障成活率，提高管养效率，确保防护能力的形成的关键。依据习性施为则属顺势而为，大抵可事毕功成，否则属逆天而动，徒靡费劳民而已。例如夹白竹种植，喜温喜湿，但能耐寒，喜肥，但能在较为贫瘠土地上成活，在岩石边坡不能成活，总的来说，生命力强，成活率高，种植季节可为春季或秋季，种植时气温在20℃左右为宜，具体种植季节宜根据当地气候确定，如冬季存在冰期则春季种植为宜，大多选择秋季种植，种植后的管养阶段应保障一定的水分，过大过小均会造成成活率显著降低。还有，调查发现，夹白竹成林十余年后，并且竹林杆体过密的情况下，会发生部分老化，部分竹竿可能干枯，如不及时梳理，竹林可能开花后衰败甚至枯死，破坏防护系统的可持续性。

2.5 生态系统方案制订

方案制订为整个工作的技术核心，事关防护系统成败，也关系工程投资控制，合理的方案应该不仅是凸出防护效果的首要地位，且防护效果与投资节约二者要兼顾。方案的工程范围在顺路线走向上是依据客观实在而定，重点在垂直于路线走向的顺坡面方向如何布置。作者认为，这个宽度主要受3个因素制约，第一为取决于坡面落石灾后物源的运动路径和轨迹，或者坡面形态[19](图4)，第二是适宜种植生态植被的位置在斜坡空间的展布以及与斜坡的几何关系，第三要受控于生态系统植被的生长特性。

2.6 生态植被种植和管养、维护

正如公路建设一样，重建轻养会造成使用寿命大幅减短，路况迅速变差，严重的甚至导致道路中断、功能部分丧失等等。混成型生态防护系统说到底还是属于工程范畴，尽管它具备自然界的生物自组织系统的特点，但因为需要满足公路工程防护需求，并且处于人类活动的干预条件下而得以形成，还是应该善加利用其自身成长、发展规律，使其始终长期处于最佳的自然生长状态，进而最大程度发挥工程效益。

图4 坡型与生态防护系统植被布置方案的关系

3 混成型生态防护系统的工程应用方案

3.1 工程背景概述

该混成型生态防护系统工程实施的公路区域上处于“V”形深切割高山峡谷区，山高谷深，谷坡陡峻，地震基本烈度达9度，构造作用非常强烈，岩土体稳定性差，崩塌落石灾害多发。公路的规模为路面宽8.5 m，不仅是连接周边国省干线的重要路段，也是成都至国家级重点旅游风景区黄金旅游线路的必经咽喉路段和旅游环线的主要组成部分，还是该景区创建5个A的必要硬件设施，并对当地实施全域旅游发展战略具有重大意义，在当地各级、各界关注度非常高。加之该公路上方的斜坡带内约200 m范围同时修建通村公路，大量的弃方直接无序堆积在坡面上，对原有植被造成了毁灭性破坏，同时形成了大量的不稳定性体，为坡面落石、坡面泥石流提供了大量的物源补给，且活动时间长，防护难度大(图5)。

因此，该公路上边坡防护措施不仅要考虑生态公路建设的要求，还必须达成实体防护功效，并使得防护工程具有长期防护效用，以及必须考虑使用过程中的损毁以及维护。

图5 混成型生态防护系统的工程应用实践的场地条件

3.2 防护需求分析和评述

(1) 坡面存在大量的松散体，其中不乏不稳定的碎块石，主要在降雨及雨后易发生失稳，物源广泛，不易圈定。若上方公路施工扰动，同样会造成失稳成灾，但时间可以估计，可通过交通管制避免。

(2) 坡面松散体的运动轨迹不易确定，但运动路径相对较为集中，在坡面刮擦后形成了5条比较典型的沟槽，在斜坡下部基本沿此构造运动。

(3) 临时防护主要解决坡面松散体坍落对下方公路的危害。

(4) 坡面松散体在很长一段时期内将保持活动状态，故需要设置永久防护系统解决，那么，永临防护的对象是一致的。并且，松散体在降雨作用下还可能发生小规模坡面泥石流，冲击损毁下方防护结构。

(5) 长期以来，该段坡面存在零星落石现象，特别因为刮风和放羊，时常造成落石成灾，在相临路段曾发生多次落石砸向车、人，致使车毁人亡的事故。故，零星落石也是永久防护系统防治对象。

(6) 调查发现，个别点存在落石抛射现象，落地点位于下方公路外侧，调研走访中证实公路改建前同样存在该现象，说明落石在运动过程中存在弹跳、碰撞，运动轨迹与坡面存在一定高度，不具有一定宽度的防护结构容易被运动中的落石越过而致灾。

3.3 防护实施方案的制订

经对现场的研究和对需求的分析，制订的防护方案及理由如下。

(1) 临时防护工程以SNS被动网为主，高度选择5 m。无危岩体发育点，无需主动网；坡面长度超过300 m，运动路径的逐步集中在坡面形成了沟槽，且其范围涵盖了坡面长度的1/2，无需设置窗帘式被动防护约束落石运动轨迹。因地形陡峻，可能运动路径长，临近公路还存在切坡，故需要设置2道。

(2) 对于可能造成的小规模坡面泥石流，在公路内侧设置挡墙，同上边坡防护工程结合，特别在沟槽出口设置拦挡墙和淤积库，尽量避免翻上路面。

(3) 公路内边坡靠近坡口线及以上范围种植当地散生竹——金竹，要求种竹秆径4 cm左右，杆高一般不小于10～12 m。根据生长特性及预留竹林发展空间，分4组栽种，每组设3排，组间距10 m，组内竹株间距均按1.5 m布置，确保3～4 a每组均能成林。如此，成林后将至少形成45～50 m宽的生态屏障。

(4) 经复核坡面松散体运动轨迹，基本均能被该系统阻断，同时，因竹林成林，将对坡面水土加快固持能力，并阻断上方局部土体失稳后成灾路径。

4 混成型生态防护系统的发展探究

关于混成性生态防护系统的发展，一是工程系统的发展，当以为翼，二是生态植被系统的发展，当以为本。生态植被系统发展主要在于耐候性——耐寒和耐旱。

就整体来说，竹子的抗寒能力为散生竹>混生竹>丛生竹，散生竹中，毛竹、刚竹、淡竹等几个类抗寒性较强，所以，在竹种推广、改良过程中继续北移的可能性更大。关于竹的抗冻能力研究相对较少，并主要集中在冻害领域，但令人欣喜的是，自20世纪90年代以来，植物的耐低温研究已进入分子水平，并且，在蛋白质的变化、植物膜保护系统的组分和活性与植物寒害、冷驯化植物抗寒力变化的关系等方面取得较大进展。科学家们对抗寒性的分子研究主要采用3种研究方法：冷锻炼分离冷诱导蛋白；筛选抗冻突变体；在染色体上定位耐寒基因、提高细胞抗氧化能力、稳定细胞骨架等。目前，对竹子基因组测定工作的研究正在展开，在不久的将来会对竹子抗寒性的分子机理获得更科学系统的解释，在竹子抗寒基因工程中取得进一步的成功，获得转基因抗寒新品种，以利在实际生产中大面积推广种植和应用开发[7]。

在耐旱性方面，在半干旱区引种成功的竹柳(图6)也是生态防护系统植被的良好用材，同时还为生态防护系统植被发展导引了方向。竹柳为杨柳科柳属植物，落叶乔木，树高可达20 m以上，胸径可达1 m，是多基因组合杂交新品种，由美国寒竹、朝鲜柳、筐柳杂交选育而成，兼具柳树和竹的优良特性，因此得名。树皮幼时绿色，较为光滑，老时黄褐色，叶披针形，类似竹，单叶互生。该树种对气候、土壤条件要求不高，具有较强的抗虫、抗盐碱特性，张健等人研究表明，pH值8.0～8.5和含盐量高达14 000 mg/l的情况下仍正常生长，于湖泊滩涂、盐碱地都可栽植。抗寒、抗淹、抗旱能力也较强，在-30℃～-40℃低温以及40℃高温状态下都能正常生长。竹柳引种试验还表明，其成活率高达98%，根系发达，树体通直，抗旱能力强，年地径生长量1.3～1.95 cm，年树高生长量191.37～217.7 cm，具有生长快速、适应性和抗逆性强、易栽易管等特点的速生树种[12]。

图6 竹柳的幼苗和幼龄树(摘自百度)

此外，不同植被之间的混生，使得其生物功能互补，可能更能促进生态防护系统发挥良好的作用，例如竹可抵御落石冲击，根系发达可固持水土，但缺陷是根系浅，对于边坡深部稳定性无能为力，如有此竹种或树种套种则更完善，如杉树，当然，通过转基因研究并改良竹种的根系也是有效途径。

还有，从坡面地质灾害发生来讲，属于局部失稳，前文讨论的生态防护系统皆为被动防护，为治标，如何提高边坡稳定性才是治本，这也当属于生态防护系统的发展和研究方向。如前文的坡面水土固持亦能做到提高表部稳定性，如种植根系发达且深部发展的植物，则可大幅提高边坡整体稳定性，当然这是对土质边坡而言，但是在公路建设中广泛存在的也恰恰是土质边坡，尤其是在寒旱地区，况且对于生态建设，以及荒漠化、沙漠化治理都有积极意义。即使在岩质边坡地区，如在有条件的走廊上种植合适的植被，未必不能起到生态防护的效果，例如映秀～卧龙公路为防崩塌在公路边缘设置了数道被动网，部分高十余米，邻近位置也原生了大量杉树，胸径大多在10～20 cm，通过实地调研防护效果，相对比较，作者认为杉树还略胜一筹，如能配合使用岂不更好？再例如，四川宜宾蜀南竹海蜚声远近，其竹林隧道未必不能作为落石灾害的防护廊道，起到生态防护之效用！

鉴于竹或类竹植物在系统防护方面的贡献，研究它们的结构和力学行为以及其特殊作用机理显得很有必要，当然如果在仿生结构或仿生作用原理方面能有所进益[17]，这都是值得庆贺的事件。

总之，混成型生态防护系统属于开放的发展系统，其美好的应用前景殊可期待。

5 结论及认识

(1) 鉴于目前主、被动网及拦挡墙等现实表现——固定位置的手段难以匹配和适应斜坡浅表生改造的发展变化；管养维护不及致网内落石清除不易，越后期效果越打折；落石规模多样、能级频谱太宽，防护结构难以适应所致损毁；落石经常越过结构而致灾，起不到设计效果；后期维护保养的繁琐，等等，加之特别是工程的生态建设地位显得越来越凸出，因此有必要发展新的更可靠的具有生态性的防护系统。

(2) 如植被具备成活率高、耐候性强、抗冲击能力强、生长快速等特点即基本能满足生态性防护工程的基本需要。经调查，散生竹具有散生密植性、抗冲击刚度、强度和韧性、竹林的植被高度高、耐候性较好、成长快速、生态性和经济性好等特点，天然是作为生态性防护的好材料。所以，若采用工程结构作为短期防护主要措施、采用散生竹林作为长期防护主要措施的混成性生态防护在理论上是可行的。

(3) 该生态性防护系统的主要技术难度不是设计和校核系统的防护性能，因为它本身具有自修复、自发展、自完善的能力，因此其防护能力将随时间推移而得到加强，当然，如果能够研究出系统防护作用的力学原理，形成可靠的设计理论那将更好。因此，系统的主要技术难题是体系在工程区域适宜植被种类的选用、植被种植和管护，以及植被成活率和耐候性等问题。

(4) 该系统的发展是开放的，能够达到防护效果的竹、木(如冷杉、云杉、竹柳等)均可用材，植被混生、植被改良，以及转基因植被，还有该系统或植被的仿生材料、仿生结构等都有研究和发展的广阔空间，这些研究和发展都会对边坡防护工程的推进产生积极效果。

(5) 第四纪全新世冰后期以来的气候气温冷暖震荡起伏，我国有文字记载以来，也数次出现冷暖交替。历史上看，曾多次出现气温比现在更高的情形。所以，自20世纪以来，全球气候变暖，并有进一步变暖的趋势，那么未来数十上百年内我国亚热带和暖温带北移或是趋势，因此，采用散生竹类等植被作为混成性生态防护系统的实施和发展既有需求，也有前景。

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EXPLORATION AND PRACTICE OF A ECOLOGICAL-ENGINEERING HYBRID PROTECTION METHOD TO PREVENT AND CONTROL SLOPE’S ROCKFALL

LIU Si-chang1, CHEN Zi-yun1,2, XU Hua3

(1.Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu 610017,China； 2.Chengdu University of Technology，Chengdu 610059,China； 3.Southwest Jiaotong University School of Civil Engineering，Chengdu 610031,China)

In this paper, I have reviewed what the effect and durability of the slope-slide's protection engineering structure worked on in China, such as whether space requirements were matched by a good way or not, and whether engineering structural stability and durability was carried out or not, and whether the maintaining and repairing was convenient or not, and so on. I summarize the development intrinsic demand in rockfall protection engineering, and then I would summarize an ecological-engineering hybrid protection method to prevent and control slope's rockfall on the basis of previous work, which would be combined and hybrid by the passive web and rockfall retaining wall with temporary measures, and monopodial bamboo for ecological protection with permanent measures. Furthermore, I have done a practice in the ecology protection above as a guiding ideology in this article. At last, I have studied the prospect and the development of the ecological-engineering hybrid protection method.

slope slide; a Ecological-Engineering Hybrid Protection Method; monopodial bamboo; slope ’s rockfall

崔德广(1984- )，男，水文地质工程师,主要从事水文地质、工程地质及环境地质勘察工作。E-mail:cuideguang126@126.com

1006-4362(2017)01-0030-10

2016-08-21 改回日期： 2016-10-17

U417.1

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