铁路路基边坡生态防护研究现状及展望

2020-11-04蔡德钩魏少伟叶阳升姚建平吕宋

中国铁路 2020年9期

蔡德钩，魏少伟，2，叶阳升，姚建平，2，吕宋，2

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2. 北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

0 引言

改革开放40年来，随着我国经济实力的日益增强，铁路、公路、桥梁及水利工程等基础设施的建设飞速发展，产生了巨大的社会效益，但也引发了一系列的地表环境问题。例如，铁路或公路等工程建设过程中会形成大量的裸露斜坡，极易产生土壤侵蚀现象，甚至会导致泥石流和山体滑坡等地质灾害；此外当地植被也会遭到损毁，破坏生态环境。生态环境是关系党的使命宗旨的重大政治问题，也是关系国计民生的重大社会问题。习近平总书记在2018年全国生态环境保护大会上指出：要加强生态保护修复，构筑生态安全屏障。因此，工程建设过程中，在做好设计与施工的同时也须进行生态修复与环境保护。

边坡坡面采用生态防护技术，不仅会提高自身稳定性，还利于固化水土与恢复植被，提高边坡生态质量与景观效果［1］。从20世纪30—40年代开始，欧美发达国家就已尝试应用植被修复的方法来防护道路边坡。1936年美国的Angeles Crest高速公路应用了植被护坡技术；20世纪40年代末期，英国治理城市景观以及公路护坡中多次用到生态防护技术［2］；1951年日本引用牧草进行边坡绿化，并开始研发喷播技术［3］。与欧、美、日等发达国家和地区相比，我国的边坡生态防护研究与应用起步较晚。20世纪90年代以前，一般采用撒草种、铺草皮、穴播或沟播等方法对公路边坡进行绿化处理；20世纪90年代以后，随着工程建设速度的不断加快，我国也积极发展了多种边坡生态防护技术，例如，植被混凝土技术、客土喷播技术、液压喷播技术、植生袋/植生毯生态重建技术等［4-5］，经过多年发展，我国边坡生态防护技术日趋成熟。

截至2019年底，我国铁路运营里程达13.9 万km，其中高铁运营里程3.5万km。传统铁路路基边坡以圬工防护为主，绿色通道建设要求摸索新的边坡生态防护技术，建设质量高、成本低、施工快、景观好的铁路绿色通道。结合国内外研究成果，在梳理生态防护机理及现状基础上，总结我国铁路路基边坡生态防护的发展历程及技术应用情况，指明发展趋势，为铁路绿色通道建设提供参考。

1 生态护坡作用机理研究

生态护坡技术通过植被的固土能力及改善土壤的抗侵蚀性能提高边坡的稳定性，包括地上冠层与地下根系2部分的作用。植被地上部分的枝、叶等植物冠层具有截流作用，且枯枝落叶层具有抗雨水冲击和涵养水分的作用；腐烂的枯枝落叶层也可增强土壤有机质含量，提高通透性，促进团粒结构形成［6］。植物地下部分的根系在稳定土壤结构、提高抗冲性、防治侵蚀方面具有突出作用，尤其在控制边坡的浅层失稳方面作用显著。相较于地上冠层，植物根系的固土作用与保水性能对保持坡面稳定具有更重要的作用，体现在以下3个方面：

（1）植物根系提高土壤的抗剪能力。植物根系的固土效应体现在根系能够增加土-土以及根-土间的摩擦力，同时根系本身的抗拉、抗剪性能也影响了土壤粘聚力进而增强土壤的抗剪切能力［7-8］。研究发现根系对土体抗剪强度的增量与单位体积土体中含有的根系质量成正比。细根与土壤颗粒结合较紧密，根-土间摩擦力较大，在土体受剪过程中，细根被拉断而发挥出抗拉强度；粗大的根在受力过程中一般被完整拔出，无法完全发挥抗拉强度。

国内外学者对相同条件下的无根和含根土体的抗剪能力进行了大量研究，并建立了根系与土壤交互作用模型。研究表明，植物根系固土机制模式具有4个层次，即根系材料力学、根系网络串联作用、根系-土壤有机复合体的黏结作用及根-土间生物化学作用［9］。木本植物根系通过侧根、须根、缠绕加固土壤形成紧密层，通过垂直根锚固斜坡土壤增加滑动阻力，即根系的网络作用增加土壤受协变条件下的抗剪阻力［10］。草本植物根系通过网络串联作用、根土黏结作用以及根系生物化学作用实现固土效果［11］。与木本植物相比，草本植物根系的抗虫性强、力学特性好，对边坡表层的固土护坡作用更加显著［12］。此外，植物根系增加土体抗剪强度还体现在根系在土壤中穿插的“加筋作用”：植物根系通过加筋作用能够显著提高土体的抗剪强度，从而提高边坡的稳定性［13］。

（2）植物根系提高土壤的抗侵蚀能力。土壤的抗侵蚀能力主要取决于土壤的内在特性，如土壤的容重、渗透性能、机械组成、孔隙状况、有机质含量、水稳性团聚体含量等指标［14］。植物根系主要通过3 种方式增强土壤的抗侵蚀能力：

①通过根系在土壤中交错、穿插、挤压，根系网络固持土壤，增加有机质含量，稳定土壤结构，有助于形成抗冲性强的土体构型，增强土壤抵抗径流对颗粒冲刷、分散、悬浮和运移的能力。

②通过地下根系形成的土壤空隙，减少地表径流，增加土壤入渗导水速率，减弱径流的冲刷力，防治地表水流侵蚀［15］。

③通过增加表层土壤容重，增强土壤抗侵蚀性能。通常大量根系占据的土壤容重会增加，土壤抗侵蚀性能也会加强［16］。

（3）植物根系改善土壤的渗透性能。土壤渗透性能越好，地表产流越少，越有利用边坡工程的水土保持［17］。植物根系能够明显改善土壤的渗透性能，影响土壤中的水分传递，继而影响坡体的稳定性。例如，当根系在土层中分布较深时，会促进浅层土壤的水流向深层，有效降低浅层土壤孔隙水压力，有利于坡体稳定［18］。在相同降水条件下，植被覆盖土层的湿润锋深度明显大于裸地，这是由于植物根系在土壤中生长时，穿插、缠绕能够改善土体空隙状况，从而增加土壤的渗透性。另一方面，土壤的渗透能力与植物根系的密度及表面积密度呈正相关关系［19］，不同植物根系类型对土壤渗透能力的影响不同，相较于含水平根多的土壤，含倾斜根和垂直根多的土壤渗透性能更好［20］。

2 生态护坡构建

2.1 植被选种及配置技术

在边坡工程的生态防护技术中，植被选种与配比关系至关重要，直接影响生态环境的改善效果。根据以往研究与实践，植被选种与配置应注意以下几点：

（1）适应当地的土壤和气候条件。我国幅员辽阔，气候与土壤条件差异明显，应针对不同的气候地理条件进行当地的乡本植被选种与配置。

（2）抗逆性强且易养护。边坡绿化有生长条件恶劣、施工养护困难等特点，因而绿化植物要具有较强抗逆性，包括抗旱、耐高温、抗寒、抗盐碱、抗贫瘠、抗病虫害等特性。边坡植物养护管理也是生态护坡的重要组成，植被选择与边坡管理需相互配合［21］。

（3）不同植物品种合理配置。单一的植被护坡显现出多种弊端，如抗逆性差，容易退化等。目前较为成熟的生态护坡理念为草灌结合：草本植物前期生长迅速形成坡面保护，灌木植物能够形成较为稳定的水土保持植被群落［22］。乔灌草相结合的绿化模式更能提高边坡的稳定性、与周边自然环境和谐、促进边坡生态系统的恢复［23］。乔灌草混播情况时应确定合理的种子混播配比，适当的草本播种量对乔灌木幼苗生长影响不大，甚至有一定的促进作用，但草本播种量过大则会对乔灌木幼苗的生长起抑制作用［24］。所以不同植物品种应合理搭配，利用不同物种在时间、空间和营养上的差异来配置植物，形成层次丰富、配置合理的复合植物生态群落。

国家林业草原局于2001年发布GB/T 18337.3―2001《生态公益林建设技术规程》将全国划分为7个区域，并给出各个区域的典型适宜物种，为不同地区的植物选取提供了参考［25］。中华人民共和国交通运输部于2009年颁布了JTG H10―2009《公路养护技术规范》行业标准，对全国不同地区的公路边坡生态防护提出了植被选择的原则与建议，且对于不同等级和类型的公路均做出了规定［26］。北京市出台的DB11/T 1112―2014《高速公路边坡绿化设计、施工及养护技术规范》也提出北京地区公路边坡生态防护的植物筛选方法。

2.2 基质土配置及改良技术

要实现边坡生态防护目标，首先要具备的基本条件是：坡面上必须有植物能赖以生存及持续生长的种植基质，为植被生长提供基础。基质材料的好坏，不但影响基质层的开裂与剥离，而且影响种子的发芽、生长，因此基质材料配比组成是否合理，是影响边坡生态恢复效果的关键。基质组成材料主要有土壤、有机质、肥料、保水剂、改良剂、黏合剂等［27］。

（1）土壤应就地选材，尽量使用当地肥土或熟土。若当地土类的肥力不足，一般可与其他肥土以适当的比例配合使用。此外，将一些工程渣土进行合理处理后作为一种新型的人工土壤，用于边坡植物的生长，同样有很好的经济、生态和社会效益［28］。

（2）有机质是为植物提供养分和根系生长空间的基础材料，分为人工有机质和天然有机质2种。有机质作用在于增加基质拌合物的流动性和基质拌合物空隙率；腐烂分解后，为植物提供氮、磷、钾等养分。

（3）肥料旨在为植物生长提供充足营养，主要用化学肥料和有机肥。有机肥主要用鸡粪、家畜粪，但必须经过充分发酵，以免植物生长发育过程中产生过多病害。

（4）保水剂是一种无毒无害的功能性高分子化学材料，它遇水可反复吸收膨胀500～1 000 倍，可将偶然降雨迅速吸收而膨胀成凝胶将水分贮藏起来，干旱时缓释给植物的根系。保水剂的膨胀和收缩可疏松土壤结构，改善土壤的物理化学性质［29］。

（5）改良剂可改善土壤的酸碱性和物理机能，视情况加入。其主要通过根系微生物对土壤的活化作用改善土壤的物理结构，使土壤产生一系列化学反应，改善土壤的透气性与导水性。

（6）基质中加入黏合剂，可促使基质与岩石黏结，提高基质的抗侵蚀和冲刷能力，防止水土流失。黏合剂用量可根据边坡的坡度确定，与坡度大小成正比［30］。

2.3 生态护坡建植技术

我国地域辽阔，生态环境复杂，土壤和植被呈现出各种地带性、非地带性的变化，加上地形的起伏、岩性的改变，边坡类型千变万化。面对如此复杂的边坡类型，生态护坡技术需多样化，迄今为止的工程实践也表明没有哪种技术可以应对我国坡面生态建设中各类复杂问题。实际上，任何生态护坡技术都是在某一特定的自然环境背景条件下，针对坡面植被恢复的特点和施工需求而研发出来的，为了使生态防护既能满足护坡固坡、防止冲刷的工程要求，又能因地制宜的与周围生态景观有机结合［31］，实际工程中应当针对不同的边坡类型（土质、石质土、岩石）和坡率选择不同的生态护坡技术。

在生态护坡发展早期，针对一些相对低矮、坡度较缓的土质边坡，采用人工植草、人工铺草皮和苗木移植的护坡技术。该方法施工简单、造价低廉，但对于岩体石质等土壤贫瘠的边坡而言，草籽难以发芽、植物难以生长［32］；同时在植物生长初期易遭受雨水冲刷［33］。

1989年，我国开展了最早的喷播试验研究。目前喷播技术主要分为液压喷播与客土喷播。液压喷播是将含有草种、水、肥料、有机纤维、黏合剂、保水剂、染色剂等的液态混合物喷射到坡面上的一种生态护坡技术，具有速度快、成本低、省工时的特点，可以达到快速植被恢复效果，主要用于土质边坡；客土喷播技术从改良植物生长的土壤着手，所谓客土，是指非当地原生的、由别处移来用于置换原生土的质地较好的外地土壤，该技术是使用喷射机械将种子、土壤、土壤改良剂、肥料、黏合剂、保水剂等泥状混合物喷射到坡面上的一种机械建植技术［34］，主要适用于坡度中等的土质边坡和石质土边坡，具有土壤改良与种子播撒一次性完成的特点，可以构建灌草混合的植物群落，使坡面防护与植被恢复能有机结合［35］。

20世纪80年代末，植生毯技术在我国开始研究与应用。该技术是通过先进生产设计及工艺技术，选取椰棕、麦秸秆等作为基底，结合多种材料，如优质草籽、营养剂、专用纸等，在大型生产流水线上一次加工完成环保生态治理产品［36］。植生毯技术适合于开展面状植被恢复的地区，主要用于填方边坡或土质挖方边坡的植被恢复，但降水量小于200 mm 的干旱地区不推荐使用。该技术能够降低土壤侵蚀，增加入渗，减少产流，改善土壤理化性质［37］。

1993年，我国引进土工材料植草护坡技术，随后开发出各种土工产品，如土工网、土工格室等。土工网垫植草护坡通过在坡面施工形成稳定的大小网格，而后采用客土喷播进行生态护坡，可解决雨水冲刷新生植物且绿植早期固土能力不足的问题。土工格室通过网兜效应对土体产生侧向约束作用稳固边坡，且能够很好地分散坡面雨水径流，大大增加坡面的排水性能［38］。

1995年，植生袋柔性生态护坡技术被引入我国边坡地质灾害防治领域。它以透水不透土、满足植物根茎能自由穿透袋体生长的植生袋为结构单元，施工时按一定规则码放在已做好防护支撑的土质、石质和水土易流失的边坡上，并用锚杆将其锚固。该技术可有效防止边坡的水土流失，同时增强边坡景观效果［39］。

对于一些特殊边坡，也有相应的生态护坡技术。在河流边坡或堤坝处经常采用石笼生态护坡技术［40］。石笼护坡有极高的稳定能力、抗冲性与防浪性，同时石笼内石料间孔隙为植物生长提供了空间［41］。香根草在我国的应用始于2001年春，首次在铁路边坡上进行了试验，并取得成功。此后，铁路部门于2002年和2003年在江苏、福建等地进行了更为广泛的应用，随后向我国南方地区普遍推广。该技术应用香根草进行侵蚀防治和边坡稳固，特指实用的、价格低廉的、维护简单的水土保持、土地稳固的生物工程技术［42］。

3 铁路路基边坡生态防护技术应用

3.1 边坡生态防护指导规范

为了全面推进铁路绿色通道建设，相关部门先后制定颁布了一系列规定和指导意见。2008年最新颁布的《铁路林业技术管理规则》［43］中增加了绿色通道建设相关技术要求。2013年原中国铁路总公司发布《铁路工程绿色通道建设指南》（铁总建设〔2013〕94 号），对生态护坡绿化施工作出详细解释与说明，指出目前铁路边坡常用生态防护技术，用以处理不同坡度、不同地质条件的边坡（见表1）。2014年国家铁路局颁布TB 10621―2014《高速铁路设计规范》并对路基边坡生态防护提出要求，建议在条件允许时采用绿色植物防护，不宜采用圬工防护。2016年TB 10001―2016《铁路路基设计规范》［44］中路基支挡及防护也建议优先采用植物防护，并提出相关防护形式及植物配置建议。2016年，国家铁路局发布TB 10501―2016《铁路工程环境保护设计规范》［45］，用于指导新建、改建铁路工程的环境保护设计。2018年，交通运输部制定《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》，提出建设绿色交通基础设施，积极推进绿色铁路的建设。2019年，中国国家铁路集团有限公司发布Q/CR 9526―2019《铁路工程绿化设计和施工质量控制标准（南方地区）》［46］，《铁路工程绿化设计和施工质量控制标准（北方地区）》也即将发布，填补了我国铁路工程绿化建设标准的空白。

表1 铁路边坡常用植物防护类型及适用条件

3.2 边坡植被选种及配置模式

铁路路基边坡考虑植物不同生态位采用“灌木为主，藤草花为辅”的植被结合方式，既能全面加固坡面，确保群落稳定性，实现较高生态效益，又可保证景观效果。在植被物种配置上，铁路路基边坡采用以下模式：

（1）先锋种与建群种搭配模式，先锋种在短期内迅速覆盖坡面，起到防护边坡的同时也为建群种改善了边坡的立地条件，先锋种与建群种合理搭配建植，更好地兼顾了前期和长期效果；

（2）豆科与禾本科搭配模式，豆科禾本科混播植草在产量和质量上表现出众多优越性；

（3）不同生长型草本搭配模式，可以提高植被的固土护坡、增强坡面群落的抵抗能力。例如，京张高铁路基边坡植物品种以灌木为主，草本为辅，考虑到气候与土质条件，灌木品种主要选择了卫矛、紫叶小檗与沙地柏（见图1）。卫矛耐干旱，萌芽力强，生长效果好；紫叶小檗是园林绿化中色块组合的重要品种，具有很好的景观效果；沙地柏耐寒、耐旱、耐瘠薄，成活后适生性强，长期效果好。

图1 京张高铁路基边坡灌木配置

3.3 边坡生态防护技术

目前铁路路基边坡高度低于3 m时可采用全坡面植物防护［46］，常规植物防护形式包括喷播植草、植生带（袋）植草、客土植生等。近年来在传统生态护坡技术的基础上，铁路部门采用更加环保的材料或更先进的技术，研发出多种新型生态防护技术，如纤维结构团粒喷播技术、三维柔性生态护坡技术、土工格室固土绿化技术、锚拉式绿色防护技术、APM 基材植生固坡技术等。

3.3.1 纤维结构团粒喷播技术

纤维结构团粒喷播技术使用专业喷播机械将搅拌均匀的植物纤维、壤土、有机质、生物活化剂、复合团粒剂、植物种子和水喷射至路基坡面，通过植物纤维的加筋作用及土壤的团粒化，迅速在坡面形成抗冲刷性能良好的基质层；同时依托有机质、生物活化剂等营养物质促进多种植物生长发育，最终利用植被根系的力学加固效应和地上生物的水文效应达到固土护坡和改善环境的目的。该方法具备施工高效快捷（单台班可喷播600 m2以上）、前期出苗快、后期养护工作量小等优点，适用于坡度缓于1∶1.25 的岩质或土质边坡，坡度陡于1∶1.25 时需增加挂网、设置拦挡木条等加固措施。

基质配比是纤维结构团粒喷播技术的核心。中国铁道科学研究院集团有限公司结合京雄城际铁路地理环境特点，研发新型基质辅助材料并制定科学合理的基质配比，研究成果于2019年10 月应用于京雄城际铁路路基三标段。在温度较低的秋季施工2～3 周出苗约10 cm，不同阶段生长效果见图2。

图2 京雄路基边坡绿化效果

3.3.2 三维柔性生态护坡技术

三维柔性生态护坡是一种新型护坡结构，由生态袋、扎口带和缝袋线、三维排水联结扣和土工格栅（选配）组成（见图3）。

图3 三维柔性生态护坡

生态袋是三维柔性生态护坡系统的基本组成单元，其透水不透土的特性能保证袋内土壤和营养物质不流失，同时又能维持水分的自由流动，以供植物生长。袋体间使用三维排水联结扣紧密连接，三维排水联接扣上的垂直孔洞和表面纵横交错的凹槽能够形成立体三维排水网络，从而极大降低了整个系统的静水压力，保证边坡稳定，生态袋及三维排水联接扣见图4。三维柔性生态护坡袋袋体材料环保、施工简单快捷，工程造价与客土喷播技术相比较高。三维柔性生态护坡技术适用坡度缓于1∶1，当坡度陡于1∶1 时需采用锚固措施。2017年三维排水柔性生态护坡技术在连镇铁路淮安东站得到应用（见图5）。

图4 生态袋、三维排水联结扣

3.3.3 土工格室固土绿化技术

近年来，土工格室等土工合成材料逐渐应用于铁路路基边坡生态防护中。土工格室固土绿化是将土工格室展开，通过铆钉将其固定在坡面上，然后在格室内充填种植土种植灌草再浇水养护的生态护坡技术。该护坡形式将种植土包裹于格室内可大大减少坡面土壤流失，在京张高铁、京沈高铁等线路中得到应用（见图6）。

图5 连镇铁路三维排水柔性生态护坡

图6 京张高铁土工格室固土绿化技术

3.3.4 锚拉式绿色防护技术

锚拉式绿色防护结构用于边坡坡度较高的岩质边坡。在生态袋施工时，先打一层锚杆布网固坡，码砌生态袋完毕后，再用钢绳格栅网加固袋体坡面［47］。锚拉式绿色防护结构克服了岩质路堑边坡难以绿化的困难，为高陡岩质边坡的绿化提供了解决方案。京张高铁采用了锚拉式绿色防护结构（见图7）。此外京张高铁搭配更为先进、智能、节约的新型智能喷灌系统、人工送水滴灌系统，达到了高效快捷的养护。

图7 京张高铁锚拉式绿色防护结构

3.3.5 APM基材植生固坡技术

APM（Animal Protein Material）基材植生固坡技术是首先在路基坡面上施作上下镶边和肋条骨架，然后在骨架内铺设镀锌铁丝网并打入铆钉固定，运用机械将土壤、APM 基材、保水材料、黏结材料、草籽和灌木籽等生态混合料加水搅拌均匀后喷射到路基边坡上，形成具有一定强度和厚度的硬化体，草籽和灌木籽在其空隙中生根、发芽、生长，从而形成生态边坡防护。APM 基材植生固坡技术圬工使用少、绿化速度快，适用边坡坡率不陡于1.0∶1.5，该技术在蒙华铁路得到应用（见图8）。

图8 APM基材植生固坡技术

当边坡高度大于等于3 m时宜采用植物防护与工程防护相结合的措施，以保证边坡的稳定。植物防护与工程防护相结合的方式可以充分利用植物与工程材料的优点，解决“绿化”与“硬化”之间的矛盾，节省了材料，达到了一定的经济效益与环境效益。具体应用形式主要为在骨架框格内可使用喷播植草、植生袋植草等技术。张唐铁路赤城车站深路堑边坡，长度550 m，上山一侧采用桩板墙＋锚索格梁收坡，格梁内铺设植生袋；下山一侧采用孔窗护墙防护，孔窗内铺设植生袋［5］（见图9）。杭黄铁路作为铁路生态防护的样本，在路基、隧道等地多处采用组合防护形式，既保证了坡面的稳定，又绿化美观了坡面（见图10）。

图9 张唐铁路赤城车站边坡组合防护形式

上述生态防护新技术在铁路领域的应用，促进了铁路路基边坡生态防护技术的发展。但铁路路基生态护坡具备安全要求高、养护工作少、不能对线路运营产生影响等特点，现有生态防护新技术应围绕上述特点加强适用性研究；同时生态防护技术有其各自的适用条件，应跟踪各类技术应用后的坡面稳定状态、植物生长及扎根情况等，验证其长期防护效果，为后续铁路路基边坡生态防护技术的合理选择提供依据。