生态护坡技术在河道与公路边坡工程中的应用综述

陈 飞，罗 特，钱 乾，施 康

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000； 2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

0 引 言

随着经济的发展，大量基础设施不断完善，边坡工程也越来越多，在边坡切坡过程中可能出现边坡裸露、植被的覆盖率降低、区域的生态涵养功能减弱，甚至山体滑坡、水土流失、泥石流、崩塌等灾害。边坡防护的研究和治理对保护人民群众生命财产安全具有重要意义。

在以往的边坡治理中，传统护坡技术得到广泛的应用。传统护坡技术是用混凝土、水泥、砂石等材料采取一定的支挡、加固与防护措施进行护坡处理，如重力式挡墙、悬臂式挡墙、格构式锚杆挡墙等。此类方法有效治理了边坡失稳问题，例如黑山南北高速公路考虑复理岩区极复杂的地质条件，结合当地相关工程设计经验，把重力式挡墙和锚杆挂网(组合防护形式)作为边坡防护的方式并得到有效应用[1]；在秭归县第一中学运动场高边坡的治理中，采用了格构式毛石重力式挡土墙与土工格栅加筋土挡土墙相结合的支护结构型式挡土墙，成为三峡库区大门的一道风景线[2]。传统的护坡方式也存在以下不足：① 传统护坡方法在治理过程中使用大量钢筋混凝土材料，经济成本较高；② 传统护坡进行了削坡、喷砂浆、制造挡土墙等，改变了之前的边坡结构，直接阻碍了边坡植物的生长，对周边的自然环境也造成了一定的影响。

中国早在明朝时期就已经开始利用植物来稳定边坡，1591年利用柳树稳定了河道堤坝，欧洲国家最早利用植物进行护坡的记录是在19世纪[3]。在护坡技术不断发展的过程中，国内外学者利用植物对边坡进行了大量护坡试验，试验结果证明该技术不仅能有效保证边坡的稳定性，还能有效解决边坡周边生态环境的协调性。

1 生态护坡技术概述

1.1 生态护坡技术的作用

生态护坡技术是一种综合植物、土壤、生态和力学相关理论对边坡进行支护的方法。利用生态的方式对边坡进行修复，是指生态系统停止人为干扰，以减轻负荷载的压力，依靠生态系统自身的修复、调节能力使边坡向有序的方向进行演化，或者通过生态系统的修复能力，再加以人工措施作为辅导，使已经遭到破坏的生态系统逐渐恢复或向良性循环发展。

生态护坡的要点包括两个方面：① 要使结构稳定，达到安全的要求，并且要有一定的透水透气性，可为植物的生长提供平台；② 要满足生态平衡的要求，建立良性的生态系统。

1.2 生态护坡技术的优势

生态护坡技术利用植物的深根对边坡起到锚固作用，浅根对边坡起到加筋效果，一般情况下植物草籽造价很低，整体操作过程简单方便。生态护坡技术能通过改善土壤环境，有效治理水土流失、滑坡等边坡失稳现象。

生态护坡技术除了可以通过种植植物来协调周边环境、增加美观性以外，也能降低噪音、减少光污染、保障行车安全、促进有机污染物的降解、净化空气、调节气候。利用生态治理生态的方法在公路、河道等护坡项目中得到大量应用。

1.3 生态护坡技术的方法

生态护坡技术的方法按照材料的种类可以分为植物防护与绿化、圬工防护和综合防护三大类。 植物防护与绿化主要包括植草、铺草皮和植树。圬工防护技术主要包括石砌护坡、坡面墙、圬工骨架护坡、抛石、石笼与混凝土预制块柔性防护、抹面、锤面、喷浆或锚喷、勾缝、灌缝与灌浆和导流调治构造物(如丁坝、顺坝)等。综合防护主要包括骨架网格防护植草、钢筋混凝土格构植草、土工合成材料植草和植物、圬工分区防护等。

2 生态护坡技术应用

应用生态护坡技术要考虑边坡的岩性、滑面特征、水文条件、稳定性等因素影响。例如在河道与公路边坡修复技术方法的选用上，考虑到边坡的不同岩性，采用的技术方法就存在差异。中国的易发滑坡地层见表1[4]。

表1 中国易滑坡地层汇总

2.1 河道生态护坡技术

随着生态环保的受重视程度和对城市建设要求的提高，生态护坡技术已有很大的发展，在城市河道边坡方面，生态护坡技术得到了广泛的应用。

2.1.1 生态护坡技术在河道边坡的应用

一些发达国家对传统护坡技术的研究有较长的历史，在研究的过程中考虑到传统护坡技术带来的一系列生态退化问题，可以利用植物与土木工程知识相结合的理念来治理边坡问题。将生态护坡定义为：利用活的植物、单独使用植物或是用植物与土木工程措施和非生命的植物材料(如一些固化剂)相结合，从而减弱边坡失稳和被侵蚀现象[5]。在河道生态护坡方面，20世纪80年代末，瑞士、德国等提出了“自然型护岸”技术，20世纪90年代，日本通过对河道边坡的研究，提出“亲水”观念，通过大量实验研究和实践研发了植被型生态混凝土护坡技术；德国莱茵河工程在工程建设的过程中考虑城市景观效果，在环保和治理结合的情况下采用活动式堤防[6]。

关于河道生态护坡的概念，中国学者黄岳文、罗利民、陈明曦等认为河道生态护坡技术是一个除土木水利工程以外还涉及到生态、景观、生物等方面的一种新手段、新方法、新工程[7-9]。中国对生态护坡技术的研究也有很长的历史，近几十年来在河道边坡的治理方面有了飞跃式发展。20世纪，上海、广州、北京等经济发达地区在城市建设中综合考虑到河道两岸的生态绿化，通过精心设计规划形成了水与植物的和谐环境[10]。

目前，生态护坡技术在河道边坡的治理方面也得到广泛应用，例如河北省唐山市李各庄河，地形属于上段河道窄、下段河道宽且纵坡上陡下缓，综合河道两岸的实际情况，考虑到排涝作用，分析对比生态格网绿宾垫护坡、鱼巢砖+生态框护坡、预制生态框挡墙、生态格网固滨笼挡墙护坡4类护坡方法的优缺点，采取了预制生态框挡墙[11]。在一些大的运河上也采用了生态护坡技术，如在通榆河、京杭运河江苏段等河道部分的整治过程中采用现浇钢筋混凝土空箱结构、透水钢筋混凝土箱式结构；在锡北段部分河段采用联排桩树篱生态护岸型；在台湾的基隆河河道治理过程中，为营造植物生长发育的空间，选用天然的块石对河道两岸进行护坡处理[12]。

2.1.2 河道生态护坡技术存在的不足

河道生态护坡治理的目的不是把原本失衡的河道两岸边坡系统恢复到原来的状态，而是在已经破坏的系统上进行修补从而达到一个新的动态平衡[13]。

在河道边坡生态护坡系统的作用下，河道两岸边坡的稳定性得到提高，对比传统护坡技术明显减少了成本，也满足了人们对环保、美观的需求，但是河道生态护坡技术还存在着如下不足。

(1) 技术手段不够完善。目前的生态护坡技术发展研究还不够完善，在面对河道边坡治理时采用生态护坡技术，有时设计的思路存在局限性，在设计和施工的过程中没有一个具体相关的依据和标准，这使得在河道两岸边坡的治理上缺乏规范性和科学性[14]。

(2) 护坡材料容易老化。河道护坡技术使用的大多数是柔性材料，比如生态袋或是由聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物筑成的土工格栅，由于长期暴露在外，容易因雨水长时间冲刷或者是长期干旱使得护坡材料失效老化，最终导致稳定性下降。例如在苏南运河其中一河段采用生态袋挡墙，由于生态袋材料保水性能差再加上长期恶劣天气的影响，致使生态袋的护坡系统失效[15]。

2.2 公路岩质边坡生态护坡技术

公路岩质边坡并不同于普通的河道土质边坡，岩质边坡不利于植被生长，容易引发落石崩塌、流动性崩塌、滑坡型崩塌。常用的传统护坡技术如水泥抹面、喷混凝土以及浆砌片石护坡等，在治理的过程中因为绿化效果和生态环境效益较差，已经不能满足环保的要求[16]，因此，岩质边坡生态护坡技术应运而生。

2.2.1 研究进展

岩质边坡生态护坡技术是综合了岩土力学、植物学、土壤学、恢复生态学、水土保持学等多类学科的复合型工程技术[17]。在岩质边坡生态护坡技术的发展过程中，最早由美国、日本、澳大利亚、英国等国家对岩质生态护坡进行研究，根据各国自身的实际条件，将理论与实践相结合，形成了与本国岩石边坡条件相适应的生态修复方法[18]。欧洲在岩质生态护坡技术中广泛采用喷混植生技术[19]，美国、日本等国广泛采用高分子稳定剂来治理岩质边坡[20-21]。

中国在岩质边坡生态护坡技术上发展较快[22]，刘大翔等在研究植被混凝土防护技术时，通过对比分析其有机含量与组成成分对护坡系统的强度分析，得出有机含量越多，强度稳定性就越差[23-24]。夏振尧等[25]对植被混泥土防护技术进行试验得出水灰比水泥含量、有机质掺量对边坡强度稳定性的影响效果更明显。李绍才等[26]在研究植被混凝土中植物的根系与岩质边坡的稳定性强度中得出，植物根系大小与类型会直接影响岩质边坡的稳定性。

在岩质边坡生态护坡技术中常使用客土喷播技术。客土喷播技术是一种把植物种子、土壤、植物添加剂混合在一起，通过空气压缩机等喷射器械把混合物喷射到边坡上，形成植物生长所需的土壤条件[27]。黄燕[28]对客土喷播技术进行研究，并把这一技术成功试用在了黄南线二期改造工程上。李映等[29]在岩质边坡护坡技术中对客土喷播技术这一方法进行了研究，通过大量的实验得出木质素是一种良好的客土喷播材料，它能有效提高客土喷播下的稳定性强度。郭东升、王来永、田继龙等结合公路边坡的特殊环境，对岩质边坡生态护坡进行了研究讨论[30-32]，鲁明星等[33]通过实验验证得到植生袋生态防护技术可以大大提高边坡的稳定性，对岩质边坡恢复起到良好的作用。陈冀川等[34]在研究植生袋技术提高边坡稳定性的同时，结合植生袋对于环境的可塑性，提供了景观设计思路。

2.2.2 实例应用

中国学者在岩质边坡生态护坡技术方面进行研究，推动了岩质边坡生态护坡技术的发展。张俊云等[35]研发了一种TBS技术并应用在岩石边坡中，解决了岩石边坡环境下植物生长困难的问题。李义强等[36]对厚层基材喷播技术进行了研究，把该技术应用到京承高速，使其岩质边坡植被恢复重建。黄滔等[37]把厚层基材喷播技术的理论与邵怀高速公路实际边坡问题相结合，使公路两侧的边坡问题得到稳定。顾晶[38]在广州到惠州的萝岗段高速公路上应用三维网喷播植草技术，使该公路段边坡的恢复得到解决。沈小明等[39]结合湖南省气候、地形坡度等实际情况，分析对比多种岩质边坡生态护坡技术的优缺点，最终在湖南公路上推出了一种高效率、低成本的生态护坡模式。

黄灏峰等[40]推出一种把基质喷附技术与客土喷播技术相结合的新型岩石边坡技术——多阶梯边坡植被恢复技术，并应用在京承密云沙峪沟高速公路岩石边坡治理工程中，对边坡坡面进行了养护，提高了边坡稳定性，同时达到边坡绿化效果。李天斌等[41]综合考虑川西高寒高海拔地区的特殊自然环境，结合岩石生态护坡技术中植被的配置模式，经过大量的室内外实验，研发出了一种适应高寒地区岩质生态边坡的新型护坡技术——新型 JYC 生态基材护坡技术。通过长达3 a多的时间的护坡试验，证明了该新型技术能有效结合锚杆、铁丝网以及根系，形成稳定的生态工程结构，使生态基材与边坡有一个良性的共和，能抵抗雨水的冲刷以及恶劣的严寒气候。该技术在高寒地区得到广泛的应用，并进行技术推广。

2.2.3 存在问题

(1) 对岩质边坡生态护坡技术的影响因素了解还不够全面。虽然公路岩质边坡生态护坡技术能在一定程度上解决边坡失稳的问题，但是在护坡的过程中，还不能全面考虑到岩体裂隙的发展程度[42]、岩质边坡的高度、边坡的台阶坡面角等对岩质边坡生态护坡技术的影响。例如边坡的台阶坡面角的大小会影响边坡的稳定性，李俊平等[43]对台阶坡面角与边坡的稳定性的关系进行了研究，结果表明植物的生长与岩体裂隙的发展情况、岩质边坡结构面的方向和连通性、岩质边坡的岩性以及岩质边坡所处的自然环境密不可分的。

(2) 公路岩质边坡与生态护坡技术所需的自然条件存在差异。有的公路岩质边坡的岩石比较坚硬、透水性质强、保水性能差，在这样一种环境下植被生长困难。有的岩质边坡的连通性很强，对其开挖会引发裂隙增大、出现断裂等一系列连锁反应，导致边坡失稳。为使植被易于存活，需进行护坡固土措施，在植被的选择上也需要考虑植被的生存能力，加大植被养护措施，而这样会提高工程成本。

(3) 公路岩质边坡生态护坡技术方法存在多选性。目前公路岩质边坡生态护坡技术使用较为广泛的有植被混凝土防护技术、客土喷播技术、三维植被网喷播技术、植生袋生态护坡技术等。例如植被混泥土技术在基材配比与植物种类的选择上需根据气候条件、边坡工程地质、水文地质条件等进行选择，每个地区边坡的岩体性质和自然环境都是不同的，要把该技术成功应用到工程中需要进行多次的试验对比，找出最优的搭配[44]。客土喷播技术在进行喷播之后，形成的根-土混合体边坡很容易受边坡角度以及边坡表面裂隙情况的影响。对于三维植被喷破技术与植生袋生态护坡技术，在进行选材调配之前都需要对边坡整个的岩性结构、边坡的高度、角度等进行全面的调查研究。

3 生态护坡技术提升建议

3.1 河道生态护坡

在中国目前的经济环境条件下，要解决河道的治理问题，不仅要与区域市政规划相结合，还需要政府相关政策的扶持，在进行河道修复的过程中，应尽可能地恢复河道原有的自然环境，适应当地水生物的生长，提高河道的自我修复能力，使河道的生态系统重新平衡，实现河道环境可持续发展。另一方面，生态护坡技术还并不够成熟，不能全面考虑到自然环境等对该技术材料的影响，因此还需要继续创新研发，建立一个可实际操作且完善的科学体系[14]。

3.2 公路岩质边坡生态护坡

岩质边坡进行生态修复时，可以在调查所在地区地质条件、生物、土壤、开采情况等的基础上，考虑边坡高度、坡面角、岩性结构、风化程度、裂隙发育情况、坡面岩体质量等级、坡面粗糙度，提出关于岩体结构数字识别的岩质边坡生态护坡技术。另一方面可以对低成本的岩质边坡植生基材进行研制开发，根据岩质边坡的土壤条件，辅以粘结材料、有机肥料、工业废料等，研制出适宜植物生长、与坡面粘结力强、成本低廉的植生基质[44]。

4 结 论

(1) 生态护坡技术综合植物、土壤、生态和力学相关理论对边坡进行支护，依靠生态系统自身的修复、调节能力使边坡向有序的方向进行演化，通过生态系统的修复能力，再加以人工措施作为辅助手段，使已经遭到破坏的生态系统逐渐恢复或者使其向良性循环发展。生态护坡技术的方法主要包括植物防护与绿化、圬工防护和综合防护生态护坡技术。利用植物的深根对边坡起到锚固作用，浅根对边坡起到加筋效果，能通过改善土壤环境有效治理水土流失、滑坡等边坡失稳现象，同时通过种植植物来协调周边环境，在边坡防护工程中的应用会日益广阔。

(2) 生态护坡技术已经在河道与公路边坡上得到了有效的应用，但尚存的不足并不能忽视。河道边坡生态护坡技术在设计和施工的过程中缺乏具体的相关依据和标准，这使得河道两岸边坡治理的规范性和科学性不足；河道治理过程中使用的护坡材料容易受到雨水冲刷老化；公路岩质边坡修复的过程中还不能全面考虑到岩体裂隙的发展程度、岩质边坡的高度、边坡的台阶坡面角等对岩质边坡生态护坡技术的影响；公路岩质边坡岩石的性质与生态护坡技术所需的自然条件存在差异。

(3) 为了让生态护坡技术更好地应用在实际工程中，需要对现存的护坡技术进行不断改良以及新技术研发。如何根据不同自然条件的边坡问题，制定出有效的治理方案，这离不开生态护坡技术专家、工程技术人员的共同努力。