邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)研究

謝瀟 孫秀山

摘要：指出了近年來(lái)隨著我國(guó)會(huì)路建設(shè)等工程活動(dòng)的急劇增加，大規(guī)模的裸露邊坡開始出現(xiàn)，對(duì)邊坡土體的結(jié)構(gòu)和原有植被產(chǎn)生了破壞，極易造成水土流失、邊坡失穩(wěn)、生態(tài)環(huán)境破壞等不良影響。邊坡的生態(tài)防護(hù)不僅可以加固邊坡土體，還能起到美化生態(tài)環(huán)境的作用。對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)的主要方法進(jìn)行了總結(jié)，并從水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)2個(gè)方面闡述了其防護(hù)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，探討了生態(tài)護(hù)坡技術(shù)目前研究中存在問(wèn)題及發(fā)展的趨勢(shì)。以供參考。

關(guān)鍵詞：邊坡;生態(tài)防護(hù)技術(shù);水文效應(yīng);力學(xué)效應(yīng)

中圖分類號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）04-0192-02

1 引言

邊坡被定義為巖土體在自然或人為作用下形成的，具有一定傾斜角度的臨空面[1]。隨著我國(guó)高速公路、鐵路、水利水電等工程項(xiàng)目的大規(guī)模開展，在此過(guò)程中由于大規(guī)模的挖方和填方的進(jìn)行，形成了很多裸露的邊坡。這些邊坡上原有的植被覆蓋遭到破壞，同時(shí)邊坡土體或者巖體原有的結(jié)構(gòu)受到一定程度的擾動(dòng)。這類邊坡在降雨沖刷和氣候條件反復(fù)變化的影響下，極易造成水土流失，甚至導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，河流淤堵，帶來(lái)安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。在進(jìn)行邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)的初期，人們只是考慮了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件。但卻很少關(guān)注水土保持和景觀生態(tài)[2]。而近些年來(lái)，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸提高，邊坡的生態(tài)恢復(fù)越來(lái)越受到重視。由此，生態(tài)護(hù)坡，即植被護(hù)坡技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。

邊坡生態(tài)防護(hù)是在邊坡防護(hù)過(guò)程中引入植物的做法。已有的研究表明，坡面上覆蓋有植物可以有效降低雨水對(duì)邊坡的沖刷作用，并且能防止風(fēng)蝕。同時(shí)根系吸水等過(guò)程可一定程度降低土中的孔隙水壓力，其次植物根系可以使土壤得到加固[3]。國(guó)內(nèi)外眾多的學(xué)者在邊坡生態(tài)防護(hù)方面做過(guò)大量的機(jī)理和技術(shù)應(yīng)用研究。葉建軍[4]對(duì)生態(tài)護(hù)坡的方法進(jìn)行了總結(jié)和分類。根據(jù)葉建軍的分類，生態(tài)護(hù)坡的技術(shù)方法主要有兩大類：一類是只使用植物的護(hù)坡方法。邊坡上的植物可采用栽種法、扦插（埋置）法、鋪草皮法及播種法。植物的種類可選取草本植物、灌木、藤本等及混合植物。另一類是在種植植物的同時(shí)配合其他工程防護(hù)措施。種植植物可以和其他坡面結(jié)構(gòu)相混合，也可以和土工材料、與整地（坡）等水土保持工程配合，同時(shí)這些方法也可以互相配合。另外在使用植被護(hù)坡時(shí)也有學(xué)者[5]通過(guò)使用新型功能材料，來(lái)改善土壤性質(zhì)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。生態(tài)護(hù)坡的的機(jī)理，據(jù)目前的研究概括起來(lái)主要包括水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)兩個(gè)方面[6，7]。生態(tài)護(hù)坡的水文效應(yīng)主要表現(xiàn)在植被對(duì)降雨的截留及削弱濺蝕、抑制徑流作用[8]。其力學(xué)效應(yīng)主要是指植物根系對(duì)邊坡土體的加固作用，提高了邊坡土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

由上述中可以看出生態(tài)護(hù)坡涉及到生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)和巖土工程等多個(gè)領(lǐng)域。邊坡的生態(tài)防護(hù)越來(lái)越受到重視。在生態(tài)護(hù)坡方面，根一土相互作用的力學(xué)效應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程，相應(yīng)的研究仍有待加強(qiáng)。并且植被護(hù)坡在工程應(yīng)用方面，主要還是對(duì)生態(tài)環(huán)境起到美化作用，沒(méi)有充分發(fā)揮其加固作用。因而生態(tài)護(hù)坡的機(jī)理研究有待進(jìn)一步深入，而其技術(shù)方面亦有待于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 邊坡生態(tài)防護(hù)的方法總結(jié)

目前已有很多邊坡在防護(hù)過(guò)程中采取了生態(tài)護(hù)坡的方法，本文主要參考葉建軍[4]和陳莉[9]文章中的分類。

2.1 只使用植物的生態(tài)護(hù)坡方法

單獨(dú)使用植物進(jìn)行護(hù)坡時(shí)，邊坡上的植物可以采用栽種法、扦插法、播種法、鋪草皮（圖1）4種方法[10]。這種方法比較簡(jiǎn)單，一般需要人工完成。通常適用于面積較小、坡度緩的土質(zhì)或者沙土邊坡。

2.2 植物與護(hù)面結(jié)構(gòu)相配合

一般植被護(hù)坡會(huì)與開孔石材（可為片石和碎石）、開孔磚及框格（設(shè)槽）護(hù)面相結(jié)合。開孔磚是指帶有空隙的磚，開孔石材是指在邊坡防護(hù)材料中留有一定孔洞以便后期栽種植物的石材?？蚋瘢ㄔO(shè)槽）生態(tài)護(hù)面法是在邊坡坡面上用混凝土、石材或者木材搭置成固定的幾何形狀框架，在框架之間的空隙栽種植被來(lái)進(jìn)行坡面防護(hù)，以達(dá)到加固邊坡和美化生態(tài)環(huán)境的雙重目的，見圖2[11]。

2.3 植物與土工材料相配合

在邊坡防護(hù)中與植物相配合的土工材料主要包括土工格室、土工網(wǎng)、土工布、稻草簾及抗滑樁等。

土工格室是在邊坡上鋪設(shè)蜂窩狀的塑料土工格室，在其中置土并栽種植物（圖3）。這種土工格室可以收縮成柱狀，方便運(yùn)輸。待使用時(shí)伸展成蜂窩狀即可[4]。在挖方邊坡的支護(hù)過(guò)程中，土質(zhì)過(guò)硬時(shí)，需填土或噴射客土。這種情況下一般先在邊坡上鋪設(shè)土工網(wǎng)，再進(jìn)行填土和栽種（或播種）植物。這種方法可使坡上種植的植物具備很好的整體性。土工網(wǎng)可以是平面的也可以是三維網(wǎng)，一般用樹脂、鐵絲、黃麻等多種材料制作。

通過(guò)植生帶（毯）來(lái)在邊坡上種植植物即植生帶（毯）生態(tài)護(hù)面法，是20世紀(jì)80年代引進(jìn)我國(guó)的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)是將植物種子、肥料、保水劑等用特定的工藝固定在無(wú)紡布或其他材料上，制成一定規(guī)格的布（或毯）狀物。使用時(shí)攤鋪在土質(zhì)邊坡上并固定即可。該方法成本低、方便運(yùn)輸，因加入了肥料及保水劑有利于植物的生長(zhǎng)，目前已得到了廣泛應(yīng)用。土工布（毯）也通常用于邊坡上種植植物過(guò)后的養(yǎng)護(hù)覆蓋，防止植被生長(zhǎng)初期土壤受到侵蝕。養(yǎng)護(hù)土工布（毯）也可以是農(nóng)作物的秸桿等編織成的草簾。這樣既能達(dá)到護(hù)坡的目的，且充分利用了秸稈。

在邊坡防護(hù)過(guò)程中，抗滑樁也通常同其他護(hù)坡綠化方法一起使用，用于固定土工網(wǎng)、開孔磚，擋土墻等材料，并起到抗滑作用。而抗滑樁可用鋼鐵、樹木、竹、塑料等制作。

噴射護(hù)坡綠化法近年來(lái)逐漸開始在我國(guó)被應(yīng)用。這種方法效率、機(jī)械化程度較高，適用范圍廣泛。是用專門機(jī)械將特定配方（都含有黏結(jié)組分）的混合基材，噴射到需要防護(hù)和綠化的坡面上。一般與土工網(wǎng)和錨桿一起使用。噴層與土工網(wǎng)一起，能承受雨水侵蝕，并能快速綠化邊坡。

2.4 植物與整地（坡）等水土保持工程配合

沒(méi)有植被生長(zhǎng)的邊坡極易產(chǎn)生水土流失。在水土保持工程中為減輕這種狀況，經(jīng)常要對(duì)邊坡開坑、挖溝，改變邊坡局部坡度等整地工程，葉建軍[4]將這些方法歸納為4種：開坑、（溝、孔）護(hù)坡綠化法、水平溝（等高溝）護(hù)坡綠化法、水平階護(hù)坡綠化法、模擬自然地貌護(hù)坡綠化法。

2.5 綜合類生態(tài)護(hù)坡方法

工程中時(shí)常遇到一些比較重要或者穩(wěn)定性較差的邊坡，這時(shí)候需要將以上提到的護(hù)坡方法中的一種或者幾種聯(lián)合使用，才能對(duì)邊坡起到有效的防護(hù)和綠化。如：植被+護(hù)坡工程+土工材料護(hù)面綠化法系列、植被+整地工程+土工材料護(hù)面綠化法等。

3 邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)的原理

一般認(rèn)為植被對(duì)邊坡起到積極的作用。即一方面植物根系能使邊坡土體得到加固，另一方面坡面上植物可以降低坡面徑流的沖刷等。植被護(hù)坡的機(jī)理可用圖4來(lái)做簡(jiǎn)單示意。前者是力學(xué)效應(yīng)，后者是水文效應(yīng)。以下將分別從這兩個(gè)方面出發(fā)，來(lái)對(duì)生態(tài)護(hù)坡的機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述[12]。

3.1 邊坡生態(tài)防護(hù)的水文效應(yīng)

3.1.1 植物莖葉對(duì)降雨的攔截及削弱作用

當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，一方面雨水的入滲會(huì)使得邊坡巖土體含水率增大甚至達(dá)到飽和狀態(tài)，使得邊坡穩(wěn)定性降低;另一方面，雨滴具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能，當(dāng)其滴落到邊坡上會(huì)對(duì)邊坡淺層土體造成漸蝕，破壞土體結(jié)構(gòu)。坡面上植物莖葉對(duì)降雨的攔截及削弱作用。

當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，植物的莖葉能截留一部分降雨，并且減緩降雨落到坡面的速度，從而減少了到達(dá)坡面的降雨量，降低了雨水對(duì)坡面的漸蝕，同時(shí)減緩了坡面土體含水率的提高。關(guān)于植被對(duì)降雨的截留有定性和定量?jī)煞矫娴难芯俊Ｒ喬m在西安南三環(huán)陽(yáng)坡面進(jìn)行的降雨簡(jiǎn)易測(cè)試，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)植被莖葉對(duì)降雨的截留作用顯著，且截留作用的大小與邊坡防護(hù)植被類型和種植密度等密切相關(guān)。目前普遍認(rèn)為植物對(duì)降雨的截留量與降雨的強(qiáng)度、降雨時(shí)常、植被類型與森林冠層結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[13]。

坡面上的植物存在特別是如果坡面上有落葉覆蓋，也會(huì)明顯降低甚至消除到達(dá)坡面的雨滴對(duì)其漸蝕[14]。

3.1.2 植被對(duì)坡面徑流的抑制作用

由降雨或者其它原因引起的坡面徑流，會(huì)沖刷邊坡巖土體，引起水土流失。徑流的速度和持續(xù)時(shí)間決定了土體遭受沖蝕的程度。低矮的草本植物和坡面上的落葉等覆蓋物會(huì)降低坡面徑流的速度，并使其發(fā)生分散，減少?gòu)搅髁?。減輕徑流對(duì)邊坡的沖刷，降低坡面水土流失。Cao Longxi等通過(guò)徑流模擬試驗(yàn)，對(duì)百喜草、香根草和黃花菜3種植被類型對(duì)邊坡徑流速度的減緩效果進(jìn)行了研究[15]。

稍微高大的灌木等的深根從邊坡深層吸收水分，其枝葉的蒸騰作用可使巖土體的中的水分降低，從而減少了邊坡土層的孔隙水壓力，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 邊坡生態(tài)防護(hù)的力學(xué)效應(yīng)

植被護(hù)坡的力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)在植被根系對(duì)邊坡土體力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)作用，即根系對(duì)土體的加固作用。通過(guò)以往的研究可以看出，植被的根系能夠增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度[16～19]。如圖6所示，淺部根系主要作用是對(duì)邊坡土體的加筋固化，深部根系主要起到錨固作用。植被根系能夠提高邊坡土體抗剪強(qiáng)度的原因在于：某些植被根部會(huì)釋放黏性物質(zhì)[20]，增加邊坡土體粘聚力;植物根系自身抗拉強(qiáng)度較高，通過(guò)形成根土復(fù)合體，可以增大土體的內(nèi)摩擦角。

4 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)目前研究存在問(wèn)題及發(fā)展評(píng)價(jià)

大量的研究表明生態(tài)護(hù)坡技術(shù)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：邊坡上的植物能夠?qū)吰滤亮魇p弱及邊坡穩(wěn)定性提高起到積極的促進(jìn)作用。邊坡上的植物美化了生態(tài)環(huán)境，并且綠色植物也可對(duì)污染物質(zhì)起到吸附和分解作用。對(duì)于生態(tài)護(hù)坡的研究已取得了大量的成果，但同時(shí)也存在著以下問(wèn)題。

（1）生態(tài)護(hù)坡的機(jī)理還有待進(jìn)一步的深入研究。目前對(duì)生態(tài)護(hù)坡的力學(xué)機(jī)制研究，大多停留在定性的研究上，在根土復(fù)合體的力學(xué)機(jī)制的研究方面還有待進(jìn)一步深入。

（2）植被對(duì)邊坡的防護(hù)是通過(guò)水文和力學(xué)兩方面共同作用的，目前的研究中這兩方面往往是單獨(dú)進(jìn)行的，會(huì)使得分析結(jié)果和實(shí)際存在偏差。

（3）對(duì)于植被對(duì)邊坡的防護(hù)作用也存在著一些爭(zhēng)議。有一部分學(xué)者認(rèn)為植被根系的存在會(huì)使得土體中存在著一些大的孔隙，從而增加降雨人滲量，促進(jìn)滑坡的形成。這一方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

（4）植被護(hù)坡在工程應(yīng)用方面，主要還是對(duì)生態(tài)環(huán)境起到美化作用，由于坡面上植物的生長(zhǎng)需要一定周期，對(duì)邊坡土體的固化作用也需要在一定時(shí)間后才能體現(xiàn)，因而植被還沒(méi)有充分發(fā)揮其加固作用。

植被與邊坡巖土體的作用是個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的過(guò)程，涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)。在研究植被護(hù)坡的機(jī)理時(shí)應(yīng)把水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)結(jié)合起來(lái)。后期應(yīng)用植被進(jìn)行護(hù)坡時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注掌坡面的水分特征，及養(yǎng)分狀況保證植被的成活率，保障其加固效應(yīng)的發(fā)揮。

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收稿日期：2020-02-10

基金項(xiàng)目：陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司內(nèi)部項(xiàng)目（編號(hào)：DJNY2019-22）

作者簡(jiǎn)介：謝瀟（1992-），女，助理工程師，碩士，主要從事巖土工程方面的工作。