基于綠色公路理念的三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)在黃土高原干旱地區(qū)的應(yīng)用研究

牟翰

（寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，銀川 750001）

1 引言

綠色公路建設(shè)是交通運(yùn)輸行業(yè)落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明戰(zhàn)略和綠色發(fā)展理念的重要舉措，是落實(shí)“四個(gè)交通”發(fā)展要求、促進(jìn)公路發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手。截至2020年，我國(guó)綠色公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系基本建立，綠色公路建設(shè)理念深入人心，建成了一批綠色公路示范工程?？偨Y(jié)其成功經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)制推廣，對(duì)于解決我國(guó)高速公路建設(shè)中存在的共性和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)作用機(jī)理

邊坡三聯(lián)生態(tài)防護(hù)是一項(xiàng)基于綠色公路理念的新型邊坡生態(tài)防護(hù)工程技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)生物群落與工程措施的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建巖土體—基質(zhì)—植被群落體系對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)：（1）由錨桿加鍍鋅機(jī)編金屬網(wǎng)組成的物理防護(hù)；（2）專用生物黏結(jié)材料合理配比后構(gòu)成的抗蝕防護(hù)；（3）具備生態(tài)環(huán)境再造功能和生態(tài)循環(huán)條件的喬灌草根系與莖葉結(jié)合形成的植被生態(tài)修復(fù)防護(hù)。其中，最核心、最關(guān)鍵的植被生態(tài)防護(hù)通過(guò)重建土壤生境系統(tǒng)、植被群落系統(tǒng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，修復(fù)邊坡坡面生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，使其自主演替、自我循環(huán)、自我維持。

3 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)在黃土高原干旱地區(qū)的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

西部地區(qū)某高速公路是交通運(yùn)輸部確定的綠色公路建設(shè)典型示范工程之一。項(xiàng)目按全封閉、全立交、控制出入的四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬26.0 m，路線全長(zhǎng)113 km。該項(xiàng)目于2017年10月開(kāi)工建設(shè)，2020年底建成通車。

3.2 區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)

項(xiàng)目所在區(qū)域地處黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，毛烏素沙漠西南邊緣。項(xiàng)目沿線途經(jīng)緩坡丘陵區(qū)、沖洪積平原、黃土梁峁溝壑三類工程地質(zhì)分區(qū)，屬于國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)監(jiān)督區(qū)。路線區(qū)域?qū)俚湫痛箨懶詺夂蛱卣鳎瑓^(qū)域內(nèi)干旱少雨，年平均降雨量290.23 mm，降雨強(qiáng)度大，多形成暴雨或雷陣雨；多年平均蒸發(fā)量達(dá)1 839.8 mm，約等于多年平均降雨量的6倍；項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，氣候條件嚴(yán)苛，工程建設(shè)面臨濕陷性黃土、風(fēng)沙區(qū)等不良地質(zhì)條件。

3.3 邊坡防護(hù)需要解決的問(wèn)題

建設(shè)項(xiàng)目沿線黃土區(qū)風(fēng)大干旱、生境脆弱、邊坡土質(zhì)貧瘠且遇水失穩(wěn)，在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在著邊坡失穩(wěn)、塌陷等安全隱患，嚴(yán)重威脅行車安全。邊坡防護(hù)的目標(biāo)是在穩(wěn)固邊坡的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的植被恢復(fù)，有效預(yù)防邊坡次生災(zāi)害的發(fā)生[1]。本項(xiàng)目邊坡防護(hù)存在如下需要解決的問(wèn)題：

1）植物生長(zhǎng)條件較差。項(xiàng)目區(qū)干旱少雨，植物種類單一，給修復(fù)植物的選擇提出了苛刻條件；很多邊坡為陽(yáng)坡，由于當(dāng)?shù)亟邓^少，蒸發(fā)量較大，因此，陽(yáng)坡保水能力差，植物不易生長(zhǎng)。

2）邊坡沖刷病害較為普遍。由于黃土本身的大孔隙和結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)，坡面抗沖刷能力較差；裸露的新邊坡受沖刷后，常引起大量的水土流失，使坡面被沖刷成紋溝、細(xì)溝及洞穴等。

3）邊坡存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目沿線部分坡面松散不穩(wěn)定，威脅路面行車安全。由于黃土豎向節(jié)理發(fā)育，新的高大路塹邊坡開(kāi)挖后，節(jié)理易張開(kāi)，地表水易向下和臨空面滲透，形成軟弱帶，導(dǎo)致局部土體失穩(wěn)，易引起滑塌等地質(zhì)災(zāi)害。

3.4 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）邊坡更加安全穩(wěn)定。項(xiàng)目沿線為黃土梁峁區(qū)的濕陷性黃土邊坡，坡面裸露無(wú)植被，集中降雨沖蝕易誘發(fā)水土流失，形成沖溝、泥流、滑坡坡體軟化坍塌等嚴(yán)重的災(zāi)害，而三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)可將物理防護(hù)中的錨固系統(tǒng)與植被防護(hù)中的植被根系有效結(jié)合從而提高對(duì)坡體的穩(wěn)固能力，同時(shí)抗蝕防護(hù)顯著增加土壤的抗蝕性能，加強(qiáng)坡體抵抗雨水沖蝕，從而保證坡面安全穩(wěn)定，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。巖土力學(xué)研究證明，三聯(lián)生態(tài)防護(hù)的水平位移系數(shù)小于圬工防護(hù)，三聯(lián)生態(tài)防護(hù)的抗剪切應(yīng)力大于圬工防護(hù)。

2）全壽命期免養(yǎng)護(hù)。由于本項(xiàng)目黃土梁峁區(qū)的黃土邊坡土壤貧瘠，微生物數(shù)量匱乏，分解者不足，物質(zhì)循環(huán)動(dòng)力嚴(yán)重不足，不適宜植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致坡面植被覆蓋率低。通過(guò)施加微生物菌劑及土壤改良菌劑，可改善增加土壤中菌群數(shù)量，促進(jìn)土壤中物質(zhì)循環(huán)能量流動(dòng)，增加土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，改善土質(zhì)，保水保肥。修復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)形成了自循環(huán)、自演替、自維持的生命共同體，建成后的坡面植被像森林草原生態(tài)系統(tǒng)能夠無(wú)限生息，無(wú)須人工養(yǎng)護(hù)。

3）生態(tài)減排效果好。針對(duì)本項(xiàng)目黃土梁峁區(qū)邊坡植被覆蓋率低、生境脆弱的特點(diǎn)，通過(guò)植被篩選配比出適宜生長(zhǎng)的植物組合，且植物升級(jí)改良可使邊坡單位面積內(nèi)的生物物種多樣、種群穩(wěn)定；植被蓋度皆高于相同氣候條件下同等邊坡的自然蓋度，雨水經(jīng)坡面流至坡底水質(zhì)清澈，坡面不產(chǎn)生徑流、未見(jiàn)蝕溝，水土保持效果良好；良好的闊葉喬灌植物和合理的種植寬度可有效阻滯消納尾氣中的PM2.5，相關(guān)研究資料證實(shí)路域大氣治霾貢獻(xiàn)度可達(dá)20%～50%；路堤兩側(cè)的植被和土壤微生物能夠顯著凈化路面直排雨水，有效阻隔路面污水中重金屬和有機(jī)污染物向農(nóng)田、河塘和草場(chǎng)遷移。

3.5 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)工藝流程

三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)在本項(xiàng)目等干旱地區(qū)黃土邊坡的應(yīng)用需要針對(duì)性地從物理防護(hù)、土壤改良、植物篩選組合、微生物菌劑施用4方面實(shí)施推進(jìn)。

1）結(jié)合土壤生境材料力學(xué)指標(biāo)、植物群落深根系錨固和淺根系加筋的自身力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行錨固參數(shù)計(jì)算，采用鍍鋅三維網(wǎng)、主錨桿和輔錨桿錨固優(yōu)化物理防護(hù)設(shè)計(jì)，穩(wěn)固黃土邊坡。本項(xiàng)目材料的規(guī)格與用量見(jiàn)表1。

表1 材料規(guī)格與用量

本項(xiàng)目鍍鋅三維網(wǎng)采用機(jī)編鍍鋅鐵絲掛網(wǎng)。掛網(wǎng)施工時(shí)采用自上而下放卷，用邊緣網(wǎng)眼左右掛入錨桿，相鄰兩卷鐵絲網(wǎng)分別用綁扎鐵絲連接固定，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用平行搭接方法，兩網(wǎng)交接處至少要求有10 cm的重疊。

2）植生層構(gòu)建以當(dāng)?shù)刈匀煌寥罏榛A(chǔ)，通過(guò)配方材料改良形成養(yǎng)分充足、抗雨蝕和固土保水性強(qiáng)的土壤生境層。綜合考慮坡面質(zhì)地、氣候狀況以及植物根系生長(zhǎng)適合條件，制定出基質(zhì)材料配比，將土壤有機(jī)質(zhì)、肥料、黏合劑攪拌均勻，利用噴混機(jī)械將混合料加保水劑和水?dāng)嚢杈鶆驀娚涞狡旅嫔?。植生層包含基質(zhì)層、微生物層和種子層，相應(yīng)的土料混合分為基質(zhì)層土料混合、微生物層噴播和種子層土料混合。

本項(xiàng)目植生層基材料按表2所示的各種材料按比例摻配組成。

表2 植生層材料配比

3）根據(jù)氣候、土質(zhì)、坡面情況，依據(jù)生物生態(tài)學(xué)特性、立地類型以及經(jīng)濟(jì)型原則篩選適應(yīng)性植物物種；建植植物群落設(shè)計(jì)采取適合本地區(qū)的耐旱、貧瘠喬灌草組合，植物物種為干草、沙柳、苦豆、檸條、蒿草等；植物物種配比的確定需要根據(jù)氣候條件與坡面植被生態(tài)功能的研究，最終形成具備物種多樣性的、穩(wěn)定的植被群落。

4）根據(jù)土壤微生物群落檢測(cè)分析植被自維持系統(tǒng)的菌劑，通過(guò)土壤生境系統(tǒng)、植被群落系統(tǒng)和物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建促進(jìn)植被發(fā)芽生長(zhǎng)繁殖，促其根系發(fā)達(dá)枝葉茂盛，形成根系、鍍鋅三維網(wǎng)、坡體為一體的三維立體防護(hù)體系。

3.6 應(yīng)用效果

三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用徹底解決了本項(xiàng)目黃土邊坡沖蝕溝、邊坡雨水軟化坍塌等邊坡病害問(wèn)題，邊坡植被覆蓋率較本底值提高15%～20%，有效抵抗雨水侵蝕，固定坡面，保障路基穩(wěn)定，強(qiáng)化安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)邊坡的生態(tài)修復(fù)和植物群落的自維持。三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用2年后，邊坡植被覆蓋度達(dá)90%以上，植被穩(wěn)定且實(shí)現(xiàn)了植被自維持，并與當(dāng)?shù)丨h(huán)境完美融合，形成了一條植被穩(wěn)定的綠色生態(tài)之路[2]。如圖1、圖2所示。

圖1 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)效果

圖2 三聯(lián)生態(tài)防護(hù)與一般框格防護(hù)效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)黃土裸露邊坡采用三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)，充分改善了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)因工程擾動(dòng)等人為因素造成的生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題，達(dá)到改善沿線路域生態(tài)環(huán)境、提高植被覆蓋率、減少水土流失、保護(hù)路域生態(tài)環(huán)境的目的；三聯(lián)生態(tài)防護(hù)技術(shù)在本項(xiàng)目的成功運(yùn)用，不僅為項(xiàng)目區(qū)的綠色公路建設(shè)樹(shù)立了工程標(biāo)桿，也為黃土高原干旱地區(qū)類似路域提供了工程示范。