公路邊坡植被防護(hù)機(jī)理及應(yīng)用

1、市政交通水利工程設(shè)計(jì) 【文章編號(hào)】（） 公路邊坡植被防護(hù)機(jī)理及應(yīng)用王淑妹 ， 鄭建榮 ， 袁安華 （ 福建農(nóng)林大學(xué) ，福州； 福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州）【摘 要】植 物 根 系 對(duì) 抵 抗 邊 坡 淺 層 滑 坡 和 表 土 侵 蝕 起 重 大 作用， 植 物 根 系 通 過(guò) 增 強(qiáng) 土 體 的 抗 剪 強(qiáng) 度 發(fā) 揮 固 坡 效 應(yīng) 。通 過(guò)前 人 在 植 物 護(hù) 坡 研 究 成 果 的 基 礎(chǔ) 上， 指 出 植 物 護(hù) 坡 可 以 改 善環(huán) 境 質(zhì) 量， 促 進(jìn) 公 路 建 設(shè) 與 環(huán) 境 協(xié) 調(diào) 的 可 持 續(xù) 發(fā) 展， 其 發(fā) 展空 間 廣 闊 ?！娟P(guān) 鍵 詞】植 物 根 系； 土

2、壤 抗 侵 蝕 性； 邊 坡 加 固【中圖分類(lèi)號(hào)】； 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 ， ， （ ， ，； ， ）【】 ， ， ， 【】 ； ； 引言邊坡是公路建設(shè)中必不可少的一部分。在公路建設(shè)過(guò)程中，由于開(kāi)挖、填筑及堆載等人為因素影響，引起孔隙水壓力增加和土體強(qiáng)度降低，造成邊坡滑塌、崩塌和剝落。工程防護(hù)加固措施，初期效果很好，作用顯著，但隨著時(shí)間推移，巖石風(fēng)化，混凝土老化，鋼筋腐蝕，防護(hù)效果越來(lái)越差；植物護(hù)坡，開(kāi)始作用虛弱，但隨著植物生長(zhǎng)，植物繁殖，強(qiáng)度增加，對(duì)減輕坡面不穩(wěn)定性和侵蝕方面的作用會(huì)越來(lái)越大。同時(shí)植物護(hù)坡能夠恢復(fù)由于人類(lèi)工程建設(shè)所破壞的生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)間的平衡。植被對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素包括水

3、文機(jī)制和力學(xué)機(jī)制。水文機(jī)制指植被能夠攔截高速下落的雨滴，減少雨滴的動(dòng)能及土粒的飛濺，延長(zhǎng)和增加雨水的滯留；根系分泌物及腐殖質(zhì)可固持土壤，增加土壤水下滲，減少土粒沖刷與淋溶，從而減少或阻止邊坡侵蝕，達(dá)到穩(wěn)定坡面的目的。力學(xué)機(jī)制指植被根系在土體內(nèi)的生長(zhǎng)促使土土以及根 土間的摩擦力增加，同時(shí)根系自身的抗拉、抗剪性能也增強(qiáng)了土壤的抗剪切性能。對(duì)應(yīng)于根系的固土作用，形成了根系固土的理論，主要是加筋理論、錨固理論。本文主要探討植物根系固土的理論基礎(chǔ)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明目前植物護(hù)坡的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。植物抗侵蝕性能土壤侵蝕是土壤在諸如流水、風(fēng)力等外營(yíng)力作用下發(fā)生的被剝蝕和遷移的過(guò)程。土壤抗侵蝕性劃分為抗蝕性和抗沖性能

4、：抗蝕性是指土壤抵抗水分分散和懸浮的能力，主要與土壤內(nèi)在物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)；抗沖性是指土壤抵抗徑流機(jī)械破壞和推移的能力，主要與土壤的物理性質(zhì)和外在的生物因素有關(guān)。植被通過(guò)改善土壤的自然侵蝕環(huán)境提高土壤的抗侵蝕能力，主要通過(guò)地上部分冠層截流和枯枝落葉層的涵水作用，地下根系的穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤抗沖性、提高土壤的抗剪強(qiáng)度、提高土壤的滲透性能等方面減少土壤侵蝕。植 物 地 上 部 分 冠 層 可 以 截 流 降 雨 的 ，減小了徑流量和徑流速度，降低地面降雨強(qiáng)度；枯枝落葉層可減小徑流速度，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。前人在植物抗侵蝕性能上進(jìn)行了大量的研究，李勇等通過(guò)油松人工林根系與土壤物理性質(zhì)

5、的關(guān)系研究認(rèn)為，有效根密度（ 細(xì)根）與土壤物理性質(zhì)改善的效應(yīng)的關(guān)系最為密切，可明顯提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒，非毛管孔隙度，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤緊密度和容重，從而揭示了根系強(qiáng)化土壤抗沖性機(jī)理。劉國(guó)彬?qū)⒏倒探Y(jié)土壤強(qiáng)化抗沖性作用分為三種方式，網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用，根 土黏結(jié)作用，根系化學(xué)作用，揭示出根系提高土壤侵蝕性能的本質(zhì)。姜志強(qiáng)等指出植物根系在土體中穿插、纏繞、網(wǎng)絡(luò)、固結(jié)，使土體抵抗風(fēng)化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕的能力增強(qiáng)，從而可以有效地提高土壤的抗侵蝕性能。劉定輝等系統(tǒng)分析了根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤抗沖性、提高土壤的抗剪強(qiáng)度、提高土壤的滲透性能等方面減少土壤侵蝕的原理。植物根系在固土護(hù)坡、防止土

6、壤侵蝕方面具有重要的作用，特別是直徑小于 的細(xì)根對(duì)于土壤的抗侵蝕作用最大。從生態(tài)系統(tǒng)的角度看，植物根系不但具有固土護(hù)坡和抗侵蝕功能，而且還能夠與環(huán)境之間形成一種良性互動(dòng)。植物固土機(jī)理力學(xué)機(jī)制指植被根系通過(guò)對(duì)土壤的錨固和加筋作用，增大土壤的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增強(qiáng)含根土層的強(qiáng)度，提高滑移抵抗力。它是植被穩(wěn)定土壤的最有效的途徑。在研究植物根系固坡的力學(xué)作用中，兩個(gè)最重要的參數(shù)是土中根的分布規(guī)律和根的抗拉強(qiáng)度，兩者決定了土的抗剪強(qiáng)度的增加值。草本植物的根系一般均為直徑小于 的須根，如香根草 占 。根系密度隨土壤剖面深度的增加表現(xiàn)出三個(gè)顯著特點(diǎn)，即在 土層急劇減少，在 土層逐漸市政交通水利工程設(shè)計(jì) 減少

7、及在 土層保持最低水平，總根數(shù)的 集 中 分 布 在的 土 層 內(nèi) ， 土層內(nèi)根數(shù)約占總根數(shù)的 ， 以下土層僅占總根數(shù)的 左右。草本植物的根系分布特征決定了對(duì)土體的加固作用主要是加筋作用。木本植物根系按形態(tài)特征分成三個(gè)類(lèi)型：主直根系、散生根系和水平根系。主直根系的主根發(fā)達(dá)，較各級(jí)側(cè)根粗壯而長(zhǎng)，垂直向下生長(zhǎng)，可達(dá)。散生根系沒(méi)有明顯的主根，由若干支原生和次生的根，大致以根頸為中心，向地下各個(gè)方向作輻射狀發(fā)展，并且由此擴(kuò)展而成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水平根系由水平方向伸展的固定根繁多的鏈狀細(xì)根群所組成，其主根不發(fā)達(dá)，側(cè)根或不定根發(fā)達(dá)，并向四周 發(fā) 展 ，長(zhǎng) 度 遠(yuǎn) 超 過(guò) 主 根 ， 根 系 一 般 分 布 在

8、土壤表層中。木本植物由于其根系主要由深入土壤的垂直根系和較淺層分布的水平根系組成，根系分布特點(diǎn)決定木本植物主要是垂直主根對(duì)土的錨固作用和水平根對(duì)土的加筋作用。 植物根系加筋理論植物的淺細(xì)根系在邊坡淺層錯(cuò)綜盤(pán)結(jié)，根系可視為帶預(yù)應(yīng)力的三維加筋材料。植物的淺細(xì)根系與土共同組成根土復(fù)合體，這一復(fù)合體改變了土的力學(xué)性能，提高了土體的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)加筋理論，根系提高土體強(qiáng)度的根本在于土體與根系在變形始末兩方面存在著巨大的差異，因而在共同變形過(guò)程中，存在著相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)。這種錯(cuò)動(dòng)被根系與土體之間存在的摩阻連接產(chǎn)生的摩阻力所抵抗，從而使根系承受很大的拉力，同時(shí)根系之間的土體側(cè)向約束力提高了根土復(fù)合體的強(qiáng)度。

9、植物根系錨固理論錨固理論是在巖土工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，從 世紀(jì) 年代開(kāi)始至今，已逐步形成的各種錨固支護(hù)作用理論。得到工程和理論界認(rèn)同的錨固作用機(jī)理集中為：懸吊作用，組合梁作用，擠壓加固作用，圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。植物錨固作用的實(shí)質(zhì)是改善邊坡力學(xué)參數(shù)，植物的深粗根本身具備一定的強(qiáng)度和剛度，當(dāng)其穿過(guò)坡體淺層的松散風(fēng)化帶深入到深處堅(jiān)硬的土層上，將會(huì)起到錨固體系的。市政交通水利工程設(shè)計(jì) 根系系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，根系對(duì)土的加固作用機(jī)理更是復(fù)雜，前人對(duì)根系固土做了大量的理論和試驗(yàn)研究。李鐵軍等從機(jī)械學(xué)角度分析植被對(duì)防止地表滑坡的作用，通過(guò)根系抗拉強(qiáng)度、根系錨固抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明根系對(duì)土壤強(qiáng)度增加

10、效果明顯；程洪等利用試驗(yàn)研究典型草本植物根系抗拉強(qiáng)度大小，典型草本植物抗拉強(qiáng)度 ， 香 根 草 假 儉 草 白 三 葉莎草 宜安草 百喜草 馬尼拉 狗牙根 。程洪指出，草本植物與木本植物根系的最大區(qū)別是沒(méi) 有 強(qiáng) 大 的 主 根 ， 通 常 以 須 根 為 主 或 細(xì) 根 為 主（），如香根草 占 。因而根系與土壤顆粒能夠充分地接觸，在接觸表面上經(jīng)受水的吸附力、有機(jī)無(wú)機(jī)膠體的黏結(jié)力、膠結(jié)力，以及土壤在根表面上滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，增大土體的抗剪強(qiáng)度。植被護(hù)坡應(yīng)用現(xiàn)狀及前景植物根系生長(zhǎng)和形態(tài)分布復(fù)雜，種類(lèi)不同，其根系形態(tài)分布特征不同，立地條件不同，根系的強(qiáng)度特征和所發(fā)揮的固土能力也不相同。根據(jù)地區(qū)特

11、點(diǎn)，選擇適宜的樹(shù)種，采取適宜的植物護(hù)坡設(shè)計(jì)，達(dá)到穩(wěn)定邊坡和防止水土流失是植物護(hù)坡的關(guān)鍵。利用植物固土護(hù)坡機(jī)理，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的植物邊坡防護(hù)工程。總的來(lái)說(shuō)，植物邊坡防護(hù)技術(shù)具有功能性，經(jīng)濟(jì)性，安全性，美觀性，生態(tài)性，可持續(xù)性，可操作性等，國(guó)內(nèi)在應(yīng)用研究上主要有陳振盛（）、黃尊景等（）采用播種、植苗及植生帶等方法來(lái)防護(hù)臺(tái)灣泥巖邊坡；李旭光等 （）、江玉林等 （）、張俊云等 （）、周穎等（）等進(jìn)行了以土壤為主要材料、硅酸鹽水泥為黏結(jié)材料的噴混植生試驗(yàn)，并在內(nèi)昆、株六鐵路及惠河高速公路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，許文年等開(kāi)發(fā)了植被混凝土邊坡綠化技術(shù)；西南交通大學(xué)開(kāi)發(fā)研究了厚層基材噴射植物護(hù)坡技術(shù)等。綜合國(guó)內(nèi)外研究

12、現(xiàn)狀，公路邊坡植被防護(hù)工藝主要有：掛網(wǎng)噴播、植草護(hù)坡、藤本植物護(hù)坡、植生帶、三維網(wǎng)植草、厚層基材噴射植物和植被混凝土邊坡等。其中主要有植生帶護(hù)坡技術(shù)，厚層基材生態(tài)護(hù)坡技術(shù)、客土護(hù)坡技術(shù)和植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)。 植生帶護(hù)坡技術(shù)植生帶護(hù)坡技術(shù)是一種綜合性的護(hù)坡技術(shù)，核心是采用孔隙率高達(dá) 的多功能過(guò)濾毯狀纖維技術(shù)、綠化輔料（含草種、灌木種、培養(yǎng)料、保水劑、溶巖劑和肥料等）配方技術(shù)，按照特定的生產(chǎn)工藝，利用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備 ，將 植 物 種 子 按 照 適 宜的 密 度 和 科 學(xué) 的 排 列 方 法 定 植 在可以自然降解的特殊紙帶或無(wú)紡布上形成產(chǎn)品。它適用于穩(wěn)定的土質(zhì)邊坡。 厚層基材生態(tài)護(hù)坡技術(shù)厚層基

13、材生態(tài)護(hù)坡技術(shù)解決了巖石邊坡無(wú)法生長(zhǎng)植物的難題，它是在邊坡巖土上噴射一定厚度的含水泥、泥土、有機(jī)肥、保水劑、黏合劑、消毒劑和植物種子的混合材料，并結(jié)合錨桿和網(wǎng)等支護(hù)材料，形成一種既有綠化效果又有一定加固作用的噴射材料，在坡面形成植物生長(zhǎng)的生長(zhǎng)層。錨桿加固不穩(wěn)定的淺層邊坡，并將網(wǎng)固定在坡面上；網(wǎng)依據(jù)受力分析和邊坡類(lèi)型選用規(guī)格適宜的普通鐵絲網(wǎng)、鍍鋅鐵絲網(wǎng)或土工網(wǎng)；基材混合物由綠化基材、種植土、纖維和植被種子按一定的比例混合而成，其中綠化基材由有機(jī)質(zhì)、肥料、保水劑、穩(wěn)定劑、團(tuán)粒劑、酸度調(diào)節(jié)劑、消毒劑組成。由于厚層基材強(qiáng)度不大，力學(xué)性能穩(wěn)定的土質(zhì)邊坡和坡度大的巖質(zhì)邊坡通常不采用，它適用于 的巖石邊坡。

14、湖北生荊門(mén)至宜昌高速公路采用此技術(shù)，保證了邊坡的穩(wěn)定性。 客土護(hù)坡技術(shù)客土護(hù)坡技術(shù)遵循土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)原理。在邊坡進(jìn)行客土噴播前，先做好邊坡的清理、掛網(wǎng)、錨固等，然后將客土（生物基礎(chǔ)材料）、纖維（生物基礎(chǔ)材料）、侵蝕防止劑、緩效性肥料和種子等按一定比例配合，加入專(zhuān)用設(shè)備中充分混合后，通過(guò)泵壓縮空氣噴射到坡面上形成所需厚度的基層，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)護(hù)坡的目的?？屯磷o(hù)坡技術(shù)的主要材料是有機(jī)培養(yǎng)土，強(qiáng)度低、土壤質(zhì)地肥沃、孔隙率大，噴附在坡面上能快速恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，適用于 以下的巖石、力學(xué)穩(wěn)定性較好的土石緩邊坡。 植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是利用特制噴混機(jī)械將土壤、肥料、有機(jī)質(zhì)、保水材

15、料、植物種子、水泥等混合干料加水后噴射到巖面上，由于水泥的黏結(jié)作用，在巖石表面形成一層具有連續(xù)空隙的硬化體。植被混凝土是根據(jù)邊坡地理位置、邊坡坡度、巖土性質(zhì)、環(huán)境要求等來(lái)確定水泥、沙壤土、腐殖質(zhì)、保水劑、長(zhǎng)效肥、混凝土綠化添加劑、混合植綠種子和水組成比例，核心是植被混凝土配方。植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)適用范圍廣泛：土體邊坡、巖石邊坡、混凝土邊坡等各種結(jié)構(gòu)的邊坡，從緩邊坡到陡邊坡，甚至直立邊坡，都能研究出合適的混凝土配方和植物種子配方，并應(yīng)用妥善的施工方法實(shí)施。在應(yīng)用植物固土護(hù)坡的時(shí)候，不僅要考慮植物對(duì)所處環(huán)境的適應(yīng)性和根系深扎土壤的程度，也應(yīng)該考慮對(duì)所應(yīng)用和選擇的植物根系力學(xué)指標(biāo)要有所了解，才能

16、做到科學(xué)合理，避免盲目。當(dāng)今社會(huì)面臨資源和生態(tài)環(huán)境危機(jī)、土地沙化、水土流失、資源減少、環(huán)境污染、大量生物物種瀕臨滅絕，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生存和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。植物護(hù)坡是采用“活的植物”代替人工構(gòu)造物穩(wěn)定邊坡，防止公路對(duì)自然資源的破壞，保護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)公路建設(shè)與環(huán)境協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展，其發(fā)展空間廣闊?！緟?考 文 獻(xiàn)】【】程洪，張新全草本植物根系網(wǎng)固土原理的力學(xué)試驗(yàn)探究水土保持通報(bào)，（）：【】劉國(guó)彬，蔣定生，朱顯漠黃土區(qū)草地根系生物力學(xué)特性研究土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，（）：【】李勇黃土高原植物根系與土壤抗沖刷性北京：科學(xué)技術(shù)出版設(shè)，【】劉國(guó)彬黃土高原地土壤抗沖性及其機(jī)

17、理研究水土保持學(xué)報(bào)，（）：【】姜志強(qiáng)，孫樹(shù)林，程龍飛根系固土作用及植物護(hù)坡穩(wěn)定性分析勘察科學(xué)技術(shù)，（）：【】劉定輝，李勇植物根系提高土壤抗侵蝕性機(jī)理研究水市政交通水利工程設(shè)計(jì) 土保持學(xué)報(bào)，（）：【】鄢朝勇，葉建軍，韋書(shū)勇植 被 對(duì) 邊坡淺層穩(wěn)定的影響水土保持研究，（）： 【】李鐵軍，李曉華植被固坡機(jī)制的研究水土保持科技情報(bào)，（）：【】程洪，顏傳盛等草本植物根系網(wǎng)的固土機(jī)制模式與力學(xué)試驗(yàn)研究水土保持研究，（）：【】趙海濤，劉立健，陳永貴工程邊坡植物防護(hù)技術(shù)及應(yīng)用研究資源環(huán)境與工程，（）：【】陳振盛泥巖邊坡植生技術(shù)研究水土保持研究，（）： 【】黃尊景，陳孟達(dá)臺(tái)灣特殊地質(zhì)區(qū)水土保持工法之運(yùn)用水土保持研究，（）：【】李旭光，毛文碧，徐福有日本的公路邊坡綠化與防護(hù) 年赴日本考察報(bào)告公路交通科技，（）【】江玉林，杜娟高等級(jí)公路生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題與對(duì)策公路，（）：【】張俊云，周德培，李紹才巖石邊坡生態(tài)種植基試驗(yàn)研究巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，（）【】周穎，曹映泓，啟曉瑾，等噴混植生技術(shù)在高速公路巖石邊坡防護(hù)和 綠 化 中 的應(yīng)用巖土力學(xué)，（）：【】許文年，等植被混凝土力學(xué)性