公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)探討

曹 柯 陽(yáng)生權(quán) 陳玉凡

（1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201；2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410219）

公路建過(guò)程需要設(shè)開(kāi)挖路塹或填筑路堤，開(kāi)挖或填筑后，路基的天然邊坡被破壞，容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)和水土流失等問(wèn)題[1-3]。邊坡防護(hù)對(duì)道路安全和景觀保護(hù)具有重要意義。工程防護(hù)是常用的邊坡防護(hù)方法，耐久性較差、不均勻沉降難以控制且坡面植被難以修復(fù)[4-5]，不滿足“綠色”發(fā)展理念。邊坡生態(tài)防護(hù)結(jié)合工程防護(hù)和植被防護(hù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是落實(shí)“綠色”發(fā)展理念的有效途徑之一。文章總結(jié)傳統(tǒng)工程防護(hù)的弊端，介紹生態(tài)防護(hù)的基本概念與研究現(xiàn)狀，為該技術(shù)的推廣提供參考。

1 傳統(tǒng)邊坡防護(hù)存在的問(wèn)題

工程防護(hù)是常見(jiàn)的傳統(tǒng)公路邊坡防護(hù)措施，主要采用石料、片石、水泥及砂礫等材料在邊坡表面形成穩(wěn)定的封閉層，可以有效減少自然因素作用給巖土體帶來(lái)的變形、推移及破壞，增強(qiáng)邊坡建設(shè)初期的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)主要類型有砌石防護(hù)、抹面防護(hù)、抗滑樁和噴射混凝土等[6]。

傳統(tǒng)邊坡防護(hù)技術(shù)可以防止地震、雨水等外部因素破壞邊坡，但施工成本較高；邊坡施工破壞原有生態(tài)系統(tǒng)且難以修復(fù)；采用脆性材料，其耐久性、適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差；脆性材料砌筑的邊坡易發(fā)生傾覆且修復(fù)困難；柔性網(wǎng)布防護(hù)僅對(duì)植物進(jìn)行加固，不能防護(hù)地基土被侵蝕[7]。

傳統(tǒng)工程防護(hù)技術(shù)對(duì)邊坡失穩(wěn)的初期防護(hù)效果明顯，但耐久性較差，無(wú)自我修復(fù)能力。可持續(xù)性發(fā)展要求給工程建設(shè)行業(yè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。生態(tài)防護(hù)結(jié)合工程防護(hù)和植物防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種全新的防護(hù)技術(shù)。

2 邊坡生態(tài)防護(hù)研究現(xiàn)狀

2.1 生態(tài)防護(hù)機(jī)理研究

邊坡生態(tài)防護(hù)是現(xiàn)代綠色低碳循環(huán)公路建設(shè)的新興技術(shù)模式，能夠有效改善邊坡的穩(wěn)定性，具有良好的植被恢復(fù)作用。工程防護(hù)可以加強(qiáng)路基保護(hù)，增加巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，以達(dá)到邊坡穩(wěn)定。植物護(hù)坡的作用機(jī)理主要為植物的水文效應(yīng)莖葉蒸騰作用及根的機(jī)械效應(yīng)[8-10]。Comino等[11]開(kāi)展植物根系對(duì)邊坡影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，植物根系能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性。植物根系在植物中擔(dān)當(dāng)“心臟”的作用，具有吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分泌和收縮功能和復(fù)雜的機(jī)械性能。根系統(tǒng)在土體中發(fā)揮復(fù)雜的“天然加固”作用，可以顯著增強(qiáng)不穩(wěn)定斜坡的強(qiáng)度。

2.2 生物防護(hù)與生態(tài)防護(hù)

（1）生物防護(hù)的分類。

生物保護(hù)即植物保護(hù)，滿足公路生態(tài)環(huán)境建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。生物保護(hù)利用植物穩(wěn)定邊坡，具有良好的景觀效果[12-15]。

①土工格室植草防護(hù)。通過(guò)三維植被網(wǎng)護(hù)坡使植物的根系與網(wǎng)格結(jié)合在一起，具有施工簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、坡面植被覆蓋率較高、固土作用顯著等優(yōu)點(diǎn)。土工格室植草防護(hù)技術(shù)可以發(fā)揮其固土消能的作用，網(wǎng)格加固效果好，實(shí)現(xiàn)邊坡的加固同時(shí)改善環(huán)境景觀。

②客土噴播技術(shù)。客土噴播技術(shù)使用骨料劑將客土轉(zhuǎn)化為骨料，在公路邊坡上形成穩(wěn)定的保護(hù)結(jié)構(gòu)。客土噴播技術(shù)已在多條高速公路邊坡防護(hù)中得到應(yīng)用，可以顯著提升邊坡的耐水性、透氣性。

③植生帶護(hù)坡。植生帶指在可以自然降解的無(wú)紡布上按一定密度撒布草籽、肥料、保水劑等材料，經(jīng)機(jī)器碾壓制作成復(fù)合體結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、易運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。

④三維植被網(wǎng)護(hù)坡。三維植被網(wǎng)是一種新型土工材料，在公路邊坡防護(hù)工程中應(yīng)用廣泛。三維植被網(wǎng)采用聚乙烯原料經(jīng)化學(xué)反應(yīng)合成，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)留有90%的空間以填補(bǔ)泥土、沙礫和細(xì)石。三維植被網(wǎng)護(hù)坡的固土性能和消能作用優(yōu)良、網(wǎng)絡(luò)加筋效果突出、工程造價(jià)低、環(huán)境景觀效果好。

草本植物、灌木植物的根系和木本植物的側(cè)根可以加固淺坡土壤[16]。椰絲型、麥秸型以及椰絲麥秸混合型植被毯護(hù)坡均可以有效增加土壤覆蓋率，減少降水和土壤侵蝕的徑流[17]。劉宏遠(yuǎn)等[18]和黃學(xué)文等[19]研究表明，植被毯可以利用自身的抗拉強(qiáng)度起到固土保護(hù)作用，減小雨水對(duì)邊坡坡面的沖刷，提高水土流失治理效率。Wang等[20]在降雨條件下進(jìn)行邊坡模型試驗(yàn)，認(rèn)為植物根系可以改善土壤的水力特性，減少降雨對(duì)邊坡徑流的影響。Yan等[21]指出，原始生態(tài)立體邊坡植被可以用于加強(qiáng)植被防護(hù)，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，提高邊坡防護(hù)效果，防止植被退化和水土流失。

植物對(duì)邊坡的防護(hù)效果是雙向的，植物在加固邊坡方面效果顯著，植物根莖會(huì)提升表面的粗糙度和土壤滲透性，減少土壤濕度，提高土壤滲透性。相關(guān)研究表明，植物的重量將增加邊坡沿坡面方向的下滑力，增大邊坡下滑的風(fēng)險(xiǎn)。單一邊坡防護(hù)技術(shù)的效果不佳。

（2）生物防護(hù)與工程防護(hù)相結(jié)合。

生物防護(hù)初期防護(hù)效果不佳，植物的根系無(wú)法控制更深的斜坡滑動(dòng)。結(jié)合工程防護(hù)可以使邊坡土體牢牢固定在工程材料上，高陡邊坡的情況下其效果更佳。隨著植物的生長(zhǎng)和繁殖，雙層防護(hù)可以明顯減輕坡面的不穩(wěn)定性，提高抗侵蝕防護(hù)作用[22-23]。

生物防護(hù)與生態(tài)防護(hù)的區(qū)別如表1所示。

表1 生物防護(hù)與生態(tài)防護(hù)的區(qū)別

土工格柵以其優(yōu)越的加固效果和經(jīng)濟(jì)性在邊坡防護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用[24]。復(fù)合植被與土工格柵相結(jié)合的生態(tài)保護(hù)方法可以有效提高邊坡的穩(wěn)定性。Hu等[25]研究表明，在降雨條件下，土工格柵生態(tài)邊坡最大位移比原邊坡減小82%，整體穩(wěn)定性提高35%。Song等[26]提出一種利用土工格室結(jié)構(gòu)和麥秸加固的復(fù)合土壤處理和邊坡防護(hù)方法。周顯廣[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)邊坡防護(hù)技術(shù)中，土工格室植草防護(hù)、客土噴播邊坡綠化防護(hù)效果最優(yōu)。

Su等[27]根據(jù)邊坡防護(hù)的力學(xué)性能要求，提出一種新型錨桿+鉸接塊體生態(tài)邊坡，利用錨桿將混凝土塊固定在坡面上，與連接混凝土塊鉸接，使護(hù)坡墻與邊坡土體連成一體，承受土壓力，力學(xué)性能優(yōu)良；為滿足生態(tài)性能要求，在混凝土砌塊上設(shè)置孔洞，使植物可以在孔洞空間中生長(zhǎng)。姚丁等[28]為了提高邊坡穩(wěn)定性，在邊坡中使用聚合物固化劑，外部土體中植草，將軟弱巖質(zhì)邊坡治理與植物防護(hù)相結(jié)合。

生態(tài)防護(hù)技術(shù)充分結(jié)合工程防護(hù)與生物防護(hù)的優(yōu)勢(shì)，可以有效穩(wěn)定邊坡，減少水土流失，維護(hù)生態(tài)平衡，美化邊坡環(huán)境。從護(hù)坡作用、景觀效果、建設(shè)成本、生態(tài)效益角度分析，發(fā)展生態(tài)邊坡防護(hù)已成為必然趨勢(shì)。

3 邊坡生態(tài)防護(hù)的問(wèn)題與發(fā)展方向

與傳統(tǒng)工程防護(hù)技術(shù)相比，邊坡生態(tài)防護(hù)在促進(jìn)人與自然和諧平衡發(fā)展、降低工程造價(jià)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，生態(tài)防護(hù)技術(shù)已成為公路發(fā)展的必然趨勢(shì)。邊坡生態(tài)防護(hù)在技術(shù)應(yīng)用和理論研究方面仍處于起步階段，仍存在較多的技術(shù)難題有待攻克。

設(shè)計(jì)人員對(duì)生態(tài)邊坡防護(hù)的設(shè)計(jì)隨意，未綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)邊坡的地質(zhì)條件、土壤狀況、氣候影響等因素會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的不良影響。不合理地引進(jìn)外來(lái)物種造成新的生態(tài)問(wèn)題，易導(dǎo)致水土不服或損害當(dāng)?shù)氐闹参铮焕诜€(wěn)定的植物群落甚至造成植物的大規(guī)模死亡。

公路工程建設(shè)不斷發(fā)展，對(duì)邊坡的修復(fù)技術(shù)提出更高的要求，傳統(tǒng)工程防護(hù)養(yǎng)護(hù)和重建邊坡成本過(guò)高。生態(tài)防護(hù)作為一種穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、綠色的新技術(shù)，將逐步應(yīng)用于公路邊坡中，成為公路邊坡防護(hù)技術(shù)中的“黑馬”。加強(qiáng)植物根系加強(qiáng)作用的機(jī)制。在實(shí)際工程應(yīng)用中，某個(gè)區(qū)域內(nèi)各類植物的根系形成一個(gè)地下防護(hù)網(wǎng)，不僅是某一植物根系的獨(dú)立作用。加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)技術(shù)的適應(yīng)性，研究和區(qū)分不同的生物與工程全面保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用條件。

4 結(jié)語(yǔ)

邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)充分發(fā)揮傳統(tǒng)工程防護(hù)顯著的力學(xué)加固作用以及植物防護(hù)良好的生態(tài)效應(yīng)，是一種經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、高效、環(huán)保的新技術(shù)。植物作為生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，其對(duì)邊坡的加固機(jī)理復(fù)雜，處于初步研究階段，邊坡防護(hù)效果缺乏理論支撐。植物的種類繁多，如何優(yōu)選植物類型、根據(jù)不同地理位置與氣候區(qū)間以及不同質(zhì)地的邊坡進(jìn)行工程防護(hù)和生物防護(hù)的最佳搭配等是未來(lái)的研究重點(diǎn)。隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，生態(tài)防護(hù)技術(shù)的相關(guān)理論和實(shí)踐必然會(huì)越發(fā)成熟，將廣泛應(yīng)用在工程建設(shè)中。