基于綠色公路理念的三聯生態防護技術在黃土高原干旱地區的應用研究

牟翰

（寧夏公路勘察設計院有限責任公司，銀川 750001）

1 引言

綠色公路建設是交通運輸行業落實國家生態文明戰略和綠色發展理念的重要舉措，是落實“四個交通”發展要求、促進公路發展轉型升級的重要抓手。截至2020年，我國綠色公路建設標準和評估體系基本建立，綠色公路建設理念深入人心，建成了一批綠色公路示范工程。總結其成功經驗，進行復制推廣，對于解決我國高速公路建設中存在的共性和關鍵技術問題具有重要現實意義。

2 三聯生態防護作用機理

邊坡三聯生態防護是一項基于綠色公路理念的新型邊坡生態防護工程技術，該技術通過生物群落與工程措施的有機結合，構建巖土體—基質—植被群落體系對坡面進行防護：（1）由錨桿加鍍鋅機編金屬網組成的物理防護；（2）專用生物黏結材料合理配比后構成的抗蝕防護；（3）具備生態環境再造功能和生態循環條件的喬灌草根系與莖葉結合形成的植被生態修復防護。其中，最核心、最關鍵的植被生態防護通過重建土壤生境系統、植被群落系統和營養物質循環系統，修復邊坡坡面生態系統的結構與功能，使其自主演替、自我循環、自我維持。

3 三聯生態防護在黃土高原干旱地區的應用

3.1 項目概況

西部地區某高速公路是交通運輸部確定的綠色公路建設典型示范工程之一。項目按全封閉、全立交、控制出入的四車道高速公路標準建設，設計速度100 km/h，路基寬26.0 m，路線全長113 km。該項目于2017年10月開工建設，2020年底建成通車。

3.2 區域環境特點

項目所在區域地處黃土高原與內蒙古高原的過渡地帶，毛烏素沙漠西南邊緣。項目沿線途經緩坡丘陵區、沖洪積平原、黃土梁峁溝壑三類工程地質分區，屬于國家級水土流失重點監督區。路線區域屬典型大陸性氣候特征，區域內干旱少雨，年平均降雨量290.23 mm，降雨強度大，多形成暴雨或雷陣雨；多年平均蒸發量達1 839.8 mm，約等于多年平均降雨量的6倍；項目區生態環境十分脆弱，氣候條件嚴苛，工程建設面臨濕陷性黃土、風沙區等不良地質條件。

3.3 邊坡防護需要解決的問題

建設項目沿線黃土區風大干旱、生境脆弱、邊坡土質貧瘠且遇水失穩，在施工及運營過程中存在著邊坡失穩、塌陷等安全隱患，嚴重威脅行車安全。邊坡防護的目標是在穩固邊坡的基礎上進行科學的植被恢復，有效預防邊坡次生災害的發生[1]。本項目邊坡防護存在如下需要解決的問題：

1）植物生長條件較差。項目區干旱少雨，植物種類單一，給修復植物的選擇提出了苛刻條件；很多邊坡為陽坡，由于當地降水較少，蒸發量較大，因此，陽坡保水能力差，植物不易生長。

2）邊坡沖刷病害較為普遍。由于黃土本身的大孔隙和結構松散的特點，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、細溝及洞穴等。

3）邊坡存在坍塌風險。項目沿線部分坡面松散不穩定，威脅路面行車安全。由于黃土豎向節理發育，新的高大路塹邊坡開挖后，節理易張開，地表水易向下和臨空面滲透，形成軟弱帶，導致局部土體失穩，易引起滑塌等地質災害。

3.4 三聯生態防護具有的技術優勢

1）邊坡更加安全穩定。項目沿線為黃土梁峁區的濕陷性黃土邊坡，坡面裸露無植被，集中降雨沖蝕易誘發水土流失，形成沖溝、泥流、滑坡坡體軟化坍塌等嚴重的災害，而三聯生態防護技術可將物理防護中的錨固系統與植被防護中的植被根系有效結合從而提高對坡體的穩固能力，同時抗蝕防護顯著增加土壤的抗蝕性能，加強坡體抵抗雨水沖蝕，從而保證坡面安全穩定，防止次生災害的發生。巖土力學研究證明，三聯生態防護的水平位移系數小于圬工防護，三聯生態防護的抗剪切應力大于圬工防護。

2）全壽命期免養護。由于本項目黃土梁峁區的黃土邊坡土壤貧瘠，微生物數量匱乏，分解者不足，物質循環動力嚴重不足，不適宜植物生長，導致坡面植被覆蓋率低。通過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量，促進土壤中物質循環能量流動，增加土壤中營養物質，改善土質，保水保肥。修復后的生態系統形成了自循環、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系統能夠無限生息，無須人工養護。

3）生態減排效果好。針對本項目黃土梁峁區邊坡植被覆蓋率低、生境脆弱的特點，通過植被篩選配比出適宜生長的植物組合，且植物升級改良可使邊坡單位面積內的生物物種多樣、種群穩定；植被蓋度皆高于相同氣候條件下同等邊坡的自然蓋度，雨水經坡面流至坡底水質清澈，坡面不產生徑流、未見蝕溝，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，相關研究資料證實路域大氣治霾貢獻度可達20%～50%；路堤兩側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污染物向農田、河塘和草場遷移。

3.5 三聯生態防護工藝流程

三聯生態防護技術在本項目等干旱地區黃土邊坡的應用需要針對性地從物理防護、土壤改良、植物篩選組合、微生物菌劑施用4方面實施推進。

1）結合土壤生境材料力學指標、植物群落深根系錨固和淺根系加筋的自身力學性質進行錨固參數計算，采用鍍鋅三維網、主錨桿和輔錨桿錨固優化物理防護設計，穩固黃土邊坡。本項目材料的規格與用量見表1。

表1 材料規格與用量

本項目鍍鋅三維網采用機編鍍鋅鐵絲掛網。掛網施工時采用自上而下放卷，用邊緣網眼左右掛入錨桿，相鄰兩卷鐵絲網分別用綁扎鐵絲連接固定，網與網之間采用平行搭接方法，兩網交接處至少要求有10 cm的重疊。

2）植生層構建以當地自然土壤為基礎，通過配方材料改良形成養分充足、抗雨蝕和固土保水性強的土壤生境層。綜合考慮坡面質地、氣候狀況以及植物根系生長適合條件，制定出基質材料配比，將土壤有機質、肥料、黏合劑攪拌均勻，利用噴混機械將混合料加保水劑和水攪拌均勻噴射到坡面上。植生層包含基質層、微生物層和種子層，相應的土料混合分為基質層土料混合、微生物層噴播和種子層土料混合。

本項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）根據氣候、土質、坡面情況，依據生物生態學特性、立地類型以及經濟型原則篩選適應性植物物種；建植植物群落設計采取適合本地區的耐旱、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氣候條件與坡面植被生態功能的研究，最終形成具備物種多樣性的、穩定的植被群落。

4）根據土壤微生物群落檢測分析植被自維持系統的菌劑，通過土壤生境系統、植被群落系統和物質循環系統構建促進植被發芽生長繁殖，促其根系發達枝葉茂盛，形成根系、鍍鋅三維網、坡體為一體的三維立體防護體系。

3.6 應用效果

三聯生態防護技術的應用徹底解決了本項目黃土邊坡沖蝕溝、邊坡雨水軟化坍塌等邊坡病害問題，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，保障路基穩定，強化安全防護，實現邊坡的生態修復和植物群落的自維持。三聯生態防護技術應用2年后，邊坡植被覆蓋度達90%以上，植被穩定且實現了植被自維持，并與當地環境完美融合，形成了一條植被穩定的綠色生態之路[2]。如圖1、圖2所示。

圖1 三聯生態防護效果

圖2 三聯生態防護與一般框格防護效果對比

4 結語

本項目通過對黃土裸露邊坡采用三聯生態防護技術，充分改善了項目區內因工程擾動等人為因素造成的生態環境破壞問題，達到改善沿線路域生態環境、提高植被覆蓋率、減少水土流失、保護路域生態環境的目的；三聯生態防護技術在本項目的成功運用，不僅為項目區的綠色公路建設樹立了工程標桿，也為黃土高原干旱地區類似路域提供了工程示范。