祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡生态防护措施探索

武龙庆金铭敬文茂马剑赵维俊王荣新马雪娥王婷

(1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；2.甘肃省祁连山生态环境研究中心，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省祁连山森林生态系统野外科学观测研究站，甘肃 张掖 734000；4.大熊猫祁连山国家公园甘肃省管理局张掖分局康乐保护站，甘肃 张掖 734000)

随着我国道路基础设施建设的快速发展，在道路建设中地形复杂的情况逐渐增多，在复杂地形的建设中，道路边坡的原始地貌有所改变，导致原有道路中的植被遭到了破坏，进而产生了水土流失的现象，严重影响了生态平衡。生态防护是近年来逐渐兴起的道路边坡防护技术之一，是将植物自身的特点与道路工程相结合，达到工程建设和环境保护的目的。生态防护技术以保护基础建设的快速发展与生态环境的协调，推进社会经济的可持续发展，成为工程建设中必须要重视的问题之一[1]。本研究通过对祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡主要物种的研究，探索边坡生物的生态护坡机理，为相同或相似生态区域的公路边坡生态治理提供借鉴意义。

1 项目概况

祁连山区域周围多戈壁和荒漠，气候干燥，雨量稀少，蒸发量大，多风沙，冬长而寒，夏短而热，昼夜温差大，属于典型的大陆性荒漠草原气候。平均气温为-0.6～2.0℃，年降水300～600mm，年蒸发量1200mm左右，无霜期90～120d，平均日照时数为2130h，极端最高低温28℃，极端最低低温-36℃。该地区最大冻土深度为1.41～1.88m。沿线土壤类型主要为山地森林灰褐土、山地栗钙土、亚高山灌丛草甸土，土壤水分运行以上升为主，岩石风化与成土作用微弱，土壤以粗骨性物质为主，砾石及石块占50%。风蚀作用强烈，土表细土多被吹走，砂砾残留形成砾幂，土层厚度一般为30～50cm。植被覆盖率为5%～10%,土壤中有机质含量少，矿化快。该地区水源主要来源于祁连山的雪水(70.7%)、地下潜流(25.1%)和冰川融化(4.2%)[2]。该道路沿线滑塌体坡积物多数处于稳定状态，但有些地段可能由于填挖方不当，会使滑塌体失稳，主要不良地质现象为边坡堆积物的小型滑塌。

祁连山肃南县大野口至小孤山公路地处肃南县马蹄藏族乡，路线由小孤山方向至大野口依次途经芭蕉湾村、楼庄子村、正南沟村，路线顺接Z075专线K59加738.77处，全长共计23km，该路线的建设为带动沿线经济的快速发展，沿线乡村推进经济、政治和文化的发展。该路线对祁连山生态环境保护能够起到重要作用，对加强祁连山森林防火体系建设具有重大意义，是肃南县完善公路网路的重要道路之一。

2 边坡生态防护技术的原理

2.1 植被的护坡机理

涉及根系的研究自20世纪60年代已经成为国际学术界有关植物与土壤相互作用动态研究的重点课题。如应用摩尔-库伦强度理论设计的植物根系加筋作用的力学模型，以及使用植物根系锚固作用的力学模型等[3]；通过提高土壤抗冲性以及根系的水分运移作用等机理进行的纤维束根增强模型和根束增强模型等[4]。生态护坡是依靠植物的地下根系与地上茎叶产生的作用，具体包括力学效应与植物的水文效应。力学效应即植物在较长的生长过程中，以其庞大的根系穿过边坡的土层，达到较深或较广的根系覆盖，从而吸附土层，固定土层。研究表明，植物的根系在地下0.75～1.5m，能够有效地对土壤进行固定，甚至对于块状、破碎的岩体也能够起到一定的固定作用，一些植物的网状根系可以分泌出有机物质将松散的土壤粘合，促进了土壤的坚固性。

植物的水文效应是指植物在生长过程中，通过吸收与蒸腾边坡坡体内的水分，降低土体的孔隙水压力，提高土体的抗剪强度。部分降雨被植物冠层截流，暂时储存在植物上，之后被重新蒸发到空气中。植物的茎叶将雨水进行分层拦截，降低了雨水对边坡的冲击压力,枯落物进行分解之后，能够形成较大的微团粒，降低土壤的重力，提高了土壤的抗冲击能力和抗腐蚀能力。

2.2 植被与工程措施相结合

植被护坡与工程措施护坡是公路建设中常采取的护坡手段。其中，植被护坡的方式在公路建设的前期，主要局限是植被的覆盖程度以及植被根系分布稀疏等原因，致使植物不能达到良好的护坡效果。植被护坡的优势在于造价较低、经济性较高，能够快速恢复公路工程建设所破坏的生态环境。植被护坡随着植物的生长、繁殖，更加能够起到稳定坡面的作用。通过植被的设计、种植和分布创造良好的环境，有助于道路沿线形成和美化。工程护坡的局限是造价较高，对路段需要进行一定资金投入的工程护坡。工程护坡措施会随着时间的推移、岩石的风化、混凝土的老化、钢筋的腐蚀而逐渐产生强度较低，效果越来越差的问题。

因此，在对公路边坡进行维护中，应充分考虑路段的实际情况，将植被护坡与工程措施充分结合，以达到更好的护坡效果。

2.3 公路边坡主要物种选择

公路边坡的形成通常为挖填方，因此通常边坡土壤的稳定是较差的，容易发生水土流失现象，选择能够起到防止水土流失作用的植物是边坡治理的重要目标。目前中国的公路边坡坡度较大，乔木不适宜种植，且乔木过于高大，可能会影响道路行驶驾驶员的视线，不利于驾驶安全，因此边坡生态防护的植物通常选择以下几种类型。

2.3.1 草本

草本优点在于造价较低、生长迅速，有利于防治土壤侵蚀、美化效果好；缺点是根系浅，抗拉能力弱，在强降雨情况下容易发生冲毁和脱离。

2.3.2 灌木

灌木优点在于生长迅速、根系发达，稳定；缺点是造价略高，形成缓慢，覆盖率低。

2.3.3 藤本

藤本的优点在于覆盖率高、美化效果好；缺点是形成缓慢，防治土壤侵蚀能力差。

因此选择植被护坡需要遵循的原则：因地制宜，在项目所在地种植适应当地环境的植物，综合考虑地区降水、气候、温度等情况；生长迅速、根系发达的植物，能够在较短的时间内生长，并通过发达的根系扎根土地，防止水土流失；抗干旱、耐寒的植物，尤其是偏远地区的公路需要选择更加耐寒耐旱的植物，增加成活率；兼顾实用与美化，选择具有生长优势且美观的植物，能够起到更佳的作用。

3 祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡植被与工程措施

3.1 祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡主要物种护坡机理

目前祁连山大野口至小孤山公路边坡的主要植物物种包括以下几种。

3.1.1 吉拉柳

杨柳科柳属，多年生灌木，生于高海拔3100～4680m的山坡或山顶，灌丛蓄水量大。

3.1.2 箭叶锦鸡儿

豆科锦鸡儿属，多年生灌木，生于高海拔山坡或山顶。

3.1.3 高山绣线菊

蔷薇科绣线菊属，多年生灌木，生于向阳坡地或灌丛中，海拔2000～4000m，耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐阴湿，适应性强。

3.1.4 鲜黄小檗

小檗科小檗属，多年生灌木，生于灌丛中、草甸、林缘、坡地或云杉林中。海拔1620～3600m。

3.1.5 金露梅

蔷薇亚科委陵菜属，多年生灌木，生性强健，耐寒，喜湿润，但怕积水，耐干旱，喜光，在遮阴处多生长不良，对土壤要求不严，在沙壤土、素沙土中都能正常生长，喜肥而较耐瘠薄。

3.1.6 银露梅

蔷薇科委陵菜属，多年生灌木，喜光树种，耐寒性强，对土壤要求不严，但喜湿润环境，生于水边、林缘、草地及高山灌丛中。

3.1.7 冰草

禾本科冰草属，多年生草本，适应半潮湿到干旱的气候，生长在干旱草原或荒漠草原。天然生冰草很少形成单纯的植被，常与其它禾本科草、苔草、非禾本科植物以及灌木混生。生于干燥草地、山坡、丘陵以及沙地。

3.1.8 芨芨草

禾本科芨芨草属，多年生草本，生于微碱性的草滩及砂土山坡上，海拔900～4500m。

3.1.9 马蔺

鸢尾科鸢尾属，多年生草本，根系发达，入土深度可达1m，须根稠密而发达，呈伞状分布，具有极强的抗性和适应性，具有很强的缚土保水能力。直立生长的叶片可有效地减少水分蒸发，缓解雨水对地表的直接冲刷，而且还利于根部透气。耐盐碱、耐践踏，根系发达。

3.1.10 狼毒

瑞香科狼毒属，多年生草本，生于海拔2600～4200m的干燥而向阳的高山草坡、草坪或河滩台地。

3.1.11 苔草

莎草科苔草属，多年生草本，春季萌发早，5月开花，6月结实。秋季再生较早，再生性强，所以耐牧。生长季节对水分条件敏感。

综上，目前祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡植物主要有草本和灌木，其中草本植物具有生长迅速、美化效果好、覆盖率高的优点，能够在春季萌发，短期内扎根入土，形成一定覆盖率，且能够在祁连山高海拔区域生长，起到稳固水土的作用。灌木则具有根系发达稳定的优点，主根、侧根、须根交错生长，向土层内部延展，经过吸收祁连山脉丰富的水源，逐渐填满土层的孔隙，起到固定土壤，防止土壤侵蚀及水土流失的作用。祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡由于上述草本灌木植物的生长，水土流失情况不明显。

3.2 祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡工程防护措施

祁连山肃南县大野口至小孤山公路，路段沿线发育较多泥石流沟谷，目前泥石流沟谷规模较小，另外路段两侧分布着大量碎石土，有滑坡的风险，因此目前主要采取的工程护坡措施有以下几种。

3.2.1 路肩式挡土墙

部分路段路基加宽后坡脚先延伸较长，伸入河床中，易受流水冲刷。为保证路基稳定，设计中根据实际地形设计了路肩式挡土墙，挡土墙基础埋深根据抗冰冻和抗冲刷要求设计为2.0m。全线共设置路肩式挡土墙6415.02m3·1245m-1，均采用M7.5浆砌片石砌筑。

3.2.2 路堤式挡土墙

为保证路基宽度要求，减少填方数量及防治河流冲刷路基设置了路堤式挡土墙，以确保路基稳定，挡土墙技术埋深根据并对和抗冲刷要求设计为2.0m。全线共设置路堤式挡土墙248.23m3·33m-1，均采用M7.5浆砌片石砌筑。

3.2.3 内挡墙

为防止基边坡碎落物滑落，在不稳定处设置了内挡墙，以确保路基边坡稳定，挡土墙埋深为1.5m。全线共设置内挡墙1071.99m3·343m-1，均采用M7.5浆砌片石砌筑。

3.2.4 护面墙

为防止路基边坡碎落物滑落，在路基边坡不稳定处设置了护面墙，以确保路基边坡稳定，护面墙基础埋深为1.0m。全线共设置护面墙582.07m3·320m-1，均采用M7.5浆砌片石砌筑。

3.2.5 护坡

此工程在路基受河水冲刷且河床较宽的临河设置了护坡，护坡基础埋置深度2.5m。全线共设置护坡254m3·110m-1，均采用M7.5浆砌片石砌筑。

4 结论与讨论

祁连山肃南县大野口至小孤山公路边坡植物目前主要有灌木和草木。既有草本植物的固土作用，又有灌木的稳定、持续的护坡能力，且其中部分植物如马蔺、狼毒等具有良好的景观效果。灌木和草本植物结合能够起到控制水土流失、加固土体、加强边坡稳定作用的效果。公路边坡生态的防护和治理，美化了生态环境，植被形成的具有空间感的环境，能够在一定程度上缓解驾驶员的视觉疲劳，更利于安全驾驶。

目前，祁连山肃南县大野口至小孤山公路所采取的工程护坡技术主要为挡土墙、护面墙以及浆砌片石砌筑。目前该路段的泥石流沟谷规模较小，泥石流规模不大，但是随着水文的不断形成，该路段发生泥石流的可能性较大，考虑使用水泥浇筑防护。而且采取工程防护措施，对道路边坡的工程防护所需的成本要求较高，不但无法保证边坡的稳定性，反而形成较高成本。祁连山肃南县大野口至小孤山公路自投入使用以来，沿线边坡稳定，没有发生过滑塌现象，土壤侵蚀不明显，生物护坡起到了重要的作用，且作为高海拔的区域，公路沿线生态环境稳定，景观优美。公路边坡现有生态防护，能够为其它相同或相似气候、地质等道路提供借鉴意义。