高等级公路边坡生态防护综述

丰慧莹，李恒，石志坚，李寿伟

1.金华市公路与运输管理中心；2.金华市天平交通试验检测咨询有限公司；3.浙江正方交通建设有限公司

2020年我国高速公路总里程已经达到了15.29万公里[1]。高速公路建设过程中对路基的开挖、土石方的堆放等施工难免会对当地的生态系统造成破坏，尤其是地形复杂的山地，为保证路基稳定，需要开挖大批量的边坡，这会对覆盖植被产生破坏，导致大量的土层裸露，进一步造成严重的水土流失，更甚者会形成荒漠化，最终导致严重的生态失衡和环境恶化。江玉林[2]等分析了我国高等级公路的环境保护技术现状及其存在的问题，提出了开发和推广先进的生物工程技术的解决对策。随着国家对保护生态环境的重视，公路建设的绿色化、生态化已成为大势所趋。张世绥[3]论述了高等级公路边坡生物防护技术的意义、原理、主要模式以及护坡植物的选择，阐明了生物防护在边坡防护环保化的重要意义。胡新民[4]讨论了边坡生态防护的适宜性，植物选择的原则,边坡防护施工的类型与施工方法。生态防护技术已经成为边坡防护的主要发展趋势。本文梳理了边坡破坏机理和生态边坡防护机理，介绍了目前边坡生态防护的六种典型方法，并总结了各种防护方法的优缺点，为生态边坡防护研究提供参考。

一、研究现状

中世纪时，法国、瑞士就开始利用植树来加固河堤。20世纪30年代美国开始在公路边坡开展植被重建工作，并立法要求对公路两旁必须进行绿化。20世纪中叶，美国开发了草种喷播机[5]，1958年日本开发出喷射植草防护技术，这对于公路边坡防护生态化的发展具有重要意义。20世纪60年代，绿化技术在法、美、德等发达国家得到广泛应用。日本主张边坡绿化应以利用植被形成新的生态系统为宗旨，开发出厚层基质挂喷射、水泥硅框格喷符合生态水泥喷附等技术[6]。欧美等发达国家在公路发展中，越来越重视边坡生态防护技术，并已经形成了完备的体系。

随着我国对于生态环境的不断重视，我国在边坡生态防护上开展了许多研究，生态护坡技术得到了迅速发展。2002年我国学者发明了植被混凝土生态护坡技术[7]。北京五环高速公路建设中采用植生基质喷射技术实现护坡绿化，坡面能迅速形成与周围环境相适宜的植物群落[8]。杨晓华等提出了采取土工格室植草的方法对黄土地区公路边坡进行防护，从理论、施工工艺和工程实例中验证了其可行性[9]。卢海静等[10]研究了黄土区两种草本植物披碱草和芨芨草的原位抗拔力，结果表明抗拔力受植物株高的影响较大。李绍才等[11]人通过原位拉拔试验探究了植株拉拔力与植物类型及其生物学指标和岩质边坡风化程度的关系。刘浩[12]在对铁路路堑边坡的不同边坡条件人工土壤水分研究中发现，土壤含水量随坡度增大先增加后减小，而随坡长的增加不断减小。

二、边坡破坏及生态防护机理

（一）边坡破坏机理

根据构成公路边坡材料的特点，公路边坡可以分为土质边坡和石质边坡两类。由于材料不同，边坡产生破坏机理也不同。土质边坡破坏机理可分为滑坡、崩塌和坍塌；石质边坡破坏机理可分为风化和不良水文地质条件。

1.土质边坡损坏机理

（1）滑坡

滑坡是土体在重力或者水、震动等因素作用下，使滑动带剪应力大于岩土体抗剪强度，边坡抗滑力矩小于岩土体下滑力矩，引发滑坡。

（2）崩塌

崩塌是边坡土体向临空面产生位移，同时在坡顶或土体内部产生顺坡面裂隙，以及在土体自重作用下，土体产生张拉破坏，形成崩塌。

（3）坍塌

坍塌发生在连续降雨或降雪季。在冬季或干旱季节，土体形成较稳定结构，水分渗入土体，改变其稳定结构，导致坍塌。

2.石质边坡损坏机理

（1）风化

未开挖岩体处于封闭境中，结构和强度较为稳定。开挖边坡后，岩体所处环境及力学状态改变，在风和光作用下产生新矿物，导致岩体原结构改变，强度降低。

（2）不良水文地质条件

对硬质岩土而言，水分增减对其结构强度并无较大影响。对软弱岩层而言，水分渗入会迅速破坏其结构，强度降低。同时，下滑力显著增大，抗滑力显著减小，导致石质边坡失稳。

（二）边坡生态防护机理

边坡生态防护可以分为三种防护措施，植物力学保护、水文防护及生态防护。植物防护中，主要是利用树木、花草等植物的根系可对土壤进行加固，可以有效防止土体被雨水冲走，减缓降雨对坡面侵蚀的效果，进而防止边坡土体产生滑动。此外，生态防护可以恢复生态环境及保持水土，符合我国目前“双碳政策”，具有较高的生态效益和经济效益。

1.力学保护

力学保护是植物根系能够穿过表层的松散风化层而锚固到深处稳定岩层的锚固作用及植物根系盘根错节对土体的加筋作用。

2.水文防护

地表径流对未加固边坡侵蚀作用显著，植被覆盖可使边坡抗侵蚀能力得到强化。植被存在减缓地表径流对边坡的冲击作用，使地表径流流速减慢，在坡面上停留时间延长。同时，径流下渗时间增加，可给坡面植被根系提供充足水分，增强坡面植被根系力学保护作用。

3.生态防护

高速公路建设对于当地生态系统有着较大程度的破坏。随着我国对生态环境保护关注度的不断加大，提出了可持续发展绿色公路的建设要求。生态防护边坡符合绿色公路的建设要求。在高速公路建设构成中，植物边坡具有恢复生态环境、调节净化空气和降低高速公路废气、噪声污染等优势。同时，植物防护可以极大改善路况、美化路容，给驾驶员适宜的行车环境。

三、生态边坡防护方法

（1）种草护坡

种草护坡技术较为简单，只需人工在边坡坡面简单铺撒草种、洒水等，一般只适用于坡度较陡、土质较好的边坡，当坡度较大时，易被雨水冲走。种草护坡不需要大量的机械设备，施工技术简单、工程造价低，但是其成活率与施工有较大关系，同时与降水等也有较大关系，成活率低，施工时受季节限制大。

（2）平铺草皮护坡

铺草皮技术是通过人工在边坡表面铺设天然草皮的一种传统的边坡植物防护技术，其在公路边坡防护中应用较为广泛。草皮不小于20cm×20cm，用专业机械设备铲起草皮，并转运至施工现场，铺设时，从坡脚向上铺设，草皮要求铺满，在草皮下还需铺设一层厚的肥土。草皮铺设完成后，要经常洒水养护，定期对病虫消杀。青海省曲麻莱到不冻泉的公路F施工段，其平均海拔在4000m以上，生态极为脆弱，采用铺草皮护坡，对被占、被挖路段的草皮进行移植，以此来加固边坡，并实现边坡防护生态化，保护边坡周围生态环境，取得了较好的效果[13]。

（3）三维植被网护坡

三维植被网护坡是指用三维植被网覆盖撒播草籽或者喷播植草的边坡，使得边坡坡面能够形成自我生长的防护系统，并通过植物加固坡面的一门技术。在进行撒种时，要对土质进行检测，当土质较差时，需进行回填改良。一般会在谱网垫前后各喷播一层草籽，这样两层植被相互交错，更能够达到良好的护坡作用。西安绕城高速公路K65+500-K66+600段，该段公路边坡高7.0m-12.0m,边坡坡比为1:1，上部采用三维网植草防护，结果表明三维网植草护坡能够克服草种在生长期被雨水侵蚀的缺陷，草长成后能够与三维网形成一个牢固的整体，可有效防止边坡坍塌[14]。

（4）客土喷播护坡

客土喷播技术是采用基材、复合材料网等与植被的共同作用对不适合植被生长的石质边坡等特殊坡面进行防护，其能够为植物的成长提供必要的条件。将肥料、植物纤维、保水剂和黏结剂等按比例混合后，通过专用设备，将其喷洒在边坡表面，形成“人工土壤”，成为客土，对客土的厚度要求较为严格，降水量越大，厚度越小；坡度越大，厚度也应相应增大[15]。2011年施工完成的辽开高速客土喷播边坡防护工程、2010年完成的鹤大高速客土喷播边坡防护工程和2013年竣工完成的全运会国宾府客土喷播道路边坡防护工程，对该坡面采用客土喷播生态边坡防护技术进行治理，结果表明竣工三个月后，植被体系基本形成，灌木逐渐取代草本植物，形成完整的自然生态系统[16]。

（5）植生混凝土护坡

植生混凝土护坡是一项新技术，其主要是通过植生混凝土加固基体，并植生混凝土中含有养分，以供植物生长，这样就做到了以混凝土为主的工程护坡和以植物为主的生态护坡相结合。植生混凝土具有一定的孔隙率，与传统水泥混凝土存在差异，其中含有较多供植物生长的养分，以此来保证植物根系能够穿过混凝土进入土中并存活下来。植生混凝土施工方式多样，可进行现场配置或者预制后到现场铺设。植生混凝土按照内部结构和性能可分为孔洞型植生混凝土、敷设性植生混凝土和随机多孔型性植生混凝土[17]。植生混凝土护坡是近几年来一项新的技术，其对边坡的加固效果较好，在工程防护的同时融入了边坡生态化。某新建高速公路K68+263-K68+284路段右侧挡墙以上边坡采用植生混凝土护坡，结果表明采用植生混凝土的方式加固坡体后，能够极大地提升边坡稳定性和抗冲刷能力，在经历暴雨后，坡面未出现垮塌现象，同时坡面植物生长良好，起到了固土护坡与美化边坡景观的作用[18]。

（6）骨架植草护坡

骨架植草护坡是以混凝土或浆砌片石形成框架，在其框架内裸露的地面喷洒草籽或铺草皮。混凝土或浆砌片石形成的框架作为主体，能够增强边坡的稳定性，防止雨水的冲刷，同时也能很好地对植被形成保护，是一种工程防护和植物防护兼备的边坡防护技术。连霍高速等平原地区均采用了骨架植草护坡技术，在应用中表明骨架植草护坡能够提高边坡的抗冲刷性和稳定性，并使公路自然融入田野村庄，美化环境，极大地提高了感官效果[19]。

四、生态边坡防护方法对比

见表1。

表1 生态边坡防护方法对比

五、结论与展望

（1）阐述了公路工程中边坡的破坏机理和生态防护机理，土质边坡破坏机理可分为滑坡、崩塌和坍塌；石质边坡破坏机理可分为风化和不良水文地质条件。边坡生态防护主要是利用植物力学保护、水文防护及生态防护。

（2）阐述了目前典型的六种生态边坡防护方法，对各种生态防护方法进行对比分析，客土喷播护坡和植生混凝土护坡作为较先进的护坡方法，保护力度大且耐久性强，相比于传统的生态护坡方法具有较好的生态效果、防护效果。

（3）随着国家对保护环境的重视以及生态边坡防护技术的不断成熟，既能够满足对工程边坡的防护又能够绿化环境已成为主要发展趋势。

（4）国内植生混凝土护坡还处于起步阶段，还没有专门的规范标准可供施工技术参考，还有许多技术问题需要研究和解决。

（5）目前，我国生态边坡仍存在一些问题，如未结合周边环境不合理采用边坡防护，养护不到位等造成工程浪费，单一植被系统的脆弱性，国外物种过多可能会造成生物入侵，公路边坡的生态防护理论认识相对滞后，不科学的实践导致人力物力的损耗等，这些问题仍需要我们加以关注。