公路路基边坡生态防护研究进展

管斐斐 孔定新 张清

(江苏航运职业技术学院人文艺术学院 江苏南通 226010)

公路工程建设实施过程中，会形成数量较大的人工边坡，如若不采用恰当的技术措施对裸露的人工边坡进行防护，就会造成水土流失、路基塌陷、道路损毁，进而影响到公路的运营安全[1-2]。传统的挡墙、排桩等形式的边坡防护技术由于不具备生态环境和谐性而逐渐被弃用，而在可持续发展理念和环境保护理念深入人心的背景下，能够有效减少公路建设破坏原有环境景观的生态护坡技术越来越多地应用到道路人工边坡的防护工程建设中[3-4]。近年来，国内外科技工作者开发了生物护坡、植被固坡等多种形式的生态护坡工程技术，但目前能够应用于道路边坡防护工程实际的生态护坡技术众多，如何根据人工路基边坡实际选择适合的生态护坡工程技术，是公路工程设计及施工人员必须要直面的棘手问题[5-6]。综合上述考虑，该文系统地论述了国内外公路路基边坡生态防护技术防护机理的研究现状，在此基础上深入分析了公路路基边坡生态防护基材的研究进展，并对工程使用较为频繁的公路路基边坡生态防护技术的施工工艺、技术特点及适用条件进行了深入探究。研究成果不仅能为公路路基边坡防护工程设计人员选择有效的防护技术及制订正确的防护方案提供科学依据，也将会推动新型生态护坡技术的发展。

1 公路路基边坡生态防护机理研究现状

生态护坡技术被定义为利用植物或植物与无生命材料的结合体来防护边坡水土流失的工程措施。公路路基边坡生态防护技术已有近百年历史，自20世纪30年代出现开始，全世界的科技工作者就开展了深入的理论研究和工程实践，取得了较为显著的成果。国外较早的理论研究是WISCHMEIER W H等人[7]分析了生态护坡条件下边坡土壤的侵蚀规律，提出了道路边坡土壤流失的通用方程，在理论研究基础上喷播式植草机的研制获得成功，并在工程实践中进行了广泛应用。近年来，国内外学者不仅开发了土工格室植草护坡方法、客土植生植物护坡方法等众多路基边坡生态防护方法，也对已有生态护坡的植被根系力学分析模型、植被根系抗拉力学特性及根系-土壤复合体特性等开展了广泛而细致的研究。在护坡植被根系力学分析模型研究方面，WALDRON L J 等人[8]曾经较早推导出了护坡植物根系的力学模型。WU T H等人[9]有针对性地构建了一种随机性统计模型，来着重计算植物根系分布及分叉的力学作用效果。在植物根系抗拉特性研究方面，陈丽华等人[10]的研究发现，随着植物根茎的增加，护坡植被根系的抗拉能力也逐渐增大，在此基础上推导建立了植物根茎与植被根系抗拉能力间的指数函数关系式。赵剑波[11]对植物根长与其抗拉性之间关系的研究结果表明，在植物根茎变形的弹性范围内，植物根茎长度不同，弹性模量也不相同，当根茎承受的外部载荷到达极限状态时，根茎断裂或拔出，不同植物的根茎断裂方式也不同。在根土复合体特性研究方面，SVERDRUP-THYGESON A 等人[12]首次将根系与土体组成的整体当作一种特殊复合材料来进行力学性能研究。在此基础上，付涛等人[13]利用室内试验深入研究了有、无根系土体的抗剪强度，试验结果表明，土体与根系共同组合而成的复合材料能够显著提高土体的抗剪强度值。潘天辉等人[14]依托实际工程应用对力学计算模型进行了验证，结果表明根系与土体组成的复合材料的抗剪强度与剪切面上的法向应力之间为正比关系。

2 公路路基边坡生态防护基材研究现状

公路路基边坡生态防护基材主要包括土体、肥料、植物纤维、团粒剂、保水剂、有机质等[15]。王喆等人[16]的研究认为，土体是生态护坡所用植物不可或缺的重要基材，土体不仅会为护坡植被生长提供所必须的营养成分，还是护坡生态体系内部能量和物质交换的重要载体。刘子壮等人[17]选取陕西南部土石山区具有不同恢复年限生态护坡植被的高速公路为试验研究对象，系统研究了路基边坡不同坡向的土壤理化性质。研究结果表明：相对于路基边坡生态防护基材而言，土体是最为重要的材料，工程设计时应该遵循就近选择、因地选材的原则，尽可能选择当地的表层肥土作为岸层基材。生态防护的另外一种重要基材就是肥料，它不仅能够调节土体内的矿物质养分、提高土体肥力，还能够改善土体内的颗粒结构和通水性能，张富有等人[18]的研究认为，生态护坡适宜的一般是溶解性能好、肥力肥效长、营养成分完全的缓释型农用复合肥。张平等人[19]研究了植物纤维对边坡产流产沙和土壤的影响，研究结果表明：选择木纤维及秸秆纤维作为植物纤维能够增大基材内部的摩擦力，还能够起到联结加筋作用，特别是将木质材料加工成纤维状时能够使其具有弹性、初性和粘性，使有机基材更加快速地形成团粒结构，还能够减少喷播之后基材产生的裂缝。张英龙等人[20]通过在路基边坡工程中的应用归纳总结了生态护坡基材团粒剂的应用经验，研究认为生态护坡的团粒剂要采用可降解的高分子化合物，并要求该化合物的分子量要大、稳定性要强，也要求其能在水体中以任意溶解比进行溶解，而且其分解物不能对土体及植物产生危害，这样才能通过团粒剂的作用将各种基材有效地结合在一起，形成通透性能极佳且稳定的有机团粒结构体。保水剂作为生态护坡的基材，应该选择无毒无害的高分子化合物，王文华等人[21]在公路边坡香根草生物治理中应用新型抗旱保水剂的试验证明,保水剂不仅能够将随机降水迅速吸收，而且还能在膨胀胶凝后将水分藏匿，并于天气干旱时缓慢释放供给植物根系；优质的保水剂吸水后应可膨胀千百倍，而且保水剂吸收的水分不易通过物理方法排出，使得选坡植物能够时刻吸收保水剂内水分；试验证明采用适当保水剂处理后的香根草，移栽的成活率达到了93%,生态坡面植物覆盖率达到了90%,防护效果极好。生态护坡基材是坡面植物生长优劣和生存与否的关键要素，作为生态护坡基材的有机质，最为重要的功能就是能够显著增强路基边坡的坡面土体通气性和肥力。一直以来，工程技术人员习惯将草炭土、腐叶土及家畜肥料等材料用作生态护坡的有机质。苗蕾等人[22]研究开发了生玉米秸秆、尿素堆肥与生玉米秸秆混掺、生活垃圾堆肥与生玉米秸秆混掺这3 种农业废弃材料制成的有机质材料，解决了将大量草炭土作为生态护坡客土喷播绿化施工有机质材料后造成的草炭土富集区域内植被的损毁和破坏，并通过与单独采用草木灰作为有机质的情况进行了对试验研究，研究结果表明上述3种不同农业废弃物组合有机质材料能够有效代替草炭土，能够满足坡面植物正常生长所需的有机质条件。

3 公路路基边坡生态防护技术研究现状

为了极大程度上改善公路交通状况和保护沿路生态系统的环境融合性，国内外许多科技工作者在大量试验研究和工程实际应用的基础上，开发了众多的公路路基边坡生态防护工程技术，虽然这些生态护坡技术原理不同、优缺点各异，但由于每种护坡技术都有其可靠性、经济性和适用性，目前已经逐步应用到我国各等级公路路基的边坡防护工程中，具体情况见表1。

表1 公路路基生态防护主要技术

公路路基的生态护坡工程技术有4 种，即边坡坡面植被的设计、边坡土壤及土体的设计、护坡施工方案设计及生态护坡管理养护技术，只有在以上4 个方面的技术能够相互协调的同时，公路路基边坡上重新构建的生态系统才能融入陆域原来的生态环境。坡面植被是路基边坡生态防护的主体，闫帅旗等人[23]的研究结果表明，植被覆盖率及布局能够极大地影响边坡坡面的侵蚀状况，边坡植被覆盖率与坡面漫流路径长度及水流沿程阻力系数之间呈现明显的线性关系，坡面产沙量也随着坡面漫流路径长度及水流沿程阻力系数的增加而呈现指数变化趋势。边坡土体是生态防护系统依赖的物质基础，傅卫民等人[24]的原型试验研究结果表明，秋冬季对路基边坡植被进行刈割作业能够显著影响土壤肥力。朱蒙恩等人[25]对6种不同边坡生态修复类型土壤的肥力变化进行对比研究表明，不同边坡土体的生态修复类型、肥力变化特征、植被生长情况均不同。施工方案设计是路基边坡及土体植被系统重建的重要因素，公路路基边坡上的植被建植施工方法主要机械化建植施工方法、人力建植施工方法、机械与人力复合建植施工方法这3种。

4 结语

该文对各种护坡技术的护坡植物根系力学模型、植物根系抗拉特性、根土复合体特性等的研究现状进行了深入论述，还深入分析了土体、肥料、植物纤维、团粒剂、保水剂、有机质等公路路基生态护坡工程防护基材的研究现状，也对国内外生态护坡工程应用频繁的防护技术的施工工艺、技术特点及适用条件进行了深入探究。研究结果表明，虽然当前应用于工程实践的生态护坡技术众多，但防护机理、生态防护基材及新型防护技术研制方面还有较大的研究和开发空间，随着科学技术的日益进步，路基边坡防护工程技术将会朝向创新、协调、绿色、开放、共享的方向更快、更好地发展。