边坡植被防护理论概述

1植被护坡资料摘要1植被边坡防护的意义防护工程是公路建设的重要组成部分，是防治路基病害、保证路基稳定、改善环境景观及保护生态平衡的重要措施。高速公路路堑边坡防护方法通常分植物防护和工程防护两大类。工程防护主要利用污工砌体或混凝土形成一定的结构对路堑边坡进行处治，由于其取材方便，设计施工技术较成熟，处理深层失稳坡安全性高，故成为公路部门一长久以来一直采用的防护方法，但该法造价较高，易破坏公路沿线自然景观及生态平衡。缺乏植物覆盖的边坡一方面不利于水上保持，大量的雨水直接流失，还加大了对道路周边地区的冲刷，给农田水利带来不利影响;另一方面也不利于改善高速公路的行车效果，大量裸露的岩石和混凝土视效果非常差，也不利于吸收阳光和汽车尾气，与高速公路快捷舒适的特点不相协调，在一定程度上也给高速公路的行车带来不安全因素。国际上一般把植物防护定义为:“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀。其途径与手段是利用植被进行坡面保护和侵蚀控制。因此，植物防护被誉为有“生命”防护。工程防护是植被防护的基础，两类防护形式是相互支持相互渗透的，只有将两者有机结合，才能起到永久防护美观耐用的目的，而且能大幅降低工程造价。一般来说，边坡生态防护就是将二者结合，在边坡基本稳定的基础上，主要是靠植物根茎与土壤间的附着力以及根茎间的互相缠绕来达到加固坡面、提高坡表抗冲刷的能力。边坡生态防护不仅可以加固边坡，保土涵养水源，减少水土二流失，而且还可以净化空气，保护生态，美化环境，保证行车安全，具有良好的经济效益、社会效益和生态效益，在越来越重视环境保护和人类自身生存质量的今天，生态防护己成了公路边坡防护的一种趋势，代表着边坡防护的发展方向。日前，国内大多直接从国外引进现有的防护技术，生态材料也直接进口，造2成了一方面防护成本过高，无法在国内广泛推广;另一方面由于地形、气候、施工等多种因素的影响，防护效果并不明显。因此，如何结合我国的实际情况，综合考虑防护效果和环境美化，进行高速公路边坡生态防护技术系统性研究，提高我国边坡防护工程的设计水平，降低工程造价，减少或防止道路病害，保持生态环境的相对平衡，确保道路的安全与稳定，对高速公路的边坡综合防护加固技术进行全面系统的研究，有着重要的生态效益、社会效益与经济效益;通过此类对边坡生态防护的研究对其它诸如铁路、水电等边坡的防护也有重要的借鉴意义。2研究现状植物防护是生态防护技术中最重要的部分。利用植物防护是一种古老的方法，它的实践可以追溯到遥远的人类古代文明。但是，把植物防护作为一种工程技术方法进行深入系统地研究，则是近十几年的事。例如，国际上直到1994年刁‘在英国的牛津召开了第一次专门以植物防护为主题的国际学术会议。植物防护至今没有形成一个贴切的术语，英文中有称Biotechnique,SoilbioengineeringVegetation或Revegetation等。和国外相比，国内这方而的研究工作总体来说起步较晚，鲜见此方面的专门研究文章，只是近儿年刁‘对植物固坡研究逐渐重视起来。植物防护边坡作为一项工程技术，人们从防护理论及技术应用两个方面进行了大量的研究。2.1国外研究现状植物防护边坡的实践在欧美国家历史久远，在中世纪，法国、瑞士的运河岸就采用栽植柳树的方法来防护。在饱尝了“黑风暴”等生态灾难后果之后，美国3首先开始认识到了生态平衡和环境治理的重要性。1943年MoohshR.H进行了利用草皮恢复路边植被的实验。进行了公路两侧草皮种植的试验，通过不同播种时间、不同草种及草种组合的小区试验来探讨建立草皮的方法。五十年代后，随着公路的大量兴建，公路建设对环境的影响越来越受到社会的关注，为此美国制订法律要求新建公路必须进行绿化。机械化施工的喷播技术应运而生，1953年Finn公司首先开发出了喷播机。从六十年代开始，美、德、法等发达国家开始大规模修建高速公路。喷播技术等绿化新技术在稳定边坡、防止土壤侵蚀和恢复植被等方面得到了少“泛应用。日本提出了功能栽植的概念，对于公路绿化起到了重要作用。七、八十年代，山于公路植被的大量建植，如何管理和养护这对植物根系的主根与侧根加固作用的力学机理进行分析，并建立了模型可计算边坡的安全系数。RobertR.ZiemerO'Loughlin&Ziemer,KazutokiABE&RobertR.Ziemer等也都认为，有根系的土壤比没有根系的土壤达到破坏前，能承受较大的剪切位移。PiersVillaggio(iblN.S.Nilaweera&P.Nutalayal1'1,DonaldH.Gray&RobbinB.Sotirl11191、仓田益二郎和安保昭1211等人对植物根系固坡力学机理和施工方法进行了大量的理论研究，取得了丰富成果。此外，国际上发达国家已有专门的设计机构和专业研究人员进行了较深入全面的研究，并制定了较完备的设计、施工规范。植物护坡工程技术的应用，欧美国家主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的目的而进行的，目前常用的护坡方法有活枝捆垛(livefascine)、活枝扦插(livecutting)、树枝压条(brushlayer)、枝条篱墙((wattlefence)等，主要应用于公路边坡的植被防护及河堤护岸。另外液压喷播技术(hydroseeding或hydraulicmulching)自20世纪50年代发明后至今也获得广泛应用。20世纪80年代又发明了三维网植草护坡方法。从总体上看，目前日本在植物护坡工程技术研究方面处于领先地位。在日本，植物护坡被称为坡面绿化。二战结束后，日本大规模的公路建设为其现代坡面绿化提供了大量的机会，发展至今己有半个多世纪的历史，期间己经历了无数的变化。最初以川端勇作为代表，开发了采用外来草种的植生盘用于道路坡面，标志着以牧草类为代表的外来草种开始用于坡面绿化。随后是京都大学农学部造园学研究室研究快速绿化工法，开发了喷射种子法并应用于高速公路取得良好效果。在其后数年开发出的纤维土绿化工法(Fiber-soilGreeningMethod)4标志着岩体绿化工程的开始，这也是日本最早开发的厚层基材喷射工法。1983年开发出高次团粒SF绿化工法((SoilFlockGreeningmethod)，工法的基本特征为:①壤土系，并添加团粒剂，促进了基材团粒结构的形成;②粘结材料为特殊的沥青乳剂，基材抗侵蚀性更强，且PH值呈中性。此技术开发至今，在日本己施工2万余处，施工总面积超过200万平方米。1987年6月，日本从法国引进连续纤维加筋土工法.随后把它与已有的坡面绿化工程方法结合在一起，开发出连续纤维绿化工法(TG绿化工法)。工法的基本特征为:①由于砂粒和连续纤维相互混合，基材的抗侵蚀性更强，能适应坡体的微小变形;②由于确保了大根系的伸长空间，可引进木本类植物，用于坡面的树林化;③施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。TG工法于1988年开始实用化，至1992年4年间就己施工300万m，。之后，此工法又获得加拿大、日本等国发明专利，并推广到中国香港、台湾。纤维土绿化工法、高次团粒SF绿化工法和连续纤维绿化工法是近20年来日本最常用的厚层基材喷射工法。在这三类工法中，由于主要用材、粘结剂及纤维的种类不同，又形成种类繁多的厚层基材喷射工法。总体上讲，按主要用材分类，厚层基材喷射工法可分为砂质土系列、粘土系列、粘土与有机质混合系列和全有机质系列;按粘结剂分类，可分为普通硅酸盐系列、特殊沥青乳剂系列及高分子树脂系列;按纤维分类，可分为有机纤维系列、无机短纤维系列及连续纤维系列。从实际工程应用看，己可应用于坡度小于1:0.5的软岩、中硬岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，另外，也用于混凝土面及片石挡堵面的实例.由于厚层荃材喷射工法需要消耗大t的天然有机质材料(如泥炭及其它天然腐殖质等)，而这些资源都是有限的，因此，在20世纪90年代日本又着手研究下水道污泥，废纸浆、废木材、木屑、畜粪等废弃物回收形成富含有机质的喷射基材，并取得一定研究成果。除厚层基材喷射工法外，、其它常用的坡面绿化工法还有框格植被绿化工法(包括预制框格、现浇框格)、绿化网等.另外，为防止水流对河岸的冲刷并考虑环境的保护，日本于1995年又开始进行植被型多孔福凝土的研究，并取得一定成效，目前只是由于成本过高(2^-3万日元m')而没有得到广泛的应用.虽然日本的边坡绿化水平很高，但也存在着不少问题.当前边坡绿化存在的三个问题:5(1)不设定具体的绿化目标，而采用惯用的植物种近十年来，所谓“商质f的绿色”被认为是“树木”，并被无限制地应用。如果仅仅是施工引入的植被正常生长，‘即使是树木也不应该被判定为“高质t的绿色”，而只有是根据设计思想确定的绿化目标且在机能上具有同等作用，才能被称为“高质里的绿色”。(2)不重视环境保护，疏忽坡面必要的机能及具体的植被构成设计坚持快速地引入树木，在绿化目标设定上缺乏研究，而随意先用那些易于取得的树种，作为绿化工程的设计是不合适的.因为绿化工程追求最优的机能是保护坡体表层，植被大小受到坡面利用条件等的限制，因此引入树木时必须预测树木根系的分布状态和伸长状况，从所能期待的根系固土效果以及对坡面稳定性的影响来确定引入树木的可行性。(3)规划设计、绿化目标与其发挥的机能不一致近年来，作为绿化工程出现了多种多样的施工方法，新开发出来的施工方法，有的在资料上关于机能和效果记述不明，过分评价了方法本身;有的方法和使用材料的特性使用者认识不清，即规划时的目的和设计时的绿化目标与最终在施工地点完成的工程所发挥的机能不一致。总体来说，国外的研究有以下特点.①西欧和美国受公路边坡较小、坡度也不大，其土质、气候等环境差异较小的制约，研究主体环境变异小，坡面植被建植难度不大;②湿式喷播技术仅用于建植草本植被，且植被养护工作t大，养护成本高;③在日本客土喷播技术成本高，盆要较长时间才能达到90%的植被盖度。2.2国内研究现状我国有记载的植被防护应用出现在1591年的明代，通过栽植柳树来加固与保护河岸。在17世纪植被防护开始应用于保护黄河河岸。由于以往公路等级较低，国内在植被防护技术应用方面的研究起步较晚，直到20世纪90年代，随6着高等级公路建设的发展和对于环境问题认识的提高，才开始开展系统的防护研究。20世纪90年代以前一般多采用撤草种、穴播或沟播、铺草皮、片有骨架植草、空心六梭砖植草等护坡方法。1989年，广东省水利水电科学研究所从香港引进1台喷播机开始在华南地区进行液压喷播试验.1990-1991年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了坡面喷播绿化技术(即液压喷播)试验研究.此后，经过十年左右的发展完善，液压喷播技术已广泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。1993年我国引进土木材料植草护坡技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，开发研制出了各式各样的土工材料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术在铁路、公路、水利等工程的边坡中陆续获得应用。1996年云南省昆明一曲靖高速公路全线路堑、路堤、中央分隔带和立交区等进行了全面防护和绿化，并首次采用瑞士湿法喷播技术进行大规模的植被种植，为我国公路绿化技术的提高做出了有益的尝试(陈济丁，1998).1996年10月交通部在昆明举办的“全国交通环保培训班”，为公路绿化尤其是喷播技术的宣传和推广起到了积极的推动作用。近儿年我国公路防护技术有了长足的进步，喷播技术等新技术已经在公路绿化中得到了广泛应用。对于劣质土坡及岩石边坡的植被防护，目前国内的研究还很少，陈振盛(1995)及黄尊景(1995)对台湾泥岩边坡采用播种、植苗及植生带等方法来防护，刘桂元(1998)对软岩边坡栽植葛藤、松树等进行防护.李旭光(1995)、张俊云(2000)、杜娟((2000)和江玉林(2000)分别介绍了日本的客土喷播护坡技术.章梦涛(2000)、张俊云(2001)、舒翔(2001)、周颖(2001)等在借鉴日本