边坡绿化防护技术的发展和植被护坡机理 - 王占臣

吉林交通科技

２００７年第２期ＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＪＩＬＩＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ总第１０８期

边坡绿化防护技术的发展和植被护坡机理

王占臣

吉林省长白山管委会交通局（长白

庞

１３４４００）

军

吉林省建设集团（长春１３００００）

【内容摘要】随着人们环境保护意识的提高，公路交通运输业和国家可持续发展战略的逐步推进，对公路的环境建设和环境保护显得尤为重要。公路边坡的绿化防护是谋求自然环境保护、形成道路景观、缓和交通公害、实现可持续发展的重要手段之一。边坡绿化防护技术的研究在发达国家进行得较早，技术也相对成熟。国内关于边坡绿化防护技术的研究尚缺乏系统性。植被护坡是公路边坡绿化防护的最基本形式，了解其护坡机理将有助于提高植被护坡的设计和维护质量，保持其持续良好的护坡效果。

【关键词】边坡绿化边坡防护护坡机理

１边坡生物治理相关理论的发展

利用生物（主要是植物）单独或与其他构筑物配

害破坏，无论采取什么手段对其治理，最好的结果是恢复边坡原有生态系统。这就需要突破传统的栽树＝绿化的观念，需从生态学的角度看待边坡治理，即利用恢复生态学的基本理论指导边坡治理。

恢复生态学的概念最早源于美国威斯康星州的一块面积为２４公顷废弃农场的植被恢复。在过去的３０年的时间里，随着一系列国际会议的召开和杂志、专著的出版，恢复生态学逐渐取得了应有的科学地位。

恢复生态学建立了完整的理论体系，如生态限制因子原理、生态系统的结构理论、生物适宜性原理、生态位原理、生物群落演绎理论等。它们为边坡的生态系统的恢复提供了有力的指导，在植物选择，恢复过程，恢复评价，能量和物质循环等多个方面为边坡生物治理提供支持。

合对边坡进行防护和绿化，就叫边坡生物治理。显然，边坡生物治理是跨越多个学科的边缘领域，它需要土木工程学、工程力学、农学、林学、生态学、水土保持工程学和恢复生态学等多个学科知识。特别是水土保持工程学、恢复生态学相关学科的发展，直接影响人们对边坡治理的认识。近３０年来，随着这两个学科的发展和人们对于植物对边坡的影响的深入了解，越来越意识到在进行边坡防护的同时，对边坡原有植被进行恢复的必要性和可行性。近年来发展出种类繁多的边坡防护绿化方法。

１．１水土保持工程学的进展

水土保持（也可以说土壤保持，因为保持了土壤就保持了水分）工程学的深入研究所得到的成果表明了植被在防止边坡水土流失方面的关键作用。土壤流失考虑了影响土壤流失的所有因素：降雨、土壤的可侵蚀性、边坡长度、边坡的坡度、植被覆盖、土壤保持工程。大量的实验和实践证明：植被覆盖率是影响土壤流失的最为关键的因素。良好的植被覆盖的坡面可比自然裸露的坡面减少土壤流失

１．３边坡防护绿化技术的发展

有了上述理论基础，人们在边坡治理的实践中，开始重视利用植物的固坡作用。同时农学、林学、园艺学、生态学知识在边坡生物防护工程中得到广泛应用。扦插技术、修剪技术、土壤改良技术、栽种技术、景观设计、坡改梯技术、施肥技术、保水保湿技术都已用在了边坡工程。近３０年时间内人们创造出了各种各样的防护绿化方法和技术（主要是以专利形式）。

对于土质边坡，主要有两类防护方法，一类单独利用植物，对边坡进行防护绿化，如植物篱笆、植物桩、植树、栽草皮等；另一类采用植物和护坡

１０００倍。其他因素如降雨、土壤的可侵蚀性对土

壤流失的影响只有一个数量级，而边坡因素可以很容易采取工程手段减少到可以忽略的地步。

１．２恢复生态学的研究

边坡自然植被遭到了不同程度的人为或地质灾

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建筑物或土工材料配合对边坡进行防护和绿化，如绿化墙（包括栅墙）、框格绿化法、植生带（毯）绿化法、土工网（袋，一维或三维）绿化法、阶梯墙绿化法、带孔砖（或砌块）等。

岩石边坡的防护绿化，是在土质边坡绿化的基础上发展起来的，它建立在岩石力学和喷锚结构的基础上。发达国家比较重视环境绿化，他们对边坡绿化也很重视。如日本，对边坡绿化的研究起步就比较早，在工程建设中他们的主导思想是建设与绿化同步进行。他们较早采用改进传统喷锚支护方法，把防护和绿化有机地结合在一起，创造出了喷射绿化方法。日本于１９７３年首先开发的纤维土绿化工法标志着岩体绿化的开始，它也是日本最早开发的厚层基材喷射护坡技术，用于软弱岩石边坡的生态防护。其主要特征为：①台阶形式喷射，确保有效喷射厚度的经济性；②局部呈水平状，降低径流，减少基盘的流失。该项技术在上世纪八十年代获得广泛应用，至今仍在应用。但纤维土绿化工法的不足之处在于：①喷射基盘无法形成最适宜植物生长所需的团粒结构；②采用砂质土，基盘易流失。近年来，此项技术在日本得到不断的改进、完善。目前，喷射绿化技术已成为日本应用最为广泛的生态护坡技术，可保证坡面植被经过多年以后也不会衰退。喷射护坡绿化技术可以应用于软弱岩石边坡，还可以应用于中硬岩石边坡。

归结起来，目前国外常用的石质边坡绿化防护方法有钢筋水泥框格法、客土植生带法、纤维绿化法、生态多孔混凝土绿化法、厚层基材喷射绿化法等。

我国在土质边坡和岩石边坡的防护绿化研究基本上是跟随、模仿国外，而且开展时间较晚。特别是岩石边坡绿化技术，只是在近几年时间（９０年代中后期开始）才出现了几家边坡治理公司，它们一般拥有一项以上专利。这些专利主要是喷射绿化技术的配方、机械设备和工艺。如国内常用的客土植生带法、生态多孔混凝土绿化法、纤维绿化法等技术。但是客土植生带法、纤维绿化法和厚层基材喷射绿化法共同弱点是强度很低不能承担边坡防护作用，并且客土植生带法只能用于缓边坡，纤维绿化法和厚层基材喷射绿化法存在保水性能差、不耐旱等缺点。

如前所述，边坡治理已经发展到防护和生态恢复的阶段，但由于生态恢复研究一般需要较长时间，而我国刚刚把恢复生态学理论引入到边坡恢复中，且都只是概念性的引入，这方面的成果也很少，甚至

理论的系统引入问题还需继续。因此，有必要对边坡防护绿化进行系统深入的研究，尤其是相关的基础研究。

２植被护坡机理

２．１概述

边坡的灾害防治一直是工程建设者十分关注但又未完全解决好的问题。边坡表面由于雨蚀和风蚀造成的滑落又是边坡灾害的一个主要方面。对于深层的不稳定的边坡，常采用挡土墙、抗滑桩、锚索等工程设施治理。对于表层的不稳定边坡，传统常用的土木工程措施包括浆砌片石护坡、干砌片石护坡、喷射混凝土、灰浆抹面、锚喷护面等。随着人们环境保护意识的不断增强，要求工程建设的同时必须保护周边生态环境的呼声愈来愈高，尤其在公路铁路等产生大量边坡的线状工程以及市政工程中，浆砌片石、喷射混凝土等传统的灰色护坡技术受到越来越多的指责。植被护坡技术由于起到了浆砌片石、喷射混凝土等边坡防护功能的同时又恢复了因工程建设而破坏了的生态环境，因此这一新型的护坡技术受到了广泛的关注。

植被抗蚀护坡和影响坡面过程的功能可以通过它的水文效应和机械效应来实现。在水文方面，植被调节近地面气候、地表和地下水文状况，使植被生长地区的水循环途径发生变化，因而影响了侵蚀过程，减少水土流失。在机械效应方面，植被通过其枝杆和根系与土壤的机械作用，增加根际土层的机械强度，甚至直接加固土壤，起到固土护坡的作用。根系对根际土层土壤的加强作用是植被稳定土壤的最有效的机械途径。侧根加强土壤的聚合力，在土壤本身内摩擦角度不变的情况下，通过土壤中根的机械束缚增强根际土层的抗张拉强度；同时垂直生长的根系把根际土层稳固地锚固到深处的土层上，更增加了土体的迁移阻力，提高土层对滑移的抵抗力。

植物护坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用护坡，其作用可分为根系的力学效应和植物的水文效应两个方面，植物的水文效应包括降雨截流、削弱溅蚀和抑制地表径流。

２．２植物根系与边坡的相互作用

坡面的不稳定性通常表现为表层不稳定、浅层不稳定和深层不稳定。草本植物及灌木的枝叶和根系集中分布于土壤表面，能够在较大程度上控制由水造成的斜坡表层物质迁移，对表层不稳定性有抑

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制潜能；乔木也能影响表层移动。根系深的植物，包括灌木和乔木，通过影响斜坡水力性质和土力学状况，对提高土壤强度、加强和锚固土层具有明显的效果，对浅层不稳定性有重要影响。在我国大部

分地区，表层和浅层的不稳定过程是斜坡最常见的两类侵蚀类型，植被对解决这两类不稳定性具有很大潜力。

（１）草本植物根系的分布特征

图１植被护坡机理框图

着单位体积中根的数量的增加，土体的抗剪能力也随之提高，因此可以按加筋土原理分析土体的应力状态，即可以把草根的分布视为加筋纤维的分布，这种加筋为土提供了附加粘聚力△ｃ。

图２为萆本植物单根对土体的加筋力学模型，图２（ａ）

表示根的延伸方向与土体的剪切区正交

的情形，图２（ｂ）表示根的延伸方向与土体的剪切区斜交的情形。

草本植物的根系一般为直径小于１ｍｍ的须根，根系密度随土壤深度的增加而减小，在０～３０ｃｍ土层中急剧减少，在３０～７０ｃｍ土层中逐渐减少，大于

７０ｃｍ的土层中很少了，根须９０％集中分布在

０～３０ｃｍ的土层中。

（２）草本植物裉－徒相互作用的力学模型由草本植物的根系的分布可知，根系在土中的密度自地表向下逐渐减小，根须逐渐细弱。在根系分布范围内，边坡土体可以看作由土和根系组成的根，土复合材料，植物的根系如同纤维的作用，随

２．３植被的水文效应

影响土壤侵蚀的重要因素有气候、土壤、水文

图２单根与土体的相互作用模型

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了雨滴的溅蚀作用。

（３）植被的抑制地表径流功能

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和地形，其中前三个可在一定程度上以一定方式受植被的影响。植被（尤其是草本植物）可以不同程度地控制地表侵蚀。植被对于由降雨造成的土壤侵蚀的抑制作用主要表现为：降雨截留作用；植物的减弱溅蚀功能；径流延滞作用。

（１）植被的降雨截留作用

一部分降雨在到达坡面之前就被植被的茎叶截留并暂时储存在其中，以后再重新蒸发到大气中或降落到坡面。植物通过截留作用降低了到达坡面的有效雨量，从而减弱了雨水对坡面的侵蚀。植物枝叶截留降雨，减少雨滴的动能和侵蚀能力。植物枝叶阻拦地表径流，提高气流和水流的阻隔程度；减低两者的流速。

（２）植物的减弱溅蚀功能

雨滴的溅蚀是雨滴对地面的拍打作用，它是水蚀的一种重要形式。降雨时雨滴从高空落下，因雨滴有一定的重量和加速度，下落时产生一定的打击力量，裸露的表土在这种力量的打击作用下，土壤结构遭受破坏，发生分离、破裂并溅起，土颗粒能被溅到６０ｃｍ高及１６０ｃｍ远。溅起的土颗粒落在坡面时，土颗粒向坡下滚动的较多。

植物能拦截高速下落的雨滴，通过地上的茎叶的缓冲作用，消耗雨滴的大量能量，并使大雨滴分散成小雨滴，从而把雨滴的能量大大降低，可以明显的减弱甚至消除雨滴的溅蚀。通过一个下落雨滴的能量分析，可以定量的认识植物减小雨滴溅蚀作用。

一质量为ｍ的雨滴从距地面Ｈ的高空降落，假设不考虑空气阻力，若无植物覆盖直接到达地表，雨滴的能量为

地表径流集中是坡面土体冲蚀的主要动力，土体冲蚀的强弱取决于径流流速的大小、径流具有的能量。草本植物的分蘖多，丛状生长，能够有效的分散、减弱径流，而且可以阻截径流，改变径流的形态，使径流在草丛间迂回流动。设径流的流程为

Ｌ，流速为Ｖ，则径流时间为

Ｔ＝Ｌ／Ｖ

由于径流在草丛间迂回流动，从而增大了流程（Ｌ＋Ｌ），流程增大，水力坡降减小，加上径流被分散和阻截，又减慢了流速，由此，依靠覆盖的草本植物减慢了径流流速、分散了流量，增加了雨水入渗。径流减小，流速减缓，冲刷能量降低，从而土体冲蚀减弱。

３结语

随着科学的发展和人们对于植物对边坡影响的

深入了解，近年来发展出种类繁多的边坡防护绿化方法。人们也越来越意识到在进行边坡防护的同时，对边坡原有植被进行恢复的必要性和可行性。

从植物根系的力学效应和植被的水文效应两方面分析了植被对边坡的加固作用，能够明确植被护坡的机理。

坡面植物虽然具有同锚杆等相类似的功能，但不应该简单地把其力学增强效果同锚杆等的加固效果相类比。因为植物是活的生命体，它与自身生活的环境相互作用、相互影响，形成一个开放的系统，具有自我发展、自我适应的特性。

植物与边坡岩土体的作用是相互的，植物通过力学效应和水文效应增加坡面的稳定性，但植物也离不开赖以生存的土体环境，植物需要从土体中获得所需的矿质养分和水分。

因此，在进行植物边坡防护设计和养护时应充分了解有关植被护坡的机理和植物营养方面的知识，这样才能很好地发挥防护效果。

（收稿日期：２００７．３．２２）

Ｅ１＝ｍｇＨ

若地表有植被层，植被层距地表ｈ高，雨滴落到植物上后由于其动能被植物的缓冲作用所消耗，假设雨滴又被分散为ｎ个质量相等的小雨滴，则每个小雨滴到达地表所具有的动能为

Ｅ２＝ｍｇｈ／ｎ

对于草本植物的覆盖层，可以认为ｈ＝０，则雨滴到达地表时的动能Ｅ２＝０，可以认为植被基本上消除

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