公路路域边坡生态护坡工程中的新技术及其应1

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公路路域边坡生态护坡工程中的新技术及其应用一、路域边坡生态环境破坏特征与自然恢复限制因素二、路域边坡防护理念更新与技术进步三、路域边坡生态防护中的关键技术四、边坡生态防护工程成功案例与效果分析中国路域生态工程有限公司2007.1.10 一、路域边坡生态环境破坏特征与自然恢复限制因素 1、路域边坡生态环境改变和破坏的主要特征（1）路域生态系统破坏路基挖方和填方工程直接造成区域自然环境的肢解，路基沿线生态系统遭受破坏，将原有完整和谐的生态系统通过路堑边坡、路基边坡、隧道桥涵等局部的环境屏障，将其切割成若干个支离破碎的小环境，导致区域生态系统功能下降。 （2） 原生地表植被剥离筑路路基的线性开挖，大量取弃表土，表层原生植被遭到彻底剥离，完全失去了植被赖以自然生存和恢复的土壤条件。 （3）人为裸坡（荒漠）线性延伸由于公路建设的线性特征，沿线大量路堑和路基边坡形成的空间分布，表现为人为荒漠－裸露光秃边坡的线性延伸，造成路域生态景观破坏和环境干扰的线性延伸。 （4） 裸露边坡过于陡峭按照目前设计要求，公路建设开挖的边坡均较陡，上边坡坡度一般在1:0.5-1:1之间，下边坡坡度1:1-1:1.75。这就是说，一般公路边坡坡度大约在30°－65°之间。 （5） 水土流失人为加剧由于以上原因而导致水土流失的发生和增强，而这种水土流失加剧的原因，完全是人为活动的结果。严重的水土流失常常引发更为强烈边坡侵蚀灾害，常见的有：塌方、沉陷、外力侵蚀（水、风和冻融作用）等。 2、路域边坡生态环境自然恢复的限制因素 （1）植生层自然恢复困难土壤学研究表明，在同等自然条件下，在平面立地上形成满足和维持草灌结合植被群落发展演替需要的植生层需数年乃至十数年。如果在陡峭的坡面上需要的时间会更长，少则十数年，多则上百年。 （2）坡面条件更加恶劣●道路坡面缺乏植生层，就意味着坡面缺失了启码的土肥条件。●较陡的坡度不易于树灌草种的扎根和发育。●较陡的坡面易于受到外力侵蚀作用的破坏。●同一降水过程中，坡面比平地，单位面积受水量更加稀少。坡度越大，单位受水量越小。边坡受水量减少与坡度的关系曲线 二、路域边坡防护理念更新与技术进步 1、传统护坡理念下的边坡刚性防护传统公路护坡理念，始终强调安全和稳定。大多采用浆砌片石的方法砌筑挡土墙，或采用喷锚支护。●刚性护坡景观单调、灰暗、生硬，造成视觉污染。●郁闭型刚性护坡路段汽车尾气不易扩散，致使有害气体浓度增加。●刚性材料与土质坡面亲和性差，易发生塌、陷、崩、滑等道路灾害。●刚性护坡路段与大自然决然不同，极不协调，构成线性景观障碍。●刚性护坡原材料的开采，往往造成生态环境二次破坏，在生态环境脆弱地区造成的环境破坏往往更加严重。 2、绿化护坡理念下的边坡植物防护将绿化理念引入交通领域，通过移植园林绿化技术，实施边坡绿化工程，恢复裸露坡面的绿色回归。这个时期引进、消化和改进的边坡绿化技术种类繁多，将其归纳，主要边坡绿化技术可分为6类。 主要绿化防护技术类型基本特征技术名称适宜范围主要优势主要缺陷应用现状人工种草护坡低矮缓的土质边坡施工简单、造价低兼草籽播撒不均，草籽易被侵蚀，成活率低，防护效果不佳偶有采用平铺草皮护坡低矮缓的土质、强风化岩质边坡施工简单、工程造价较低平铺草皮易侵蚀，成活率低很少使用液压喷播植草护坡各种类型的坡面均可施工简单、速度快；喷播均匀，发芽快；造价低喷播层太薄（1－2mm）易冲刷，出苗多不均匀使用较多土工网植草护坡各种类型的坡面均可，适宜自然环境较好的地区出苗均匀，有一定的绿化作用，可承受流速为4m/s水流冲刷当年绿化效果较好，逐年下降，持续绿化效果较差使用较多框格植草护坡各种类型的坡面均可分散坡面雨水径流，减缓水流速度，防止坡面冲刷，保护草皮生长刚性＋柔性防护的组合类型，绿化效果较差多用于填方边坡客土喷播植草护坡各种类型的土质坡面可根据地质和气候条件进行基质和种子配方机械化程度高，速度快，当年绿化效果较好，逐年下降，持续绿化效果较差广泛应用 3、生态重建理念下的植物生态防护（1）绿化防护理念与生态防护理念在分析大量绿化缺陷工程的基础上，逐步认识到，边坡防护实质上是一个由于线性生态环境破坏后的生态恢复或生态重建问题，而非表象显现的一个植被覆盖的绿化问题。绿化技术侧重于解决表面的绿色覆盖度，即简单的提高视觉感受。生态系统的破坏和变化，必然导致系统功能性的改变。因此，生态恢复或生态重建应当从系统功能的角度切入，着眼于生态系统功能的修复技术，通过生态功能的回归，来实现生态景观的优化。实现这一目标的技术，就是生态技术；实现恢复和重建边坡生态功能的技术，就是边坡生态防护技术。 （2）边坡生态系统的基本特征边坡开挖的直接结果是，边坡生态环境和系统的破坏。在边坡生态系统中，从地表面到坡面底质间，构成了多层次的物质和能量的循环与交流。其中最为活跃的循环和交流过程，发生在系统的中间层中，即植生层和植物群落之间。边坡生态系统，是一个人工恢复的生态系统，其系统的建立，是一个人工干预的过程。边坡生态系统地表空间植被群落植生层底质坡面光、热、水、气腐殖质分解、风化、熟化净化、绿化、调节养分、水、分解物矿物质、风化物边坡生态系统物质能量循环示意图 （3）生态防护技术应用中的生态学原理1）群落演替理论和生物多样性原理◆生物群落是一个运动变化的体系，随着时间的推移，群落中一些物种消失，另一些物种侵入，从而出现群落和环境向着一定方向，有顺序发展变化的现象，称为群落演替。群落演替的主要标志是群落在物种组成上发生质的变化。◆生物多样性原理是指复杂的生态系统最为稳定，其生物组成种类繁多而均衡，食物网纵横交织，其中一个种群偶然增加与减少，其他种群就可能及时抑制和补偿，从而保证系统具有很强的组织功能。群落演替和生物多样性原理告诉我们：●边坡生态防护中其生态功能的再现，是以恢复植物群落为基础的，初期人工再造的植物群落，不是也不可能是最终稳定的顶级群落，必然会沿着群落演替规律的方向发展。这就要求边坡生态群落种群的设计，要考虑群落演替的动态变化，从初级群落向顶级群落演化过程中的变异和控制；要考虑一旦出现逆演化和退化现象时的引导性养护措施的实施。●边坡生态系统的建群物种要丰富且适宜，种群单一或简单会导致生态系统稳定性下降，抗干扰能力下降；种群过多导致系统内生存竞争加剧，造成系统自组织能力降低，不利于植物群落健康演化。 2）物种共生原理和生态位原理◆物种共生原理是指自然界的任何一个物种都不可能离开其他物种而单独生存和繁衍，物种在一个系统中共生(相生)、抗生(相克)，依据一定的规律维持着相互关系，保持着系统的平衡。◆所谓生态位就是在群落中的一个种与其他种相关联的位置，包括该种与其他种不同的时间、空间位置和机能地位。每一个物种都有其自己在系统中的生态位，没有两个物种可以永久地同时占据完全相同的生态位。物种共生和生态位原理告诉我们：●生态护坡多样性物种筛选时，应对相应自然条件下，物种的生态学特点进行分析，确定相关植物在其环境中的适应性表现和相应的时空位置(生态位)，同时分析物种间的共生关系，在此基础上实现植物种群的有效匹配。●多物种匹配时，不是只要是乡土物种就可混种混植，乡土物种间也有相克和生态位重叠的不同物种。避免这些草种的混种混植，可有效提高边坡生态系统的功能和作用。●边坡生态系统是一个生物物种相对简单，营养物质相对稀少，养分循环供应有限的比较脆弱的生态系统。充分利用物种间的共生关系，减少物种生态位的重叠，建立不同物种间的营养交换渠道，是维系边坡生态系统发展和演化的重要途径。 3）适应性原理和限制因子原理◆适应性原理是指每个物种的生存、生长和繁衍都需要适宜的生态因子，生态因子在量上的不足或过剩，都会使该物种的生存、生长和繁衍受到限制，直至被排挤出系统。换句话说，每个物种都有一个生态需求上的最大量和最小量，两量之间的幅度为该物种的耐性限度和适应性范围。◆限制因子原理是指物种的生存和繁衍，必须得到其生长和繁殖所需要的各种基本物质。在“稳定状态”下，当某种基本物质的可利用量接近或小于临界值时，该基本物质便成为限制因子了。适应性和限制因子原理告诉我们：边坡生态建群物种的选择，要遵循的基本原则：●根据该区域的生态特点，选择适宜当地气候带的草种；●根据当地的坡面质地、坡度、干湿度、病虫害疫情等选择适宜的草种。●根据人工对主要限制因子的调控能力来选择适宜的草种。●根据限制因子的季度和年度变化选择在可调控范围内仍适宜的草种。 ●在生态理念指导下的边坡生态防护技术，严格意义上说，不是一种技术，而是符合生态恢复基本要求的，涉及到环境背景、生物特性、工艺流程、坡面安全（养护）和推广价值一系列环节的成套技术。●路域边坡生态防护的工程技术包括3类技术。（4）主要边坡生态防护技术的基本特征 1）棉网状植生带技术棉网状植生带是20世纪90年代初起源于日本的一项新型边坡生态防护技术。它是以聚酯纤维棉网为主体、内部装有植物种子和培养基的带状复合物。棉网状植生带的孔隙率在95％以上，可以透气透水、不妨碍植物生长。将植生带覆盖在边坡表面上后，纤维网能够防止雨水对坡面的冲刷，降低土壤水分蒸发，调节地面温度，促进种子发芽生长，最终植物的根、茎、叶与植生带在坡面上形成一个有机的整体，达到保护坡面，恢复植被的目的。棉网状植生袋结构棉网状植生袋工序 2）厚层基质喷附技术厚层基质喷附是使用专用喷附机将植生基材、保水剂、粘合剂、微生物肥料、菌根菌和植物种子等固体混合物喷附到锚固镀锌机编网后的坡面上的一种机械建植技术，喷附在坡面上的基质层既保护坡面，又为植物生长提供所需的条件。植被形成后，植物茎叶可防止雨水对坡面的冲蚀，植物根系深嵌坡体，在坡体内部形成纵横交错的立体防护结构，从而达到既保护坡面又恢复生态的双重目的。工艺流程 基础设备与流程工艺流程：基材传送带喷附机空压机发电机 3）连续纤维加固喷附技术连续纤维加固喷附技术是使用专用机械将砂质土和连续纤维同时交叉喷附，在岩石坡面形成一定厚度的、由连续纤维和砂质土交织构成的、具有粘着力和变形抵抗力的底基层。在此基础上再实施厚层基质喷附的复合技术。此技术适合于岩质边坡的生态防护，工艺相对复杂，工程造价也高一些，但生态防护效果十分显著。 边坡生态防护主要技术类型与基本特征技术名称适宜范围主要优势主要缺陷应用现状棉网状植生袋技术各类填方型边坡施工简易快捷，控制水土流失技术难度比较大，初期养护成本较大推广阶段厚层基质喷附技术非岩质路堑边坡生态景观恢复迅速而持久设备质量要求，技术水平广泛应用连续纤维加固喷附技术岩质路堑边坡生态景观恢复迅速而持久工程造价高正在推广中厚层基质喷附技术工序挂网固网喷附 （5）边坡生态防护技术的防护功能分析边坡的生态防护技术到底能不能起到一定的边坡稳定防护作用呢？■GrayandOhashi（1983）和MaherandGray(1990)■Turnanina(1965)、BurroughsandThomas(1977)、Nilaweera(1994)■Ziemer(1981)■RobbinB.Sotir(1995)■中国路域生态工程有限公司（2003－2005） 国内外学者研究证明：●植物对边坡的加固作用主要是通过根来起作用的。植物躯干、根对边坡土壤的锚固和抗滑作用，植被对土壤水分的蒸发蒸腾作用，减小土壤空隙水压力，从而有利于边坡的稳定。●植物的存在能够加固边坡，相反边坡植物的破坏则会引起边坡失稳。沙土中生长少量根就能显著提高沙土的抗剪强度。 ●树根力学性能的研究，发现大多数树根的抗拉强度在10—40MP之间；少数树根的抗拉强度最大可达到70MP；同时发现灌木根的抗拉强度至少与树根一样高。●更为有意义的是，树根抗拉强度与树根直径成反比。根据这一发现得出这样的结论：须根比大根更有利于土壤加固和抗剪强度的提高。这为在陡峭边坡上种草提供了理论支持。 ●美国学者建立了土壤—根相互作用的力学平衡模型，得到一个重要概念，即土体抗剪强度的增加量和根面积比成正比。从而人们加深了对于根和土壤之间相互作用的机理以及根对提高土壤抗剪能力的认识。单位体积土体中每增加一公斤树根，土体抗剪强度平均增加3.5Kpa。湿润区水土流失严重边坡的生态防护半干旱区路堑边坡的生态防护 ●中国路域生态工程有限公司对老集高速公路生态防护边坡的稳定性也开展了深入的分析，认为植草对边坡上部生态防护的积极作用是确定无疑的，其防护功能通过表层植草的支撑作用，浅层根系的加筋作用和较深层根系的锚固作用，以及3种作用的组合，共同构成的坡面上部土体内的立体防护体系，达到稳固坡面、防止浅层滑塌和变形的目的，从而保障被保护坡面的安全和稳定。呼集老高速公路生态护坡坡面90cm深处豆科植物密度分项施工当年坡面第2年坡面第3年坡面施工年份200520042003豆科植物密度（枝/m2）165102－204100－150豆科平均密度（枝/m2）165153125 边坡生态防护植被根系发育特征老集高速公路案例 呼集老高速公路生态护坡坡面施工当年草被根系发育特征坡面编号坡向根系平均长度（cm）平均草高（cm）豆科禾本科豆科禾本科2B-1阴1004088782B-2阳1004065822B-3阴1004065822B-4阴1004065822B-5阳904058542B-6阳904058542B-7阳903539392B-8阴503031482B-9阳904261552B-10阴904060882B-11阴904051562B-12阴904037382B-13阴904037382B-14阳904063762B-16阴304030402B-17阴304027442B-18阳554020292B-19阴354013272B-20阳40301522 三、路域边坡生态防护中的关键技术－－以路堑边坡为例 1、生物类技术（1）菌根菌技术菌根是土壤中的真菌与高等植物根系所形成的共生体。共生真菌从植物体内获得碳水化合物等营养物质，而植物根也从真菌那里得到所需的营养元素和水，从而互利共生，共同进化。菌根菌共生关系 菌根菌－－外生菌与内生菌 菌丝显微图片菌丝与孢子菌丝与根系孢子显微图片菌根菌－－根系、菌丝和孢子 1）扩大植物养分吸收范围●菌根菌具有庞大的菌丝系统，这种菌丝系统的少部分伸入到植物根组织中，而更多的菌丝则在根围的基质中蔓延。这些在基质中蔓延的菌丝体系是菌根的主要吸收器官。●菌根菌（外生菌根菌）依靠可产生磷酸酶、将土壤中难溶或不溶的含磷物质转化为可溶性的磷而被植物吸收，还能分泌硝酸还原酶，直接吸收铵态氮和硝态氮。菌根菌正是依靠其分泌的特殊的酶系，将一部分不可溶状态的矿质营养，转变成可溶状态的矿质营养。有些菌根菌甚至可以分解和吸收岩石中的矿质营养成分，以供植物和菌根菌利用。●正因为如此，具有菌根的植物就能够获得较大范围的营养源，能够吸收较多的养分，进而具有更加抗旱和耐贫瘠的能力。在岩石边坡的生态防护中，菌根菌的作用将发挥出神奇的功效。 2）促进植物的生长菌根菌在共生过程中，可产生植物生长激素和生长调节物质，如细胞分裂素、赤霉素、吲哚乙酸、乙烯等，从而促进植物的生长。科学实验业已证明，接种菌根菌的植物比未接种菌根菌的植物生长得更快。3）增强植物的抗逆性许多研究表明：菌根化苗木可以提高宿主植物的抗旱性、抗盐碱性、抗重金属毒害、抗非正常pH值和温湿度等的能力，从而提高了植物在不良环境下的生存能力。 三组植物的菌根菌对比实验 4）形成地下根系网络在正常的生态系统中，菌根菌的菌丝可将群落植物根系，在地下连结成一个根系网络。在同一个根系网络中，可以包含不同种类的植物和不同种类的菌根菌。实验表明，菌根菌菌丝可以根据营养平衡状态，改变物质的运输方向，从而使营养物质在不同的植株间不断地交流。黄色部分为小松树原根系，白色部分为使用菌根菌后生长的外生菌根，与原根系相比，总根系量增加了近100倍。 5）改良和优化土壤结构在土壤中的菌根菌菌丝及其分泌的胶粘性物质，被认为是改善和改良土壤的生物胶。这种生物胶可以将生化土的颗粒结合起来，形成一定的团粒结构，其结果有利于空气、养分和水份在其中运转和交流，加速土壤熟化。菌根菌作用 （2）物种组配技术物种组配是坡面植物建群的基础。在自然界植物群落组成，不是随意和随机的偶然堆积，而是经过竞争、适应和选择的结果，所以群落的本质特征就是组成群落的植物之间存在一定的相互关系。 物种之间相互作用类型序号相互作用接触分离作用特征甲物种乙物种甲物种乙物种1中性共生00002种群间互不影响2竞争－－002种群间相互抑制3偏害共生0－00接触：1种受抑，1种无影响分离：互不影响4寄生捕食＋－－0接触：1种有利，1种受抑分离：1种受抑，1种无影响5偏利共生＋0－0接触：1种有利，1种无影响分离：1种受抑，1种无影响6互惠共生＋＋－－接触彼此有利，分离无法存活7未定名＋＋－0接触：彼此有利分离：1种受抑，1种无影响8原始合作＋＋00接触彼此有利，分离互不影响9未定名＋－00接触：1种有利，1种受抑分离：互不影响10未定名＋000接触：1种有利，1种无影响分离：互不影响 ●先锋物种与建群物种结合，草本与灌木结合，豆科与禾本科结合，浅根系与深根系结合。●选择乡土物种时注意，把生态位不同与生态位重叠的物种分开，把共生与抗生的物种分开，把互益与有害的物种分开。●结合植生层性状，设计出系统内持续营养交换途径，物种演化途径和必要的养护方案。●掌握混植灌草品种植物学特性和生态学特性，做到优化组合和优势互补。●先锋物种和建群物种的比例要恰当，品种数量也不宜过多，最好不要超过10个；至少选取2个在当地正常条件和特殊条件均能良好发育的高生态适宜度的品种。 边坡植被演替过程先锋植物－草本为主演替过程1－草本＋灌木演替过程2－灌木＋草本目标植物－灌木为主 2、工程（工艺）技术类 （1）植生层建植技术植生层是植被赖以生存、发育和生长的载体。它不仅是植物的固着基地，而且也是植物生活中不可缺少的水分、无机盐的主要提供者。 植生层的基本特征分类特征标准物理性状团粒结构一般为0.25～10毫米，其中以1～3毫米最为理想毛管孔隙孔径0.02(0.06)—0.002(0.0002)mm总孔度50%左右,通气孔度10%左右可塑性建植后，手按下5mm，可弹起1－2mm。硬度12－20化学性状pH与当地土壤一致营养元素N、P、K及微量元素腐殖质15％±生物化学性状微生物含量细菌：5－6万/g；放线菌：0.5－5千/g；真菌：2－35万/g （2）金属网工艺金属网又称机编网，铺设金属网是喷附作业的第一道工序，它不仅是在喷附初期起到加强坡面防护，防止坡面侵蚀的作用，而且更为重要的是其对基材附着坡面所产生的加筋作用。 （3）辅料混配技术喷附材料的主体虽然是基材或客土，但若要主料能够达到生态植生层的效果，各种辅助添加剂起到关键性的作用。保水剂、粘合剂、发酵剂和菌根菌等辅料混配的比例和数量，必须结合坡面地区的自然环境特征，降水发布，气候变化，物候特征，进行综合分析，最后确定。基材喷附后物理性状对生态工程的影响物理特征大小弹性松散，易冲刷紧实，易板结空隙度松散，易冲刷，保墒差密实，初期扎根难粘结度密实，易开裂疏松，易脱落湿度粘结，板结，开裂松散，脱落，开裂 四、边坡生态防护工程成功案例与效果分析典型案例 ●黄土边坡生态防护工程●膨胀土边坡生态防护工程●岩质边坡生态防护工程 1、黄土边坡生态防护工程黄土边坡是土质边坡中非常具有代表性的边坡类型，就目前的边坡生态防护工程而言，是最为成熟，边坡生态系统重建中比较理想的边坡类型。陕西西禹高速公路合阳段实施的边坡生态防护示范工程取得了满意的效果。合阳段路堑边坡质地为黄土及亚黄土，有一定的钙质胶结，遇水松软，失水坚硬，垂直节理发育，坡率为1:1。 2、膨胀土边坡生态防护工程膨胀土边坡是工程防护的头痛事，浆砌片石始终成为此类边坡防护的首选方案。膨胀土是由多种具有明显水物理性状的粘土矿物组成的土体。膨胀土吸水性强，吸水后体积成倍增大，失水后体积大幅度缩小，膨胀/收缩的交替变化，导致边坡稳定性破坏，造成滑坡和塌方现象司空见惯。浆砌片石的微小缝隙，都会酿成边坡大害。为安全起见，通常都采取大幅度削坡的措施，有时会削到坡率为1:1.75，甚至更缓的边坡，大大提高了边坡工程量和造价。 3、岩质边坡生态防护工程秃裸岩质坡面寸草难生，植生层、营养物质和水分极其缺乏，所以岩质边坡的生态防护一直是边坡生态防护的难点。在老集高速公路个别路段，北京百花山黄塔线17公里处，妙峰山担涧线12公里处等岩质坡面实施了边坡生态防护工程，业主给予高度评价。 赤通高速13标段岩质坡面试验工程 赤通高速14标段岩质坡面试验工程 这几处岩质坡面有砂岩岩质坡面，石灰岩岩质坡面和花岗岩岩质坡面，虽然质地岩性不同，但都为坡度较陡（48－55°），严重缺乏土水肥，自然条件恶劣的坡面。经过2年以上的观察和分析，在这些岩质坡面上成功实施生态防护的主要原因在于：●在边坡生态系统中初步建立了物种间的养分交换体系。●菌根菌技术的有效应用，为岩质坡面护坡植被提供了更丰富的营养素。欢迎斧正谢谢大家