岩质边坡生态防护 的研究与应用东南大学 *汇报提纲本次汇报主要内容（包含以下几个方面）*岩质边坡生态防护技术研究现状国外研究现状植被生态护坡的研究在发达国家起步较早。在欧美方面，如今在边坡防护中, 基本废止了浆砌片石和喷射水泥砂 浆护面等破坏自然环境的工艺, 取而代之的是各种柔性支护和绿化措 施, 基本上实现了全路段绿化。目前常用的护坡方法有活枝捆垛、活 支扦插、树枝压条打等，主要应用于公路边坡的植被防护用河堤护岸 。另外液压喷播技术自20世纪50年代发明后至今也获得了广泛应用。 20世纪80年代又发明了三维网植草护坡方法。在亚洲，目前日本在植被护坡工程技术研究方面处于领先地位。从 70年代开始，随着高速公路的大规模建设，边坡绿化技术得到了长足 的发展。*国内研究现状国内在生态护坡方面研究起步较晚，特别在岩石边坡绿化方面经验 比较匮乏, 在我国主要是通过引进, 消化国外的先进植草技术, 如客土喷 播技术、三维网植生技术、喷混植草技术等。不过，至目前为止，相 关研究正在逐渐增多。许文年等1对既具有一定强度适用岩石边坡防护，又能适合植物生 长达到绿化目的的新型生态环保技术一植被混凝土边坡防护绿化技术 进行了一定的研究，将此技术成功应用于岩石边坡的防护和绿化上。蒋德松等2采用人工喷雨模拟降水的现场试验方法，得到不同草种 在不同降雨强度下与岩质边坡冲刷的关系，为岩质边坡生态防护植被 的选择提供了依据。*赵明华等人3在岩质边坡植被抗冲刷室外试验的基础上，进一步研 究各草种在不同边坡坡度、不同固土格式情况下性能的优劣，以及不同 固土方式的固土机理，并从中挑选出最适宜工程实际使用的草种。杨宇等人4利用三维有限元对破碎岩质边坡岩面上采用不同固土结 构的受力性能与稳定性进行了研究，并应用于广西寨任路工程实践。陈永安等人5对我国高速公路岩石边坡采用的几种主要生态防护技 术的技术原理、基本工艺流程以及优缺点进行了分析。*岩质边坡生态防护技术与传统防护措施的比较我国西部地区多崇山峻岭，公路建设常遇到大量易风化岩石挖方边 坡， 其防护工程量大面广。对于岩质边坡的防护，近些年来，多采用的 方法是抹面、喷浆、勾缝、灌浆和砌护面墙等传统方法。钟守宾等人6分析了传统防护方法长期防护效果，并由此总结了如 下三点传统防护方法的缺陷：设计安全性差防护措施落后 忽视生态保护的重要 性 相比而言，生态防护具有如下的优点：对边坡的防护作用主要是利用植物根系固定坡土，利用植物的茎和 叶对边坡的覆盖防止水流对坡面冲刷以及对坡面的吹蚀所造成的水土流 失，增加边坡的稳定性， 美化路容，保护环境；造价低廉，节省人力物 力财力。*岩质边坡生态防护的方法以及 不同固土方式的比较岩质边坡生态防护的方法客土喷播喷混植草液压喷播三维植被网植草 等边坡植物防护采用的是土工固土物与外来客土喷播于岩质边坡上， 然后再播撒种子的方案。工程上常用的固土结构主要有菱形铁丝网土工格室三维网垫图1 室内试验降雨强度与冲刷量关系图赵明华等3根据室内模拟试验，得到各种固土方式下，不同草种 在不同降雨强度、不同坡角下边坡的冲刷情况。*室内试验表明，抗冲刷能力土工格室三维网垫菱形铁丝网从室内试验结果可见，边坡达到某一临界坡角后，单位长度边 坡土体冲刷量随坡角的增大而减小。三维网状结构，本身具有较强的抗拉强度, 在固土层起着加筋的 作用, 能增强土的抗剪能力。 草根发育后， 根系与网筋纠结在一起 ，能形成一个具有很高抗拉强度和抗剪强度的板块结构，在坡面形 成一保护层，保证坡面免受冲刷，增强稳定性。*图2 植物根系护坡示意图卢敦华，王星华7对岩质边坡生态防护技术的支护机理进行了比较 全面的研究，认为其护坡作用主要是植被根系系统的作用，分析了植被 深部根系系统的锚固作用、植被浅部根系系统的加筋作用、植被根系系 统的水土保持作用以及植被根系系统的生态作用，为工程实践提供了必 要的理论指导。岩质边坡生态防护的支护机理*植被深部根系系统的锚固作用植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层，锚固到深处较稳定的 岩土层上，起到预应力锚杆的作用。在植被覆盖的斜坡上，植物相互缠绕的侧向根系形成具有一定抗张 强度的根网，将根际土壤固结为一个整体； 同时垂直根系的浅层根际 锚固到深处较稳定的土层上，更增加了土体的稳定性。*随着深度的增加 RAR 迅速减小，到 1.2 m 以下时根的含量已经很小；在水平断 面上 RAR一直很小，这表明大部分根是水 平伸展的侧根。植被浅部根系系统的加筋作用图 3 RAR 随深度的变化曲线图土中根的含量不同，根对土的加 筋作用的效果不同，植物对边坡稳定 性的影响程度也就不同。根据 Shields 和 Gray 1993年8在 美国加利福尼亚州所做试验结果， RAR 随深度的变化曲线如右图3所示 。根的面积比率（RAR）：指在一 个土层断面上 ( 水平垂直断面) 根的截面面积占总断面面积的比 率。*根据文献9、10可知，根纤维提高土的抗剪强度主要是通过根土 接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的。图 4 根系受力变形图*首先假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不至于被拉出， 则当土中有剪应力发生时，根的错动位移会使根伸长从而使根内产生拉 力 ， 沿剪切面切线方向的分力可直接抵抗剪切变形， 沿法线方向 的分力可增加剪切面上的正应力，故而根土复合体抗剪强度的增长为由上述分析可知，土中根系 的存在相当于在土体中起了加筋 作用，会引起土体抗剪强度增加 以及边坡稳定性系数提高。*u 侧向根系与土壤相互作用的力学原理植物根系在土中错综盘结，使边坡土体在其延伸范围内成为土与草 根的复合材料， 草根可视为预应力的三维加筋材料。图5 根系对土体的加筋作用根据摩尔-库仑准则, 草根加筋增加土体的粘聚力 c值，使其破坏线向上 平移c；另外, 草根的张拉限制了土体侧向变形，使3增大到3+3 , 从而 使摩尔圆向右平移 3，如图 3所示。蔡强国10对4种压应力作用下有根土和无根土样进行三轴剪切试验 ，如下图6与图7所示。图6 有根和无根砂性土土抗剪强度比较 图7 有根和无根黏性土抗剪强度比较 *植被根系系统的水土保持作用植被根系系统的水土保持作用主要体现在防水和防渗两个方面。根系吸收坡体内水分必然降低土体的孔隙水压力，进而提高土体的 抗剪强度。植物根系越深，吸收水分的范围越广，降低土体的孔隙水 压力的作用的范围也就越大，越有利于边坡的稳定。 植被能拦截高速 下落的雨滴、分散雨滴、减少滴溅能量及飞溅的土粒。此外，由于植被根系的存在，对土壤具有固结作用，增加土壤水下 渗， 而且根系分泌物及腐殖质对土壤具有黏结作用， 减少土粒冲刷 与淋溶， 有效减小水渗流对边坡稳定性的影响。*研究人员对地下水渗流对无根系边坡和有根系边坡稳定性影响做过比 较，结果如下图8与图9所示。图8 无加筋时1：0.5边坡的安全系数图9 加筋时1：0.5边坡的安全系数*植被根系系统的生态作用岩质边坡表面岩石的风化是化学作用与物理作用共同的结果。在没有植被覆盖时，岩石完全地暴露在空气中，而在植被护坡后岩 石被其上的植被和基材所覆盖，这个过程中就相当于酸雨或含有此类 氧化物的水化物（反应物）的浓度降低，进而使反应速度减小。从物理风化方面来说，主要是由于温差的变化使得本来就存在微裂 缝的岩石产生了膨胀力， 使得岩石破碎，植被护坡后其温度保持在一 定的值，不会产生很大的温差，因此物理风化减少。*总结与展望生态防护技术是一种新型的边坡护坡技术。生态植被的茎叶能拦截 雨滴，使雨滴击打坡面的机会大大降低，减小了击溅侵蚀强度 12 。此 外，生态植被根系具有很好的固土能力，增强了浅层土的抗剪强度，具 有浅层加固作用。当植被通过根部吸收及蒸发作用改变了斜坡水文条件 时，便增加了土体斜坡的稳定性。岩质边坡生态防护技术遵循人与自然和谐共处的原则，最大程度上 保护了自然环境，维持了生态平衡，促进了生态的良性循环。针对于我国在岩质边坡生态防护方面的研究起步较晚，研究还不够 全面深入的现状，相关方面应该加大力度，充分系统地探讨防护机理， 研究最适合实际工况的防护技术，促进人与自然和谐共处。*20REFERENCES1.许文年,王铁桥,李建林等.清江隔河岩电厂高陡混凝土边坡绿化技术研 究J.水利水电技术,2003,34(6):4346. 2.蒋德松, 蒋冲与赵明华, 城市岩质边坡生态防护机理及试验. 中南大学 学报(自然科学版), 2008(05): 第1087-1093页. 3.赵明华等, 岩质边坡生态防护现场及室内抗冲刷试验研究. 湖南大学学 报(自然科学版), 2004(05): 第77-81页. 4.杨宇, 赵明华与陈昌富, 高等级公路破碎岩质边坡生态防护技术研究, in 2005全国博士生学术论坛（交通运输工程学科）2005: 中国北京. 第 5 页. 5.陈永安等, 高速公路岩质边坡生态防护技术评述. 中国水土保持科学, 2006(S1): 第103-106页. 6.钟守宾等, 破碎岩质边坡生态防护技术研究. 公路, 2004(10): 第174- 177页.*7.卢敦华与王星华, 植被根系系统加固破碎岩坡的作用机理分析. 科技导 报, 2007(23): 第55-58页.8Shields F D and Gray D H 1993 Effects of woody vegetation on the structural integrity of sandy levees. Water Resour. Bull.28(5), 917 931. 9.封金财, 王建华.植物根的存在对边坡稳定性的作用J.华东交通大学学 报, 2003, 20(5): 42- 45. 10.周德培, 张俊云. 植被护坡工程技术M. 北京: 人民交通出版社, 2003. 11.蔡强国. 坡面细沟发生临界条件研究J. 泥沙研究, 1998, 42(1): 5259. 12 方 华. 植被护坡现状与展望 J. 水土保持研究, 2004,11(3):21- 23.*22*23