植被防护土坡的计算方法

工业文明造就了大量廉价、耐久和安全的钢筋混凝土产品,使人类不再需要像祖先那样,利用树木等原始材料防护土坡堤岸,对此人们已经习以为常。但是,各类边坡的环境条件普遍较差,特别是开凿山体与填埋沟谷形成的边坡大多呈现出土石裸露、侵蚀与滑坡相当严重的景象。混凝土或砌石挡墙工程能在一定程度和一定时间内解决侵蚀与滑坡问题,但在人们对绿色生态环境的要求日益高涨的今天,缺少生态效益且造价昂贵的混凝土或砌石挡墙也越来越得不到人们的青睐。相反,价格低廉的植被生态护坡工程正日趋受到重视,表现出更佳的护坡效果与生态效益,而且它在公路凉荫、消除噪声、改善公路小气候以及建设绿色通道等方面都具有重要作用。

随着近几十年来人们对资源、环境和生态问题的日益关注,植被防护的理念逐渐进入人们的视野,欧美国家率先开始研究和使用植被防护土坡技术,已推广应用到适合植被防护土坡的各个工程领域,例如废矿复垦、公路铁路护坡、噪音隔断、固体废弃物处理、大气环境保护、建筑工地美化、河道防冲刷、地面排水系统、水库大坝护岸、海岸抗风浪侵蚀、管道工程防护等。植被防护土坡技术造价低、环境相容性好,因而极具吸引力。植被防护土坡可以有效地降低引起土坡滑移破坏的风险,植被根系可以增加土的抗剪强度,枝茎蒸腾作用可以减小孔隙水压力,相邻植被根系之间的土拱效应及植被本身的护垫作用增加土坡的整体稳定性。通过植被储存或蒸腾水分,调整坡土的湿度,减少和降低干湿循环作用效应,从而增强坡面防冲刷、防变形的能力。但是,对于乔木类植被防护,很重的树身、风吹树干引起的上拔作用以及粗壮根茎的顶胀作用,不利于防治土坡的滑移破坏。

植被护坡的方式一般有:厚层客土种子喷播护坡、生态混凝土基材喷播护坡、挂网植草护坡、植生带育种护坡、铺草皮护坡、液压喷播植草护坡、干砌片石或浆砌片石方格或拱形骨架内植草护坡、预制混凝土框格内植草护坡、三维植被网护坡、土工格室植草护坡、香根草篱护坡、马道植草护坡、藤蔓植物护坡等[20](周德培和张俊云,2003)。其中,厚层客土种子喷播护坡技术,是指借助于机器把由泥炭、草纤维、木纤维、谷壳、秸秆、木屑、蛭石、矿物、肥料、保水剂、黏合剂及部分自然土等组成的人工土壤喷播吹附到坡面上,作为基层供植物根系固着、提供植物营养。比较新颖的土工材料联合植被护坡技术,利用土工合成材料网与坡土接触面的摩擦作用,使土中的压应力和剪应力经网格面层扩散成网格—土界面的接触应力,从而相应降低坡土中的应力,起到固土防滑作用。例如,挂网植草护坡技术,利用土工合成材料植被网垫与植被根系和坡土牢固地结合在一起,形成一层坚固的绿色防护层,防止雨水冲蚀、边坡溜坍和滑坡。植生带育种或者预制草坪土工合成材料网垫护坡技术,将草籽置于两层无纺布之间,利用无纺布的抗拉强度保护草籽,在出苗前防止坡面冲刷,草籽出苗及根系长成后与无纺布交互缠绕使坡土连成一个整体,形成网络状结构。三维土工网垫及土工格室植草技术,是由多层塑料凹凸网和高强度平面网或土工格室组成的立体网室结构,植被根系与土工网垫或格室连接成一体形成有力的护坡面层。

传统植被护坡技术还有移植苗木护坡、鲜活林木扦插护坡、成捆林木枝茎扦插护坡、灌木丛枝茎成捆扦插护坡等[1](Gray和Sotir,1996)。其中,鲜活林木扦插护坡技术适用于一般坡度的边坡,坡高可大可小,可防护一定深度的土层,适用于中等强度的土,填方挖方边坡都可以采用,可控制坡面侵蚀破坏,能控制浅层滑移。成捆林木枝茎扦插技术适用于一般坡度到较陡边坡,坡高可大可小,可防护一定深度的土层,能防治从小到大的水土流失,适合于中低强度的土,填方挖方边坡都可以采用,可控制坡面侵蚀破坏,能控制浅层滑移。灌木丛枝茎成捆扦插护坡技术适用于一般坡度到中等坡度边坡,坡高可大可小,可防护一定深度的土层,能防治水土流失,适合于中低强度的土,填方挖方边坡都可以采用,能控制浅层或中等深度滑移。

一般情况下上述多种植被护坡方式会联合使用,例如复合土工材料网室植被防护土坡技术用来加固坡脚,灌木丛枝茎成捆扦插技术用来防护顶部的坡面,形成开挖边坡的绿色屏障,成捆林木枝茎扦插护坡技术用来防护中等高度的坡面,特别是易滑移的坡面,鲜活林木扦插技术被应用于整个坡面,以便把所有护坡植被嵌固成一个整体,同时作为补缺拾遗绿化之用。植被防护越早越好,一般在稳定边坡的坡面形成或整平后,即结构防护措施例如土石方施工完成后,马上种植植被。一般在生长的季节之前种植,使幼苗在不利的环境条件到来之前植被就长成。(www.xing528.com)

目前我国的公路边坡一般坡度较大,坡比一般为1∶1,有的甚至达到倾角60°以上。在边坡坡度较大时,降水落于土坡表面后,极易由于重力的作用,沿坡面往下流失,造成坡土缺水干旱,直接影响植物的正常生长发育,甚至导致植物的死亡,这一点在北方干旱地区的边坡上表现得尤为突出。对于坡度小于45°的土坡,可在坡面种植灌木和草本植物,同时设置护栏或浆砌石框格围护,以及采用上述植被护坡技术进行防护。当土质边坡坡度大于45°、坡高大于8m时,必须结合结构措施实现土坡植被防护,设置坡面框架等绿化基础工程来确保植物生长坡面的稳定性。植被防护土坡技术,利用结构体满足护坡的力学要求,利用植被满足护坡的环境要求,从而防治土坡水土流失、面层风化、土坡破坏。结构体支护和植被防护相互配合补充,相得益彰。在工程支护设计和施工中,工程力学和原理起主导作用,在植被防护的设计和施工中,植物学和土壤学指导植被种类选择和种植。同时也会考虑到植被的根系和枝茎本身具有一定的力学强度,它们埋入地下可以起到固土和排水的作用。

坡面绿化基础工程联合植被护坡技术一般包括:坡底挡墙上方土坡植被防护技术、在坡面架设钢木结构或混凝土框架并在框后坡土中扦插植被做成绿色挡墙的护坡技术、复合土工材料网室植被防护土坡技术、抛石间隙植被护岸技术、石笼护岸间隙植被技术、铰链排间隙植被技术等。其中,坡底挡墙上方土坡植被防护技术适用于一般坡度到较陡边坡,坡高较小,填方边坡可以采用,能控制浅层滑移。框架内扦插植被绿色挡墙技术适用于一般坡度到较陡边坡,坡高可大可小,能防治水土流失,挖方边坡可以采用。复合土工材料网室植被防护技术适用于一般坡度到较陡边坡,坡高可大可小,可防护一定深度的土层,能防治水土流失,填方边坡可以采用,能控制中等深度土层滑移。

目前,我国公路边坡生态防护用植物在多数情况下是采用草本植物。这是由于草本植物种植方法简便、费用低廉、早期生长快、对防止初期的土壤侵蚀效果较好。但是,草本植物与灌木相比则具有根系较浅、抗拉强度较小、固坡护坡效果较差、需要持续性的管理措施等缺点。草本植被和灌木植被在地面以下0.5～1.5m处有明显的固土作用,乔木植被根系的固土作用范围可达3m甚至更深。但是栽植乔木会提高坡面荷载,在有风的情况下,树木把风力转变为地面的推力,造成坡面的不稳定和坡面的破坏,因此一般不宜在边坡栽植乔木。在持续的雨季里,高陡边坡有的会出现草皮层和基层剥落现象。因此,单纯的草本植物用于公路边坡的绿化并不理想。灌木作为护坡植物主要的缺点是成本较高、早期生长慢、植被覆盖度低、对早期的坡土侵蚀防治效果不佳。但是可以通过与草本植物混播,草本植物早期迅速覆盖地面防止坡土侵蚀,后期由灌木发挥作用。藤本植物主要应用于岩石或喷射混凝土边坡的垂直绿化,其优点是投资少、用地少、美化效果好,但由于边坡一般较长,藤本植物完全覆盖坡面的时间较长。