邊坡植被防護(hù)理論概述

1、植被護(hù)坡資料摘要1植被邊坡防護(hù)的意義防護(hù)工程是公路建設(shè)的重要組成部分，是防治路基病害、保證路基穩(wěn)定、改 善環(huán)境景觀及保護(hù)生態(tài)平衡的重要措施。高速公路路塹邊坡防護(hù)方法通常分植物 防護(hù)和工程防護(hù)兩大類。工程防護(hù)主要利用污工砌體或混凝土形成一定的結(jié)構(gòu)對(duì) 路塹邊坡進(jìn)行處治，由于其取材方便，設(shè)計(jì)施工技術(shù)較成熟，處理深層失穩(wěn)坡安 全性高，故成為公路部門一長(zhǎng)久以來一直采用的防護(hù)方法，但該法造價(jià)較高，易破壞公路沿線自然景觀及生態(tài)平衡。缺乏植物覆蓋的邊坡一方面不利于水上保 持，大量的雨水直接流失，還加大了對(duì)道路周邊地區(qū)的沖刷， 給農(nóng)田水利帶來不 利影響;另一方面也不利于改善高速公路的行車效果，大量裸露的巖石和混

2、凝土 視效果非常差，也不利于吸收陽光和汽車尾氣，與高速公路快捷舒適的特點(diǎn)不相 協(xié)調(diào)，在一定程度上也給高速公路的行車帶來不安全因素。國際上一般把植物防護(hù)定義為：”用活的植物，單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合，以減輕坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕。其途徑與手段是利用植被進(jìn)行坡面保護(hù)和侵蝕控制。因此，植物防護(hù)被譽(yù)為有“生命”防護(hù)。工程防護(hù)是植被防護(hù)的基礎(chǔ)，兩類防護(hù)形式是相互支持相互滲透的，只有將兩者有機(jī)結(jié)合，才能起到永久防護(hù)美觀耐用的目的，而且能大幅降低工程造價(jià)。一般來說，邊坡生態(tài)防護(hù)就是將二者結(jié)合，在邊坡基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，主要是靠植物根莖與土壤間的附著力以及根莖間的互相纏繞來達(dá)到加固坡面

3、、提高坡表抗沖刷的能力。邊坡生態(tài)防護(hù)不僅可以加固邊坡，保土涵養(yǎng)水源，減少水土二流失，而且還可以凈化空氣，保護(hù)生態(tài)，美化環(huán)境，保證行車安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，在越來越重視環(huán)境保護(hù)和人類自身生存質(zhì)量的今天，生態(tài)防護(hù)己成了公路邊坡防護(hù)的一種趨勢(shì)，代表著邊坡防護(hù)的發(fā)展方向。日前，國內(nèi)大多直接從國外引進(jìn)現(xiàn)有的防護(hù)技術(shù)， 生態(tài)材料也直接進(jìn)口，造成了一方面防護(hù)成本過高，無法在國內(nèi)廣泛推廣 ；另一方面由于地形、氣候、施工等多種因素的影響，防護(hù)效果并不明顯。因此，如何結(jié)合我國的實(shí)際情況，綜 合考慮防護(hù)效果和環(huán)境美化，進(jìn)行高速公路邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)系統(tǒng)性研究，提高我國邊坡防護(hù)工程的設(shè)計(jì)水平，

4、降低工程造價(jià)，減少或防止道路病害，保持生 態(tài)環(huán)境的相對(duì)平衡，確保道路的安全與穩(wěn)定，對(duì)高速公路的邊坡綜合防護(hù)加固技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，有著重要的生態(tài)效益、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益；通過此類對(duì)邊坡生態(tài)防護(hù)的研究對(duì)其它諸如鐵路、水電等邊坡的防護(hù)也有重要的借鑒意義。2研究現(xiàn)狀植物防護(hù)是生態(tài)防護(hù)技術(shù)中最重要的部分。利用植物防護(hù)是一種古老的方法，它的實(shí)踐可以追溯到遙遠(yuǎn)的人類古代文明。但是，把植物防護(hù)作為一種工程技術(shù)方法進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，則是近十幾年的事。例如，國際上直到1994年刁在英國的牛津召開了第一次專門以植物防護(hù)為主題的國際學(xué)術(shù)會(huì)議。植物防護(hù)至今沒有形成一個(gè)貼切的術(shù)語，英文中有稱 Biotechniq

5、ue, Soil bioengineeringVegetation或Revegetation等。和國外相比，國內(nèi)這方而的研究工作總體來說起步較晚，鮮見此方面的專門研究文章，只是近兒年刁對(duì)植物固坡研究逐漸重視 起來。植物防護(hù)邊坡作為一項(xiàng)工程技術(shù)，人們從防護(hù)理論及技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行 了大量的研究。2.1國外研究現(xiàn)狀植物防護(hù)邊坡的實(shí)踐在歐美國家歷史久遠(yuǎn)，在中世紀(jì)，法國、瑞士的運(yùn)河岸就采用栽植柳樹的方法來防護(hù)。在飽嘗了 “黑風(fēng)暴”等生態(tài)災(zāi)難后果之后，美國首先開始認(rèn)識(shí)到了生態(tài)平衡和環(huán)境治理的重要性。1943年Moohsh R. H進(jìn)行了利用草皮恢復(fù)路邊植被的實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了公路兩側(cè)草皮種植的試驗(yàn)， 通過不

6、同播種 時(shí)間、不同草種及草種組合的小區(qū)試驗(yàn)來探討建立草皮的方法。五十年代后，隨著公路的大量興建，公路建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響越來越受到社會(huì)的關(guān)注，為此美國制訂法律要求新建公路必須進(jìn)行綠化。機(jī)械化施工的噴播技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，1953年Finn公司首先開發(fā)出了噴播機(jī)。從六十年代開始，美、 德、法等發(fā)達(dá)國家開始大 規(guī)模修建高速公路。噴播技術(shù)等綠化新技術(shù)在穩(wěn)定邊坡、防止土壤侵蝕和恢復(fù)植 被等方面得到了少“泛應(yīng)用。日本提出了功能栽植的概念，對(duì)于公路綠化起到了 重要作用。七、八十年代，山于公路植被的大量建植，如何管理和養(yǎng)護(hù)這對(duì)植物 根系的主根與側(cè)根加固作用的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析，并建立了模型可計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。Robe

7、rt R.Ziemer O'Loughlin &Ziemer , Kazutoki A B E&Robert R.Ziemer 等也都認(rèn)為，有根系的土壤比沒有根系的土壤達(dá)到破壞前，能承受較大的剪切位移。Piers Villaggio(ibl >N.S.Nilaweera&P.Nutalayal1'1, Donald H. Gray & Robbin B. Sotirl"11191>倉田益二郎和安保昭1211等人對(duì)植物根系固坡力學(xué)機(jī)理和施工方 法進(jìn)行了大量的理論研究，取得了豐富成果。止匕外，國際上發(fā)達(dá)國家已有專門的 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和

8、專業(yè)研究人員進(jìn)行了較深入全面的研究，并制定了較完備的設(shè)計(jì)、施 工規(guī)范。植物護(hù)坡工程技術(shù)的應(yīng)用，歐美國家主要是圍繞著防止坡地免受雨水侵蝕的 目的而進(jìn)行的，目前常用的護(hù)坡方法有活枝捆垛(live fascine)、活枝桿插(livecutting)、樹枝壓條(brush layer)、枝條籬墻(wattle fence滸，主要應(yīng)用于公路邊坡 的植被防護(hù)及河堤護(hù)岸。另外液壓噴播技術(shù) (hydroseeding或hydraulic mulching) 自20世紀(jì)50年代發(fā)明后至今也獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代又發(fā)明了三維網(wǎng) 植草護(hù)坡方法。從總體上看，目前日本在植物護(hù)坡工程技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地 位。

9、在日本，植物護(hù)坡被稱為坡面綠化。二戰(zhàn)結(jié)束后，日本大規(guī)模的公路建設(shè)為 其現(xiàn)代坡面綠化提供了大量的機(jī)會(huì)，發(fā)展至今己有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，期間己經(jīng)歷了無數(shù)的變化。最初以川端勇作為代表，開發(fā)了采用外來草種的植生盤用于道 路坡面，標(biāo)志著以牧草類為代表的外來草種開始用于坡面綠化。隨后是京都大學(xué) 農(nóng)學(xué)部造園學(xué)研究室研究快速綠化工法，開發(fā)了噴射種子法并應(yīng)用于高速公路取得良好效果。在其后數(shù)年開發(fā)出的纖維土綠化工法(Fiber-soil Greening Method)標(biāo)志著巖體綠化工程的開始，這也是日本最早開發(fā)的厚層基材噴射工法。1983年開發(fā)出高次團(tuán)粒 SF綠化工法（Soil FlockGreening met

10、hod）,工法的基本特征為： 壤土系，并添加團(tuán)粒劑，促進(jìn)了基材團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成 ：粘結(jié)材料為特殊的瀝 青乳劑，基材抗侵蝕性更強(qiáng)，且 PH值呈中性。此技術(shù)開發(fā)至今，在日本己施工 2萬余處，施工總面積超過 200萬平方米。1987年6月，日本從法國引進(jìn)連續(xù)纖維加筋土工法.隨后把它與已有的坡面 綠化工程方法結(jié)合在一起，開發(fā)出連續(xù)纖維綠化工法（TG綠化工法）。工法的基本特征為：由于砂粒和連續(xù)纖維相互混合，基材的抗侵蝕性更強(qiáng)，能適應(yīng)坡體 的微小變形；由于確保了大根系的伸長(zhǎng)空間，可引進(jìn)木本類植物，用于坡面的 樹林化;施工體系由綠化基材供給系統(tǒng)、團(tuán)粒劑供給系統(tǒng)和連續(xù)纖維供給系統(tǒng) 組成。TG工法于1988年開始

11、實(shí)用化，至1992年4年間就己施工300萬m,。 之后，此工法又獲得加拿大、日本等國發(fā)明專利，并推廣到中國香港、臺(tái)灣。纖維土綠化工法、高次團(tuán)粒 SF綠化工法和連續(xù)纖2!綠化工法是近 20年來 日本最常用的厚層基材噴射工法。 在這三類工法中，由于主要用材、粘結(jié)劑及纖 維的種類不同，又形成種類繁多的厚層基材噴射工法?？傮w上講，按主要用材分 類，厚層基材噴射工法可分為砂質(zhì)土系列、粘土系列、粘土與有機(jī)質(zhì)混合系列和 全有機(jī)質(zhì)系列；按粘結(jié)劑分類，可分為普通硅酸鹽系列、特殊瀝青乳劑系列及高 分子樹脂系列；按纖維分類，可分為有機(jī)纖維系列、無機(jī)短纖維系列及連續(xù)纖維 系列。從實(shí)際工程應(yīng)用看，己可應(yīng)用于坡度小于 1

12、: 0.5的軟巖、中硬巖、硬巖邊 坡及強(qiáng)酸性土質(zhì)邊坡的坡面綠化，另外，也用于混凝土面及片石擋堵面的實(shí)例 . 由于厚層荃材噴射工法需要消耗大 t的天然有機(jī)質(zhì)材料（如泥炭及其它天然腐殖 質(zhì)等），而這些資源都是有限的，因此，在 20世紀(jì)90年 代日本又著手研究下水 道污泥，廢紙漿、廢木材、木屑、畜糞等廢棄物回收形成富含有機(jī)質(zhì)的噴射基材， 并取得一定研究成果。除厚層基材噴射工法外，、其它常用的坡面綠化工法還有 框格植被綠化工法（包括預(yù)制框格、現(xiàn)澆框格卜綠化網(wǎng)等.另外，為防止水流對(duì)河 岸的沖刷并考慮環(huán)境的保護(hù)，日本于 1995年又開始進(jìn)行植被型多孔福凝土的研 究，并取得一定成效，目前只是由于成本過高（2

13、人-3萬日元m'）而沒有得到廣泛的 應(yīng)用.雖然日本的邊坡綠化水平很高，但也存在著不少問題.當(dāng)前邊坡綠化存在的 三個(gè)問題：(1)不設(shè)定具體的綠化目標(biāo)，而采用慣用的植物種近十年來，所謂“商質(zhì)f的綠色”被認(rèn)為是“樹木”，并被無限制地應(yīng)用。 如果僅僅是施工引入的植被正常生長(zhǎng)，即使是樹木也不應(yīng)該被判定為“高質(zhì) t 的綠色”，而只有是根據(jù)設(shè)計(jì)思想確定的綠化目標(biāo)且在機(jī)能上具有同等作用，才 能被稱為“高質(zhì)里的綠色”。(2)不重視環(huán)境保護(hù)，疏忽坡面必要的機(jī)能及具體的植被構(gòu)成設(shè)計(jì)堅(jiān)持快速地引入樹木，在綠化目標(biāo)設(shè)定上缺乏研究，而隨意先用那些易于取 得的樹種，作為綠化工程的設(shè)計(jì)是不合適的.因?yàn)榫G化工程追求最優(yōu)

14、的機(jī)能是保 護(hù)坡體表層，植被大小受到坡面利用條件等的限制， 因此引入樹木時(shí)必須預(yù)測(cè)樹 木根系的分布狀態(tài)和伸長(zhǎng)狀況，從所能期待的根系固土效果以及對(duì)坡面穩(wěn)定性的 影響來確定引入樹木的可行性。(3)規(guī)劃設(shè)計(jì)、綠化目標(biāo)與其發(fā)揮的機(jī)能不一致近年來，作為綠化工程出現(xiàn)了多種多樣的施工方法，新開發(fā)出來的施工方法， 有的在資料上關(guān)于機(jī)能和效果記述不明，過分評(píng)價(jià)了方法本身；有的方法和使用材料的特性使用者認(rèn)識(shí)不清，即規(guī)劃時(shí)的目的和設(shè)計(jì)時(shí)的綠化目標(biāo)與最終在施工 地點(diǎn)完成的工程所發(fā)揮的機(jī)能不一致?？傮w來說，國外的研究有以下特點(diǎn).西歐和美國受公路邊坡較小、坡度也 不大，其土質(zhì)、氣候等環(huán)境差異較小的制約，研究主體環(huán)境變異小

15、，坡面植被建 植難度不大；濕式噴播技術(shù)僅用于建植草本植被， 且植被養(yǎng)護(hù)工作t大，養(yǎng)護(hù)成 本高；在日本客土噴播技術(shù)成本高，盆要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到90%的植被蓋度。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國有記載的植被防護(hù)應(yīng)用出現(xiàn)在1591年的明代，通過栽植柳樹來加固與保護(hù)河岸。在17世紀(jì)植被防護(hù)開始應(yīng)用于保護(hù)黃河河岸。由于以往公路等級(jí)較低，國內(nèi)在植被防護(hù)技術(shù)應(yīng)用方面的研究起步較晚，直到 20世紀(jì)90年代，隨著高等級(jí)公路建設(shè)的發(fā)展和對(duì)于環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的提高，才開始開展系統(tǒng)的防護(hù)研究。20世紀(jì)90年代以前一般多采用撤草種、穴播或溝播、鋪草皮、片有骨架 植草、空心六梭磚植草等護(hù)坡方法。1989年，廣東省水利水電科學(xué)研究所從香

16、 港引進(jìn)1臺(tái)噴播機(jī)開始在華南地區(qū)進(jìn)行液壓噴播試驗(yàn).1990-1991年，中國黃土高 原治山技術(shù)培訓(xùn)中心與日本合作在黃土高原首次進(jìn)行了坡面噴播綠化技術(shù)（即液壓噴播）試驗(yàn)研究.此后，經(jīng)過十年左右的發(fā)展完善，液壓噴播技術(shù) 已廣泛應(yīng)用于 我國不同地區(qū)的公路、鐵路及堤壩等工程中的邊坡防護(hù)。1993年我國引進(jìn)土木材料植草護(hù)坡技術(shù)，隨后土木工程界與塑料制品生產(chǎn)廠家合作，開發(fā)研制出了各式各樣的土工材料產(chǎn)品，如三維植被網(wǎng)、土工格柵、土工網(wǎng)、土工格室等，結(jié)合 植草技術(shù)在鐵路、公路、水利等工程的邊坡中陸續(xù)獲得應(yīng)用。1996年云南省昆明一曲靖高速公路全線路塹、路堤、中央分隔帶和立交區(qū)等進(jìn)行了全面防護(hù)和綠 化，并首次采

17、用瑞士濕法噴播技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的植被種植，為我國公路綠化技術(shù)的提高做出了有益的嘗試（陳濟(jì)丁，1998）. 1996年10月交通部在昆明舉辦的“全 國交通環(huán)保培訓(xùn)班”，為公路綠化尤其是噴播技術(shù)的宣傳和推廣起到了積極的推 動(dòng)作用。近兒年我國公路防護(hù)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，噴播技術(shù)等新技術(shù)已經(jīng)在公路綠化中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于劣質(zhì)土坡及巖石邊坡的植被防護(hù)，目前國內(nèi)的研究還很少，陳振盛（1995） 及黃尊景（1995）對(duì)臺(tái)灣泥巖邊坡采用播種、植苗及植生帶等方法來防護(hù)，劉桂元 （1998）對(duì)軟巖邊坡栽植葛藤、松樹等進(jìn)行防護(hù).李旭光（1995）、張俊云（2000）、杜 娟（2000）和江玉林（2000）分別介紹了

18、日本的客土噴播護(hù)坡技術(shù).章夢(mèng)濤（2000）、張 俊云（2001）、舒翔（2001）、周穎（2001）等在借鑒日本同類技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以土壤為主要材料、硅酸鹽水泥為粘結(jié)材料的噴混植生試驗(yàn)，并在內(nèi)昆、株六等鐵路及惠河高速公路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得一些研究成果。另外，許文年（2002）開發(fā)的植被混凝土邊坡綠化技術(shù)，與噴混植生技術(shù)也較為相似。1999年及2002年， 針對(duì)劣質(zhì)土坡及巖石邊坡的植物護(hù)坡做了大量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前采用的方法護(hù)坡效果并不理想.總體上看，國內(nèi)對(duì)劣質(zhì)土坡及巖石邊坡的植被防護(hù)研究仍處于初期 探索階段.針對(duì)硬質(zhì)巖邊坡的植被防護(hù)，西南交通大學(xué)等單位成功開發(fā)了厚層基 材噴射植物護(hù)坡技術(shù)，并

19、且在國內(nèi)獲得了較為廣泛的應(yīng)用。理論研究方面，中國科學(xué)院南京土壤研究所王庫、中國科學(xué)院成都生物研究所吳 望、中國利學(xué)院地理研究所吳淑安 、中困科學(xué)院水利部西部水土保持 研究所李勇、吳欽孝、朱顯漠 等人通過模擬降雨試驗(yàn)對(duì)根系對(duì)土壤侵蝕的防 護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了研究。解明 在綜合國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果從礎(chǔ)_L.,對(duì)植物根系固 坡的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了深入的理論研究；云南省地理研究所周躍從根據(jù)土壤學(xué)、 生態(tài)學(xué)和植物生理學(xué)的有關(guān)原理，在國內(nèi)引入了坡面生態(tài)工程(Slope Eco-Engineering,簡(jiǎn)稱SEE)的概念。這些研究成果在高速公路的生態(tài)防護(hù)的設(shè)計(jì)、 施工與管理起了有益的指導(dǎo)作用。生態(tài)防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用在國外發(fā)達(dá)

20、國家己有很長(zhǎng)的歷史,如美國于1936年在南加利福尼亞州的Angeles Crest公路邊坡治理中就應(yīng)用生態(tài)防護(hù)技術(shù)。高速公 路邊坡工程在我國目前沒有成功的經(jīng)驗(yàn)和定型的模式，更無技術(shù)規(guī)范可循，也沒有專門的設(shè)計(jì)單位和施工隊(duì)伍，多依賴于園林部門和高等農(nóng)林院校， 但往往由于 高速公路的特殊性，在諸多方面造成了浪費(fèi)和不合理現(xiàn)象。一方面表現(xiàn)在施工過 程中采用傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)治理措施， 大量使用工程防護(hù)，生態(tài)防護(hù)只是其中的點(diǎn) 綴作用，忽視了植物防護(hù)的生態(tài)功能；另一方而表現(xiàn)在以往片面強(qiáng)調(diào)了植物的景 觀功能，而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性考慮不足，往往有防護(hù)過后失穩(wěn)的情況發(fā)生。止匕外,國內(nèi)的研究人員過多集中在水土保持學(xué)的研究，

21、忽略了坡而植物根系的工程力學(xué)行為及與植物防護(hù)與工程防護(hù)相結(jié)合防護(hù)的研究，因而防護(hù)理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于防護(hù) 技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展?？傮w來說，目前關(guān)于國內(nèi)植物防護(hù)方面的研究不足在于 ：缺乏大范圍的公 路路域生態(tài)恢復(fù)研究。公路路域植被恢復(fù)的理論研究較少。 公路路用植物資 源研究較少在公路邊坡植物防護(hù)系統(tǒng)工程技術(shù)方面研究不夠， 特別是坡面硬度 大而陡的地段，其邊坡植物防護(hù)難題尚未解決 .取、棄土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究 不夠國內(nèi)公路路用植物育種工作還未開展公路生態(tài)恢復(fù)工程成本效益分析研究缺乏3生態(tài)防護(hù)理論3.1 生態(tài)工程設(shè)計(jì)生態(tài)工程的含義是，應(yīng)用生態(tài)學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)理論和系統(tǒng)論方法，以生態(tài) 環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展為

22、目的（可持續(xù)發(fā)展），對(duì)人工生態(tài)系統(tǒng)，人類社 會(huì)生態(tài)環(huán)境和資源進(jìn)行保護(hù)，改造，治理，調(diào)控，建設(shè)的綜合工藝技術(shù)體系或綜 合工藝過程。生態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是，保持系統(tǒng)的持續(xù)性，維護(hù)生態(tài)的整合性，保持系統(tǒng)自維 持性，自調(diào)節(jié)力，自組織力。其基本原理包括：1.系統(tǒng)論原理，馬世駿教授曾提出的“整體，協(xié)同，循環(huán), 再生”理論；2,生態(tài)環(huán)境效益與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同原理；3,投入產(chǎn)出原理；4, 產(chǎn)出與市場(chǎng)協(xié)調(diào)原理；5,生物的多樣性原理，一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生物群落越復(fù)雜， 它的生物生產(chǎn)力就越多，穩(wěn)定性就越強(qiáng)；6,生物種群的分布原理，注重防護(hù)效益，7,生物之間共生，互生，抗生原理；8,機(jī)能節(jié)律與時(shí)間節(jié)律的配合原理； 9,生態(tài)位與

23、擴(kuò)展的生態(tài)位理論，不同的生態(tài)因子都具有明顯的變化梯度，不同 的梯度可以為各種生物所占據(jù)，利用和適應(yīng)的部分稱為生物的生態(tài)位， 又可分為 生境生態(tài)位，功能生態(tài)位，超體積生態(tài)位；10,生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)，物質(zhì)循環(huán)， 信息傳遞與食物鏈。生態(tài)工程涉及的基本內(nèi)容：生物種群的選擇，生物群落的設(shè)計(jì)，人工環(huán)境設(shè) 計(jì)，節(jié)律匹配設(shè)計(jì)，人工食物鏈設(shè)計(jì)，加工鏈設(shè)計(jì)。生物群落的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：植物與之物之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮地上部分的組合和 地下部分的組合，分泌物與植落物的組合，種群的互利互補(bǔ)作用，節(jié)律匹配設(shè)計(jì)。（河南公路廳公路綠化工程）3.2 公路交通的生態(tài)環(huán)境公路生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)象：對(duì)自然生態(tài)的保護(hù)。主要內(nèi)容包括森林，濕地,自

24、然保護(hù)區(qū)，地表及地下水流和土地等重要生態(tài)系統(tǒng)及自然資源的保護(hù)，水土保持及生物多樣性的保護(hù)等。公路交通的生態(tài)學(xué)效應(yīng)：1,阻隔效應(yīng)2,接近效應(yīng)3,城鎮(zhèn)化效應(yīng)4,小 氣候效應(yīng)5,公路交通環(huán)境污染效應(yīng)3.3 植物護(hù)坡生態(tài)學(xué)理論一演替理論典型的陸生植物群落的演替模式，通?？梢詣澐譃榈匾氯郝潆A段，苔葬群 落階段，草本群落階段和木本群落階段。演替的過程中的進(jìn)展與逆行。演替機(jī)理，單元頂級(jí)學(xué)說 多元頂級(jí)群落理論， 頂級(jí)配置學(xué)說二 限制因子原理。如在巖石邊坡上恢復(fù)植被，由于沒有土壤，植物不能生 長(zhǎng)，因此必須從土壤這一限制因子出發(fā)， 在巖石邊坡上噴附土壤，以提供植物生 長(zhǎng)所需的土壤環(huán)境，才能恢復(fù)巖石邊坡的植被。三與

25、空間有關(guān)的生態(tài)原理1種群密度制約原理P=KS3/2 K為常數(shù)，描述種間的異質(zhì)性，S為單株植物可利用空間。2生態(tài)位原理在特定的生態(tài)區(qū)域內(nèi)，自然資源是相對(duì)恒定的，如何通過生物種群匹配，利用其生物對(duì)環(huán)境的影響，使有限資源合理利用，增加轉(zhuǎn)化固定 效率，減少資源浪費(fèi)，是提高人工生態(tài)系統(tǒng)效益的關(guān)鍵。3綴塊-廊道-基底理論景觀生態(tài)學(xué)的理論能夠廣泛的應(yīng)用于恢復(fù)生態(tài)工程中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)在大，中尺度上，必須考慮土地利用的整體規(guī)劃，考 慮生境的破碎化，恢復(fù)與保持景觀的多樣性和完整性，在保護(hù)區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)用島嶼生物地理學(xué)理論，在物種保護(hù)時(shí)考慮他們所生存的生態(tài)系統(tǒng)和景觀的多 樣性和完整性。四生物多樣性原理Ma

26、c Arthur (1955)把自然群落的穩(wěn)定性歸結(jié)為取決于兩方面的因素，一是 物種的多少，二是物種間的相互作用大小，而物種的多少對(duì)穩(wěn)定性的作用是最基 本的。一個(gè)物種較多的群落就可能保持穩(wěn)定。Elton (1958)根據(jù)對(duì)物種入侵的研究提供了類似的理論。他認(rèn)為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的植物或動(dòng)物物群落易于受到毀滅 性的干擾，因而抵御外來種入侵的能力較弱。五自生原理1 .自我設(shè)計(jì)和自我組織原理2 .自我維持原理3 .自我調(diào)節(jié)原理(同種生物種群間密度的自我調(diào)節(jié)；異種生物種群之間數(shù)量 調(diào)節(jié)；生物與環(huán)境之間的相互適應(yīng)調(diào)節(jié))3.4植被護(hù)坡理論3.4.1 公路邊坡植物防護(hù)的作用機(jī)理分析降雨對(duì)坡面的侵蝕有三個(gè)過程：首先

27、是雨滴擊濺侵蝕，進(jìn)而形成片狀水流侵 蝕，最后在水流集中處出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕， 其中以細(xì)溝侵蝕破壞作用最強(qiáng)，細(xì)溝逐步 加大形成較大的沖溝，引起坡面滑坍等破壞。植物對(duì)坡面的防護(hù)，主要表現(xiàn)在攔 截雨水、減緩遷流和保護(hù)土壤，具體包括：緩和雨水的沖擊，植物的莖葉及枯 枝路葉層能攔截雨滴，起到消能作用，降低了雨滴對(duì)坡面的沖擊：增大入滲量，相應(yīng)地減少了坡面徑流量，隨著覆蓋度增加，入滲量也隨之增大，而坡面徑流量 和徑流速度相應(yīng)隨之減少。這是由于植物的枯枝落葉在地面形成松散覆蓋層，植物的根系在土壤中形成了大小不一、縱橫交錯(cuò)的孔道，植物的殘?bào)w為土壤制造了 的腐殖質(zhì)，增加了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了土壤透水能力，相應(yīng)地減

28、少了坡 面徑流，同時(shí)也大大減緩了坡面徑流的流速，降低了雨水的侵蝕作用強(qiáng)度；支撐作用，植物根系交織形成了，巨大的根系網(wǎng)絡(luò)，在土壤表層形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將 其周圍土壤縛緊，使得坡面20cm左右深度范圍內(nèi)形成了一個(gè)加筋整體。因而在坡面上建植植被對(duì)坡面表面具有較好的護(hù)坡作用（作用機(jī)理如圖2-1）圖2-1植被護(hù)坡機(jī)理框圖其中，植物的水文生態(tài)功能：植物的水文生態(tài)功能有垂直截留和蓄水等作用。植物的垂直截留作用，它含有樹冠層、灌木草本層、枯枝落葉的截面， 據(jù)劉向東研究樹冠層的截留作用因樹種、樹分密度和郁閉度不同而有較大差異， 截留率約9.7%-25%之間，有時(shí)還要高；枯枝落葉片對(duì)天氣降水的截留率約為 5.64%

29、13%0枯葉落葉層和腐殖質(zhì)層的保水作用：據(jù)鄒厚遠(yuǎn)、賈恒義等的研究，枯葉落葉層的最大持水量為1.7-3.5倍，而腐殖質(zhì)層的最大持水分為61.2A-7.34%,較一般土壤多10-23.4%。雖然植物防護(hù)優(yōu)點(diǎn)明顯，但是公路邊坡 植物防護(hù)仍然存在局限性。植被的覆蓋增了地表粗糙度和土層的滲透性，導(dǎo)致土層滲透能力的增加，提高了土體的孔隙水壓力。邊坡植物離不開賴以生存的土體 環(huán)境，因此邊坡植物需要適當(dāng)條件才一能生存。雖然坡面植物具有同桿或樁相類 似的功能，但不應(yīng)該簡(jiǎn)單地把坡面植物的力學(xué)增強(qiáng)效果同錨桿或樁的加固效果類比。植物是活的生命體，它與自身生活的環(huán)境 (即根系分布范圍內(nèi)的巖土體)互相 影響、互相作用，形

30、成一個(gè)開放的系統(tǒng)，它具有自我發(fā)展、自我適應(yīng)的特性。分 析坡面植物對(duì)邊坡淺層土體的穩(wěn)定， 應(yīng)把有利因素及不利因素綜合起來考慮。 同 時(shí)，邊坡植物防護(hù)對(duì)邊坡的防侵蝕有很大的作用。因此，本章主要考慮邊坡植物防護(hù)的淺層加固和邊坡邊沖刷問題。3.4.2植物防護(hù)的力學(xué)分析一坡面徑流侵蝕的能量分析坡面水流在由坡頂向坡下流動(dòng)過程中，由于勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，徑流流速愈來 愈大;同時(shí)，由于水流在流動(dòng)過程中要克服沖刷、攜帶輸移上壤顆粒以及流體內(nèi) 部紊動(dòng)、混摻消耗內(nèi)能等而作功，其具有的能量將會(huì)在流動(dòng)過程中損失掉一部分。 現(xiàn)利用能量守恒定律來分析水流自坡面頂端到坡面上任一斷面間的能量損耗。設(shè)單寬徑流在坡面頂端所具有的勢(shì)能為

31、 E =p=pqglsin 0,動(dòng)能為E動(dòng)=1/2 P qv2,在 理想情況下，水流到達(dá)坡面任意斷面時(shí)的總能量應(yīng)為“qgLsin 0 +1/2 P q1/:;但山于能量耗損，坡面一上任意斷面處水流的實(shí)際總能量與理想情況下有很大差別， 可根據(jù)實(shí)測(cè)的任意斷面處水流的實(shí)際總能量來計(jì)算水流流動(dòng)過程中的能量耗損 即：Ex=l/2qz 叩1+q; f>g(L-X)sin 0式中L一坡面的長(zhǎng)度；X一坡面上任意一點(diǎn)距坡頂?shù)木嚯x；Vx流速；q '一流量假設(shè)坡而上壤基本達(dá)到水飽和狀態(tài)，因此入滲的水量可以忽略不計(jì)。則坡 面任意斷面處徑流所損失的能量為 E耗二E勢(shì)+E動(dòng)一 Ex。其中，AE主要由 兩部分

32、組成：即水流耗于土壤沖刷及輸移土壤顆粒的能量和水流內(nèi)部混摻紊動(dòng)的 內(nèi)能消耗。實(shí)際上水流內(nèi)能消耗與水流的流態(tài)等有關(guān)，對(duì)應(yīng)一定的坡度和地表糙率狀況、坡面水深等變化不大，而水流沖刷地表耗能則與地表糙率、流速、水深 及地表物質(zhì)組成、地表抗蝕性等關(guān)系密切。在不同的坡度下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙率和坡面徑流能耗之間均存在著良好的 對(duì)數(shù)關(guān)系。該關(guān)系可以用下式表達(dá)：Dr=k(ln a E-&)式中k一與土壤種類有關(guān)的侵蝕性系數(shù)；A E一，上0 一徑流在坡面上的能耗；氏一坡面土壤侵蝕發(fā)生的臨界能耗；Dr 一坡面土壤侵蝕率二坡面沖刷水動(dòng)力學(xué)分析1.水流中土顆粒受力分析(泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論)土顆粒在坡面上除了本身的重

33、力和粒間粘結(jié)力外，在水流作用下，還會(huì)受到浮力、拖曳力FD、上舉力FL、滲透壓力Fs,在運(yùn)動(dòng)過程中，還會(huì)受到粒 間離散力、摩擦阻力等力的作用。在這些力的共同作用下，坡面表層土顆粒表現(xiàn) 為穩(wěn)定和失穩(wěn)起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、沉積及其不同狀態(tài)。(1)土顆粒的浮容重w,式中丫 s一一顆粒容重；丫一水的容重；D-. 土壤的粒徑(2)拖曳力和上舉力水流和土顆粒表面接觸時(shí)將產(chǎn)生摩擦力F10當(dāng)水流雷諾數(shù)稍大時(shí)，顆 粒頂部流線將發(fā)生分離，并在背水面產(chǎn)生渦漩，從而在顆粒前后產(chǎn)生壓力差，形 成形狀阻力幾。F1和F2的合力為拖曳力FD。坡面流流動(dòng)過程中，固體物顆粒 頂部的流速顯著大于底部顆粒間滲透水流的流速， 根據(jù)伯努力原理，將產(chǎn)

34、生壓力 差和與空氣動(dòng)力上升力類似的上舉力 FL。設(shè)土物顆粒為直徑為D的球狀體，則:w tv v cFd=Cd(工 D%) ( P d/2)Fl=Cl( D2/4) ( Pu02/2)式中Co阻力系數(shù)；CL上舉力系數(shù)；P水的密度；uo顆粒表面水流速度(3)滲透壓力當(dāng)土體入滲率較大時(shí)，水流入滲會(huì)產(chǎn)生與入滲方向一致的 滲透壓力Fsc(l+c) Y a/i J3S h式中C系數(shù)器L-土體的孔隙率；曲/as水力坡度或Fs= ¥ JspD3/6式中Fs滲透壓力；Js上堞中滲透水流的水力坡度(4)粒間離散力當(dāng)大量顆粒產(chǎn)生推移運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些推移質(zhì)顆粒有的剛起動(dòng)，速度還很小， 有的則已從水流中獲得較大的

35、動(dòng)能， 以較快的速度向前運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中 便不可避免地相互碰撞，由此發(fā)生能量交換，從而產(chǎn)生一定的力。所產(chǎn)生的沿水 流方向的力為剪切離散力，與水流方向垂直的力為粒間離散力。 粒間離散力可由 動(dòng)量原理來推求。(5)粒間粘結(jié)力粒間粘接力為固相顆粒之間的力，表現(xiàn)為顆粒間具有親和力，是土壤顆 粒的吸附作用、薄膜水不傳遞靜水壓力、顆粒的電化學(xué)作用和水的化學(xué)作用等綜 合作用的結(jié)果。三坡面土顆粒的起動(dòng)條件(1)在平面土的起動(dòng)條件當(dāng)坡面上為無粘性均勻土?xí)r，從_L顆粒受力平衡出發(fā)，平面上顆粒開始滑動(dòng)的臨界條件為:F產(chǎn).FjF5)式中f-土顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)土的粒徑為D,其中，流速分布選用：'UQ=

36、5.75U*log30.2 x uy。i=U*f (U'D/v)式中u*"摩阻流速；x校E系數(shù)，與雷諾數(shù)行關(guān)；J2左右的,個(gè)系數(shù)；r接近1的一個(gè)系數(shù)； v一一動(dòng)力粘滯系數(shù)注意到式“二YM和U*鋁W把上而有關(guān)表達(dá)式代入上尤演化得到起動(dòng)槍曳 力1Tf (U*D/v) ( y s- r )D(2)在坡而L的起動(dòng)條件在斜面上，必須考慮上顆粒沿斜面方向的分力。設(shè)坡面傾角為 0,水流與坡面水平軸成a角度。重力在平行和垂直斜IN的分力分別為w' sin 0、w' Cos 0拖曳力Fd與水流方向一致，上舉力Fl,與斜面垂直，則沿斜而的合力F為：( Fin ci +(wf +

37、F0sme ) 2+FD2cos2ti 斜面上土的起動(dòng)條件可表示為 F/(w '十Fs) cos 0-R)= tg© 二f式中.卜.在水卜的休止加；f, tg。"強(qiáng)顆粒起動(dòng)摩擦系數(shù)川”人區(qū)心皮匚的心，力瓶叨力結(jié)合平面上的起動(dòng)條件：為了簡(jiǎn)化計(jì)貨a=90即水流沿斜而向下流動(dòng)，相當(dāng)于坡面和沖刷溝槽底 側(cè)的沖蝕，此時(shí)，t ' c = Ceos。-sin U /tg ) r 四植物與邊坡相互作用力學(xué)分析1在一草本植物根系加筋的作用下，土體的抗剪強(qiáng)度可寫為« 施T=c+a tan+ tf= (c+V7)sin/A+ £方苫in(90班”A) +7*1

38、j ;.鼻C er + y 7 cosft/A+ V7/cos(90-tpt) ) tan/J«JW 打式中Tj根的抗拉應(yīng)力；由根的實(shí)驗(yàn)室抗拉實(shí)驗(yàn)前定；81根剪切變形角，由野外根系直剪實(shí)驗(yàn)獲得；傘土體內(nèi)摩擦角，可由土的直的實(shí)駱獲得在垂直根系木本植物根.根系的最大錨同力為QQT=F=2Jt M ¥，尸(胃)+ 0(工)=必n水平根系木木植物根作用下.若要保持土體的穩(wěn)定地須泅足Ftcos Q -Wsin a -w cos “ UmpLN。植物的水文效應(yīng)(I)植被的降雨截留E=k , P PWP * E= E P > P *式中E降雨截留量； '最大截留系數(shù)； P-

39、降雨量0 E*最大降雨量 (2)植被的削弱濺蝕功能 無植被覆蓋】雨滴的動(dòng)能為Ej=mgH有植被覆蓋，雨滴的動(dòng)能為E2=tngh/ n對(duì)于草本覆蓋層可以認(rèn)為 h=0則雨滴到達(dá)地表時(shí)的動(dòng)能為 E2=0可以認(rèn)為 植物完全消除了雨滴的濺蝕。(3)植被抑制地表徑流功能土地沖蝕的強(qiáng)弱取決于徑流流速的大小， 徑流所具有的能量，在草本植物多 時(shí)，能夠有效地分散，減弱徑流改變徑流形狀，竟留在草叢間迂回流動(dòng)，則徑流歷時(shí) T=5由于竟留在草叢間迂回流動(dòng)，從而加大了流程和減慢了流速，因此式變?yōu)門' = (L+U ) / (V-Vr )五坡面力學(xué)計(jì)算利用能量法計(jì)算植物量表面徑流水力學(xué)參數(shù)流量q,水深h,流速v水

40、土流勢(shì)能E。路面匯流在路肩 邊緣的流速V 在坡面任意距離X處水土流質(zhì)量為 m,水土流勢(shì)能E摩擦耗能E 2水土流動(dòng)能E 3,路面匯流坡腳流速V 一 匯流歷時(shí)ti為h = u (Leos u /1anu 3 口)04v =(1/ ii X ILcos 產(chǎn)4恰廣口q = v h=1Lco$uH f)=m t g ll-m g L sin at 1-L44"U B里產(chǎn)v l=2X B/60 l尸非釗i9舞/43.35P產(chǎn)E 產(chǎn)；EivJ壯尸10+(小2 * x/L)E 戶R gL m 1M1/2) nij tos a 艮.(1/2)(叫+加力¥ /式q】q單噴流量(nC/min)；

41、I單寬降削強(qiáng)度(m/min)；L獨(dú)長(zhǎng)(m：口坡面與水平面夾角；h坡面粗糙系數(shù)：mi水上流微元初始質(zhì)量(此時(shí)僅為水流質(zhì)量)；H水土流微元初始坡高：v2一水上流在坡腳的速度；Hi路面機(jī)糙系數(shù)；L橫坡坡度；11路曲寬度根據(jù)旋成守忸和轉(zhuǎn)換定律. EdE尸E ? + E ?m 卜 g【fin 口 +(1/2)tnv /= u g L | mj+f L/2)mzcns u +(1/2) (m |+m2) v 22m尸m i(2 g Lsiii u .2 P gUxw。+ 卬?- vV(口 gLcos 由十 v，)假定：I本不入滲2在植物防護(hù)下，邊坡不發(fā)生沖刷(即m產(chǎn)m1月徑流量不變 根械(2.23) -(

42、2-35)公式的推導(dǎo)，可得出-h =(2 g *in « + v*2 v 9y 3 gLcos u根據(jù)u與植物的關(guān)系，從而確定植物量。同時(shí)從植被的抑制地表徑流功能來 說由于徑流在草從間遷回流動(dòng)，從而加大了流程和減慢了流速，因此u為保守值， 完全能保證邊坡的抗沖刷能力.六驗(yàn)算在植物防護(hù)作用下的邊坡抗沖刷能力(泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理)根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，以邊坡上的顆粒為研究對(duì)象。在最不利條件下，分析顆粒的穩(wěn)定性：，從而保證邊坡的穩(wěn)定性。在植物防護(hù)的從礎(chǔ)上，假定水流沿坡而流動(dòng) （即坡向沖蝕），入滲方向垂直邊坡，顆粒間沒有粘聚力.啕仲乂 ；上書力為邊坡"U刑如畏”當(dāng)F滑介力F工：U物產(chǎn)乍的抗

43、剪切力和用察力后二一同.，I 刷。通過通知比較確定2植物防護(hù)*邊坡電定.F= Fp +wP sin 8Ft二 u （j ms。*F> Fs）+ < £7>siti6/A+ E T cos/A tun。）A（(3-37)(2-38)Ft.Fu國2-1S2-2式中Ai顆粒作用面型r丘、Fl,也由公式Q-5X26R-7）求得：口坡面粗糙系數(shù)（2>利用水利學(xué)原克，計(jì)算水流下推力R條件下（上重工2）%或細(xì)2F 寸卜乜口+p fYj'T)dJsina 6 h = ( m ILcx>sa/tanc 5a )':039) (2-40) (2川)Y)d&#

44、39;cos3/6+(7sin£j/A+7cosd Atane) Ai式中I-L單寬降雨強(qiáng)反.皿s；-坡氏.m；坡面與水平面央角：一顆粒容量：一水的容重：土堞的粒彼;一顆粒作用面枳其中的假設(shè)都不利于顆粒穩(wěn)定，因此，只要滿足F大于Fi.題粒就一定穩(wěn)定，從而 邊坡不發(fā)生沖刷.4植物護(hù)坡的主要工藝要求4.1 植物湖泊總體設(shè)計(jì)模式詵擇硝道府苗辿茶祿化技術(shù)4.2 植物群落類型設(shè)計(jì)1.1 .1主要類型森林型：以喬木，亞喬木為主要成分，適應(yīng)于周圍為森林，山地，丘陵，城 鎮(zhèn)為主。草灌型：灌木34m以下，大陡坡，易侵蝕面及周圍為農(nóng)田，山地等適用.草本性：適應(yīng)于極陡邊坡，巖石邊坡.觀賞性1.2 .2設(shè)計(jì)要求植物生物學(xué)，生態(tài)學(xué)特性適應(yīng)于自然環(huán)境；植物群落所具有的功能近似于自 然；景觀上近似于自然。1.3 .3設(shè)計(jì)方法地區(qū)環(huán)境觀察，一般森林生態(tài)適于中地形植物群落，草原生態(tài)適應(yīng)于草灌， 草本型；景區(qū)，城區(qū)適應(yīng)于觀賞型。此外要注意邊坡的形狀，