祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡生態(tài)防護(hù)措施探索

武龍慶金銘敬文茂馬劍趙維俊王榮新馬雪娥王婷

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省祁連山生態(tài)環(huán)境研究中心，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 張掖 734000；4.大熊貓祁連山國家公園甘肅省管理局張掖分局康樂保護(hù)站，甘肅 張掖 734000)

隨著我國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，在道路建設(shè)中地形復(fù)雜的情況逐漸增多，在復(fù)雜地形的建設(shè)中，道路邊坡的原始地貌有所改變，導(dǎo)致原有道路中的植被遭到了破壞，進(jìn)而產(chǎn)生了水土流失的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡。生態(tài)防護(hù)是近年來逐漸興起的道路邊坡防護(hù)技術(shù)之一，是將植物自身的特點與道路工程相結(jié)合，達(dá)到工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的目的。生態(tài)防護(hù)技術(shù)以保護(hù)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)，推進(jìn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為工程建設(shè)中必須要重視的問題之一[1]。本研究通過對祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡主要物種的研究，探索邊坡生物的生態(tài)護(hù)坡機理，為相同或相似生態(tài)區(qū)域的公路邊坡生態(tài)治理提供借鑒意義。

1 項目概況

祁連山區(qū)域周圍多戈壁和荒漠，氣候干燥，雨量稀少，蒸發(fā)量大，多風(fēng)沙，冬長而寒，夏短而熱，晝夜溫差大，屬于典型的大陸性荒漠草原氣候。平均氣溫為-0.6～2.0℃，年降水300～600mm，年蒸發(fā)量1200mm左右，無霜期90～120d，平均日照時數(shù)為2130h，極端最高低溫28℃，極端最低低溫-36℃。該地區(qū)最大凍土深度為1.41～1.88m。沿線土壤類型主要為山地森林灰褐土、山地栗鈣土、亞高山灌叢草甸土，土壤水分運行以上升為主，巖石風(fēng)化與成土作用微弱，土壤以粗骨性物質(zhì)為主，礫石及石塊占50%。風(fēng)蝕作用強烈，土表細(xì)土多被吹走，砂礫殘留形成礫冪，土層厚度一般為30～50cm。植被覆蓋率為5%～10%,土壤中有機質(zhì)含量少，礦化快。該地區(qū)水源主要來源于祁連山的雪水(70.7%)、地下潛流(25.1%)和冰川融化(4.2%)[2]。該道路沿線滑塌體坡積物多數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但有些地段可能由于填挖方不當(dāng)，會使滑塌體失穩(wěn)，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為邊坡堆積物的小型滑塌。

祁連山肅南縣大野口至小孤山公路地處肅南縣馬蹄藏族鄉(xiāng)，路線由小孤山方向至大野口依次途經(jīng)芭蕉灣村、樓莊子村、正南溝村，路線順接Z075專線K59加738.77處，全長共計23km，該路線的建設(shè)為帶動沿線經(jīng)濟的快速發(fā)展，沿線鄉(xiāng)村推進(jìn)經(jīng)濟、政治和文化的發(fā)展。該路線對祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)能夠起到重要作用，對加強祁連山森林防火體系建設(shè)具有重大意義，是肅南縣完善公路網(wǎng)路的重要道路之一。

2 邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)的原理

2.1 植被的護(hù)坡機理

涉及根系的研究自20世紀(jì)60年代已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界有關(guān)植物與土壤相互作用動態(tài)研究的重點課題。如應(yīng)用摩爾-庫倫強度理論設(shè)計的植物根系加筋作用的力學(xué)模型，以及使用植物根系錨固作用的力學(xué)模型等[3]；通過提高土壤抗沖性以及根系的水分運移作用等機理進(jìn)行的纖維束根增強模型和根束增強模型等[4]。生態(tài)護(hù)坡是依靠植物的地下根系與地上莖葉產(chǎn)生的作用，具體包括力學(xué)效應(yīng)與植物的水文效應(yīng)。力學(xué)效應(yīng)即植物在較長的生長過程中，以其龐大的根系穿過邊坡的土層，達(dá)到較深或較廣的根系覆蓋，從而吸附土層，固定土層。研究表明，植物的根系在地下0.75～1.5m，能夠有效地對土壤進(jìn)行固定，甚至對于塊狀、破碎的巖體也能夠起到一定的固定作用，一些植物的網(wǎng)狀根系可以分泌出有機物質(zhì)將松散的土壤粘合，促進(jìn)了土壤的堅固性。

植物的水文效應(yīng)是指植物在生長過程中，通過吸收與蒸騰邊坡坡體內(nèi)的水分，降低土體的孔隙水壓力，提高土體的抗剪強度。部分降雨被植物冠層截流，暫時儲存在植物上，之后被重新蒸發(fā)到空氣中。植物的莖葉將雨水進(jìn)行分層攔截，降低了雨水對邊坡的沖擊壓力,枯落物進(jìn)行分解之后，能夠形成較大的微團粒，降低土壤的重力，提高了土壤的抗沖擊能力和抗腐蝕能力。

2.2 植被與工程措施相結(jié)合

植被護(hù)坡與工程措施護(hù)坡是公路建設(shè)中常采取的護(hù)坡手段。其中，植被護(hù)坡的方式在公路建設(shè)的前期，主要局限是植被的覆蓋程度以及植被根系分布稀疏等原因，致使植物不能達(dá)到良好的護(hù)坡效果。植被護(hù)坡的優(yōu)勢在于造價較低、經(jīng)濟性較高，能夠快速恢復(fù)公路工程建設(shè)所破壞的生態(tài)環(huán)境。植被護(hù)坡隨著植物的生長、繁殖，更加能夠起到穩(wěn)定坡面的作用。通過植被的設(shè)計、種植和分布創(chuàng)造良好的環(huán)境，有助于道路沿線形成和美化。工程護(hù)坡的局限是造價較高，對路段需要進(jìn)行一定資金投入的工程護(hù)坡。工程護(hù)坡措施會隨著時間的推移、巖石的風(fēng)化、混凝土的老化、鋼筋的腐蝕而逐漸產(chǎn)生強度較低，效果越來越差的問題。

因此，在對公路邊坡進(jìn)行維護(hù)中，應(yīng)充分考慮路段的實際情況，將植被護(hù)坡與工程措施充分結(jié)合，以達(dá)到更好的護(hù)坡效果。

2.3 公路邊坡主要物種選擇

公路邊坡的形成通常為挖填方，因此通常邊坡土壤的穩(wěn)定是較差的，容易發(fā)生水土流失現(xiàn)象，選擇能夠起到防止水土流失作用的植物是邊坡治理的重要目標(biāo)。目前中國的公路邊坡坡度較大，喬木不適宜種植，且喬木過于高大，可能會影響道路行駛駕駛員的視線，不利于駕駛安全，因此邊坡生態(tài)防護(hù)的植物通常選擇以下幾種類型。

2.3.1 草本

草本優(yōu)點在于造價較低、生長迅速，有利于防治土壤侵蝕、美化效果好；缺點是根系淺，抗拉能力弱，在強降雨情況下容易發(fā)生沖毀和脫離。

2.3.2 灌木

灌木優(yōu)點在于生長迅速、根系發(fā)達(dá)，穩(wěn)定；缺點是造價略高，形成緩慢，覆蓋率低。

2.3.3 藤本

藤本的優(yōu)點在于覆蓋率高、美化效果好；缺點是形成緩慢，防治土壤侵蝕能力差。

因此選擇植被護(hù)坡需要遵循的原則：因地制宜，在項目所在地種植適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的植物，綜合考慮地區(qū)降水、氣候、溫度等情況；生長迅速、根系發(fā)達(dá)的植物，能夠在較短的時間內(nèi)生長，并通過發(fā)達(dá)的根系扎根土地，防止水土流失；抗干旱、耐寒的植物，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)的公路需要選擇更加耐寒耐旱的植物，增加成活率；兼顧實用與美化，選擇具有生長優(yōu)勢且美觀的植物，能夠起到更佳的作用。

3 祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡植被與工程措施

3.1 祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡主要物種護(hù)坡機理

目前祁連山大野口至小孤山公路邊坡的主要植物物種包括以下幾種。

3.1.1 吉拉柳

楊柳科柳屬，多年生灌木，生于高海拔3100～4680m的山坡或山頂，灌叢蓄水量大。

3.1.2 箭葉錦雞兒

豆科錦雞兒屬，多年生灌木，生于高海拔山坡或山頂。

3.1.3 高山繡線菊

薔薇科繡線菊屬，多年生灌木，生于向陽坡地或灌叢中，海拔2000～4000m，耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐陰濕，適應(yīng)性強。

3.1.4 鮮黃小檗

小檗科小檗屬，多年生灌木，生于灌叢中、草甸、林緣、坡地或云杉林中。海拔1620～3600m。

3.1.5 金露梅

薔薇亞科委陵菜屬，多年生灌木，生性強健，耐寒，喜濕潤，但怕積水，耐干旱，喜光，在遮陰處多生長不良，對土壤要求不嚴(yán)，在沙壤土、素沙土中都能正常生長，喜肥而較耐瘠薄。

3.1.6 銀露梅

薔薇科委陵菜屬，多年生灌木，喜光樹種，耐寒性強，對土壤要求不嚴(yán)，但喜濕潤環(huán)境，生于水邊、林緣、草地及高山灌叢中。

3.1.7 冰草

禾本科冰草屬，多年生草本，適應(yīng)半潮濕到干旱的氣候，生長在干旱草原或荒漠草原。天然生冰草很少形成單純的植被，常與其它禾本科草、苔草、非禾本科植物以及灌木混生。生于干燥草地、山坡、丘陵以及沙地。

3.1.8 芨芨草

禾本科芨芨草屬，多年生草本，生于微堿性的草灘及砂土山坡上，海拔900～4500m。

3.1.9 馬藺

鳶尾科鳶尾屬，多年生草本，根系發(fā)達(dá)，入土深度可達(dá)1m，須根稠密而發(fā)達(dá)，呈傘狀分布，具有極強的抗性和適應(yīng)性，具有很強的縛土保水能力。直立生長的葉片可有效地減少水分蒸發(fā)，緩解雨水對地表的直接沖刷，而且還利于根部透氣。耐鹽堿、耐踐踏，根系發(fā)達(dá)。

3.1.10 狼毒

瑞香科狼毒屬，多年生草本，生于海拔2600～4200m的干燥而向陽的高山草坡、草坪或河灘臺地。

3.1.11 苔草

莎草科苔草屬，多年生草本，春季萌發(fā)早，5月開花，6月結(jié)實。秋季再生較早，再生性強，所以耐牧。生長季節(jié)對水分條件敏感。

綜上，目前祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡植物主要有草本和灌木，其中草本植物具有生長迅速、美化效果好、覆蓋率高的優(yōu)點，能夠在春季萌發(fā)，短期內(nèi)扎根入土，形成一定覆蓋率，且能夠在祁連山高海拔區(qū)域生長，起到穩(wěn)固水土的作用。灌木則具有根系發(fā)達(dá)穩(wěn)定的優(yōu)點，主根、側(cè)根、須根交錯生長，向土層內(nèi)部延展，經(jīng)過吸收祁連山脈豐富的水源，逐漸填滿土層的孔隙，起到固定土壤，防止土壤侵蝕及水土流失的作用。祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡由于上述草本灌木植物的生長，水土流失情況不明顯。

3.2 祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡工程防護(hù)措施

祁連山肅南縣大野口至小孤山公路，路段沿線發(fā)育較多泥石流溝谷，目前泥石流溝谷規(guī)模較小，另外路段兩側(cè)分布著大量碎石土，有滑坡的風(fēng)險，因此目前主要采取的工程護(hù)坡措施有以下幾種。

3.2.1 路肩式擋土墻

部分路段路基加寬后坡腳先延伸較長，伸入河床中，易受流水沖刷。為保證路基穩(wěn)定，設(shè)計中根據(jù)實際地形設(shè)計了路肩式擋土墻，擋土墻基礎(chǔ)埋深根據(jù)抗冰凍和抗沖刷要求設(shè)計為2.0m。全線共設(shè)置路肩式擋土墻6415.02m3·1245m-1，均采用M7.5漿砌片石砌筑。

3.2.2 路堤式擋土墻

為保證路基寬度要求，減少填方數(shù)量及防治河流沖刷路基設(shè)置了路堤式擋土墻，以確保路基穩(wěn)定，擋土墻技術(shù)埋深根據(jù)并對和抗沖刷要求設(shè)計為2.0m。全線共設(shè)置路堤式擋土墻248.23m3·33m-1，均采用M7.5漿砌片石砌筑。

3.2.3 內(nèi)擋墻

為防止基邊坡碎落物滑落，在不穩(wěn)定處設(shè)置了內(nèi)擋墻，以確保路基邊坡穩(wěn)定，擋土墻埋深為1.5m。全線共設(shè)置內(nèi)擋墻1071.99m3·343m-1，均采用M7.5漿砌片石砌筑。

3.2.4 護(hù)面墻

為防止路基邊坡碎落物滑落，在路基邊坡不穩(wěn)定處設(shè)置了護(hù)面墻，以確保路基邊坡穩(wěn)定，護(hù)面墻基礎(chǔ)埋深為1.0m。全線共設(shè)置護(hù)面墻582.07m3·320m-1，均采用M7.5漿砌片石砌筑。

3.2.5 護(hù)坡

此工程在路基受河水沖刷且河床較寬的臨河設(shè)置了護(hù)坡，護(hù)坡基礎(chǔ)埋置深度2.5m。全線共設(shè)置護(hù)坡254m3·110m-1，均采用M7.5漿砌片石砌筑。

4 結(jié)論與討論

祁連山肅南縣大野口至小孤山公路邊坡植物目前主要有灌木和草木。既有草本植物的固土作用，又有灌木的穩(wěn)定、持續(xù)的護(hù)坡能力，且其中部分植物如馬藺、狼毒等具有良好的景觀效果。灌木和草本植物結(jié)合能夠起到控制水土流失、加固土體、加強邊坡穩(wěn)定作用的效果。公路邊坡生態(tài)的防護(hù)和治理，美化了生態(tài)環(huán)境，植被形成的具有空間感的環(huán)境，能夠在一定程度上緩解駕駛員的視覺疲勞，更利于安全駕駛。

目前，祁連山肅南縣大野口至小孤山公路所采取的工程護(hù)坡技術(shù)主要為擋土墻、護(hù)面墻以及漿砌片石砌筑。目前該路段的泥石流溝谷規(guī)模較小，泥石流規(guī)模不大，但是隨著水文的不斷形成，該路段發(fā)生泥石流的可能性較大，考慮使用水泥澆筑防護(hù)。而且采取工程防護(hù)措施，對道路邊坡的工程防護(hù)所需的成本要求較高，不但無法保證邊坡的穩(wěn)定性，反而形成較高成本。祁連山肅南縣大野口至小孤山公路自投入使用以來，沿線邊坡穩(wěn)定，沒有發(fā)生過滑塌現(xiàn)象，土壤侵蝕不明顯，生物護(hù)坡起到了重要的作用，且作為高海拔的區(qū)域，公路沿線生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，景觀優(yōu)美。公路邊坡現(xiàn)有生態(tài)防護(hù)，能夠為其它相同或相似氣候、地質(zhì)等道路提供借鑒意義。