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边坡类型及其坡面生态防护进展

浏览数量:22     作者:河南景绣     发布时间: 2018-03-27      来源:河南景绣

边坡类型及其坡面生态防护进展

边坡是指地表面具有倾向临空面的地质体,是广泛分布于地表的一种地貌景观。其包括天然山坡和工程边坡,按其组成材料性质又分为土体边坡和岩体边坡。天然山坡是在自然地质作用下形成的,在山区广泛分布,如沟谷和江河岸坡;工程边坡是因工程建设需要经过人工开挖或填埋而形成,如道路交通的建设,水利水电工程的设施、露天矿山的采掘以及城市地质环境的利用与改造等,这类边坡因工程的性质不同有一些区别。按照挖方、填方等可分为上边坡、下边坡;按照坡面岩土性质可分为土质边坡、岩质边坡和水泥锚喷边坡等;此外边坡的高度、陡度、面积等也有多种类型。这些经过人工扰动和失去植被覆盖的裸露边坡,坡面容易变得很不稳定,容易风化和导致水土流失,甚至造成滑坡、塌方、泥石流等地质灾害事件的发生,不利于抵抗恶劣的气候条件,同时也破坏了生态系统,动植物的生存环境受到严重干扰等危害。


1. 边坡类型划分


边坡是坡面、坡顶及其下部某个深度坡体的总称。边坡的临空斜面称为坡面,坡面与坡顶面的转折部分称为坡肩,边坡下部与平地相接部分称为坡脚,坡面与理想水平面交线称为边坡走向线,坡面与理想水平面较大的夹角称为坡角,坡面与理想水平面的较大夹角称为坡角,坡顶面与坡面下部至坡脚范围内的岩(土)体。


边坡根据分类标准和分类目的不同,边坡有多种分类方式,例如根据成因、岩土性质、边坡高度等因素进行分类。边坡的一般分类如下:


1.1 按岩性和土质不同分类


我国幅员辽阔,自然条件复杂,地形地貌类型多样,按照岩石性质划分,边坡类型如表1所示:


表1 按照岩性划分的边坡类型分类




分类依据  

亚类名称  

简 述  


岩石类别  

岩浆岩边坡  

由岩浆岩构成可细分为侵入岩边坡及喷出岩边坡  

变质岩边坡  

由变质岩构成可细分为正变岩边坡副变质岩边坡  

沉积岩边坡  

由沉积岩构成可细分为碎屑沉积岩边坡碳酸盐岩边坡粘土岩边坡特殊岩(夹有岩盐、石膏等)边坡  

岩体结构  

整体结构边坡  

边坡岩体节理裂隙不发育整体性好,岩体稳定  

块状结构边坡  

边坡岩体成块状结构岩体较完整由岩浆岩体厚层或中层沉积岩或变质岩构成  

层状结构边坡  

边坡岩体成层状结构由层状或薄层结构状沉积岩或变质岩构成  

碎裂结构边坡  

边坡岩体成碎裂状结构由强风或强烈构造运动形成的破碎岩体构成  

散体结构边坡  

边坡岩体呈散体状结构由全风或大断层形成的很容易破碎岩体构成  

岩石走向倾向与坡面走向倾向的关系  

顺向边坡或顺层坡  

二者基本一致  

反向坡  

二者的走向基本一致但倾向相反  

斜向坡  

二者的走向成较大角度(>45度)相交  


按土质类型分类如表2所示,

表2 按照土性划分的边坡类型分类


类型  

简述  

黄土边坡  

黄土一般呈棕黄色或淡黄色多孔孔隙比一般大百分之40到50,以粉粒为主,质地均一,无层理。  

砂性土边坡  

主要由砂或砂性土组成的边坡以结构较疏松粘聚力低为特点作为工程边坡透水性较大饱和含水的均质砂土边坡在振动力作用下易于液化产生液化边坡  

粘土性边坡  

粘土以颗粒细密为主要特征但由于生成环境的不同各类粘土的组织粘土的组织结构物理力学特性等差别较大对边坡稳定性的影响也不一样但一般都具有干时坚硬开裂遇水膨胀分解呈软塑性状的特点  

软土边坡  

是指由淤化泥炭淤泥质土以及其他抗剪强度低的土组成的边坡。粘土由于其剪切强度低,流变性征显著,对于边坡稳定性不利。  

土石混合边坡  

由坚硬岩石碎块和砂土碎屑物质混合组成的边坡按其形成条件可以分成堆积型(包括沉积、坡积)和残积型。前者土石碎屑经搬运位移,如变形边坡的残留体或坡积体;后者则为基岩原位风化而成。  


1.2综合分类


表3 综合对边坡进行分类


分类依据  

名称  

简述  

成因  

自然边坡  

(斜坡)  

由自然地质作用形成的具有一定斜度地面的地段按地质作用可细分为剥蚀边坡侵蚀边坡堆积边坡  

人工边坡  

由人工开挖回填而形成与地面具有一定斜度的地段  

岩性  

岩质边坡  

(岩坡)  

由岩石构成按岩石成因岩体结构可细分(如表1)  

土质边坡  

(土坡)  

由土质构成按土体结构又可细分为单元结构多元结构土质混合结构土石叠置结构  

坡高  

特高边坡  

岩质边坡坡高大于30m,土质边坡坡高大于15m  

高边坡  

岩质边坡坡高15-30m,土质边坡坡高10-15m  

中高边坡  

岩质边坡坡高8-15m,土质边坡坡高5-10m  

低边坡  

岩质边坡坡高小于8m,土质边坡坡高小于5m  

坡长  

长边坡  

坡长大于300m  

中长边坡  

坡长100-300m  

短边坡  

坡长小于100m  

坡度  

缓坡  

坡度小于15度  

中等坡  

坡度15-30度  

陡坡  

坡度30-60度  

急坡  

坡度大于60度至垂直  

倒坡  

坡度大于90度  

稳定性  

稳定坡  

稳定条件好不会发生破坏  

不稳定坡  

稳定条件差或已发生局部破坏务必处理才能稳定  

已失稳坡  

已发生明显的破坏  



2. 边坡坡面生态防护进展


无论是公(铁)路路堑边坡,还是露天矿边坡以及沿河岸边坡,常年暴露在自然环境中,承受着各种自然条件的影响,诸如风吹、雨淋、太阳晒、水流冲刷、人类活动等,使各类边坡发生变形,出现病害,甚至破坏。边坡坡面的防护,可以使边坡坡面免受自然条件下的风化、侵蚀、雨水冲刷,确保边坡稳定不可少的辅助工程,是边坡防治工程的重要组成部分。


2.1国外边坡坡面生态防护进展


当前国外发达国家(如日本、澳大利亚、美国、加拿大等)多采用物理防护(修筑构造物工程)和生物防护(绿化植生工程)相结合,并优先考虑生物防护。常用的工艺有钢筋水泥框格法、植生卷铺盖法、客土植生法、纤维绿化法、生态多孔砼绿化法和厚层基材喷射绿化法等。


关于边坡的生态防护技术,国内外已经有很多人进行研究,也提出了不少新技术,但不同的技术方法和防护方案都有其适用的条件和范围,在不同工程、不同地形地质条件下的适用性、经济性以及与周围环境的美观和谐型等都不同。


国外生态防护理念起步较早。日本早在1633年,就采用了铺草皮和栽植树苗的方法开展荒山治理工程,1958年发明了液压喷播技术,并在1959年后获得了广泛的应用。1973年日本新开发出的纤维土绿化工法(Fiber-soil Greening Method)标志着岩质边坡生态防护工程的开始,也即是厚层基材喷射工法;此工法几经改进,1983年,日本进一步开发出了比较先进的高次团粒SF绿化技术(Soil Flock Greening Method),有效的解决了纤维绿化法的缺陷。此技术在日本已施工2万多个地方,施工总面积超过200万m2;1987年6月,日本从法国引进连续纤维加筋土工法。随后把它与已有的坡面绿化工程方法结合在一起,开发出连续纤维绿化工法(TG绿化工法)。该工法由于连续纤维的特性,使得基材能适应坡体的微小变形,且抗蚀性更强。TG工法于1988年开始实用化,至1992年4年间就已施工300万m2。之后,该工法又获得加拿大等国发明专利,并推广到中国香港、台湾。1995年,日本又开始进行植被多孔混凝土的研究,并获得一些成效但由于成本过高而没有得到广泛的应用。近年来日本开始全国推行实施乔、灌、草结合的多层立体绿化体系。目前日本在公路边坡生态防护方面已经形成了一整套的系统技术体系,并且制定了公路绿化防护技术规范,施工也已经基本实现了机械化,机械施工主要包括种子喷播法、客土喷播法、厚层基材喷播法等;部分人工生态防护的方式有:植生带(袋)法、钢筋混凝土框格法、肥料袋法、纤维绿化法和生态多孔混凝土绿化法等。其中,客土喷播技术在边坡生态防护中的应用较为广泛。日本在发展生态护坡技术时,并不只是单纯的追求施工技术的改变,在施工技术创新的同时,还在生态方面做了大量理论研究和科学实验,总体上看,日本在生态护坡工程技术研究方面已超越欧美国家,达到了世界先进水平。


在英国,生态护坡方法始于20世纪40年代末,用于陆地景观的稳定、堤岸和交通线路边坡的稳定等。欧洲国家铁路、公路沿线大多数是矮边坡,因此主要研究目的是雨水对护坡的侵蚀,通常采用的方法有活枝捆垛、树枝压条、枝条篱墙等总体来说欧洲国家的生态护坡技术较简单,但整体效果较好。


美国道路边坡生态防护始于上世纪30年代,经历了一系列生态灾难后,逐渐被重视起来。目前美国生态护坡的技术已经非常发达,机械化施工已经各方面实现。与此同时,美国注重于喷播绿化中基材的研究以及草籽的培育,目前很多国家都从北美市场购买进口草种及基材。


2.2国内边坡坡面生态防护进展


在生态护坡技术的研究和应用方面,由于我国的铁路、公路建设起步较晚,发展相对滞后,直到上世纪90年代以来才相继展开,生态护坡研究也相对滞后。开始也有些简单的方法对边坡进行绿化和治理,常用的有:撒草种,铺草皮,框架植草等。1989年前我国边坡的生态防护主要以人工作业为主,为了提高施工效率,实现机械化施工,广东省水利水电科学研究所于1989年从香港引进喷播机,开始在华南地区进行我国液压喷播试验。1990-1991年间,中国黄土高原治山技术培训基地与日本合作在黄土高原上开展了黄土高原边坡液压喷播试验研究。1993年我国引进土工材料植草护坡技术,与有关生产厂家合作,开发并研制了各式各样的土工材料产品,如三维植被网、土工格栅等。1996年在交通部指导下,云南省引入瑞士湿法喷播技术,并应用于昆曲、楚大等多条高速路,取得了不错的效果,随后该技术在沪宁高速路,陕西铜川-黄陵高速公路,青藏公路等多条高速路上得到推广应用。1997年以后,国内不少科研单位针对岩石边坡的植被防护,也开始进行较为广泛的应用研究,开发出喷混植生护坡、植被混凝土护坡、厚层基材植被护坡、喷射种植混合基材植被护坡等适用于岩石边坡的技术,统称为客土喷播技术。


为了更好的解决岩质边坡的生态防护问题,我国从日本引进了客土喷播技术,并于2000年在广东河惠高速公路岩石边坡上修建国内客土喷播试验工程呢过。随后,在借鉴日本同类技术的基础上,章梦涛、张俊云等人利用土壤为主要材料、并添加硅酸盐水泥为粘结材料,在惠河高速公路和株六、内昆等铁路进行喷混植生试验,取得了一些研究成果;在客土喷播的基础上,由西南交通大学和四川省励自自然生态与环境工程公司共同研究开发出了岩石边坡TBS植被护坡绿化技术,该技术比客土喷播适应性更好,在全国推广后,取得了很好的环保效果。另外许文年在02年开发的植被混凝土边坡技术,在岩石边坡的防护也取得了一些效果。


3.边坡生态防护发展趋势


总的来看,目前边坡生态防护存在着两种理念。一是解决以下三个问题: ( 1)边坡无土壤或土壤的理化性质非常恶劣;( 2)边坡陡峭,土壤不稳定,植物不易定植;( 3)选择能在条件恶劣的边坡上生长的植物,使坡面重新披上绿装,同时讲究景观效果,用高强度的人工养护来维持高速公路的绿和美。事实上,这也是现如今高速公路边坡生态防护工程实践主要所做的工作。二是边坡的生态恢复,希望通过人为的努力使边坡恢复到没有被破坏的状态。应该说这是一个理想的状态,是高速公路边坡生态防护的目标,然而我们又不得不说这只是一个美好的愿望。生态恢复也不仅仅是指植被的恢复,它还涉及到土壤、水条件、大气条件、微生物、动物等的恢复。高速公路建设对于路域生态环境的改变很大程度上是深刻的,是不可逆的。在这种情况之下要想完全恢复,其难度是非常大的,所需要的时间也是非常漫长的。


3. 1 人工辅助的自然生态重建


人工辅助的自然生态重建的含义:通过人工辅助的方法,尊重自然植被的演替规律,在生态系统允许的范围内进行绿化,使坡面能具有形成生态良性循环的自然恢复的能力。


3. 2 土壤的化学改良和生物改良


总的来看,边坡生态防护所面临的较大困难就是边坡上缺乏满足植物生长需要的土壤,土壤改良的方法有三:物理法、化学法和生物法。物理的方法较常用的就是换土,换土不但成本高昂,而且也破坏其他地方的生态环境,因此化学法和生物法是较为可取的,特别是生物的方法,还可与坡面绿化相结合,一举两得。


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