1 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)研發(fā)背景

1.1 老式護(hù)坡存在的土壤流失問題

水土保持技術(shù)人員在多年的水土保持監(jiān)測工作中發(fā)現(xiàn)，目前在高速公路、鐵路、河道、立交橋護(hù)坡中常用的六角空心生態(tài)護(hù)坡磚（以下稱“老式護(hù)坡磚”）存在著比較嚴(yán)重的土壤流失問題。

通過對北京境內(nèi)的四環(huán)路、五環(huán)路、六環(huán)路、京承高速公路、京津高速公路、京開高速公路、延慶縣康張公路及2009 年新建成的西六環(huán)等20 余處老式護(hù)坡磚工程的調(diào)查，除蓮花橋等個別地處城市中心區(qū)、灌溉管護(hù)條件較好的護(hù)坡工程外，絕大多數(shù)護(hù)坡工程的老式護(hù)坡磚內(nèi)土壤流失量在20%～80%。僅延慶縣康張公路0.5 km長的一段挖方道路兩側(cè)護(hù)坡工程的水土流失量就達(dá)47 t。通過對坡比為1∶1.5 （坡度約為34°）的邊坡上常用的外邊長為20 cm、磚壁厚3 cm、磚內(nèi)深10 cm的老式護(hù)坡磚（見圖1）分析，1 m2 土壤流失量約在（15 ～ 60） kg，一處1 萬m2 的護(hù)坡工程土壤流失總量可達(dá)到（150 ～ 600）t。

圖1 老式護(hù)坡磚

由此可以推算這種在全國范圍被廣泛采用的“生態(tài)”護(hù)坡技術(shù)所帶來的土壤流失量是相當(dāng)驚人的，這無疑形成了“生態(tài)護(hù)坡反而造成劇烈土壤流失”的尷尬局面。然而，大量的文獻(xiàn)查閱和和檢索發(fā)現(xiàn)六角空心護(hù)坡磚引發(fā)的水土流失問題至今沒有相關(guān)研究和報道──這是一種目前仍被忽視、隱蔽性極強的水土流失。

1.2 原因分析

造成老式護(hù)坡磚土壤流失的原因是由于空心部分填充的土壤處于斜面不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)遇首次降雨或灌溉時，磚內(nèi)土體會發(fā)生沉降，使磚內(nèi)上部土體與磚壁間產(chǎn)生一個縫隙；當(dāng)坡面徑流繼續(xù)流入磚內(nèi)時，從縫隙處開始發(fā)生對土壤的沖淘，隨著坡面匯集的雨水逐步累積并加速下沖，使土壤在水力沖蝕和重力作用下逐漸被沖向下部。另外，磚內(nèi)的土在冬季會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，使表層土壤結(jié)構(gòu)變得疏松，到雨季時土壤流失加劇。隨著時間的推移，直至磚內(nèi)剩余土壤在磚的下邊框阻擋下，表面達(dá)到趨于穩(wěn)定的“水平狀態(tài)”時，坡面才進(jìn)入相對穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)對北京地區(qū)現(xiàn)有工程調(diào)查，磚內(nèi)土體穩(wěn)定過程約需要（3 ～ 5） a。即使在有草或灌木防護(hù)的坡面上，這一流失過程發(fā)生的概率也在90%以上。

1.3 老式護(hù)坡磚的不足及危害

1.3.1極易發(fā)生土壤流失，影響邊坡穩(wěn)定，危及道路安全

老式護(hù)坡磚內(nèi)的土體處于“斜面”不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生土壤流失，帶來路基的局部沖塌，影響邊坡穩(wěn)定，危及道路基礎(chǔ)安全。

1.3.2不利于植物生長，影響綠化效果

在實際應(yīng)用中與老式護(hù)坡磚配合的植被措施以種草或鋪草皮為主，雖然也有采用沙地柏、連翹、地錦等植物進(jìn)行景觀綠化，但灌木的樹冠截流效應(yīng)會在根部造成磚內(nèi)土壤的加速流失，不利于水、肥的保持，造成灌木和草生長的立地條件差，且可選擇的植物配置形式單一，影響綠化效果，無法發(fā)揮植物的蓄水保土作用。

1.3.3后期管護(hù)成本高

通過對20 余處老式護(hù)坡磚護(hù)坡工程的監(jiān)測，90%的工程水土流失情況較為嚴(yán)重，只有西三環(huán)蓮花橋、西四環(huán)定慧橋下的護(hù)坡效果較好，這主要是由于這兩處工程的后期管理和灌溉條件較好，而其他野外管護(hù)條件差的護(hù)坡工程（如延慶縣康張公路）都不同程度地發(fā)生了植被生長狀況不良，水土流失現(xiàn)象較嚴(yán)重的問題，說明采用老式護(hù)坡磚護(hù)坡對后期管理的要求較高。

1.3.4流失的土壤阻塞排水系統(tǒng)，縮短設(shè)施使用年限

老式護(hù)坡磚內(nèi)流失的土壤順?biāo)?，流入城市排水管網(wǎng)或溝道、水庫，產(chǎn)生大量泥沙淤積，縮短了排水系統(tǒng)或水利工程的使用年限，使得各部門投入大量的人力、物力、財力進(jìn)行清淤，造成了社會財富的極大浪費。

1.3.5造成土壤資源的流失，不符合“環(huán)境友好型社會”的發(fā)展要求

老式護(hù)坡磚具有一定的綠化和防護(hù)功能，但這種生態(tài)防護(hù)的表面現(xiàn)象卻掩蓋著較劇烈的土壤流失，失去了生態(tài)保護(hù)的意義，這種現(xiàn)狀與全國加快經(jīng)濟(jì)建設(shè)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)建和諧社會要求背道而馳，形成了“生態(tài)護(hù)坡反而造成劇烈土壤流失”的尷尬局面，不符合“環(huán)境友好型社會”的建設(shè)要求。

2 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡磚的設(shè)計

2.1 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的設(shè)計原理

在分析老式護(hù)坡磚缺點的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了一種新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，使其既具有其老式護(hù)坡磚施工簡單、工程造價低的優(yōu)點，又能克服其水土保持效果差的弊端。通過多方案的比選論證，提出新型的“坡改平”生態(tài)護(hù)坡磚技術(shù)（以下稱“新型護(hù)坡磚”），利用“坡改平”護(hù)坡磚的特殊結(jié)構(gòu)，將整個坡面分解為一個個“小平面”，以“小平面”土體的穩(wěn)定，實現(xiàn)整個坡面的穩(wěn)定，從而解決坡面土壤流失問題。

2.2 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡磚的設(shè)計

新型護(hù)坡磚為正六邊形，中空，內(nèi)部為正六邊形或圓形，底端面與水平面成一夾角α，α大小與所護(hù)邊坡的坡度相匹配（如圖2）。這樣，在坡面鋪設(shè)護(hù)坡磚時，磚底部與坡面相吻合，上端能夠保持水平，確保磚內(nèi)土體的表面保持水平穩(wěn)定狀態(tài)，不易流失，最大程度地保持土壤和水分。

圖2 新型護(hù)坡磚透視圖

為減少新型護(hù)坡磚自重分力產(chǎn)生的下滑力，防止重量累加可能對下部磚體的擠壓破壞，底端設(shè)計至少一組阻滑齒（見圖3、圖4），通過阻滑齒與邊坡基礎(chǔ)“咬合”，將磚體的重力就地傳導(dǎo)到坡面上，可以顯著減少磚體向下層的重力傳導(dǎo)。

圖3 頂部側(cè)視圖

圖4 底部側(cè)視圖

2.3 磚體材料及制作方法

新型護(hù)坡磚的材料可使用干硬性混凝土等適合制造護(hù)坡磚的材料（也可以采用玻璃鋼或其他合成材料），制作方法采用砌塊成形機壓鑄成形。

2.4 力學(xué)及穩(wěn)定性分析

采用壓力機對新型護(hù)坡磚和老式護(hù)坡磚進(jìn)行力學(xué)性能上的對比。見表1。

表1 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡磚與老式護(hù)坡磚側(cè)向壓力對比試驗結(jié)果 kN

對比試驗結(jié)果顯示，坡改平護(hù)坡磚的抗壓強度約為老式護(hù)坡磚的3.55 倍，采用坡改平生態(tài)護(hù)坡磚最大護(hù)坡高度可達(dá)14.5 m，完全滿足《開發(fā)建設(shè)項目水土保持技術(shù)規(guī)范》（GB50433 — 2008) 中對削坡開級高度4 m的要求。鋪砌后形成的水平方向蜂窩狀鑲嵌的形態(tài)使每一塊磚都對水平6 個方向的其他磚的位置形成制約，即使某一塊磚破碎，也不會影響坡面穩(wěn)定。從力學(xué)指標(biāo)和穩(wěn)定性上新型護(hù)坡磚的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于老式護(hù)坡磚。

2.5 施工工藝

施工工藝與老式護(hù)坡磚基本相同，坡下部應(yīng)設(shè)置趾墻，鋪設(shè)時按照“自下而上”的順序進(jìn)行，相鄰護(hù)坡磚要擠緊，做到橫、豎、斜線對齊，與老式護(hù)坡磚相比，路緣石和排水邊溝高度稍高（應(yīng)不小于30 cm）。

護(hù)坡磚鋪設(shè)完成后，將種植土填入護(hù)坡磚中，植物措施施工完畢后輕輕拍實，以護(hù)坡磚內(nèi)土壤表面低于上沿（1～2） cm 為宜，有利于蓄水保土。

2.6 護(hù)坡植物的配置

新型護(hù)坡磚把坡面植物栽植轉(zhuǎn)化為平面植物栽植，更有利于植物生長，涵養(yǎng)水源的能力也比老式護(hù)坡磚顯著增強。護(hù)坡植被的選擇也可以由原來的單一植草護(hù)坡改為“灌木+草+藤本”護(hù)坡（栽植模式見圖5），既提高了護(hù)坡的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也可以更好地豐富坡面綠化設(shè)計空間，滿足景觀設(shè)計的要求。

圖5 “坡改平”新型護(hù)坡磚栽植模式圖

2.7 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)延慶縣上辛莊示范區(qū)的試驗分析，新型護(hù)坡磚單塊磚體生產(chǎn)材料用量是老式護(hù)坡磚的1.59 倍，但在施工要求上新、舊護(hù)坡磚無明顯差異。另外，新型護(hù)坡磚內(nèi)土壤容積變大，雖回填土的消耗量比老式護(hù)坡磚增加1.07 倍，但增量的土壤更適合護(hù)坡植物的生長。

通過對現(xiàn)在護(hù)坡中使用連鎖護(hù)坡磚、生態(tài)混凝土、各類噴播、魚巢磚等技術(shù)的材料成本、施工成本和后期管護(hù)等綜合成本分析（見表2），新型護(hù)坡磚有著更強的優(yōu)勢、有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

雖然新型護(hù)坡磚和老式護(hù)坡磚在材料費上多出約60%，但綜合考慮后期管護(hù)費用的減少、水土保持效益和景觀效益的增強及未來河湖清淤的費用的減少，坡改平護(hù)坡技術(shù)屬于生態(tài)友好型技術(shù)，經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于老式護(hù)坡磚。

表2 與幾種常用護(hù)坡措施的造價對比分析

2.8 應(yīng)用領(lǐng)域

考慮施工、邊坡穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)合理性等因素，新型生態(tài)護(hù)坡磚適用于： 1∶1 ～ 1∶3 （不同坡度可定制生產(chǎn)）的土質(zhì)或石質(zhì)邊坡防護(hù)；路基邊坡的生態(tài)防護(hù)；河道、公路、礦山生態(tài)恢復(fù)以及公園景觀建設(shè)等領(lǐng)域的邊坡防護(hù)。

3 “坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的試驗示范與推廣應(yīng)用

3.1 試驗示范

經(jīng)2007 年延慶縣上辛莊試驗區(qū)同期建設(shè)的5 m×10 m試驗區(qū)的對比試驗觀測，老式護(hù)坡磚試驗小區(qū)在建成后的1 個月后就發(fā)生了明顯的土壤流失（見圖6），流失土壤達(dá)189 kg，而同樣管護(hù)條件下的新型護(hù)坡磚試驗小區(qū)未發(fā)生土壤流失現(xiàn)象。2008 年，新型護(hù)坡磚內(nèi)的灌木長勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式護(hù)坡磚，與老式護(hù)坡磚相比，土壤流失量減少95%以上，坡面防護(hù)和綠化效果顯著。

圖6 試驗區(qū)同期施工的新舊護(hù)坡磚的土壤流失效果對比

3.2 推廣應(yīng)用

通過2009 年同期完工的懷柔寶山寺鎮(zhèn)河道生態(tài)護(hù)坡工程和北京西六環(huán)公路護(hù)坡工程的對比（見圖7），可以直觀地看到“新式護(hù)坡磚”內(nèi)土體處于水平穩(wěn)定狀態(tài)，而老式護(hù)坡磚已發(fā)生了嚴(yán)重流失，并呈發(fā)展趨勢。

圖7 2009 年同期完工工程新老護(hù)坡技術(shù)對比

2010 年對懷柔區(qū)寶山寺鎮(zhèn)碾子村生態(tài)清潔小流域治理工程的河道治理項目監(jiān)測表明，坡面植被覆蓋度達(dá)95%以上，減少土壤流失90%以上，（見圖8）。由于坡改平特殊的保水結(jié)構(gòu)，各類植物生長迅速，試驗區(qū)內(nèi)的植物由1 種人工綠化的黑麥草發(fā)展到野生的酸模葉蓼、葎草、莧菜、木麻黃、水芹等13 種植物，植物群落中植物種類豐富，野生植被演替速度明顯超過傳統(tǒng)護(hù)坡措施。保土效益和綠化效果非常顯著；通過調(diào)查訪問，該措施可減少后期管理投入90%以上。

圖8 “坡改平” 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)實施1 a 后植被生長情況

2010 年，“坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)先后在北京市阜石路二期工程西六環(huán)立交橋區(qū)護(hù)坡、朝陽區(qū)小廠溝河道生態(tài)治理、朝陽區(qū)常營中心溝河道生態(tài)治理和京開高速公路求賢收費站立交橋區(qū)等工程中得到應(yīng)用（見表3） ,涉及河道治理工程、公路建設(shè)工程、生態(tài)清潔型小流域建設(shè)工程等。

表3 “坡改平” 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)示范推廣應(yīng)用情況

在阜石路二期和朝陽區(qū)小廠溝河道治理工程中，由于施工季節(jié)等原因，護(hù)坡磚鋪裝完成后并未進(jìn)行人工綠化，但自然植被的生長依然使坡面的植被覆蓋度達(dá)到了90% 以上。這表明，坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)依靠野生植被自然生長依然可以取得良好的綠化和景觀效果（見圖11、圖12），可以較好地適合野外河道、高速公路這類粗放化管理的護(hù)坡工程。

圖11 朝陽區(qū)小廠溝河道生態(tài)治理工程
（野生植被自然恢復(fù)）

圖12 朝陽區(qū)小廠溝河道生態(tài)治理工程
（野生植被完全覆蓋坡面）

目前，坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)試驗和推廣應(yīng)用面積超過2 萬m2，減少水土流失量（ 300 ～ 1 200） t，水土保持和景觀生態(tài)效果顯著。

4 結(jié)論

“坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是針對傳統(tǒng)六角空心護(hù)坡磚存在的嚴(yán)重土壤流失問題而提出的一種新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)（獲得國家發(fā)明專利，專利號： ZL200710187685.5），可以有效地解決河道、高速公路等開發(fā)建設(shè)項目工程建設(shè)中的水土流失。試驗和應(yīng)用表明具有以下優(yōu)點。

（1）水土保持效果顯著。工程監(jiān)測表明，該技術(shù)與老式護(hù)坡磚相比可減少土壤流失量90%以上，特殊水平結(jié)構(gòu)使磚內(nèi)攔蓄降水和保水效果顯著增強。

（2）施工方法簡單，易于掌握。通過對已實施9 處試驗和推廣工程的施工現(xiàn)場技術(shù)人員的調(diào)查，該技術(shù)措施施工方法簡單、易于掌握、施工速度快，適用于公路、水利等大型工程的生態(tài)護(hù)坡。

（3）植物措施配置方法多，景觀效果好。已完工工程監(jiān)測情況顯示，該技術(shù)豐富了植物措施設(shè)計方案的選擇空間，使坡面綠化從單一草本綠化拓展到灌木與草本相結(jié)合進(jìn)行綠化美化，并可以根據(jù)景觀需要在坡面上以灌木和草本組合出不同的圖案造型，使護(hù)坡工程與周邊環(huán)境融為一體。

（4）后期管護(hù)投入少。阜石路二期、朝陽區(qū)小廠溝護(hù)坡工程在沒有實施人工綠化措施的時期內(nèi)，自然植被長勢旺盛，蓄水保土和景觀效果良好，說明坡改平生態(tài)護(hù)坡技術(shù)特別適合于野外高速公路和郊區(qū)河道這類不易于管護(hù)的工程中，并可大大降低后期管護(hù)投入。

（5）具有良好的應(yīng)用和推廣價值。試驗和工程應(yīng)用結(jié)果表明，“坡改平”生態(tài)護(hù)坡技術(shù)是一種保土保水效益顯著、環(huán)境友好型的水土保持創(chuàng)新技術(shù)，具有良好的推廣價值。

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作者簡介：侯旭峰（1968—），男，高級工程師。