“坡改平”生態護坡技術的研發與應用
1 “坡改平”生態護坡技術研發背景
1.1 老式護坡存在的土壤流失問題
水土保持技術人員在多年的水土保持監測工作中發現，目前在高速公路、鐵路、河道、立交橋護坡中常用的六角空心生態護坡磚（以下稱“老式護坡磚”）存在著比較嚴重的土壤流失問題。
通過對北京境內的四環路、五環路、六環路、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 年新建成的西六環等20 余處老式護坡磚工程的調查，除蓮花橋等個別地處城市中心區、灌溉管護條件較好的護坡工程外，絕大多數護坡工程的老式護坡磚內土壤流失量在20%～80%。僅延慶縣康張公路0.5 km長的一段挖方道路兩側護坡工程的水土流失量就達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、磚內深10 cm的老式護坡磚（見圖1）分析，1 m2 土壤流失量約在（15 ～ 60） kg，一處1 萬m2 的護坡工程土壤流失總量可達到（150 ～ 600）t。
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圖1 老式護坡磚
由此可以推算這種在全國范圍被廣泛采用的“生態”護坡技術所帶來的土壤流失量是相當驚人的，這無疑形成了“生態護坡反而造成劇烈土壤流失”的尷尬局面。然而，大量的文獻查閱和和檢索發現六角空心護坡磚引發的水土流失問題至今沒有相關研究和報道──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定狀態，當遇首次降雨或灌溉時，磚內土體會發生沉降，使磚內上部土體與磚壁間產生一個縫隙；當坡面徑流繼續流入磚內時，從縫隙處開始發生對土壤的沖淘，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，磚內的土在冬季會產生凍脹現象，使表層土壤結構變得疏松，到雨季時土壤流失加劇。隨著時間的推移，直至磚內剩余土壤在磚的下邊框阻擋下，表面達到趨于穩定的“水平狀態”時，坡面才進入相對穩定狀態，根據對北京地區現有工程調查，磚內土體穩定過程約需要（3 ～ 5） a。即使在有草或灌木防護的坡面上，這一流失過程發生的概率也在90%以上。
1.3 老式護坡磚的不足及危害
1.3.1極易發生土壤流失，影響邊坡穩定，危及道路安全
老式護坡磚內的土體處于“斜面”不穩定狀態，極易發生土壤流失，帶來路基的局部沖塌，影響邊坡穩定，危及道路基礎安全。
1.3.2不利于植物生長，影響綠化效果
在實際應用中與老式護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、地錦等植物進行景觀綠化，但灌木的樹冠截流效應會在根部造成磚內土壤的加速流失，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，無法發揮植物的蓄水保土作用。
1.3.3后期管護成本高
通過對20 余處老式護坡磚護坡工程的監測，90%的工程水土流失情況較為嚴重，只有西三環蓮花橋、西四環定慧橋下的護坡效果較好，這主要是由于這兩處工程的后期管理和灌溉條件較好，而其他野外管護條件差的護坡工程（如延慶縣康張公路）都不同程度地發生了植被生長狀況不良，水土流失現象較嚴重的問題，說明采用老式護坡磚護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，縮短設施使用年限
老式護坡磚內流失的土壤順水而下，流入城市排水管網或溝道、水庫，產生大量泥沙淤積，縮短了排水系統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“環境友好型社會”的發展要求
老式護坡磚具有一定的綠化和防護功能，但這種生態防護的表面現象卻掩蓋著較劇烈的土壤流失，失去了生態保護的意義，這種現狀與全國加快經濟建設和保護生態環境，創建和諧社會要求背道而馳，形成了“生態護坡反而造成劇烈土壤流失”的尷尬局面，不符合“環境友好型社會”的建設要求。
2 “坡改平”生態護坡磚的設計
2.1 “坡改平”生態護坡技術的設計原理
在分析老式護坡磚缺點的基礎上，研發出了一種新型生態護坡技術，使其既具有其老式護坡磚施工簡單、工程造價低的優點，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”生態護坡磚技術（以下稱“新型護坡磚”），利用“坡改平”護坡磚的特殊結構，將整個坡面分解為一個個“小平面”，以“小平面”土體的穩定，實現整個坡面的穩定，從而解決坡面土壤流失問題。
2.2 “坡改平”生態護坡磚的設計
新型護坡磚為正六邊形，中空，內部為正六邊形或圓形，底端面與水平面成一夾角α，α大小與所護邊坡的坡度相匹配（如圖2）。這樣，在坡面鋪設護坡磚時，磚底部與坡面相吻合，上端能夠保持水平，確保磚內土體的表面保持水平穩定狀態，不易流失，最大程度地保持土壤和水分。
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圖2 新型護坡磚透視圖
為減少新型護坡磚自重分力產生的下滑力，防止重量累加可能對下部磚體的擠壓破壞，底端設計至少一組阻滑齒（見圖3、圖4），通過阻滑齒與邊坡基礎“咬合”，將磚體的重力就地傳導到坡面上，可以顯著減少磚體向下層的重力傳導。
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圖3 頂部側視圖
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圖4 底部側視圖
2.3 磚體材料及制作方法
新型護坡磚的材料可使用干硬性混凝土等適合制造護坡磚的材料（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 力學及穩定性分析
采用壓力機對新型護坡磚和老式護坡磚進行力學性能上的對比。見表1。
表1 “坡改平”生態護坡磚與老式護坡磚側向壓力對比試驗結果 kN
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對比試驗結果顯示，坡改平護坡磚的抗壓強度約為老式護坡磚的3.55 倍，采用坡改平生態護坡磚最大護坡高度可達14.5 m，完全滿足《開發建設項目水土保持技術規范》（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，也不會影響坡面穩定。從力學指標和穩定性上新型護坡磚的優勢遠大于老式護坡磚。
2.5 施工工藝
施工工藝與老式護坡磚基本相同，坡下部應設置趾墻，鋪設時按照“自下而上”的順序進行，相鄰護坡磚要擠緊，做到橫、豎、斜線對齊，與老式護坡磚相比，路緣石和排水邊溝高度稍高（應不小于30 cm）。
護坡磚鋪設完成后，將種植土填入護坡磚中，植物措施施工完畢后輕輕拍實，以護坡磚內土壤表面低于上沿（1～2） cm 為宜，有利于蓄水保土。
2.6 護坡植物的配置
新型護坡磚把坡面植物栽植轉化為平面植物栽植，更有利于植物生長，涵養水源的能力也比老式護坡磚顯著增強。護坡植被的選擇也可以由原來的單一植草護坡改為“灌木+草+藤本”護坡（栽植模式見圖5），既提高了護坡的防護標準，也可以更好地豐富坡面綠化設計空間，滿足景觀設計的要求。
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圖5 “坡改平”新型護坡磚栽植模式圖
2.7 經濟性分析
根據延慶縣上辛莊示范區的試驗分析，新型護坡磚單塊磚體生產材料用量是老式護坡磚的1.59 倍，但在施工要求上新、舊護坡磚無明顯差異。另外，新型護坡磚內土壤容積變大，雖回填土的消耗量比老式護坡磚增加1.07 倍，但增量的土壤更適合護坡植物的生長。
通過對現在護坡中使用連鎖護坡磚、生態混凝土、各類噴播、魚巢磚等技術的材料成本、施工成本和后期管護等綜合成本分析（見表2），新型護坡磚有著更強的優勢、有廣闊的應用前景和推廣價值。
雖然新型護坡磚和老式護坡磚在材料費上多出約60%，但綜合考慮后期管護費用的減少、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，坡改平護坡技術屬于生態友好型技術，經濟性顯著優于老式護坡磚。
表2 與幾種常用護坡措施的造價對比分析
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2.8 應用領域
考慮施工、邊坡穩定和經濟合理性等因素，新型生態護坡磚適用于： 1∶1 ～ 1∶3 （不同坡度可定制生產）的土質或石質邊坡防護；路基邊坡的生態防護；河道、公路、礦山生態恢復以及公園景觀建設等領域的邊坡防護。
3 “坡改平”生態護坡技術的試驗示范與推廣應用
3.1 試驗示范
經2007 年延慶縣上辛莊試驗區同期建設的5 m×10 m試驗區的對比試驗觀測，老式護坡磚試驗小區在建成后的1 個月后就發生了明顯的土壤流失（見圖6），流失土壤達189 kg，而同樣管護條件下的新型護坡磚試驗小區未發生土壤流失現象。2008 年，新型護坡磚內的灌木長勢遠遠超過老式護坡磚，與老式護坡磚相比，土壤流失量減少95%以上，坡面防護和綠化效果顯著。
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圖6 試驗區同期施工的新舊護坡磚的土壤流失效果對比
3.2 推廣應用
通過2009 年同期完工的懷柔寶山寺鎮河道生態護坡工程和北京西六環公路護坡工程的對比（見圖7），可以直觀地看到“新式護坡磚”內土體處于水平穩定狀態，而老式護坡磚已發生了嚴重流失，并呈發展趨勢。
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圖7 2009 年同期完工工程新老護坡技術對比
2010 年對懷柔區寶山寺鎮碾子村生態清潔小流域治理工程的河道治理項目監測表明，坡面植被覆蓋度達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構，各類植物生長迅速，試驗區內的植物由1 種人工綠化的黑麥草發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護坡措施。保土效益和綠化效果非常顯著；通過調查訪問，該措施可減少后期管理投入90%以上。
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圖8 “坡改平” 生態護坡技術實施1 a 后植被生長情況
2010 年，“坡改平”生態護坡技術先后在北京市阜石路二期工程西六環立交橋區護坡、朝陽區小廠溝河道生態治理、朝陽區常營中心溝河道生態治理和京開高速公路求賢收費站立交橋區等工程中得到應用（見表3） ,涉及河道治理工程、公路建設工程、生態清潔型小流域建設工程等。
表3 “坡改平” 生態護坡技術示范推廣應用情況
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在阜石路二期和朝陽區小廠溝河道治理工程中，由于施工季節等原因，護坡磚鋪裝完成后并未進行人工綠化，但自然植被的生長依然使坡面的植被覆蓋度達到了90% 以上。這表明，坡改平生態護坡技術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坡工程。
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圖11 朝陽區小廠溝河道生態治理工程
（野生植被自然恢復）
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圖12 朝陽區小廠溝河道生態治理工程
（野生植被完全覆蓋坡面）
目前，坡改平生態護坡技術試驗和推廣應用面積超過2 萬m2，減少水土流失量（ 300 ～ 1 200） t，水土保持和景觀生態效果顯著。
4 結論
“坡改平”生態護坡技術是針對傳統六角空心護坡磚存在的嚴重土壤流失問題而提出的一種新型生態護坡技術（獲得國家發明專利，專利號： ZL200710187685.5），可以有效地解決河道、高速公路等開發建設項目工程建設中的水土流失。試驗和應用表明具有以下優點。
（1）水土保持效果顯著。工程監測表明，該技術與老式護坡磚相比可減少土壤流失量90%以上，特殊水平結構使磚內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場技術人員的調查，該技術措施施工方法簡單、易于掌握、施工速度快，適用于公路、水利等大型工程的生態護坡。
（3）植物措施配置方法多，景觀效果好。已完工工程監測情況顯示，該技術豐富了植物措施設計方案的選擇空間，使坡面綠化從單一草本綠化拓展到灌木與草本相結合進行綠化美化，并可以根據景觀需要在坡面上以灌木和草本組合出不同的圖案造型，使護坡工程與周邊環境融為一體。
（4）后期管護投入少。阜石路二期、朝陽區小廠溝護坡工程在沒有實施人工綠化措施的時期內，自然植被長勢旺盛，蓄水保土和景觀效果良好，說明坡改平生態護坡技術特別適合于野外高速公路和郊區河道這類不易于管護的工程中，并可大大降低后期管護投入。
（5）具有良好的應用和推廣價值。試驗和工程應用結果表明，“坡改平”生態護坡技術是一種保土保水效益顯著、環境友好型的水土保持創新技術，具有良好的推廣價值。
參考文獻
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作者簡介：侯旭峰（1968—），男，高級工程師。
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