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      生態(tài)護坡保水和抗沖刷能力分析

      2014-07-06 01:58:28
      交通運輸研究 2014年7期
      關鍵詞:黏聚力護坡安全系數(shù)

      周 輝

      (北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司,北京 100045)

      近年來,人們對邊坡植物恢復技術開展了較多的研究。如多種多樣的生態(tài)防護方法,對草、喬灌木等植物的合理配置、生態(tài)群落的合理布置、生態(tài)防護與邊坡支護結(jié)構(gòu)物的關系等都開展了一些有益的探索。植被護坡的應用越來越廣泛,工程建設單位與設計單位也在大力推行“生態(tài)護坡”的新理念。鑒于此,本文在以有研究成果的基礎上,對植物根系護坡的保水能力和抗沖刷能力進行了分析。

      1 植被在防止邊坡地表沖蝕方面的功效

      草本植物抵抗雨水沖蝕地表土有四大功效。

      (1)攔阻:樹葉及地面殘枝腐質(zhì)層部分,可以吸收雨滴降下的能量,減少地表土壤飛濺損失。

      (2)抑制:植物根系具有固結(jié)土壤顆粒的功能,同時植被位于地表的部分可過濾地表徑流中的沉淀物。

      (3)延緩:植物的莖、葉部分將可增加地表粗糙度及延緩地表徑流的流速。

      (4)入滲:植物及其殘余物將提高土壤的滲透性和孔隙率,增加降雨的入滲量,以涵養(yǎng)水源并且延緩徑流產(chǎn)生洪峰的時間。

      2 植被抑制邊坡滑動的穩(wěn)定機制

      植被對于抑制邊坡滑動的穩(wěn)定機制可分為水文及力學兩個機制加以討論。Greenway提供了植被對水文及力學機制的影響,這些機制包括有利的因素、有害的因素或是兼具利與害的因素。例如樹木的蒸散作用,會降低土壤的孔隙水壓力,提高土壤的剪力強度;土壤的水分過度蒸發(fā)會導致土體內(nèi)部產(chǎn)生張力裂縫,降雨時入滲水量增加,不利邊坡穩(wěn)定。整體而言,植被對邊坡的安全性提升有積極的作用。最有效的植被方式為木本植被,因為木本植物的根系強度及密度較高、主根錨定較深及產(chǎn)生拱效應等,對于抑制淺層邊坡的滑動是相當有效的方法之一。

      3 生態(tài)防護抗?jié)B機理研究

      通過已有的工程來看,生態(tài)防護的抗?jié)B效果較好。生態(tài)護坡的抗?jié)B能力與以下三個方面有關。

      (1)有生態(tài)防護的邊坡,雨水下滲速度較沒有防護的邊坡慢;植物表面及根系較柔軟,能迅速吸收落地雨水,一定程度上阻礙著雨水下滲;植物葉面對水流有分割的效應,將水滴分割變小,水滴經(jīng)過葉面后,其動能和體積都將減小,從而雨水落地時不會對地表有較大沖擊。

      (2)裸露的邊坡,地表水容易形成徑流,流速較大。徑流會導致水土流失并引起水流下滲,影響邊坡的整體穩(wěn)定性,嚴重時改變邊坡土體宏觀結(jié)構(gòu),造成邊坡土體力學性質(zhì)變化,可能導致坍塌或局部滑坡;而生態(tài)護坡后,由于植被的影響,顯然地表徑流流速、流量均會大幅減少,邊坡土體流失自然減小,土體結(jié)構(gòu)受擾動較小,地表水下滲也會減小。

      (3)生態(tài)防護方式對邊坡土體表面起到一定的板結(jié)作用,使土體保持較穩(wěn)定的含水量,保證了其抗剪強度指標的穩(wěn)定性。

      4 生態(tài)防護抗沖刷機理研究

      防沖刷設計是邊坡穩(wěn)定性及防護設計的重要組成部分,沖刷造成水土流失會污染環(huán)境,其帶走的大量泥沙會堆積在坡腳或行車道,阻礙路面排水,甚至影響行車安全;土邊坡土體的抗沖刷性可用抗沖性指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)評定。

      容易被水分散、懸浮的土壤,其抗蝕性較差,水穩(wěn)性指數(shù)較小。植物的根系腐爛后,不僅能提高土壤有機質(zhì)的含量,并且植物根系與根系結(jié)合在一起,能形成整體不易破碎和分散,可增強土壤的抗蝕性。代全厚等人的研究表明:植物根系與土壤抗蝕性具有相關性,但土壤有機質(zhì)與土壤抗蝕性能的相關性則更好。

      增加有機質(zhì)含量,有利于植被生長,也有利于土的穩(wěn)定。邊坡進行植物防護后,植被能減少水土的流失,減輕雨水沖蝕的強度,并且提高了土體內(nèi)部顆粒間的結(jié)合作用,從而對坡面穩(wěn)定有利。

      5 地下水潛水的滲流對生態(tài)護坡的影響

      植被的生長需要水分,設計者在考慮坡度、坡高、坡體材料結(jié)構(gòu)的同時應考慮植被水分的供給。

      生長在邊坡下部一定高度范圍內(nèi)的植被能夠受到較遠的潛水滲流的補給,耐旱的時間較長,容易成活。當坡高超過一定高度時,坡面距地下水浸潤線的厚度將增大,由于植被根系的生長深度有限,不能有效地得到水分補給,當降雨間隔較長時,就會出現(xiàn)植被因缺水衰退的現(xiàn)象,這也是植被在邊坡下部不易成活的原因之一。所以,生態(tài)防護要求邊坡單級高度不宜過高,應對邊坡進行分級,修建臺階,使坡面植被更容易接受較遠處潛水的滲流補給。

      6 植物根系補強效應的評估假設案例分析

      6.1 考慮植被的邊坡穩(wěn)定分析模式

      就不飽和土壤邊坡而言,其破壞形式大都為淺層破壞或地下水位較深的非圓弧破壞,在考慮了不飽和土壤基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響后,F(xiàn)redlund等人于1981年提出了一般極限平衡法(General Limit Equilibium Method),使得基質(zhì)吸力提供剪力強度分布能列入邊坡破壞分析模式中,同時,GLE分析模式的提出使以往傳統(tǒng)的極限平衡法均可視為本方法的特例。

      切片土體底部的驅(qū)動剪應力Sm可寫成:

      式中:F為安全系數(shù);β為切片底部的長度。位于邊坡頂部的張力裂縫,假設沒有剪力強度存在,當其充滿水時,則可視為外加載重。若基質(zhì)吸力視為土壤黏聚力的一部份,則Sm可改寫成:

      上式可以考慮基質(zhì)吸力對于邊坡穩(wěn)定的貢獻,一般稱此法為總黏聚力法,其優(yōu)點為抗剪強度公式仍保持傳統(tǒng)的形式,因而可沿用傳統(tǒng)飽和土壤的邊坡穩(wěn)定分析計算程序求解不飽和土壤的問題。

      同時考慮基質(zhì)吸力及土壤根黏聚力ΔS的影響,總黏聚力C由不飽和土壤含根總黏聚力取代,土壤的強度較飽和土壤增加了基質(zhì)吸力及土壤根黏聚力的貢獻,再進行考慮植被的邊坡穩(wěn)定分析。

      針對一個高10m、邊坡坡度為1∶1的不飽和土壤邊坡植被建立模型(見圖1)。用邊坡分析程序進行不同植被強度及厚度的邊坡穩(wěn)定分析,以了解植被對邊坡的安全系數(shù)的影響。邊坡穩(wěn)定分析時采用不飽和土壤的三維抗剪強度模式,選用的土壤參數(shù)為: rsat=20.4kN/m3; c′=20kPa; φ′=30°;φb=20°。根據(jù)蔡光榮教授(1994)進行的一系列的現(xiàn)地土壤含根剪力試驗結(jié)果,土壤的黏聚力將會增加20%~140%不等,故假設根總黏聚力分別為0、10kPa、20kPa、30kPa及40KPa時,邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果如圖2所示。

      圖1 假設案例示意圖

      圖2 不同地下水位下根黏聚力與安全系數(shù)的關系

      6.2 植被加筋強度的影響

      假設根的黏聚力為0~40kPa時(圖2的x軸),地下水位分別距地表不同深度,邊坡的安全系數(shù)如圖2所示。從圖中可以看出,邊坡的安全系數(shù)均隨著根的黏聚力的提高而提高。

      6.3 植被厚度的影響

      植被厚度為2m的邊坡安全系數(shù)(見圖2(a)),在相同地下水條件下,比植被厚度為1m的邊坡安全系數(shù)(見圖2(b))增加約3%。植被越厚,邊坡整體穩(wěn)定性越高,這是因為植被越厚,其提供給邊坡表面的整體加筋能力越高;植被越厚,則加筋強度增加對邊坡穩(wěn)定性提高的趨勢越明顯。植被越厚,代表現(xiàn)地的邊坡植被種類較接近木本植物。但值得注意的是,安全系數(shù)增加的趨勢并不明顯,詳細的量化分析,仍有待后續(xù)的研究加以理清。另外,不論黏聚力及植被厚度怎樣改變,地下水位升高對邊坡穩(wěn)定都有不利影響。

      7 結(jié)論

      (1)生態(tài)防護對邊坡穩(wěn)定性有有利的影響,也有不利的影響。

      (2)植被對于防止邊坡地表沖蝕、抗?jié)B的功效是相當顯著的;而草本或是禾本科植物較木本植物防止邊坡地表沖蝕能力更好。

      (3)地下水位升高對邊坡穩(wěn)定均有不利影響,但根的黏聚力及植被厚度對邊坡穩(wěn)定性都有利。

      (4)采取生態(tài)防護時要求單級邊坡高度不宜過高。

      (5)植被厚度的增加引起的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的增加趨勢并不明顯,需要后續(xù)詳細地量化分析加以理清。

      [1] 周躍,徐強,絡華松,等.喬木側(cè)根對土體的斜向牽引效應:Ⅰ.原理和數(shù)學模型[J].山地學報,1999,17(1):4-9.

      [2] 代全厚.城市水土保持與可持續(xù)發(fā)展[J].吉林水利,2002,(12):34-36.

      [3] 周躍,徐強,絡華松,等.喬木側(cè)根對土體的斜向牽引效應:Ⅱ.野外直測[J].山地學報,1999,17(1):10-15.

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