不同類型植被根系對邊坡表層的加固效果研究

戴尚榮

(江西省上饒市水利科學(xué)研究所，江西 上饒 344000)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，在道路、水電、城鎮(zhèn)等基礎(chǔ)建設(shè)中產(chǎn)生了大量的裸露人工邊坡。尤其在降雨頻繁的地區(qū)，雨水入滲和沖刷不斷降低斜坡的抗滑力(抗剪力)，當(dāng)斜坡的下滑力超過其抗滑力時(shí)，斜坡將發(fā)生失穩(wěn)[1-3]。因此，提高斜坡抗滑力是保持斜坡穩(wěn)定的關(guān)鍵，目前提高抗滑力主要措施是修筑支擋結(jié)構(gòu)，如抗滑樁等[4]；同時(shí)在斜坡表面進(jìn)行防護(hù)來防止雨水入滲降低土體的抗剪力。對于斜坡表層的防護(hù)，雖然有干砌塊石護(hù)坡和漿砌塊石護(hù)坡等手段，但這些人工防護(hù)隨著巖石風(fēng)化和混凝土的老化，其防護(hù)效應(yīng)會(huì)大大降低，并不能持久[5，6]。為了對斜坡方面進(jìn)行防護(hù)并兼顧生態(tài)環(huán)境，生態(tài)護(hù)坡(植被根系護(hù)坡)被提了出來[7]。

植被根系固坡是近30年提出，并有越來越多的學(xué)者展開此方面的研究，如Riestenberg，Waldron，李紹才等[7-9]對植被加固邊坡的機(jī)理，如基質(zhì)作用、植被功能等方面進(jìn)行分析和探討；Frydman等通過室內(nèi)試驗(yàn)明確植被根系對坡體具有明顯的加固作用[10]；趙志明，劉川順等通過數(shù)值模擬手段對植被固坡進(jìn)行了分析研究[11，12]；蔣德松、楊玉田、Gaillard，等[13-15]依托于工程實(shí)踐對植被固坡進(jìn)行實(shí)踐分析，并得出植被對坡體的穩(wěn)定性具有較為明顯的影響等。但目前邊坡植被的主要應(yīng)用是防風(fēng)固沙、防止水土流失和美化自然環(huán)境等，而在植被根系加固邊坡方面的認(rèn)識仍然很少[16-18]，若要深入的洞悉植被固坡的內(nèi)在機(jī)理和相關(guān)因素對其的影響，仍需要大量的相關(guān)研究。

本文為了可以對植被固坡的更多相關(guān)因素進(jìn)行研究分析，首先分析植被的加固機(jī)理，根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究成果，建立不同植被(草地、灌木、成長樹木、成熟樹木)根系附加粘聚力權(quán)重表，分析不同植被的加固效果，然后建立不同邊坡尺寸下不同植被對邊坡的加固模型，分析在不同邊坡尺寸(邊坡坡度、邊坡大小，見圖1)下不同植被的加固效果。希望可以為植被固坡方面的研究提供部分借鑒和參考。

圖1 邊坡模型和邊坡尺寸參數(shù)

1 植被加固機(jī)理及計(jì)算模型

1.1 植被加固斜坡機(jī)理

根據(jù)Wu等[19]人研究結(jié)論：植被根系深入坡體(見圖2)，可以明顯提高土體的粘聚力，而增加坡體的抗剪能力，提出植被根系附加土體粘聚力CR的力學(xué)公式：

CR=tR(cosθtanφ′+sinθ)

(1)

式中：tR為單位面積土體的根系平均抗拉強(qiáng)度；θ為根須剪切轉(zhuǎn)向角；φ′為土體的內(nèi)摩擦角。

圖2 植被根系對坡體的加固作用

但是隨著植被根系深入土體的程度，其附加的粘聚力大小也產(chǎn)生不同差異，根據(jù)Wu等[19，20]人對此進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，分出不同植被根系附加力粘結(jié)公式，Kokutse等[21]人對此進(jìn)行進(jìn)一步的分布研究，同前期的試驗(yàn)得出根系在不同深度處(0～0.25 m，0.25～0.50 m，0.50～0.75 m，0.75～1.00 m，1.00～1.50 m，1.50～2.00 m，>2.00 m)附加粘聚力的變化規(guī)律；同時(shí)，Schmidt等人[22]通過現(xiàn)場的原位實(shí)驗(yàn)，得出：草根系的有效深度一般在30 cm以內(nèi)，灌木的有效根系可達(dá)到1.00 m，成長的樹木在1.50～2.00 m之間，而成熟的樹木一般均超過2.00 m。根據(jù)以上的研究成果，建立不同植被根系附加粘聚力權(quán)重表(見表1)。

1.2 計(jì)算模型

邊坡的基本模型見圖1，其中α為邊坡的坡度，A為邊坡的坡度水平長度，B為邊坡的基本長度。為了可以對邊坡的尺寸效應(yīng)及對土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行分析，邊坡的坡度α和邊坡的基本尺寸B作為基本變量，其中邊坡坡度α=10°、15°、20°、25°、30°，邊坡基本尺寸B=5 m、10 m、15 m、20 m、25 m。邊坡的基本力學(xué)參數(shù)(沒有植被加固)見表2。

表2 邊坡的基本力學(xué)參數(shù)

根據(jù)建立的不同植被根系附加粘聚力權(quán)重表(見表1)，不同植被根系固坡的影響就轉(zhuǎn)化為不同層次坡體粘聚力的增加值。為了可以更好的分析植被附加粘聚力的影響和符合它在不同深度處的附加粘聚力值，我們建立如圖3所示的邊坡模型，整個(gè)邊坡模型被分成7個(gè)分層(0～0.25 m，0.25～0.50 m，0.50～0.75 m，0.75～1.00 m，1.00～1.50 m，1.50～2.00 m，2.00 m～無根須區(qū)域)，然后每個(gè)分層根據(jù)不同附加粘聚力進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的賦值。草地和灌木由于其自重對邊坡穩(wěn)定影響較小，本文故忽略其重量，但成長樹木和成熟樹木自重較大不可忽略，根據(jù)Nutalaya和Medicus等[23，24]人的研究結(jié)論：成長樹木和成熟樹木的附加應(yīng)力取600 Pa。

圖3 邊坡分層模型

本文采用FLAC軟件對其進(jìn)行分析研究，采用mohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，為了可以對不同植被對邊坡的加固效果進(jìn)行較為明顯的分析，本文采用強(qiáng)度折減法求取每種情況下的安全系數(shù)，通過對安全系數(shù)的分析來評判不同植被在不同邊坡尺寸條件下的加固效果。

2 結(jié)果分析

2.1 不同植被對邊坡安全性的影響

為了可以對植被對邊坡的加固效果有非常直觀的認(rèn)識，如圖4所示為不同植被在不同邊坡尺寸B和坡度α下的平均安全系數(shù)增長率。

圖4 不同植被的邊坡安全系數(shù)增長率

圖5 不同邊坡尺寸下邊坡安全系數(shù)分布圖

從圖4可知，不同類型的植被的邊坡安全系數(shù)的增長率有明顯的差異，其中成熟樹木的對邊坡的安全系數(shù)的增長率最大達(dá)到19.2%，成長樹木次之達(dá)到11.3%，灌木為8.1%，而草對邊坡安全系數(shù)的增長率最小為4.3%。這些數(shù)據(jù)表明成熟的樹木由于其根系較為發(fā)達(dá)，可以很大程度提高坡體的穩(wěn)定性，具有較優(yōu)的固坡性能，而成長樹木的根系發(fā)育程度不如成熟樹木，故其固坡性能不如成熟樹木，灌木和草地更是如此。

2.2 邊坡尺寸對植被固坡的影響

根據(jù)前面對邊坡尺寸的論述，如圖5所示為在不同邊坡尺寸條件下不同植被加固邊坡后的安全系數(shù)分布圖。

從圖5可知，4種類型植被(草、灌木、成長樹木、成熟樹木)隨著邊坡尺寸與其安全系數(shù)成負(fù)相關(guān)，即隨著邊坡尺寸的增大4種植被加固下的邊坡的安全系數(shù)均呈現(xiàn)降低的趨勢。坡度為10°時(shí)，隨著邊坡尺寸的增大，4種植被加固下的邊坡安全系數(shù)大致線性降低；坡度為15°、20°、25°、30°時(shí)，隨著邊坡尺寸的增大，四種植被加固下的安全系數(shù)則呈現(xiàn)先快速降低(5.00～10.00 m)，后緩慢降低(10.00～25.00 m)。在同一邊坡尺寸下，隨著坡度的增大安全系數(shù)逐漸降低，其中小坡度比大坡度對安全系數(shù)的影響更為明顯。

2.3 邊坡角度對植被固坡的影響

選取邊坡坡度為α=10°、15°、20°、25°、30°幾種情況下不同植被加固邊坡效果進(jìn)行分析，如圖6所示為不同邊坡坡度條件下4種不同植被加固邊坡安全系數(shù)分布圖。

圖6 不同坡度下邊坡安全系數(shù)分布圖

從圖6可知，隨著邊坡坡度的增大，4種不同類型的植被(草，灌木，成長樹木，成熟樹木)加固邊坡的安全系系數(shù)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在同一坡腳條件下，隨著邊坡角度的增大，其安全系數(shù)也呈現(xiàn)降低的趨勢。

結(jié)合圖5和圖6可知，隨著坡度和尺寸的增大植被固坡的效果均在降低，但是坡度對安全系數(shù)的邊坡降低的斜率比尺寸的影響斜率要大，這說明邊坡的坡度對植被的加固效應(yīng)影響更為明顯，為此建議在進(jìn)行植被固坡時(shí)，盡可能的減小邊坡的坡度。

2.4 植被固坡量化權(quán)重表

根據(jù)在不同邊坡尺寸和不同邊坡坡度條件下，4種類型植被(草，灌木，成長樹木，成熟樹木)加固邊坡與不進(jìn)行植被防護(hù)時(shí)邊坡穩(wěn)定性增幅，建立不同類型植被在不同邊坡尺寸和邊坡坡度條件下加固增幅效果權(quán)重表，見表3。

從表3可以看出，隨著坡度的增大和邊坡尺寸的增大，四種植被類型的安全系數(shù)增長率逐漸增大，這是由于當(dāng)坡度和尺寸較小時(shí)，不進(jìn)行植被防護(hù)時(shí)的安全系數(shù)已經(jīng)很大，進(jìn)行植被防護(hù)的增長量相對初始安全系數(shù)較小。同時(shí)，在同一坡度和尺寸條件下，草地、灌木、成長樹木、成熟的安全系數(shù)增長率也呈現(xiàn)增大的趨勢，原因見前述分析。

為了驗(yàn)證本結(jié)果，本文采用Gabet等人的研究結(jié)果進(jìn)行論證[25]，Gabet等人對1997～1998年間美國加利福尼亞州Santa海岸的植被與滑坡數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)果表明：草地覆蓋的岸坡每km2平均有22.9個(gè)失穩(wěn)的斜坡，而灌木覆蓋的岸坡每km2平均有13.2個(gè)失穩(wěn)斜坡。Hubble等人[26]對澳大利亞河流邊坡進(jìn)行研究得出，有樹木的邊坡比灌木和草地處發(fā)生失穩(wěn)更少。這些結(jié)果與本文的研究結(jié)論基本吻合。

表3 植被固坡增幅效果權(quán)重表 %

3 結(jié) 論

對于傳統(tǒng)表層邊坡的人工防護(hù)并不能兼顧生態(tài)環(huán)境，生態(tài)防護(hù)作為一種有效技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用，但是對于不同類型植被的具體加固效果卻認(rèn)識不足。為此，本文在此方面展開研究，結(jié)論如下：

本文主要采用4種不同類型的植被(草地，灌木，成長樹木，成熟樹木)，通過現(xiàn)有的研究成果對其根系的附加粘聚力進(jìn)行量化，建立4種植被根系附加粘聚力權(quán)重表。并以此為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬技術(shù)研究不同尺寸、坡度下，不同植被的加固效果(斜坡安全系數(shù))研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在其他條件相同的條件下，成熟樹木的加固效果最優(yōu)，成長樹木次之，灌木和草地相對較弱；保持其他條件不變，增大邊坡尺寸和坡度，四種植被固坡的效果效果均在下降，并且邊坡的坡度效應(yīng)對固坡效應(yīng)的影響比邊坡的尺寸效應(yīng)要明顯。最后，與裸露的斜坡相比，隨著斜坡尺寸和坡度的增大，植被固坡效果越明顯。