三種典型植被護(hù)坡抗侵蝕效果試驗(yàn)研究

蔣明慧 余青霖 吉鑫淼

【摘要】運(yùn)用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)粘性土邊坡護(hù)坡植草的抗雨水沖刷的能力進(jìn)行研究，探討比較了植被在抗沖刷過(guò)程中，葉冠對(duì)雨水的截留和根系對(duì)土壤的加固作用效應(yīng)，最后，比較了三種植被護(hù)坡抗雨水沖刷的作用效果。

【關(guān)鍵詞】模型試驗(yàn) 抗沖刷 植被護(hù)坡

一、引言

環(huán)境污染和生態(tài)破壞是人類面臨的重大社會(huì)問(wèn)題之一，隨著社會(huì)日益發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)量增多，由此伴隨的工程項(xiàng)目開發(fā)和環(huán)境保護(hù)兼顧成為所有工程人必須關(guān)注和重視的問(wèn)題。在公路、鐵路、水電等工程建設(shè)中，需開挖大量邊坡，邊坡的開挖會(huì)破壞原有的植被覆蓋層，從而出現(xiàn)大量的次生裸地及嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，加劇生態(tài)系統(tǒng)的退化。降雨作為引起泥石流的主要因素之一，降雨過(guò)程中，雨水會(huì)對(duì)土質(zhì)邊坡造成沖刷，沖走坡面表層土體甚至引發(fā)大面積土體滑落，影響安全，因此采用合理的方法對(duì)邊坡進(jìn)行抗沖刷防護(hù)是非常必要的。生態(tài)防護(hù)技術(shù)既有抗沖刷的功能又有一定的綠化效果，是較為理想的邊坡防護(hù)手段。對(duì)于植被的護(hù)坡功能，主要體現(xiàn)在根系對(duì)土體的加筋和錨固，葉冠的降雨截留，削弱濺蝕，以及降低坡體孔隙水壓力的作用。對(duì)采用葉面肥大、根系發(fā)達(dá)和兩種植物間隔種植三種植被形式的植被護(hù)坡邊坡進(jìn)行室內(nèi)沖刷試驗(yàn)對(duì)比研究，分析根系和葉冠的抗沖刷效果，為護(hù)坡植被的品種選擇做出一定的依據(jù)。

二、邊坡沖刷機(jī)理分析

裸露的坡地受到雨滴的擊濺而引起的土壤侵蝕現(xiàn)象稱為濺蝕，它是降雨導(dǎo)致土壤侵蝕的第一個(gè)階段。雨滴以7～9m/s的平均速度落向土質(zhì)坡面，產(chǎn)生巨大沖擊力，致使土顆粒濺起的現(xiàn)象成為濺蝕。雨滴對(duì)邊坡的作用主要分為三個(gè)階段：干土濺散階段，降雨初期，土體結(jié)構(gòu)此階段未受破壞;泥漿濺散階段，此階段邊坡結(jié)構(gòu)遭到破壞;層狀侵蝕階段，既是向地表徑流轉(zhuǎn)換的過(guò)渡階段，也是濺蝕引起沖刷較嚴(yán)重的階段。由此可知，徑流形成前的降雨在整個(gè)降雨過(guò)程中作用雖小，但它不僅是沖刷形成的必要條件，也是整個(gè)沖刷破壞的催化劑。

植被護(hù)坡就是利用植被的涵水固土原理來(lái)進(jìn)行邊坡加固及坡面防護(hù)，控制坡面侵蝕，防治水土流失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。植被護(hù)坡的機(jī)制主要為：木本植物深根對(duì)邊坡土體起錨固作用;草本植物的短根對(duì)土體起加筋作用;植被葉片的覆蓋層可以減緩雨滴對(duì)坡面的沖擊力，減弱降雨對(duì)坡面的沖刷作用。植被在預(yù)防降雨對(duì)邊坡坡面的沖刷作用中的特點(diǎn)主要有：植被護(hù)坡在初始時(shí)作用力較弱，但隨著植物的生長(zhǎng)，作用力逐漸加強(qiáng);植被根系作用力及作用范圍受限于植物本身生長(zhǎng)狀況;植被護(hù)坡要求邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

（1）物理性質(zhì)。試驗(yàn)用土質(zhì)是砂土和黏土的比例為1：5的復(fù)合土，邊坡的初始含水率在37.24%，液限49%，塑限24.8%，含水量、塑性指數(shù)和液性指數(shù)對(duì)黏性土邊坡的工程性質(zhì)有著極大的影響。

（2）復(fù)合土力學(xué)性質(zhì)。土的力學(xué)性質(zhì)隨含水量大小而變化，黏性土具有粘聚力，其抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦阻力兩部分組成，其計(jì)算公式為r=o tanФ+c（其中，Ф為內(nèi)摩擦角，c為粘聚力）。通過(guò)進(jìn)行黏性土樣的直接剪切試驗(yàn)，可得出黏土邊坡的力學(xué)指標(biāo)內(nèi)摩擦角為19°，粘聚力為8.7 kpa。黏土的力學(xué)指標(biāo)受到物理特性含水率的影響，故了解復(fù)合土的物理、力學(xué)性質(zhì)是為室內(nèi)模型試驗(yàn)提供理論支持。

三、室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用模型箱尺寸采用長(zhǎng)寬高分別為900mm×900mmX300mm。模型箱材質(zhì)選用木材進(jìn)行加工，為保證土質(zhì)邊坡坡度，將模型箱后方墊上兩塊磚頭，為保證雨水的均勻性，采用6個(gè)噴頭進(jìn)行降雨，降雨強(qiáng)度由連接的水泵測(cè)得為4mm/h-8mm/h，試驗(yàn)歷時(shí)10分鐘。

試驗(yàn)用三種植被護(hù)坡邊坡如下圖所示：

四、室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)觀察降雨對(duì)植被護(hù)坡的沖刷過(guò)程，我們可以很清楚的觀察到，雨滴降落至邊坡，在降雨初期主要表現(xiàn)在葉片對(duì)雨滴沖擊力的減弱，相較于雨滴直接沖擊土質(zhì)裸坡表層，延長(zhǎng)坡體沖刷水毀的第一個(gè)階段（干土濺散）;在徑流形成的階段里，也使得徑流主要在植株空隙形成，徑流位置比較明確;泥沙搬運(yùn)過(guò)程中，植被根系對(duì)土體加筋作用，使得根系纏繞區(qū)泥沙被侵蝕得較弱;在整個(gè)侵蝕完成后，也可清楚看出，有植被護(hù)坡的坡體較裸坡破壞較小，沖刷量也較小。長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)和實(shí)踐已經(jīng)逐步證實(shí)，植被防護(hù)是邊坡抗沖刷的有效措施。植被防護(hù)可以良好地解決邊坡工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境破壞的矛盾，不僅能防護(hù)淺層邊坡，而且能恢復(fù)已破壞的植被，美化環(huán)境，有效地解決邊坡工程防護(hù)與生態(tài)環(huán)境破壞的矛盾，實(shí)現(xiàn)人類活動(dòng)與自然環(huán)境的和諧共處。

將三種植被防護(hù)的邊坡在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行沖刷，試驗(yàn)結(jié)束后可得到各組沖刷量，如下表所示：

從試驗(yàn)結(jié)果上可以看出：三種植被防護(hù)下的邊坡抗沖刷能力為，根系發(fā)達(dá)的大于兩種間隔種植的大于葉面肥大的防護(hù)手段。由此可得出，植被防護(hù)抗沖刷主要由根系的加筋起作用，相較根系的作用，葉面緩沖雨滴沖擊力的作用更弱。植物根系在土壤中的穿插、纏繞，使得土體具有一定的整體性，有效地提高土壤的強(qiáng)度，從而達(dá)到穩(wěn)固邊坡的目的。