香根草根系對(duì)膨脹土滲透性影響試驗(yàn)研究

陶?qǐng)?jiān)，王桂堯，常婧美，黃永剛，鄧鵬，趙亞,

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.中交一公局第五工程有限公司，北京 100024；3.湖南信息學(xué)院 管理學(xué)院，湖南 長沙 410151)

香根草根系須根發(fā)達(dá)、強(qiáng)度高，對(duì)溫度和濕度的耐受能力強(qiáng)，再生、分蘗能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于路基邊坡和水庫邊坡等防護(hù)結(jié)構(gòu)[1]?？紤]到膨脹土易“吸水膨脹，失水收縮”的變形特性[2?3]，湖北省當(dāng)陽市采用香根草為主要治理生物，對(duì)窯馬路、漢宜路、皂當(dāng)路等膨脹土路段進(jìn)行生態(tài)治理，以香根草的籬笆作用、根系作用和蒸騰作用，驗(yàn)證了香根草的護(hù)坡工程效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。所以針對(duì)香根草膨脹土護(hù)坡的雨水入滲研究尤為重要。降雨對(duì)膨脹土植被邊坡的影響機(jī)理與普通邊坡不同，不僅與膨脹土特有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，還與根系穩(wěn)固邊坡土體的作用有關(guān)，對(duì)此許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[5?8]。李永樂[9]等人對(duì)黃河大堤非飽和土滲透特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了非飽和土的滲透系數(shù)為非常量，且滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力呈反相關(guān)，與圍壓和含水量呈正相關(guān)。李雄威[10?11]等人對(duì)廣西膨脹土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)和植物根系加筋作用的力學(xué)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹土路塹邊坡植被防護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出了植被在很大程度上改變了土體的滲透性，根系作用會(huì)增強(qiáng)土體的滲透能力。崔穎[12]等人對(duì)非飽和壓實(shí)膨脹土進(jìn)行了滲透特性試驗(yàn)，得到了給定吸力及凈圍壓的條件下，非飽和壓實(shí)膨脹黏土水滲透系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，與滲透水頭大小無關(guān)，而滲透速度與滲透水頭大小呈線性關(guān)系，與吸力和圍壓的函數(shù)呈線性相關(guān)。平揚(yáng)[13]等人在考慮裂隙的情況下，對(duì)降雨入滲條件下的膨脹土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，表明：隨著雨水入滲的持續(xù)，膨脹土邊坡的安全系數(shù)逐漸下降，但是有無土體開裂，其計(jì)算結(jié)果相差較大。黃金[14]通過對(duì)香根草根系的力學(xué)研究和莖、葉水文效應(yīng)的分析，評(píng)價(jià)香根草護(hù)坡對(duì)穩(wěn)定邊坡表層土體的加固效果。同時(shí)，為植被護(hù)坡工程技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定、提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。還有學(xué)者對(duì)降雨條件下，雨水入滲不同土體與不同防護(hù)方式進(jìn)行了研究[15?17]。但針對(duì)香根草根系對(duì)膨脹土邊坡雨水入滲的影響研究鮮見。因此，作者擬通過香根草根系加筋膨脹土的滲透試驗(yàn)，研究含根量變化對(duì)土體滲透性的影響，并應(yīng)用SEEP/W 軟件對(duì)降雨引起邊坡的不同位置體積含水量的變化進(jìn)行分析，為實(shí)際工程提供借鑒和參考。

1 復(fù)合膨脹土滲透試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試塊制備

土取自湖南省長沙市芙蓉路某開挖邊坡的棕紅色弱膨脹土，其物理參數(shù)為：最優(yōu)含水率為20.5%，最大干密度為1.61 g/cm3，塑限為23.9%，液限為53.5%，塑性指數(shù)為29.6。土取回后，將其風(fēng)干、碾碎和過2 mm 篩，按照最優(yōu)含水率、最大干密度、90%的壓實(shí)度進(jìn)行制樣，試樣尺寸61.88 mm×40 mm，底面積為30 cm2。

為了真實(shí)地還原香根草在生態(tài)護(hù)坡中的作用，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的研究成果，結(jié)合膨脹土性質(zhì)、草根形態(tài)特點(diǎn)、生長情況、耐受條件[2?4]對(duì)香根草根系進(jìn)行篩選，選用直徑約為1 mm，長度約為7 mm，長勢(shì)良好的香根草根系作為加筋土的試驗(yàn)根系。

1.2 試驗(yàn)方案

按照李珍玉[18]等人統(tǒng)計(jì)，以不同土層深度香根草根系的生物量為參考依據(jù)，分別選取土層以下10,20,30,40 cm 處的含根量作為滲透試樣含根量的取值標(biāo)準(zhǔn)，分別為2 700,2 000,1 300,700 根/m2，滲透試驗(yàn)試樣底面積為30 cm2，則試樣含根量為8,6,4,2 根/30cm2。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

變水頭管內(nèi)面積0.25 cm2，試樣的高度為4 cm，過水面積為30 cm2。試驗(yàn)結(jié)果：素土平均滲透系數(shù)為1.81×10?4cm/s，含根量密度為700,1 300, 2 000,2 700 根/m2時(shí)，平均滲透系數(shù)分別為4.22×10?4,4.25×10?4,5.48×10?4,6.76×10?4cm/s。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，含有香根草根系加筋膨脹土試樣的平均滲透系數(shù)明顯高于素膨脹土試樣的。當(dāng)含根量為2 700 根/m2時(shí)，其滲透系數(shù)是素土的3.73倍，并且隨著含根量的增加，膨脹土試樣的滲透系數(shù)越大。表明：香根草根系可在一定程度提高膨脹土的滲透性。有根系膨脹土的滲透系數(shù)較無根系膨脹土的有大幅度提高。其原因?yàn)椋孩偎谕馏w下滲時(shí)，土體表面的懸掛毛細(xì)水達(dá)到飽和狀態(tài)后，剩余水分因重力作用沿孔隙向下運(yùn)動(dòng)，植物根系打開過水通道，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)過水量的增加，滲透系數(shù)增大。②無根系土濕潤峰附近的土體為非飽和狀態(tài)，封閉氣泡將土體中大孔隙堵塞，水分經(jīng)過小孔隙向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致土體中過水?dāng)嗝娴拿娣e減小和滲流路徑的長度增加，以致于下滲過程相對(duì)較長。而有根系膨脹土的根系穿插和生長使土體中封閉氣泡的數(shù)量減少、有效過水面積增加、滲透系數(shù)增大。③植物根系生長所產(chǎn)生的大孔隙與團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使得土體單位時(shí)間內(nèi)的滲水量增加、滲透系數(shù)增大。

2 香根草護(hù)坡滲透性的數(shù)值模擬

根據(jù)實(shí)際邊坡含根量，選取相應(yīng)的滲透系數(shù)。通過模擬滲流對(duì)邊坡不同位置處的體積含水量的變化規(guī)律進(jìn)行耦合分析，得出降雨條件下不同含根量對(duì)邊坡滲透性的影響。

2.1 滲流分析模型建立

結(jié)合膨脹土邊坡物理參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用SEEP/W 軟件，建立邊坡模型，模擬各種工況對(duì)邊坡降雨條件下雨水入滲的影響。建立坡高為20 m，坡度為45° 的邊坡模型，特征點(diǎn)的位置按根土分界面、分界面下1 m、分界面下3 m 3 種情況設(shè)置。通過測(cè)定特征點(diǎn)的體積含水量變化規(guī)律，分析坡體特征點(diǎn)的滲流特征，具體位置如圖1 所示。

圖1 邊坡特征點(diǎn)位置分布Fig.1 Location distribution of slope feature points

考慮到膨脹土與降雨條件的區(qū)域性特征[18]，取其平均降雨量為前期穩(wěn)態(tài)分析的降雨強(qiáng)度，并將穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果用于后期瞬態(tài)分析的初始狀態(tài)。瞬態(tài)分析的總時(shí)長設(shè)置為96 h，前48 h 為持續(xù)降雨階段，后48 h 為無降雨階段。在該條件下，對(duì)不同植被覆蓋率的邊坡滲透規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)值模型采用坡頂、坡面及坡底為入滲邊界。若降雨強(qiáng)度大于土體的入滲能力，假定：坡面不會(huì)產(chǎn)生積水；模型底部為不透水邊界，邊坡兩側(cè)為透水邊界。為簡化計(jì)算，設(shè)地面孔隙水壓力為0，降雨強(qiáng)度以每小時(shí)平均降雨量表示，選取降雨等級(jí)為中雨，1 mm/h。為了更加方便對(duì)數(shù)值模擬后的香根草加筋效果進(jìn)行對(duì)比，在設(shè)定的96 h 觀察期內(nèi)，每隔12 h，記錄一次素土與不同含根量各特征點(diǎn)的體積含水量。通過轉(zhuǎn)換滲透系數(shù)，對(duì)素土與不同含根量所有特征點(diǎn)的體積含水量進(jìn)行匯總分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 含根量對(duì)特征點(diǎn)體積含水量的影響

同一深度（坡面下1 m）處，不同含根量的各特征點(diǎn)體積含水量變化規(guī)律如圖2 所示。從圖2 可以看出，在坡面下1 m 處為有根系分布區(qū)域與無根系分布區(qū)域的分界面，含根量對(duì)坡頂和坡面不同高程的雨水入滲的影響趨勢(shì)一致。在0～48 h 的降雨階段，體積含水量升高，速度先慢后快。48～96 h內(nèi)的無降雨階段，體積含水量呈緩慢降低趨勢(shì)。在同一時(shí)刻，不同含根量的體積含水率相比，2 700 根的＞2 000 根的＞1 300 根的＞700 根的。在降雨階段，由于根系的存在使土體滲透性增大，根土復(fù)合體中含水量也隨之增高；無降雨階段，雨水逐漸滲入土體內(nèi)部，根系含量越高，根土復(fù)合體的體積含水量越大，雨水向下滲透的速度越慢。表明：根系能顯著增加膨脹土的保水能力。

從圖2(a)～(d)中可以看出，A、B、C、D 點(diǎn)位于坡頂和坡面上部，高程較高。在初始狀態(tài)，無根系邊坡特征點(diǎn)雨水入滲量小，體積含水量大。隨著降雨時(shí)間的延長，一直保持最大含水量。持續(xù)降雨15 h 后，體積含水量的增長趨勢(shì)變緩，有植被覆蓋的膨脹土，邊坡雨水入滲量減小，體積含水量增長趨勢(shì)增強(qiáng)且含水量超過裸坡的。降雨停止后，有植被覆蓋的膨脹土邊坡含水量的下降趨勢(shì)強(qiáng)于無植被覆蓋邊坡的，而且其含水量均低于無植被邊坡的。原因：在降雨初始階段，縱橫交錯(cuò)的香根草根系結(jié)構(gòu)，會(huì)將板結(jié)密實(shí)的土體散開，土體孔隙增大，根系與土的接觸面形成了新通道，構(gòu)成了良好的導(dǎo)水通道，使降雨入滲的滲流路徑變短。因此，對(duì)于邊坡同一高程處的斷面，含有香根草根系邊坡的雨水入滲較快，含根量越高，根系保水能力越好，含水量越高。持續(xù)降雨15 h 后，邊坡上部的雨水入滲通道基本貫通，含有根系的土體順著根系生長方向形成多個(gè)滲水通道。無根系的土體沿著土顆粒間的縫隙緩慢流動(dòng)，而特征點(diǎn)下部基本無香根草根系生長，雨水入滲速度呈緩慢入滲狀態(tài)。有根系的邊坡土體對(duì)于上部滲入的雨水量偏多，但無法及時(shí)排出，導(dǎo)致體積含水量逐漸增大。而無根系邊坡土體上部雨水入滲量少，下部通道可以及時(shí)排出，因此體積含水量不會(huì)迅速增大。

從圖2 中還可以看出，15～48 h 內(nèi)，無根系邊坡含水量小于植被覆蓋邊坡的。降雨停止后，從第48 h 開始，含有根系邊坡各特征點(diǎn)的體積含水率，呈逐漸下降趨勢(shì)；無根系邊坡體積含水率還在繼續(xù)增加，一段時(shí)間后，開始緩緩下降。這是由于坡面積水造成坡內(nèi)滲流仍在繼續(xù)，因此無根系邊坡的最終入滲量大于有根系邊坡的。

圖2 不同高程處特征點(diǎn)的體積含水量變化曲線Fig.2 Volumetric moisture content of monitoring points at different elevations

從圖2(e)～(f)中可以看出，E、F 點(diǎn)處于坡面偏下部的位置，高程較小，導(dǎo)致水頭差較小，雨水難以排出，使得無根系邊坡的體積含水量始終高于有根系邊坡的。

2.2.2 高程對(duì)特征點(diǎn)體積含水量的影響

對(duì)各含根量密度的不同高程特征點(diǎn)的體積含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3 所示。從圖3 可以看出，A點(diǎn)位于坡頂，C、D、E、F 位于邊坡斜面上，高程依次減小。對(duì)于素土邊坡和不同含根量邊坡，其初始階段與降雨階段各特征點(diǎn)的體積含水量：A＜C＜D＜E＜F。高程越大，體積含水量越小，高程相差越大，體積含水量相差幅度越大。無降雨階段，體積含水量隨時(shí)間延長緩慢減小，下降趨勢(shì)較平緩，下降幅度與高程成正比。原因：①當(dāng)特征點(diǎn)所處位置較高時(shí)，水的勢(shì)能較高，水頭與地面水頭相差較大，導(dǎo)致在特定時(shí)間內(nèi)水的滲透速度高，滲入量也隨之增大，所測(cè)特征點(diǎn)位置處體積含水量的上升速度越快且升高幅度越大。②降雨停止后，由于水的勢(shì)能和水頭差的原因，使得位置越高的特征點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)，雨水排出速度較快，含水量降低幅度較大。

2.2.3 深度對(duì)其體積含水量的影響

對(duì)邊坡雨水入滲作Seep/W 分析時(shí)，特征點(diǎn)分別設(shè)置3 個(gè)不同深度，距離坡體上表面的1 m、2 m、4 m 處。植草層的深度可達(dá)1 m。因此，距離坡面上1 m 處的特征點(diǎn)處于含有根系與不含根系的土層分界面，2 m 和4 m 處的特征點(diǎn)處于無根系土層，其滲透速度與規(guī)律如圖4 所示。

圖3 不同含根量密度特征點(diǎn)的體積含水量變化曲線Fig.3 Volumetric moisture content of monitoring points with different root contents

從圖4 可以看出，無論膨脹土邊坡表面有無植被覆蓋，在降雨階段，特征點(diǎn)深度越淺，含水量增長速度越快。當(dāng)位于坡面以下較深位置時(shí)，含水量逐漸下降趨于平緩。降雨停止后，特征點(diǎn)深度越淺，體積含水量的降低速率越快。降雨初始階段坡面上1 m 與2 m 處特征點(diǎn)的含水量保持一致。含根量越高，2 個(gè)位置特征點(diǎn)含水量的增長速度出現(xiàn)分離的起始時(shí)間越短。素土邊坡在降雨20 h 左右開始分離，含根量為2 700 根/m2的邊坡在10 h 左右開始分離。但分離后的含水量增長規(guī)律保持一致，距離坡面越近的特征點(diǎn)其含水量增長越快。降雨停止后，含有根系邊坡1 m 與2 m 位置處特征點(diǎn)，其含水量持平，隨著時(shí)間延長，體積含水量緩慢降低且降幅相同。而位于4 m 位置處特征點(diǎn)的體積含水量，在降雨階段，呈先降后升趨勢(shì)；降雨停止后，含根越多的邊坡體積含水量上升幅度越大，無植被覆蓋的邊坡體積含水量保持不變。原因：雨水向邊坡內(nèi)部入滲，所需時(shí)間隨邊坡內(nèi)部的孔隙增多而減小。含根量較低時(shí)，降雨后20 h 的雨水入滲深度達(dá)1 m，該處特征點(diǎn)的體積含水量迅速增大，坡面下2 m 處含水量無明顯變化。含根量較高時(shí)，降雨10 h 左右，坡下1 m 處的含水量開始增加，2 m 處的含水量增大時(shí)刻隨含根量增加逐漸縮短。由于含根量的增加，雨水入滲通道增加，滲透系數(shù)變大，入滲速度加快。降雨停止后，靠近坡面的土體含水量逐漸降低，基質(zhì)吸力增加使邊坡整體穩(wěn)定性提高。含水量的降低幅度與高程成正比，1 m 處特征點(diǎn)的體積含水量略高于2 m 處特征點(diǎn)的，高程越大，水的勢(shì)能越大，水頭差越大，單位時(shí)間內(nèi)排出的水越多。當(dāng)特征點(diǎn)位于坡下4 m 位置處時(shí)，因距離坡面較遠(yuǎn)，雨水入滲需要較長時(shí)間才能滲入該位置。但由于坡面及坡底處的雨水入滲使地下水位升高，從而使該位置的體積含水量升高。含根量增加，雨水入滲量會(huì)增多，地下水位上升幅度增大，特征點(diǎn)處體積含水量增加幅度也隨之增大。

圖4 特征點(diǎn)A 處體積含水量變化圖Fig.4 Volumetric moisture content at point A

3 結(jié)論

1) 香根草根系的存在會(huì)顯著增大膨脹土的滲透性。含根量越多，香根草根系加筋膨脹土的滲透性越大。

2) 降雨階段，含根量增多，根土復(fù)合體含水量也隨之增大，體積含水量升高，速度先慢后快。當(dāng)雨水入滲通道基本貫通后，體積含水量升高，速度加快。無降雨階段，根系的存在會(huì)提高膨脹土的保水能力，含根量越多的土體，雨水滲出速度越慢。

3) 降雨階段，體積含水量升高幅度與高程成正比。測(cè)量點(diǎn)高程增大，相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)體積含水量的升高幅度越大。同一時(shí)刻，高程越大的位置，體積含水量越低。無降雨階段，體積含水量逐漸緩慢減小，下降趨勢(shì)變平緩，下降幅度與高程成正比，高程越大，體積含水量的下降幅度越大。

4) 降雨階段，越接近表面的位置，體積含水量上升速度越快。降雨停止后，越淺的位置出現(xiàn)降低趨勢(shì)的時(shí)刻越早。位于坡面下部4 m 處的特征點(diǎn)，由于雨水入滲的時(shí)間較長，其含水量變化的主要影響因素是地下水位的變化。