特殊土邊坡的植被防護(hù)工程及景觀研究

鄭 碩，黎鳳林，楊超煒

(1.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410004；3.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

近些年，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速增長，我國的交通設(shè)施建設(shè)得到了長足發(fā)展。交通路線不斷建設(shè)和發(fā)展的同時(shí)必將會造成道路沿線生態(tài)環(huán)境的改變和破壞，進(jìn)而會產(chǎn)生如：原有土體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、植被砍伐造成水土流失等一系列隱患，這將會對沿線居民的生產(chǎn)和生活造成一定影響和威脅。解決該問題的傳統(tǒng)方法是采用噴射混凝土、漿砌片石塊石等。這些方法在工程建設(shè)初期起到了立竿見影的效果，但是隨著時(shí)間的推移，自然界的風(fēng)化作用將會導(dǎo)致這些傳統(tǒng)方法的防護(hù)效果逐步降低[1-3]。而對于特殊土沿線的工程，如黃土、膨脹土等，由于特殊土自身具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)將會導(dǎo)致上述問題更加嚴(yán)重[4-6]。為解決特殊土邊坡引起的工程問題，同時(shí)為了響應(yīng)國家的“生態(tài)文明”建設(shè)方針，合理的采用植被護(hù)坡技術(shù)不僅可以在一定程度上解決生態(tài)環(huán)境問題，同時(shí)還可以解決相應(yīng)的工程隱患[5-7]?；诖?，本文針對特殊土邊坡植被防護(hù)應(yīng)用問題作相應(yīng)的介紹。首先，詳細(xì)介紹了黃土和膨脹土邊坡的特點(diǎn)及相應(yīng)的工程問題；然后，指出植被護(hù)坡對特殊土邊坡的適應(yīng)性，并詳細(xì)探討了其內(nèi)在防護(hù)機(jī)理；最后，提出黃土邊坡和膨脹土邊坡植被防護(hù)種類的選取及建議，并介紹了植被護(hù)坡的景觀效應(yīng)。

1 特殊土邊坡的特點(diǎn)

1.1 黃土邊坡

我國黃土分布較廣，且各地區(qū)的黃土有著不同的厚度及顆粒成分，因此其物理力學(xué)性質(zhì)不盡相同，有著明顯的地區(qū)性特點(diǎn)。深入了解黃土地質(zhì)特點(diǎn)，對邊坡治理方案的制定有著重要意義。

黃土在干燥氣候下形成，初期受少量水分的影響形成松散粉粒，隨著長時(shí)間的干旱會造成其內(nèi)部水分蒸發(fā)，形成以粗顆粒為主要骨架且具有柱狀節(jié)理的多孔結(jié)構(gòu)。因此黃土在干燥環(huán)境下強(qiáng)度較高；但在大量浸水后土中的可溶鹽溶解，致使土粒間的膠結(jié)作用降低，土體原有結(jié)構(gòu)破壞，承載力降低。因而大部分黃土具有受水浸濕后產(chǎn)生較大沉陷的濕陷性。

黃土邊坡失穩(wěn)是工程中經(jīng)常遇到的問題，其失穩(wěn)破壞主要有以下兩種情況。一是，在黃土邊坡滑動(dòng)之前，由于張拉應(yīng)力等作用，坡頂或坡面通常會產(chǎn)生一些張拉裂縫，為水分的進(jìn)入提供了通道，對邊坡穩(wěn)定性十分不利[1]。另外一種常見情況是，沖刷、剝落、坡面泥石流等邊坡坡面破壞造成的失穩(wěn)[2]。

1.2 膨脹土邊坡

天然狀態(tài)下的膨脹土強(qiáng)度較高，壓縮性好。但由于膨脹土中含有蒙脫石，從而導(dǎo)致了但該類土的工程性質(zhì)極不穩(wěn)定，在浸水之后，體積會發(fā)生較大膨脹，失水之后，體積明顯收縮。因此，地處膨脹土區(qū)域的邊坡，在季節(jié)性干濕循環(huán)的條件下，較易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，氣候變化是造成膨脹土地區(qū)邊坡失穩(wěn)的主要外在因素之一[3,4]。膨脹土本身裂隙的發(fā)展程度、軟化以及蠕變特性是影響邊坡失穩(wěn)的主要內(nèi)在因素，而這些內(nèi)在因素發(fā)展的快慢，主要取決于膨脹土自身蒙脫石含量的多少。

同時(shí)由于膨脹土本身對水較為敏感，因此考慮膨脹土的非飽和性，即考慮基質(zhì)吸力對膨脹土強(qiáng)度的影響很有必要[4]。影響膨脹土邊坡內(nèi)部含水量和基質(zhì)吸力變化的主要原因是降雨入滲，因此可將影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析簡單歸納如圖1所示。

圖1 膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析Figure 1 Stability analysis of expansive soil slope

2 特殊土邊坡植被防護(hù)機(jī)理研究

由于膨脹土本身的特殊性質(zhì)，采用傳統(tǒng)的護(hù)坡方法難以起到長期、可持續(xù)的效果。而合理的采用植被護(hù)坡技術(shù)，同時(shí)可起到生態(tài)防護(hù)和力學(xué)加固的作用[5]。為便于植被的工程設(shè)計(jì)及確保在工程應(yīng)用中良好的效果，下面將對植被護(hù)坡的內(nèi)在機(jī)理作詳細(xì)介紹。

2.1 淺層根系的加筋防護(hù)機(jī)理

在表層土以下20～40 cm范圍內(nèi)的植被根系稱為淺層根系。在邊坡上種植了植被之后，淺層植被根系對土體的盤結(jié)，可看作一種三維加筋作用[5]，即視為土體的粘聚力和側(cè)向約束力分別增加了Δc和Δσ3。這種三維加筋作用原理可等效為圖2所示的原理圖。

由圖2可知，由于植物根系加筋作用使膨脹土的粘聚力增加了Δc，使得土體的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線沿著τ軸向上平移了Δc，這意味著植被根系的存在增大了土體的極限抗剪強(qiáng)度。另一方面，植被根系的存在會使土體側(cè)向約束力增大Δσ3。如果σ1不變，土體的應(yīng)力狀態(tài)將會由莫爾圓A變成莫爾圓B，從而使得土體更不易達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度，邊坡的穩(wěn)定性得到提高。

圖2 植被根系加筋作用等效原理圖Figure 2 Equivalent schematic diagram of vegetation root reinforcement

2.2 深層根系的錨固防護(hù)機(jī)理

對于灌木類植被等，其根系可深入到表層土下1.5 m左右，甚至可以扎入到巖層中去。對于錨固型根系可簡化為粘接型錨桿來進(jìn)行受力分析，在根系受拔時(shí)，主根和沿主根分布的側(cè)根與周圍的土體相互作用，同時(shí)提供根與土體之間的摩擦力以及等效粘聚力[6]，從而得到根系錨固力T為：

(1)

式中:C為等效粘聚力；z為扎根深度；Q(z)和P(z)分別為根的密度和平均半徑分布函數(shù)；P(z)為根平均半徑分布函數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；r為根半徑。

2.3 植被防護(hù)的水文效應(yīng)

a.緩解表層土體濺蝕。

從高處落下的雨滴因具有一定的勢能和動(dòng)能，落到土體表面，會造成表層土體的濺蝕，從而破壞土體結(jié)構(gòu)。當(dāng)邊坡有植被覆蓋，雨滴將會被植被的莖葉阻截，使雨滴分散，減少重量，減緩流速，從而緩解雨水的濺蝕。

近年以來，用于處理低濃度甲烷的熱力型或催化型蓄熱氧化裝置(Regenerative Thermal Oxidizer，簡稱為RTO)的研究取得了顯著進(jìn)展，這為乏風(fēng)瓦斯及低濃度瓦斯的利用帶來曙光[4]。這種蓄熱氧化裝置實(shí)質(zhì)是一種內(nèi)置多孔介質(zhì)蓄熱填料(或帶有催化劑層)的蓄熱換向流反應(yīng)器，它工作于流動(dòng)方向周期性切換的非穩(wěn)定狀態(tài)下，依靠燃料氣流速度與反應(yīng)熱前鋒移動(dòng)速度差異，通過合理控制周期循環(huán)時(shí)間，使得反應(yīng)器內(nèi)蓄熱填料儲存足夠的熱量以維持系統(tǒng)的自熱平衡，并將多余的熱量以高溫?zé)煔庑问匠槌隼肹5]，一般處理甲烷體積分?jǐn)?shù)在1.2%以下。

b.抑制坡面沖刷破壞。

地表徑流加劇了坡面沖刷破壞，植被護(hù)坡可有效減少地表徑流，主要是由于植被莖葉的多重作用：①分散攔截作用。雨滴降落后，首先會受到莖葉的緩沖和阻截，被分散成小雨滴后，以較低的重力勢能繼續(xù)下落。也有部分雨滴也會暫時(shí)殘留在枝葉上，不會降落到坡面，后期以蒸發(fā)的形式消失。②根系及莖葉的吸收作用。初期降雨，植物莖葉和根系能最大限度的吸收水分，減少坡面雨水的流動(dòng)，進(jìn)而減少沖刷。③籬笆作用[7]。植物的莖葉類似于各個(gè)方向的小籬笆，即使雨滴已經(jīng)降落到坡面上，莖葉仍可以有效的分散水流，減緩流速，降低水力梯度，從而減小沖刷破壞。

2.4 黃土邊坡的植被防護(hù)機(jī)理

關(guān)于濕陷性黃土的濕陷作用，從黃土的組分來說，可溶鹽類的膠結(jié)作用是影響濕陷性的關(guān)鍵因素；從土的物理性質(zhì)指標(biāo)來說，許多文獻(xiàn)都表明，黃土的孔隙比、干密度及含水量等與黃土濕陷性有密切關(guān)系。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中資料可得：①由于架空孔隙為變形提供了更多的空間，因此土中有足夠的孔隙是黃土產(chǎn)生濕陷變形的必要條件。②非濕陷性土的飽和度一般大于80%(或含水量大于25%)，強(qiáng)濕陷性土的飽和度一般小于50%(或含水量小于20%)。

張?zhí)K民[9]等對同一土樣進(jìn)行增濕和減濕處理，然后測試不同壓力下土樣壓縮變形和浸水濕陷變形。結(jié)果顯示：土樣飽和度越低(即含水量越低)，濕陷量隨著基質(zhì)吸力的增大而增大[10]。

通過以上植被護(hù)坡機(jī)理的分析，對于黃土邊坡：①植被可在一定程度上增加土壤含水量，維持土壤水分，從而減少一定濕陷量。②植物根系可起到抗滑移的作用，且根系互相纏繞，可視為帶有預(yù)應(yīng)力的加筋材料[11]，一方面可使土體的粘聚力增加，另一方面改變了土體結(jié)構(gòu)，可使土的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)。③淺層根延伸范圍內(nèi)，由于根系的三維加筋作用，有效地限制了淺層土體的變形，可減少表層土體的張拉裂縫。④在植物的生長過程中，植物根系會分泌大量的膠結(jié)物，可提高土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及抗沖擊分散能力。

2.5 膨脹土邊坡的植被防護(hù)機(jī)理

除了植被根系對邊坡的加筋作用和錨固作用外，植被的蒸騰作用以及水土保持作用可有效調(diào)節(jié)膨脹土內(nèi)部的水分遷移、含水率等，這將對膨脹土內(nèi)部的基質(zhì)吸力影響較大[5,12,13]。而膨脹土的非飽和性較為顯著，因此對于植被防護(hù)的膨脹土強(qiáng)度需同時(shí)考慮植被根系的加筋作用和基質(zhì)吸力的變化對土體強(qiáng)度的影響[5]，得到植被防護(hù)膨脹土的強(qiáng)度為：

τf=c'+cT+(σT+σ-ua)tanφ'+

(ua-uw)tanφb

(2)

式中:cT為植被根系加筋作用所提供的粘聚力；(σT+σ-ua)為同時(shí)考慮植被根系加筋作用和基質(zhì)吸力的凈應(yīng)力；(ua-uw)為土體非飽和狀態(tài)下的毛細(xì)吸力；φb為基質(zhì)吸力摩擦角。

通過以上植被護(hù)坡機(jī)理的分析，對于膨脹土邊坡：①采用根系較深的灌木類植被，可將大范圍的土體根系盤繞在一起，形成“根-土復(fù)合體”，植被根系良好的抗拉性能可以限制土體的變形，使復(fù)合體具有一定的強(qiáng)度和剛度。②深層根可穿越較深的穩(wěn)定土層，將表層土與深層土連接成一個(gè)整體，起到預(yù)應(yīng)力的作用，且根系錯(cuò)綜復(fù)雜，類似于三維加筋，改善了膨脹土體的力學(xué)性能。③植被的存在可改善土體的滲透性，從而可起到調(diào)節(jié)土壤中空隙水壓力的作用，進(jìn)而增加土體抗剪強(qiáng)度。

3 特殊土邊坡植被防護(hù)種類及方法

3.1 黃土邊坡植被防護(hù)

由于黃土地區(qū)降水時(shí)空變化大，季節(jié)性降水特點(diǎn)明顯，黃土邊坡時(shí)常出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，因此可采用植被護(hù)坡緩解水土流失的狀況，并且選用適宜此氣候生長的植物尤為重要。

目前黃土邊坡常用植被護(hù)坡技術(shù)見表1，由于人工播撒草籽不均勻，前期草皮養(yǎng)護(hù)管理復(fù)雜等原因，前兩種護(hù)坡技術(shù)已較少使用[2，14]。依據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ姷闹参锛吧L特點(diǎn)[11]，總結(jié)可適宜黃土邊坡護(hù)坡的植被見表2。

表1 黃土邊坡常用植被護(hù)坡技術(shù)Table 1 Commonly used vegetation protection techniques for loess slopes植被護(hù)坡技術(shù)適宜地質(zhì)施工難易程度效果養(yǎng)護(hù)人工種草護(hù)坡土質(zhì),砂土邊坡耗費(fèi)人工量大草籽播撒易不均勻前期養(yǎng)護(hù)困難平鋪草皮護(hù)坡土質(zhì),砂土邊坡耗費(fèi)人工量大前期草皮銜接處明顯前期養(yǎng)護(hù)困難液壓噴播植草護(hù)坡土質(zhì),土石邊坡較復(fù)雜,液壓噴播,掛網(wǎng),但覆蓋速度快植物單一,不易形成自然植物群落加蓋無紡布,前期需人工澆水網(wǎng)格生態(tài)護(hù)坡土質(zhì),砂土邊坡較復(fù)雜,但覆蓋速度快以草本為主,草種易退化需坡面草種補(bǔ)裁土工格室植草護(hù)坡土質(zhì),砂巖邊坡較復(fù)雜,鋪土工網(wǎng),但覆蓋速度快前期效果好,但不易形成自然植物群落加蓋土工膜,定期澆水養(yǎng)護(hù)

表2 黃土地區(qū)植被護(hù)坡可供選擇的植物種類及特點(diǎn)Table 2 Species and characteristics of available plants for vegetation slope protection in the loess area植被種類分布區(qū)生長習(xí)性及特點(diǎn)多變小冠花西北區(qū)適應(yīng)干旱、寒冷、高溫氣候及貧瘠土壤,水土保持性能極好草無芒雀麥西北,東北,華北地區(qū)根系生長速度快,且扎根較深,適應(yīng)高溫、寒冷及干旱氣候紫花苜蓿西北區(qū)該植被具備良好排水性,宜種植于溫暖,較濕潤氣候迎春中國大部分省區(qū)宜種植于陽面,根系萌發(fā)力強(qiáng),適應(yīng)干旱氣候,但不耐澇。灌枸杞西北區(qū)適應(yīng)于寒冷、干旱氣候,且根系發(fā)達(dá)。紫穗槐西北區(qū)宜種植于陽面,適應(yīng)于寒冷、干旱氣候,較耐澇,對土壤適應(yīng)能力強(qiáng)喬火炬樹華北區(qū),西北區(qū)適應(yīng)干旱、寒冷氣候及貧瘠、鹽堿類土壤,且耐水濕,生長速度快,但壽命較短欒樹中國大部分省區(qū)適應(yīng)性強(qiáng),宜種植于陽面,可有效阻擋煙塵,適應(yīng)于寒冷、干旱氣候及貧瘠土壤

3.2 膨脹土邊坡植被防護(hù)

膨脹土本身較為疏松，比較適合草本植物生長，同時(shí)疏松性會導(dǎo)致土壤易坍塌。因此，膨脹土邊坡的植被防護(hù)要形成一個(gè)科學(xué)的生態(tài)體系，不僅能起到良好的生態(tài)體系防護(hù)，還可對邊坡起到較好的力學(xué)加固作用。

研究表明，對于一個(gè)邊坡植被防護(hù)體系，需要草本、灌木及喬木類等植被混合種植，同時(shí)還要考慮到區(qū)域性以及季節(jié)性的變化對植被生長情況的影響[15]?？傊徽撌侵脖环N類的選擇，還是種植施工順序及方法都要圍繞“因地制宜”的原則。經(jīng)過詳細(xì)調(diào)查，本文根據(jù)不同地區(qū)，選擇了幾種典型的植被列于表3，以供參考。

表3 膨脹土地區(qū)植被護(hù)坡可供選擇的植物種類及特點(diǎn)Table 3 Species and characteristics of available plants for vegetation slope protection in the area of expansive soils植被種類分布區(qū)生長習(xí)性及特點(diǎn)節(jié)節(jié)草西南區(qū)多年生,土生,喜近水生草本類冰草華北區(qū)多年生旱生禾草,可與苔草、禾本科草、及灌木類植被混合種植,種植區(qū)域的氣候當(dāng)處于干旱到半潮濕為宜白羊草西北區(qū)多年生草本,可種植與干旱貧瘠地區(qū)黃刺玫西北區(qū)宜種植于陽面,且對于寒冷及干旱氣候適應(yīng)能力強(qiáng)灌木類清香木西南區(qū)宜種植于陽面,耐水性不好,其根系需扎根于較厚土層,生命力強(qiáng)胡枝子華北區(qū)生命力頑強(qiáng),適應(yīng)干旱及寒冷氣候,且可種植于酸性及鹽堿性土壤刺槐西北區(qū)適合種植于土壤條件較好的地區(qū),且適應(yīng)干旱氣候,不宜種植于沖風(fēng)口喬木類山杏華北區(qū)根系可深入地下,耐瘠薄,適應(yīng)于寒冷、干旱地區(qū)銀合歡西南區(qū)耐旱能力強(qiáng),適應(yīng)土壤條件范圍很廣,但不宜種植于水分較多地區(qū)

4 植被護(hù)坡生態(tài)景觀效應(yīng)

相比于傳統(tǒng)護(hù)坡方法，植被護(hù)坡除了前述的力學(xué)加固作用外，更重要的是，還能起到生態(tài)防護(hù)作用。邊坡上的植被可使工程建設(shè)沿線所破壞的生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)。同時(shí)可有效地減少交通沿線的噪音污染、光污染及空氣污染。

另外，合理搭配種植的草、灌、喬、花等會給交通沿線邊坡帶來景觀效應(yīng)。如圖3所示，郁郁蔥蔥的草兒，繽紛的花朵等，使原本單調(diào)的公路沿線優(yōu)美如畫，勃勃生機(jī)，除了欣賞價(jià)值以外也可緩解司機(jī)駕駛途中的單調(diào)與疲勞。

圖3 植被護(hù)坡的景觀效應(yīng)Figure 3 Landscape effects of vegetation slope protection

5 結(jié)論

通過對黃土邊坡、膨脹土邊坡特殊工程問題的介紹，以及植被防護(hù)的應(yīng)用和防護(hù)機(jī)理及方法的探討，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.淺層根系的加筋作用和深層根系的錨固作用，為邊坡的防護(hù)提供了由淺入深，層層加固的力學(xué)防護(hù)保障。植被的水文效應(yīng)，從緩解表層土體濺蝕、抑制坡面沖刷兩方面來加強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

b.植物根系還可通過改變土壤物理力學(xué)特性，如：含水率、孔隙水壓力、增強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)性等方面來進(jìn)一步改善黃土的濕陷性及膨脹土的脹縮性。

c.邊坡植被防護(hù)體系的建立，需各種類植被混合種植，同時(shí)還要考慮到區(qū)域性以及季節(jié)性的變化對植被生長情況的影響，堅(jiān)持“因地制宜”的原則。

d.相比于傳統(tǒng)護(hù)坡方法，植被護(hù)坡方法更具備防護(hù)的長期性、可持續(xù)性及景觀特色，并且可同時(shí)起到生態(tài)防護(hù)和力學(xué)加固的雙重防護(hù)效果。