植被根系對土體滲透特性影響的試驗(yàn)研究

蔣希雁,楊尚青,馮 峰,陳宇宏,許夢然

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 張家口 075031; 2.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 張家口 075031; 3.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,河北 張家口 075031)

目前生態(tài)護(hù)坡技術(shù)在越來越多的工程中得到應(yīng)用，護(hù)坡的植被具有特殊的水文效應(yīng),在淺層邊坡防護(hù)中具有截留降雨、減緩雨水入滲等效果。其中,植被根系的作用不可忽視。國內(nèi)外學(xué)者對根系的作用做了大量研究。文獻(xiàn)[1]對丹江口庫區(qū)不同植被類型樣地做了滲透試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)根長密度和根表面積密度大小與土壤入滲能力相關(guān);文獻(xiàn)[2]結(jié)合不同恢復(fù)模式下植物根系特征及其對土壤滲透特性的影響,得出隨著根平均直徑的增大,穩(wěn)滲率增大;文獻(xiàn)[3]研究根系構(gòu)型對土壤滲透性能的影響,表明植物根系的存在可改善土壤的入滲性能;文獻(xiàn)[4]探究植被作用下膨脹土的滲透特性,得出根系的作用會(huì)增強(qiáng)土體的滲透能力;文獻(xiàn)[5]采用不同根系分布方式研究根系土的滲透性,發(fā)現(xiàn)豎直根系對土體滲透性能的改善最大,可以提高土壤的通透性;文獻(xiàn)[6]探究植被土在不同壓實(shí)度下的持水能力,研究表明草根的存在降低了土體的滲透率;文獻(xiàn)[7]研究慕大草與鴨腳木根系對土壤入滲速率的影響,發(fā)現(xiàn)植物根系的存在對減少水的滲入量有顯著作用;文獻(xiàn)[8]提出一種新型根系滲透水土保持模型,并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,研究發(fā)現(xiàn)植被根系的存在降低了土中孔隙的有效直徑,減少了水分入滲。

綜上所述,植被根系一方面會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先滲流,另一方面,其固土作用又會(huì)減少土體的水分入滲。因此,根系的存在對土體滲透特性的影響程度有待進(jìn)一步研究,且大部分的試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的,室外原狀土試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的對比相對較少。本文通過現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究植被根系對土體滲透特性的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 土體性質(zhì)和植被特征

本試驗(yàn)的現(xiàn)場部分在河北建筑工程學(xué)院生態(tài)園進(jìn)行。為了確定試驗(yàn)場地土體的特性,依據(jù)文獻(xiàn)[9]對現(xiàn)場所取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn),對土樣各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行了分析。通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)和顆粒篩析試驗(yàn)得到土樣各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)如下：粉土的最大干密度為1.90 g/cm3;實(shí)際干密度為1.806 g/cm3;最優(yōu)含水率為12.0%;液限為23.2;塑限為14.6。土樣顆粒分析結(jié)果見表1所列。

表1 土樣顆粒分析

本試驗(yàn)選用高羊茅和小葉黃楊2種不同類型的植被,植被的根系特征見表2所列。高羊茅屬于禾本科植物,性喜寒冷的氣候,喜光,具有耐半陰、抗病性強(qiáng)等特點(diǎn)。小葉黃楊屬于灌木科植物,喜光,具有耐寒、耐旱等特點(diǎn),其根系發(fā)達(dá)、生長迅速。在陽光充足和半陰環(huán)境下均能正常生長。這2種植被在中國的許多地區(qū)都很常見,適用于很多生態(tài)修復(fù)工程。

表2 試驗(yàn)所用植被的根系特征

1.2 試驗(yàn)裝置

現(xiàn)場原位試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的雙環(huán)入滲法。雙環(huán)入滲法是野外測定非飽和土體滲透系數(shù)的常用方法。雙環(huán)入滲裝置包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)和2個(gè)馬氏瓶。內(nèi)環(huán)直徑25 cm,外環(huán)直徑50 cm,內(nèi)環(huán)和外環(huán)高30 cm。試驗(yàn)時(shí),將液面保持在一個(gè)恒定的水平。外環(huán)的作用有助于減少內(nèi)環(huán)下方橫向流動(dòng)的任何水流,從而保證試驗(yàn)是一維的垂直滲流。由于水流一般為三維流向的,雙環(huán)入滲試驗(yàn)的一維滲流條件是對自然入滲條件的理想化。2個(gè)馬氏瓶具有不同的作用。連接外環(huán)的大馬氏瓶用于給內(nèi)環(huán)提供水壓,連接內(nèi)環(huán)的小馬氏瓶用于給內(nèi)環(huán)的土體供水。大馬氏瓶的容積是小馬氏瓶的容積3倍,這是由于2個(gè)環(huán)之間的環(huán)形空間面積大約是內(nèi)環(huán)面積的3倍。2個(gè)馬氏瓶的頂部都有一個(gè)漏斗,通過漏斗給瓶內(nèi)注水。側(cè)壁都有一個(gè)玻璃管,玻璃管上有刻度尺,用于測讀水位的變化,馬氏瓶的底部有流量閥,用于控制流量。

室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)使用TST-55型滲透儀。為了探究含根量對植被土滲透特性的影響,進(jìn)行重塑土和原狀土的滲透試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)步驟

2.1 雙環(huán)入滲試驗(yàn)

試驗(yàn)在相同的氣候條件下進(jìn)行,雙環(huán)入滲試驗(yàn)分為裸土、高羊茅植被土(稀疏)、高羊茅植被土(密集)和小葉黃楊植被土4種土體。試驗(yàn)前,在原狀土體實(shí)地取樣,計(jì)算每組試驗(yàn)土體中根系質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值,確定含根量大小。經(jīng)過計(jì)算,高羊茅植被土(稀疏)的含根量為0.28%,記為高羊茅植被土(C0.28%),高羊茅植被土(密集)的含根量為0.82%,記為高羊茅植被土(C0.82%),小葉黃楊植被土的含根量為0.73%。試驗(yàn)前,高羊茅與小葉黃楊植被均在試驗(yàn)場地生長3個(gè)月,每3天澆水1次,生長期間經(jīng)歷了多次的干濕循環(huán)。3個(gè)月的生長期足以使植被根系與原位土體結(jié)合。試驗(yàn)開始前,所有試驗(yàn)場地經(jīng)歷了一次自然降雨。降雨結(jié)束后,所有土體都在室外相同的大氣條件下進(jìn)行蒸發(fā)。在經(jīng)歷7 d的蒸發(fā)后,用TDR-350土壤水分測量儀測得每種試驗(yàn)土體的初始體積含水率十分接近,均在10.2%～13.8%之間。另外,每種試驗(yàn)土體都測定了壓實(shí)度大小,4種土體的壓實(shí)度均為95%。室外溫度保持在27 ℃不變。此時(shí)所有試驗(yàn)土體都具有相似的初始水文條件,室外溫度以及土體的初始體積含水率對土體滲透性能的影響可以忽略不計(jì)。清除場地周邊的雜草,平整場地,開始雙環(huán)入滲試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 雙環(huán)入滲試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí),用夯實(shí)工具將內(nèi)環(huán)和外環(huán)垂直打入地面15 cm,2個(gè)環(huán)與地面之間的縫隙用水泥膏密封,以確保試驗(yàn)過程中沒有漏水。在雙環(huán)底部鋪一層礫,厚度為3 cm。鋪礫的目的是防止供水時(shí)水流將環(huán)底的土層沖起。將2個(gè)馬氏瓶注滿水,向內(nèi)環(huán)與外環(huán)供水,試驗(yàn)期間,通過調(diào)節(jié)馬氏瓶底部的流量閥,始終控制內(nèi)環(huán)與外環(huán)水層厚度保持為10 cm,避免相互滲透。試驗(yàn)在相同的氣候條件下進(jìn)行,為了防止環(huán)內(nèi)的水分蒸發(fā),在每次注水后及時(shí)用金屬蓋板蓋住雙環(huán)入滲儀。金屬蓋板中間留有長孔,以排除大氣壓力對試驗(yàn)的影響。按一定的時(shí)間間隔記錄,試驗(yàn)初始階段,由于入滲水量大,因此觀測時(shí)間間隔盡量短。試驗(yàn)開始的前3次記錄,每5 min測讀入滲水量,入滲水量可以通過內(nèi)環(huán)馬氏瓶上的刻度讀出。之后延長每3次測讀的時(shí)間,分別為10、15、20 min測讀。當(dāng)連續(xù)2次觀測流量之差不大于5%,即可結(jié)束試驗(yàn),取最后一次注入流量作為計(jì)算值。

2.2 室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)

通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn),探究不同含根量植被土的滲透特性。室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)分為2個(gè)部分。

第1部分為重塑土變水頭滲透試驗(yàn),試驗(yàn)所用根系為高羊茅的草根,選取長勢良好的高羊茅植被,截取根系,并將草根均勻地與土體混合。試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行土樣的制備。含根量定義為根系質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。分別制備含根量為0、0.10%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.60%、0.80%的根土復(fù)合體。所有試樣中的干土質(zhì)量相同,區(qū)別僅是含根量不同。為了使其與原狀土試驗(yàn)結(jié)果具有可比性,試樣制備嚴(yán)格以壓實(shí)度為控制標(biāo)準(zhǔn),所有試樣均采用95%的壓實(shí)度,與原狀土樣的壓實(shí)度一致。試樣制備完成后依次進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)[10]。

第2部分為原狀土變水頭滲透試驗(yàn)。對于帶有根系的原狀土樣,是在室外試驗(yàn)場地通過TST-55型的專用環(huán)刀選取與雙環(huán)試驗(yàn)相同的位置取樣,進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。因此,室內(nèi)原狀土樣的壓實(shí)度與現(xiàn)場試驗(yàn)土體一致,均為95%。

3 計(jì)算方法

在雙環(huán)入滲試驗(yàn)中,當(dāng)入滲的水量達(dá)到穩(wěn)定值時(shí),利用達(dá)西定律的原理求出裸土和3種植被土的滲透系數(shù),相關(guān)表達(dá)式如下:

Κ=QL/(FJ)

(1)

J=(Hk+Z+L)/L

(2)

其中:J為水力坡度;Hk為毛細(xì)壓力水頭,取1.0 m;F為內(nèi)環(huán)面積,取0.049 m2;Z為環(huán)內(nèi)水層厚度,取0.1 m;L為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的滲透深度;Q為穩(wěn)定流量。

室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)完成后,按照文獻(xiàn)[9]計(jì)算飽和滲透系數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 雙環(huán)入滲試驗(yàn)結(jié)果分析

在對每種土體的入滲過程進(jìn)行研究時(shí),采用初始入滲率、平均滲透速率、飽和滲透系數(shù)和總?cè)霛B體積4種常用滲透性指標(biāo)[11],具體見表3所列。

表3 不同土體的滲透性相關(guān)參數(shù)

從表3可以看出,初始入滲率從大到小依次為小葉黃揚(yáng)植被土、高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、高羊茅植被土(C0.82%);在初始階段,小葉黃楊和含根量為0.28%的高羊茅植被土的初始入滲率反而高于裸土,這是由于在飽和度較低的土體中,根系在初始階段有一個(gè)吸水的過程,使根系與土體的接觸面之間形成了一個(gè)較好的滲流通道,從而促使水分更快地滲入土體中。而隨著時(shí)間的延長,根系吸水過程逐漸完成,這條滲流通道的橫斷面積逐漸減小,使得入滲速率逐漸減小,這在平均滲透速率的滲透性指標(biāo)中有較好的體現(xiàn),平均滲透速率從大到小依次為高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、小葉黃揚(yáng)植被土、高羊茅植被土(C0.82%)。因?yàn)槊糠N土體的壓實(shí)度相同,所以壓實(shí)度引起的土體密度變化對滲透特性的影響可以忽略。

4種土體的累積入滲體積隨時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 累計(jì)入滲體積隨時(shí)間的變化情況

從圖2可以看出,4種土體的入滲體積隨時(shí)間基本呈線性增加。試驗(yàn)中,裸土達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間最長。小葉黃楊植被土與含根量為0.28%的高羊茅植被土達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)的時(shí)間相同,比含根量為0.82%的高羊茅植被土快20 min。試驗(yàn)1 h后,4種土體的入滲逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)。含根量為0.82%的高羊茅植被土與小葉黃楊植被土的入滲體積變化趨勢相似。對比2種不同含根量的高羊茅植被土可以發(fā)現(xiàn),根系密集的高羊茅植被土的入滲體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根系稀疏的高羊茅植被土，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)時(shí),前者的入滲體積比后者減少了56%。這說明根系密集的植被對減少水的入滲量有著更好的效果。在試驗(yàn)前130 min內(nèi),含根量為0.28%的高羊茅植被土的入滲體積始終比裸土多。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)時(shí),它們的入滲體積相差很小,裸土的入滲體積僅比含根量為0.28%的高羊茅植被土多了337.5 mL。這說明根系稀疏的植被不但沒有減弱入滲過程,反而增大了土體的滲流路徑,使得水更快地滲入土體。盡管裸土、高羊茅植被土和小葉黃楊植被土的初始條件基本相同,但在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下,小葉黃楊植被土和含根量為0.82%的高羊茅植被土的入滲體積比裸土的入滲體積減少了50%。這說明植被根系的存在對減少水的入滲量有著顯著的作用。

4種土體的飽和滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化如圖3所示。土體的飽和滲透系數(shù)是降雨過程中影響邊坡淺層穩(wěn)定性的重要因素。由圖3可知，在1 h的浸水試驗(yàn)后,隨著時(shí)間的推移,滲透系數(shù)最終趨于穩(wěn)定,這時(shí)滲透系數(shù)為飽和滲透系數(shù),即土體達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)。

圖3 滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化

在達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)時(shí),4種土體的飽和滲透系數(shù)從大到小依次為高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、小葉黃揚(yáng)植被土、高羊茅植被土(C0.82%)。含根量為0.82%的高羊茅植被土和小葉黃楊植被土的飽和滲透系數(shù)均低于裸土。而含根量為0.28%的高羊茅植被土和裸土的滲透系數(shù)幾乎相同,兩者僅僅相差0.035 cm/min。含根量為0.82%的高羊茅植被土的飽和滲透系數(shù)最小,比含根量為0.28%的高羊茅植被土減少了60%,僅僅為裸土的30%。這是由于含根量為0.82%的高羊茅植被土比其他植被土根系最為發(fā)達(dá),比裸土和其他植被土占據(jù)了更多的土體內(nèi)部孔隙,改變了土體原來的孔隙大小及其分布,從而減少了入滲過程中更多滲流通道,對土體滲透性減弱最為顯著。進(jìn)一步說明根系的存在明顯降低了水的入滲速率,達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)時(shí)的飽和滲透系數(shù)也減小。

4.2 室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

不同含根量重塑土的飽和滲透系數(shù)、其減量和減幅見表4所列。將裸土與含有高羊茅根系的重塑土的飽和滲透系數(shù)值相減得到飽和滲透系數(shù)減量。該減量與裸土的飽和滲透系數(shù)值之比為飽和滲透系數(shù)減幅。

從表4可以看出，摻入高羊茅根系的根土復(fù)合體的飽和滲透系數(shù)均小于裸土的飽和滲透系數(shù)，并且隨著含根量的增加,重塑土的飽和滲透系數(shù)減幅增大;當(dāng)含根量為0.80%時(shí),飽和滲透系數(shù)的減幅達(dá)到了73.03%,這說明在含根量為0～0.80%的范圍內(nèi),高羊茅根系的存在明顯抑制了水的滲流作用;8種不同含根量的根土復(fù)合體隨著含根量的增加,飽和滲透系數(shù)逐漸減小。由于高羊茅根系占據(jù)了土體內(nèi)部的孔隙[12],減小了土體的孔隙率,從而減弱了土體的通透性,使飽和滲透系數(shù)減小。

表4 不同含根量重塑土的飽和滲透系數(shù)

通過實(shí)地取樣,得到了裸土與6種不同含根量的植被土,含根量分別為0.12%、0.13%、0.28%、0.46%、0.73%、0.82%。同樣,每組土體的壓實(shí)度均為95%,因此壓實(shí)度引起的土體密度變化對滲透特性的影響也可以忽略。不同含根量原狀土的飽和滲透系數(shù)、其減量和減幅,見表5所列。

表5 不同含根量原狀土的飽和滲透系數(shù)

從表5可以看出，帶有高羊茅根系的根土復(fù)合體的飽和滲透系數(shù)均小于裸土的飽和滲透系數(shù)，并且隨著含根量的增加,原狀土的飽和滲透系數(shù)減幅增大,但其減幅小于重塑土，當(dāng)原狀土含根量為0.82%時(shí),飽和滲透系數(shù)減幅達(dá)到了39.06%。含根量為0.30%～0.80%時(shí),重塑土的飽和滲透系數(shù)約為原狀土的3倍。這是由于雖然在重塑土制備中均勻摻入高羊茅根系,并使壓實(shí)度與原狀土保持一致,但相對于原狀土,高羊茅根系與土體之間的孔隙更大,重塑土樣無法完全還原高羊茅根系在土體中的狀態(tài)，并且原狀土在室外的自然環(huán)境下已經(jīng)經(jīng)歷了長時(shí)間的固結(jié)過程,土體強(qiáng)度高于重塑土樣。這也是導(dǎo)致原狀土飽和滲透系數(shù)小于重塑土的飽和滲透系數(shù)的原因。

從表5還可以看出,6種不同含根量的根土復(fù)合體隨著含根量的增加,飽和滲透系數(shù)也逐漸減小。在原狀土含根量達(dá)到0.73%以上時(shí),飽和滲透系數(shù)減小的幅度最大,這說明在原狀土體中,較高的含根量對水的滲流抑制更明顯。此結(jié)果與雙環(huán)入滲試驗(yàn)得到的結(jié)果類似,含根量越高的植被土體對減少水分入滲土體有著更顯著的效果。

將現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)中的高羊茅植被土(C0.82%)與室內(nèi)試驗(yàn)中含根量為0.82%的原狀土的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行比較,經(jīng)過單位換算發(fā)現(xiàn)，在土體壓實(shí)度相同的條件下,雙環(huán)入滲試驗(yàn)得到的飽和滲透系數(shù)約為室內(nèi)試驗(yàn)的5倍。這是由于在雙環(huán)入滲試驗(yàn)中,土體有更大的滲流面積,雖然外環(huán)限制了水分的橫向滲流,但并不能完全抑制。原狀土的取樣面積很小,因此其滲流路徑遠(yuǎn)小于現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)的滲流路徑[13]。

針對現(xiàn)場試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)所得飽和滲透系數(shù)的關(guān)系,在實(shí)際工程應(yīng)用中,若因現(xiàn)場條件的限制,操作繁瑣,無法進(jìn)行原位試驗(yàn),則可以取樣通過室內(nèi)試驗(yàn)測得的飽和滲透系數(shù)適當(dāng)評價(jià)現(xiàn)場原位根土復(fù)合體的滲透特性。

5 結(jié) 論

本文通過現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)對不同類型植被土和裸土的入滲體積、飽和滲透系數(shù)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)小葉黃楊植被土和含根量為0.82%的高羊茅植被土的入滲體積比裸土減少了50%。這說明植被根系的存在對減少水的入滲量有著顯著的作用。含根量為0.82%的高羊茅植被土由于相對發(fā)達(dá)的根系占據(jù)了更多的土中孔隙,從而減少了入滲過程中更多滲流通道,使得入滲速率明顯減小,達(dá)到穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)時(shí)的飽和滲透系數(shù)也最小。

通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)研究含根量對土體滲透特性的影響,發(fā)現(xiàn)無論是重塑土還是原狀土,摻入高羊茅根系的根土復(fù)合體的飽和滲透系數(shù)均小于裸土的飽和滲透系數(shù)。根土復(fù)合體隨著含根量的增加,飽和滲透系數(shù)均逐漸減小。含根量越高的植被土對減少水分入滲的效果更顯著。因此,在生態(tài)護(hù)坡工程中,在降雨的情況下護(hù)坡植被可以有效減少雨水的入滲,使淺層邊坡具有更高的穩(wěn)定性。

通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)對比重塑土和原狀土的飽和滲透系數(shù),并與現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)含根量為0.30%～0.80%的重塑土的飽和滲透系數(shù)約為原狀土的3倍,現(xiàn)場雙環(huán)入滲試驗(yàn)得到的含根量為0.82%的高羊茅植被土的飽和滲透系數(shù)約為室內(nèi)試驗(yàn)的5倍。因此，實(shí)際工程中,可以通過室內(nèi)試驗(yàn)測得的飽和滲透系數(shù)適當(dāng)評價(jià)現(xiàn)場原位根土復(fù)合體的滲透特性。