百喜草根系對(duì)土壤滲透性能的影響

鄒全， 王桂堯， 張文豪， 郭一鵬

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

植草護(hù)坡作為一種生態(tài)邊坡防護(hù)措施近年來(lái)在公路工程中得到廣泛應(yīng)用。草本植物主要通過(guò)影響侵蝕動(dòng)力和土壤本身抗侵蝕能力來(lái)增強(qiáng)坡面淺層土壤，植物莖葉、枯落物等通過(guò)削弱雨滴濺蝕、截流吸附坡面雨水等方式減弱坡面水流的侵蝕；植物地下根系在土壤中生長(zhǎng)、穿插形成根-土復(fù)合體固結(jié)土壤，提高土體強(qiáng)度和抗崩解能力，從而增強(qiáng)坡面土壤的抗侵蝕能力。目前大量研究集中于植物根系的力學(xué)加筋效應(yīng)，而實(shí)質(zhì)上其水力學(xué)特性更重要。文獻(xiàn)[12-15]指出植物根系可顯著改變土壤的滲透特性，影響土壤中水分的運(yùn)移，改變降雨過(guò)程中土質(zhì)邊坡的地表徑流，從而影響邊坡坡面侵蝕；李雄威等通過(guò)膨脹土原位滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物根系可增大土體滲透性能；張偉偉等研究砂質(zhì)土壤根-土復(fù)合體的土水特征，發(fā)現(xiàn)植物根系的存在可增大素土的滲透系數(shù)；趙記領(lǐng)等發(fā)現(xiàn)由細(xì)葉結(jié)縷草構(gòu)成的邊坡保護(hù)層能減小雨水入滲速度；陳晉龍等發(fā)現(xiàn)直根系(香根草)可增大邊坡表層的滲透系數(shù)，須根系(狗牙草)會(huì)降低邊坡表層的滲透系數(shù)；桑凱新、李建興等的研究表明隨著土層深度的增加，不同植物類型和同一植物不同土層之間土壤的滲透特性存在較大差異。

近年來(lái)，草本植物百喜草因其根系發(fā)達(dá)、地下莖粗壯等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前大多數(shù)研究側(cè)重于百喜草根系的力學(xué)加筋性能，而對(duì)其對(duì)坡面抗侵蝕能力影響的研究較少。該文分析百喜草根系對(duì)砂質(zhì)黏土滲透性能的影響，探討不同深度處土體滲透性能差異，并通過(guò)染色示蹤優(yōu)先流試驗(yàn)分析百喜草根系對(duì)土體滲透性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用砂質(zhì)黏土取自長(zhǎng)沙某工地，風(fēng)干后過(guò)5 mm篩。土樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1，顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1。

表1 砂質(zhì)黏土的基本物理參數(shù)

圖1 砂質(zhì)黏土的級(jí)配曲線

1.2 試樣制備

(1) 有根系砂質(zhì)黏土(簡(jiǎn)稱植根土)。在PVC管內(nèi)種植百喜草，管徑為104 mm，高度為330 mm，分10層(每層3 cm)壓實(shí)，初始含水量為13.6 %，干密度為1.74 g/cm3。底部采用土工布封底，播種種子質(zhì)量為0.8 g，在室外種植3個(gè)月(見(jiàn)圖2)。

圖2 有根系砂質(zhì)黏土試樣制備

(2) 無(wú)根系砂質(zhì)黏土(簡(jiǎn)稱素土)。采用同樣的方法制備，只是不播種種子，放置在相同環(huán)境下開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)。

1.3 滲透試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)裝置與步驟

如圖3所示，滲透試驗(yàn)裝置由電子秤、支架、燒杯、漏斗、鐵絲網(wǎng)、帶刻度的有機(jī)玻璃管(外徑110 mm，厚度3 mm)組成。

圖3 滲透試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)步驟：剪去試樣上部的莖葉，去除試樣底部土工布，將帶刻度的有機(jī)玻璃管套在試樣頂部，注水至5 cm高水頭。試驗(yàn)過(guò)程中每隔一段時(shí)間記錄水頭和水溫，讀數(shù)完成后立即加水，將水頭恢復(fù)為5 cm。第一次讀數(shù)為試驗(yàn)開(kāi)始后2 min，第二次為3 min，之后視水頭下降速度定時(shí)間。利用底部的燒杯收集滲漏液并稱量，當(dāng)稱量的水在各間隔內(nèi)穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

1.3.2 植根土滲透試驗(yàn)

選用10個(gè)素土試樣和10個(gè)植根土試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，取出試樣中的根系，洗凈風(fēng)干后稱其質(zhì)量，分析根系對(duì)土體滲透特性的影響。植根土滲透系數(shù)Kt按下式計(jì)算：

(1)

式中：Qn為間隔時(shí)間內(nèi)滲入的水量；tn為間隔時(shí)間；S為PVC管的截面積；L為PVC管中土樣深度；H為試驗(yàn)時(shí)的水頭高度。

按下式換算為10 ℃下滲透系數(shù)：

(2)

式中：Kt為溫度t時(shí)滲透系數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)測(cè)定的水溫。

1.3.3 植根土分段滲透試驗(yàn)

取10個(gè)植根土試樣，沿高度方向?qū)⒃嚇泳譃?段(對(duì)應(yīng)深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm)，開(kāi)展不同深度植根土變水頭滲透試驗(yàn)。取出試樣中的根系，洗凈風(fēng)干后稱其質(zhì)量，分析不同深度根系對(duì)土體滲透特性的影響。

1.4 染色示蹤優(yōu)先流試驗(yàn)

優(yōu)先流是指土壤水分沿植物根系生長(zhǎng)等作用下形成的孔隙通道繞過(guò)大部分土壤基質(zhì)快速通過(guò)土壤的現(xiàn)象。采用亮藍(lán)染色劑溶液(濃度4 g/L)進(jìn)行染色示蹤優(yōu)先流試驗(yàn)，步驟如下：將染色劑以0.019 mm/s的強(qiáng)度均勻噴灑在土體表面，噴灑時(shí)間約30 min，靜置24 h后將試樣取出，將土層剖開(kāi)(水平方向1.5 cm剖開(kāi)一次，豎直方向2 cm剖開(kāi)一次)后，拍照記錄不同高度土體染色情況。

先利用Photoshop將染色區(qū)域變?yōu)楹谏⑽慈旧珔^(qū)域變?yōu)榘咨?，再利用MATLAB軟件計(jì)算染色部分的面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲透特性

2.1.1 植根土整體滲透特性

根系質(zhì)量與滲透系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 根系質(zhì)量與滲透系數(shù)的關(guān)系

由圖4可知：1) 隨著根系質(zhì)量的增加，植根土滲透系數(shù)增大，兩者呈正相關(guān)。2) 植根土的滲透系數(shù)(0.159～0.495 mm/min)遠(yuǎn)大于素土(0.022 4～0.024 3 mm/min)，是素土的7.1～20.4倍，百喜草根系可提高土體的滲透性能。這是因?yàn)橹参锔悼纱龠M(jìn)土體形成微型濾水團(tuán)聚體，阻止土顆粒的搬運(yùn)，直接增加水分的入滲；植物根系在土體中生長(zhǎng)形成孔隙，促使土體形成廣泛且連續(xù)的大孔隙，水分可快速進(jìn)入土體內(nèi)部，增強(qiáng)土壤的滲透特性。3) 每組植根土的根系質(zhì)量存在較大差異，其滲透系數(shù)波動(dòng)范圍較大，最大值約為最小值的3倍。這是由植根土中植物根系發(fā)育程度不同所引起。

2.1.2 植根土不同深度滲透特性

不同深度根系質(zhì)量與滲透系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 不同深度根系質(zhì)量與滲透系數(shù)的關(guān)系

從圖5可以看出：1) 隨著土體深度的增大，植根土的滲透系數(shù)和根系質(zhì)量減小。2) 土體深度為20～30 cm時(shí)，植根土的滲透系數(shù)接近于素土。根系在土中的生長(zhǎng)形態(tài)為倒三角形，在土體淺層，百喜草根系分布范圍廣，根系形態(tài)規(guī)則，根系質(zhì)量和滲透系數(shù)呈明顯的線性關(guān)系；土體深度為20～30 cm時(shí)，根系生長(zhǎng)不規(guī)則，且只有小部分根系貫穿土體，當(dāng)水分通過(guò)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生的新孔隙流動(dòng)至該深度時(shí)，根系帶來(lái)的滲流路徑消失，植根土的滲透系數(shù)接近于素土。

2.2 染色特性

2.2.1 水平剖面下優(yōu)先流規(guī)律

圖6為試樣水平剖面染色面積占比隨深度的變化曲線，表2為部分試樣水平剖面染色二值化圖片。從圖6和表2可看出：1) 土體深度0～5 cm處，2組試樣剖面幾乎全部染色。2) 植根土的染色深度和染色面積占比均大于素土。這是由于植根土表層參與滲流的孔隙多，以基質(zhì)流的形式為主；隨著深度的增大，滲流以根系生長(zhǎng)產(chǎn)生的大孔隙優(yōu)先流為主，染色溶液沿著這些大孔隙向下滲透，大孔隙周圍基質(zhì)染色，故植根土染色面積大，優(yōu)先流路徑更長(zhǎng)。說(shuō)明百喜草的存在增加了土壤優(yōu)先流路徑，提高了砂質(zhì)黏土的滲透性能。3) 素土的染色面積隨深度的變化曲線比植根土平滑，染色面積占比隨深度的增大而均勻減小；植根土部分區(qū)域染色面積占比隨深度增大呈現(xiàn)減小或基本不變的趨勢(shì)。這是由于分層壓實(shí)過(guò)程中試樣頂部壓實(shí)度低于底部，頂部的滲透性能大于底部，染色面積占比隨深度增大而減小；根系一般為先向下生長(zhǎng)后側(cè)向伸長(zhǎng)，在某些深度范圍內(nèi)水平根系的存在使該剖面的滲流路徑增多，染色面積占比基本不變。

圖6 染色面積占比和深度的關(guān)系

表2 部分試樣水平剖面染色二值化圖片

2.2.2 垂直剖面下優(yōu)先流規(guī)律

圖7為垂直剖面圖片染色二值化圖片。從圖7可以看出：1) 植根土表層(0～5 cm)幾乎全部染色，水分以基質(zhì)流的形式入滲；染色面積隨著深度的增大而減小，在10 cm深度處染色區(qū)域開(kāi)始分散，水分的入滲由基質(zhì)流轉(zhuǎn)向優(yōu)先流，與水平剖面的優(yōu)先流規(guī)律相同。2) 黑白交界處為植根土24 h后濕潤(rùn)鋒在土體中的位置。植根土的濕潤(rùn)鋒擴(kuò)張深度達(dá)到24.48 cm，而素土濕潤(rùn)鋒最大為15 cm左右，植根土的濕潤(rùn)鋒擴(kuò)張深度比素土大。將植根土垂直剖面與水平剖面的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者最大染色深度差不多。

圖7 植根土垂直剖面染色二值化圖片

3 結(jié)論

(1) 百喜草根系可提高土體的滲透性能，有根系砂質(zhì)黏土的滲透系數(shù)是無(wú)根系土體的7.1～20.4倍。有根系砂質(zhì)黏土的滲透系數(shù)因植物根系發(fā)育程度不同產(chǎn)生很大波動(dòng)，最大值約為最小值的3倍。

(2) 根系質(zhì)量與滲透系數(shù)呈線性關(guān)系，即滲透系數(shù)隨土體內(nèi)根系質(zhì)量增大而增大。

(3) 植根土根系質(zhì)量和滲透系數(shù)隨深度增大而減小，且植根土在20～30 cm深度處的滲透系數(shù)與素土較接近。

(4) 根系的生長(zhǎng)對(duì)土體內(nèi)優(yōu)先流的產(chǎn)生有促進(jìn)作用。砂質(zhì)黏土在有根系時(shí)的染色深度比無(wú)根系時(shí)更大；所有試樣的染色面積占比隨深度增大均呈減小趨勢(shì)；有根系砂質(zhì)黏土的優(yōu)先流路徑長(zhǎng)度比無(wú)根系砂質(zhì)黏土的長(zhǎng)，且染色面積占比與染色深度比無(wú)根系砂質(zhì)黏土大幅提高。