植被防護(hù)岸坡加筋機(jī)理研究

譚瑞琪，謝亞軍，李欣然，姜寶瑩，張桂榮

（1.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.淮安市水利工程建設(shè)管理服務(wù)中心，江蘇 淮安 223021）

1 引言

河流土質(zhì)岸坡抗沖性較差，在水流沖刷下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞環(huán)境且威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)重影響社會(huì)的穩(wěn)定。與之相比，植被防護(hù)岸坡既提高了坡面抵抗徑流搬運(yùn)泥沙的能力，又滯洪補(bǔ)枯、調(diào)節(jié)水位、提高河岸穩(wěn)定性，極大保護(hù)了河岸帶生態(tài)環(huán)境。

植被護(hù)岸技術(shù)能有效降低降雨對(duì)岸坡的侵蝕，提升岸坡抵御水流沖刷的能力，提高岸坡穩(wěn)定性。本文較為系統(tǒng)地分析了植被防護(hù)岸坡加筋機(jī)理，指出復(fù)合生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了植被根系加筋固土的作用，提升了生態(tài)防護(hù)岸坡的整體穩(wěn)定性。

2 草本植被根系加筋護(hù)岸機(jī)理研究進(jìn)展

草本植物根系直徑一般小于1 mm，在0～30 cm的表層土體內(nèi)呈三維隨機(jī)分布狀態(tài)（圖1），具有三維加筋特性[1]，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、纏繞、黏結(jié)作用固土[2]。因富含纖維素，所以草本植物根系具有更高的強(qiáng)度和延展性[3]，可根據(jù)在土體中的受力情況將其視為柔性材料[4]。胡其志等[5]指出根系加筋土、格柵加筋土，根系與格柵復(fù)合加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均符合鄧肯-張模型，即通過(guò)增加土體抗剪強(qiáng)度的方式來(lái)提高土體力學(xué)強(qiáng)度[6]（圖2），根—土復(fù)合體具有彈塑性變形能力[7]。

圖1 典型草本護(hù)坡植被根系分布圖

圖2 裸土、根—土復(fù)合體的三軸應(yīng)力圓分析

草本植被根系加筋護(hù)岸機(jī)理主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是植被根系加筋的生物、化學(xué)固土作用；二是植被根系加筋的力學(xué)加固作用，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，從而增強(qiáng)岸坡的抗沖效應(yīng)與抗滑穩(wěn)定效應(yīng)。

2.1 植被根系加筋的生物、化學(xué)作用固土機(jī)理

土體基本結(jié)構(gòu)是有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)膠結(jié)而成的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，一般是指土粒通過(guò)各種自然作用形成的直徑小于1 cm 的結(jié)構(gòu)單位[9]。研究表明大于2.5 cm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體可明顯增強(qiáng)土體的抗沖效應(yīng)[10,11]。草本植被根系加筋護(hù)岸結(jié)構(gòu)從兩方面增加團(tuán)聚體數(shù)量從而提高岸坡穩(wěn)定性：一方面，根系的化學(xué)作用釋放有機(jī)物和無(wú)機(jī)物[12]，并且根系的生物作用增強(qiáng)微生物活性，更提高了土中的具有粘性和吸附特性的有機(jī)大分子、無(wú)機(jī)物、膠體和粘粒含量，增加了土體團(tuán)聚體數(shù)量[6]。根—土相互作用既增加了土體團(tuán)聚體數(shù)量，又能通過(guò)根—土接觸面的膠結(jié)作用加強(qiáng)吸附、防止團(tuán)聚體消散，提高岸坡土體的整體性。另一方面，通過(guò)土體中根系的網(wǎng)絡(luò)、纏繞、根土粘結(jié)和生物化學(xué)作用將較小土塊膠結(jié)成較大土塊，穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，形成抗沖性強(qiáng)的土體構(gòu)型[13]，增強(qiáng)土體抵抗風(fēng)化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕的能力[9]，達(dá)到固土護(hù)坡的目的。

2.2 植被根系加筋的物理作用固土機(jī)理

目前，根系固土作用的力學(xué)特性主要是通過(guò)提高根—土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，來(lái)增加土體力學(xué)強(qiáng)度[14]，其次通過(guò)改善土體的理化性質(zhì)[15]來(lái)提升土體的性能。

2.2.1 增加抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是衡量根—土復(fù)合體力學(xué)性能及抗沖效應(yīng)的重要指標(biāo)，是土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度。土體抗剪強(qiáng)度的表征參數(shù)為粘聚力與內(nèi)摩擦角，即土顆粒內(nèi)部及顆粒間的粘聚力和摩擦力越大，固土能力越強(qiáng)[16]。如圖2 所示，圓Ⅰ為裸土土體極限平衡狀態(tài)下的摩爾應(yīng)力圓；圓Ⅱ則是根—土復(fù)合體極限平衡狀態(tài)下的摩爾應(yīng)力圓；兩者的最大主應(yīng)力σ3相等。對(duì)于原狀草根加筋土，根系經(jīng)受并對(duì)抗土體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力來(lái)提高土體抗剪強(qiáng)度，其粘聚力一般高于裸土，摩爾應(yīng)力圓中表現(xiàn)為粘聚力增加了△c，但根系加筋作用對(duì)土體內(nèi)摩擦角基本沒(méi)有影響[17]。

2.2.2 增加抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是衡量物體力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，而土體抵抗拉伸的能力弱，其抗拉強(qiáng)度可忽略不計(jì)。植被根系的抗拉性能較高，因此，根系的加入可顯著改善土體的抗拉性能。由于根系與土體之間的摩擦作用，當(dāng)土體發(fā)生較大的剪切變形時(shí)，土體中的根系承擔(dān)了部分拉應(yīng)力[7]，顯著提高了土體抵抗剪切破壞的能力、抑制土體膨脹，進(jìn)而提高了土質(zhì)岸坡所承擔(dān)的極限荷載[18]，有效增加土質(zhì)岸坡延展性。

2.2.3 改善理化性質(zhì)

植被根系具有束縛和抑制土顆粒的性能，有助于改善土體的容重、滲透性和孔隙度。在草地覆蓋率為30%～50%、50%～70%和70%～100%時(shí)，土體容重隨覆蓋率的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)[19,20]。通過(guò)植被根系的支撐拱起、破壞面上法向應(yīng)力的增加與孔隙水壓力的變化引起土體含水量變化等因素，共同對(duì)岸坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響。

2.3 植被根系加筋固土機(jī)理的影響因素

植被根系對(duì)土體的加筋效果主要取決于根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。根-土復(fù)合體力學(xué)性能的主要影響因素按重要性排序如下：分布密度、根—土接觸面積及根表面粗糙度[21]、根系傾角[22,23]、土體含水率、凍融循環(huán)作用等。分布密度由根系形態(tài)（須根系、垂直根系）、水平和垂直分布規(guī)律共同決定，即根—土復(fù)合體存在最佳含根量（圖3），此時(shí)加筋土的抗剪強(qiáng)度最大[24]。當(dāng)土體含根量小于最佳含量根時(shí)，加筋土的抗剪強(qiáng)度由根系數(shù)量決定，隨含量根的增大而增大[25]；當(dāng)根系含量大于最佳含根量時(shí)，抗剪強(qiáng)度與含根量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并受根系實(shí)際提供的摩阻力影響較大[26]。在垂直方向上，根系密度和直徑逐漸減小，抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度隨土體深度而變化[27]（圖4）。粘聚力隨根—土接觸面積及根表面粗糙程度的增加而增加[21]。根系傾角α 值對(duì)于土體強(qiáng)度的提高宏觀上表現(xiàn)為提高粘聚力c，對(duì)內(nèi)摩擦角略有提高可忽略不計(jì)[22]。其中，根系傾角135°時(shí)抗剪強(qiáng)度的提高效果最大，45°提高效果次之，90°時(shí)提高效果最?。▓D5）。

圖3 毛穗賴草根-土復(fù)合體含根量與粘聚力關(guān)系[24]

圖4 根-土復(fù)合體力學(xué)性能與土體深度變化規(guī)律[27]

圖5 根系傾角與土體抗剪強(qiáng)度的關(guān)系[22]

土體含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系和最佳含根量相似，即在最優(yōu)含水率下，根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度最大[14]。凍融循環(huán)、干濕循環(huán)也會(huì)影響植被根系加筋強(qiáng)度。在初次凍融作用后，粘聚力損失量最大。隨著凍融次數(shù)的增加，粘聚力損失量逐漸趨于平穩(wěn)[28]，土體抗蝕指數(shù)逐漸減小[29]。根—土復(fù)合體粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加驟減，而內(nèi)摩擦角并無(wú)明顯變化[30]。

3 研究展望

植物護(hù)坡是一個(gè)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根系護(hù)坡效果與植物的生長(zhǎng)有很大關(guān)系，有明顯時(shí)空屬性。為了探討生態(tài)護(hù)坡的可持續(xù)能力，需要深入研究生態(tài)護(hù)坡中根—土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度特性隨植物生長(zhǎng)周邊的變化規(guī)律，揭示根系固土作用的時(shí)間尺度效應(yīng)，提出根土復(fù)合體強(qiáng)度增長(zhǎng)預(yù)測(cè)方法。

研發(fā)根系土原位直剪儀（圖6），并通過(guò)CT 三軸儀和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)等技術(shù)，系統(tǒng)研究植被生長(zhǎng)過(guò)程中典型草灌植被根系分布形態(tài)變化對(duì)根土復(fù)合體應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程的演變規(guī)律，量化分析岸坡植被根系抗拉、抗拔力學(xué)特性，揭示根系固土作用的時(shí)間效應(yīng)。研究根土復(fù)合體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)（形態(tài)、排列形式、孔隙性和接觸關(guān)系等），探討根土復(fù)合體破裂面形態(tài)及其固土護(hù)坡機(jī)理，構(gòu)建與其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和植被生長(zhǎng)周期相適應(yīng)的根系—土耦合力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出根系—土復(fù)合體強(qiáng)度計(jì)算及其增長(zhǎng)過(guò)程預(yù)測(cè)方法，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)淺層岸坡穩(wěn)定性提供理論支撐。

圖6 原位可移動(dòng)式大型直剪儀示意圖

4 研究結(jié)論

草本植被根系加筋護(hù)岸機(jī)理主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①植被根系的生物、化學(xué)作用。增加土體水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量，通過(guò)植被根系的網(wǎng)絡(luò)、纏繞、黏結(jié)固土作用使得土體形成抗沖形構(gòu)型；②植被根系物理作用。根系增加了土體的延展性，減少了土體裂隙與土體變形。通過(guò)根系加筋作用提升抗拉性能和抗剪強(qiáng)度，提高土質(zhì)岸坡所承擔(dān)的極限荷載，提高土體的整體穩(wěn)定性。