青藏公路五道梁-沱沱河段高寒草甸根系力學(xué)效應(yīng)研究

張培豪, 盧海靜, 胡夏嵩, 劉昌義, 朱海麗, 付江濤, 呂偉濤, 周 喆, 楊馥鋮

(1.青海大學(xué)地質(zhì)工程系, 青海 西寧 810016; 2,青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016;3,青海大學(xué)青海省農(nóng)林科學(xué)院, 青海 西寧 810016)

我國多年凍土分布面積約為2.15×106km2,占全國陸地總面積的22.4%,其中青藏高原多年凍土區(qū)面積為1.5×106km2,占全國多年凍土面積的69.8%[1]。近年來由于受到全球變暖的影響,青藏高原多年凍土發(fā)生不同程度退化現(xiàn)象,其中熱融滑塌災(zāi)害則是多年凍土區(qū)邊坡災(zāi)害的主要類型之一[2-6]。已有研究表明,熱融滑塌會改變活動層的水熱過程,使地表植被退化、加劇水土流失,進而導(dǎo)致多年凍土區(qū)發(fā)生生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象[7],并對凍土工程的安全性造成一定程度的影響和危害。青藏高原多年凍土區(qū)因其特殊的地理位置和氣候環(huán)境條件,形成了特殊的高寒生態(tài)系統(tǒng),這種生態(tài)系統(tǒng)無論是在整個生態(tài)系統(tǒng)還是各子系統(tǒng),均具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)力水平低、穩(wěn)定性差、修復(fù)能力弱和易受外界因子干擾等特點[8-9]。根據(jù)青藏公路沿線不同時期野外凍土工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知[10],將發(fā)生的斜坡失穩(wěn)類型歸納為正凍土滑坡和正融土滑坡;其中正融土滑坡含融凍泥流、熱融滑塌2種類型,正凍土滑坡為蠕變型滑坡、崩塌型滑坡;進一步研究表明,正融土滑坡與季節(jié)交替過程中,在土體中形成的凍融作用有關(guān),故正融土滑坡屬淺層滑坡,且熱融滑塌也屬于淺層滑坡[10]。相關(guān)研究表明,植被對提高坡面穩(wěn)定性和增強生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要作用,故植被生態(tài)防護被視為邊坡防護的一種重要生物措施,得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[11]。近年來,受全球氣候變化和人類工程活動等因素影響,青藏高原多年凍土區(qū)高寒草地退化和熱融滑塌災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生,已對區(qū)域生態(tài)環(huán)境及畜牧業(yè)發(fā)展造成了不利影響[12]。因此,開展青藏高原凍土區(qū)高寒草地?zé)崛诨鸀?zāi)害的科學(xué)防治,對于有效保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及主要交通基礎(chǔ)設(shè)施的正常運行具有重要的現(xiàn)實意義。

植物根系除了可增強土壤抗沖性、防治層狀面蝕和河岸側(cè)蝕等作用外,還可起到穩(wěn)定斜坡,控制重力侵蝕、淺層滑坡和崩塌等作用[13-16]。張玉等[17]通過開展單根拉伸試驗和石蠟切片試驗,定量分析華扁穗草(Blysmussinocompressus)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)和金露梅(Potentillafruticosa)3種植物單根力學(xué)特性及其與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)根徑為<0.5 mm、0.5～1.0 mm和>1.0 mm 3個根徑級別時,3種植物單根抗拉力和延伸率均隨根徑增加而增大;且單根抗拉強度隨根徑增大而減小。徐文秀等[18]對狗牙根(Cynodondactylon)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)2種草本植物根系開展單根拉伸試驗,結(jié)果表明2種草本單根抗拉力和單根抗拉強度隨著根徑增大,分別呈冪函數(shù)增長和冪函數(shù)降低關(guān)系。目前,有關(guān)植物根系抗拉力學(xué)特性方面的研究多集中于針對不同植物屬種、不同根徑條件下,單根抗拉力和抗拉強度的大小及變化規(guī)律開展的相關(guān)研究;但是,植物其群根抗拉力、群根抗拉強度隨根系數(shù)量的不同而表現(xiàn)出的變化規(guī)律及其特征方面的研究則相對偏少。

綜上,有關(guān)青藏公路(鐵路)沿線發(fā)育的熱融滑塌災(zāi)害及其地表水土侵蝕方面,主要的研究方法采用原位變形監(jiān)測、溫度場變化和土壤含水率等指標(biāo)的監(jiān)測等[19-20];相比較而言,通過原位測量植物株高、地徑、覆蓋度等生物量指標(biāo),開展植物單根力學(xué)性能、根-土復(fù)合體強度以及草甸層根-土復(fù)合體拉裂特性研究。因此,進一步探討植物根系增強凍土強度和評價其有效防治熱融滑塌災(zāi)害所起到的作用具有重要意義。本研究以青藏高原多年凍土區(qū)五道梁至沱沱河段高寒草地?zé)崛诨鸀?zāi)害為研究對象,通過開展野外原位草甸層拉裂試驗、室內(nèi)單根和群根拉伸試驗,探討單根和群根力學(xué)效應(yīng)及增強凍融滑塌區(qū)土體抗拉強度貢獻,以期為科學(xué)有效防治青藏公路(鐵路)沿線凍土區(qū)熱融滑塌現(xiàn)象,以及水土流失等災(zāi)害提供理論和實際指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取青藏公路五道梁至沱沱河段熱融滑塌分布區(qū)為研究對象,位于92°53′40″ E,34°43′38″ N,海拔為4 760 m(圖1)。區(qū)內(nèi)屬青藏高原可可西里多年凍土區(qū),地處沖、洪積高平原,屬高寒半干旱氣候區(qū),年平均氣溫為-5.3℃,年均最高氣溫和最低氣溫分別為4.5℃和-11.0℃,年均降水量為290.9 mm,其中93%的降水發(fā)生在植物生長季(5～9月),年均蒸發(fā)量為1 316.9 mm,凍結(jié)期為10月到翌年4月[21]。區(qū)內(nèi)多年凍土活動層厚度一般可達(dá)2～3 m(最大厚度為3.4 m,最小厚度為1.7 m),地表生長植被屬高寒草甸類型[22]。

本研究采用環(huán)刀法、烘干法對區(qū)內(nèi)原生草甸層土體密度及含水率進行測定,采用LP-100D數(shù)顯式土壤液塑限測定儀對土壤液塑限相關(guān)指標(biāo)進行了測定,結(jié)果如表1所示。通過野外調(diào)查得到,研究區(qū)草本植物主要類型為矮嵩草(Kobresiahumilis)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、紫花針茅(Stipapurpurea)等種類。

表1 研究區(qū)熱融滑塌分布區(qū)草甸層土體密度和含水率試驗測試結(jié)果

1.2 試驗材料與方法

1.2.1取樣方法 本研究選取研究區(qū)原生草甸發(fā)生熱融滑塌災(zāi)害分布區(qū)域,制取根-土復(fù)合體試樣。在制取試樣過程中,小心挖取地表以下0～10 cm深度原生草甸層含根系土體,同時制取其密度試樣和含水率試樣;然后,將復(fù)合體試樣使用保鮮膜包好后放入樣品箱內(nèi),并做到及時帶回實驗室分別進行單根、群根拉伸試驗。其中,在開展室內(nèi)根系拉伸試驗時,主要選取優(yōu)勢原生草本其根系為0.3～0.4 mm的主根系,做到確保在開展植物單根、群根拉伸試驗時根徑規(guī)格的一致性。如圖2所示為試驗區(qū)草甸層拉裂試驗?zāi)＞甙仓眉爸迫⊥馏w物理性質(zhì)指標(biāo)試樣。

圖2 試驗區(qū)草甸層拉裂試驗?zāi)＞甙仓眉捌渲迫⊥馏w物理性質(zhì)試驗樣品

圖3 草本植物根系試樣以及單根和群根拉伸試驗過程

1.2.2單根拉伸試驗 本研究開展的單根拉伸試驗,采用上海衡翼精密儀器有限公司制造的HY-0580電子萬能材料試驗儀。該試驗儀主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工作系統(tǒng)兩部分組成,單根抗拉力、伸長量及單根抗壓強度等結(jié)果由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動記錄并輸出[23]。試驗開始前,首先將試驗區(qū)制取的草本根系上附著的土體用水清洗,并用干毛巾吸干水分,并剪取根長為4～10 cm、且表皮完好新鮮根段,每60根為一組進行單根拉伸試驗,共計16組。試驗前采用游標(biāo)卡尺測量待進行拉伸試驗的單根根徑,然后將根段夾持在標(biāo)距為20 cm的上、下兩個拉伸夾具之間。在試驗開始前將試驗儀器清零處理后,點擊“開始”按鈕開始拉伸試驗,待試樣破壞后,試驗自動結(jié)束并記錄試驗結(jié)果;在試驗過程中,植物單根拉斷時的力即為該根段所能承受的最大抗拉力[16]。本研究采用的單根拉伸試驗草本植物以高山嵩草為主,單根最大抗拉力是由試驗得到而抗拉強度則由公式(1)計算得出。

(1)

式中,P表示抗拉強度(MPa);F表示單根最大抗拉力(N);D表示平均單根直徑(mm)。

1.2.3群根拉伸試驗 本研究所選用的供試種以高山嵩草為主,由矮嵩草、藏嵩草、線葉嵩草、紫花針茅等原生草本植物組成。群根拉伸試驗選取植物鮮根作為試驗材料,在開始試驗時,首先將根系上附著的土壤顆粒清洗干凈,為方便開展試驗,剪取根長為4～10 cm且根徑為0.3～0.4 cm,表皮完好新鮮根段作為供試樣品。在試驗過程中,為探究群根效應(yīng)與根數(shù)之間的關(guān)系,將鮮根系樣品分別按照2n(n=1,2,3……;n≤6)和2n-1(n=1,2,3……;n≤8)的數(shù)量關(guān)系進行分組,其目的在于有效確定群根抗拉力與根數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。然后,將試樣夾持在上、下兩夾具間,采用HY-0580電子萬能材料試驗儀對每一組樣品開展群根拉伸試驗,標(biāo)距設(shè)定為20 cm;待試驗結(jié)束后將根系試樣小心取下,記錄斷根數(shù)量,并導(dǎo)出試驗結(jié)果。在群根拉伸試驗中,做到每組樣品重復(fù)3次,并計算出斷根率(δ),試驗過程如圖5所示。其中斷根率(δ)由每組試驗結(jié)束時統(tǒng)計的斷根數(shù)與試樣根數(shù)之比得到,具體計算公式如下:

(2)

式中,δ表示斷根率(%);N1表示群根拉伸試驗結(jié)束時統(tǒng)計得到的斷根數(shù)(根);N2表示群根拉伸試驗開始前統(tǒng)計的根數(shù)(根)。

1.2.4草甸層拉裂試驗 本研究草甸層拉裂試驗裝置結(jié)構(gòu)和原位試驗過程圖4所示,將模具夾頭的規(guī)格分為A和B 2個尺寸,其中,模具A夾頭外形尺寸為長×寬×高(L×W×H)為26 cm×8 cm×12 cm,拉裂面尺寸長×高(L×H)為12 cm×12 cm;相應(yīng)地,模具B夾頭外形尺寸為長×寬×高(L×W×H)為12 cm×5 cm×12 cm,拉裂面尺寸長×高(L×H)為4 cm×12 cm。在區(qū)內(nèi)原位開展草甸層拉裂試驗過程中,按照A、B 2種尺寸規(guī)格選取合適位置將草甸拉裂試驗?zāi)＞邐A頭鑲嵌至草甸層內(nèi);然后,將拉拔儀與模具連接,沿垂直模具的方向緩慢向外施加拉力,直至模具內(nèi)草甸層沿拉裂面完全斷裂為止,記錄試驗結(jié)果,并對拉裂面草本植物根系數(shù)量和分布特征進行描述。該試驗由拉力傳感器測得草甸層拉裂的極限抗拉力,試驗結(jié)果由拉拔儀記錄并處理。

圖4 草甸層拉裂試驗裝置結(jié)構(gòu)(A)以及原位試驗過程(B)

2 結(jié)果與分析

2.1 單根抗拉力學(xué)性能及其特征

如圖5所示為區(qū)內(nèi)高山嵩草為主要類型的單根拉伸試驗根徑與平均伸長率、抗拉力以及抗拉強度之間的關(guān)系,試驗供試種根徑為0.3～0.4 mm時,其根徑與平均伸長率之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,表現(xiàn)出根系伸長率隨著根徑的增加而增大。根徑為0.2～0.8 mm時,其單根最大抗拉力表現(xiàn)為隨根徑增加表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢,且兩者之間呈冪函數(shù)關(guān)系,草本植物單根抗拉力為1.3～12.3 N。草本單根抗拉強度表現(xiàn)出隨著根徑增大而呈逐漸減小,且二者之間呈冪函數(shù)關(guān)系,其單根抗拉強度為143.3～15.8 MPa。

圖5 研究區(qū)草本單根拉伸試驗根徑與平均伸長率、抗拉力以及抗拉強度之間的關(guān)系

2.2 群根抗拉力學(xué)性能及其特征

本研究選取以高山嵩草為主要類型的草本根系進行室內(nèi)群根拉伸試驗。試驗過程中設(shè)置拉伸速率為20 mm·min-1,標(biāo)距為20 mm。選取根徑為0.3～0.4 mm的根系作為試驗對象,試驗結(jié)果如表2所示。通過分析可知,隨著根數(shù)的增加其群根斷根率呈下降的變化趨勢。

表2 試驗區(qū)草本群根平均抗拉力、抗拉強度及其群根抗拉力理論計算結(jié)果

如圖6所示為根系數(shù)量與抗拉力、抗拉強度之間的關(guān)系,由該圖可知,以高山嵩草根系為主的群根抗拉力和根數(shù)間表現(xiàn)為呈線性關(guān)系;進一步分析可知,在群根拉伸試驗過程中,由于根系伸長率不同,表現(xiàn)出伸長率相對較小的根系先被拉斷,而伸長率較長的根系則未發(fā)生斷裂,故當(dāng)根系數(shù)量較多時,存在根系并未被全部拉斷的現(xiàn)象。此外,區(qū)內(nèi)草本群根抗拉強度隨根數(shù)增加,表現(xiàn)出其群根抗拉強度亦呈相應(yīng)的增大,且根數(shù)與群根抗拉強度之間符合線性函數(shù)關(guān)系。

試驗區(qū)內(nèi)2種不同分組由其群根拉伸試驗得到的群根抗拉力試驗值與抗拉力理論值之間呈線性關(guān)系,根系數(shù)量增加,群根抗拉力理論計算值大于試驗值(圖7)。其中,當(dāng)根數(shù)大于4根和3根時,草本群根抗拉力理論值大于試驗值,原因在于草本群根拉伸試驗過程中,存在根系未被全部拉斷的實際情況,而群根抗拉力理論值則是假定每組根系全部斷裂計算得到的。

圖7 試驗區(qū)草本群根抗拉力試驗值與抗拉力理論值之間的關(guān)系

2.3 草甸層根-土復(fù)合體拉裂力及其特征

由表3所示可知,拉裂力理論計算值高于草甸層原位拉裂試驗測得的拉裂力,表現(xiàn)為小尺寸拉裂面含根量為70～80根時,其拉裂面產(chǎn)生的拉裂力為160～180 N,相應(yīng)的拉裂強度為30～40 kPa;大尺寸拉裂面的含根量為150～180根,拉裂面產(chǎn)生的拉裂力為340～390 N,其相應(yīng)的拉裂強度為20～30 kPa。通過進一步分析可知,拉裂面理論計算值顯著高于試驗值的原因在于,區(qū)內(nèi)開展草甸層原位拉裂試驗時,部分根系被整體拔出并未發(fā)生拉斷現(xiàn)象,未能全部反映出草甸層根-土復(fù)合體自身所具有的拉裂力;其次室內(nèi)群根拉伸試驗選取根徑為0.3～0.4 mm,而野外試驗區(qū)草甸層原位拉裂試驗根徑分布范圍則表現(xiàn)出相對較大,故室內(nèi)開展的單根拉伸試驗所得到的抗拉力與野外實際根系分布存在一定差異性。

表3 研究區(qū)草甸層根-土復(fù)合體原位拉裂試驗與拉裂力理論計算結(jié)果

由表3可知,試驗區(qū)草甸層根數(shù)與原位拉裂力試驗值之間的關(guān)系表現(xiàn)在,區(qū)內(nèi)隨著草甸層根數(shù)的增多,草甸層拉裂面產(chǎn)生的拉裂強度則表現(xiàn)出呈減小的變化趨勢。草本根系在草甸層拉裂過程中,通過草甸層的群根抗拉效應(yīng),起到抑制草甸層被拉裂和開裂的作用,并表現(xiàn)出草本根系愈密集,則其草甸層的群根效應(yīng)相應(yīng)愈強的特征?；诖?區(qū)內(nèi)草本群根效應(yīng)對提高草甸層熱融滑塌區(qū)土體抗拉強度起到顯著作用。

3 討論

植物根系的固土護坡效果受到多方面的影響,主要是根系的抗拉承受力、抗剪力,同時受到根長、根徑及根系分布等根系發(fā)育程度的直接影響[24]。由有關(guān)植物根系抗拉力的相關(guān)研究結(jié)果表明根系的直徑與其抗拉力之間具有明顯的正相關(guān)性,即隨著根系直徑的增大,結(jié)果表現(xiàn)為不易受外力作用下直接被拔出[25-26]。本研究通過開展的單根拉伸試驗其結(jié)果與上述結(jié)論基本一致,表現(xiàn)為本研究所得到的草本單根抗拉力和抗拉強度隨根徑增加分別呈增大和減小的趨勢,且二者之間均呈冪函數(shù)關(guān)系。

通過對已有相關(guān)研究結(jié)果的分析可知,采用群根拉伸試驗開展對植物根系抗拉力和抗拉強度的研究還相對較少。植物根系固土發(fā)揮的是其群根效應(yīng),為了進一步探討單根與群根作用之間的聯(lián)系,本研究選取以高山嵩草為主、根徑為0.3～0.4 mm的草本植物且將根系劃分為指數(shù)遞增和奇數(shù)遞增2組,并對這2組試樣進行室內(nèi)群根拉伸試驗。在此基礎(chǔ)上,通過對比分析單根、群根拉伸試驗結(jié)果可知,草草本單根抗拉力、抗拉強度隨根徑增加分別表現(xiàn)出增大和減小的變化規(guī)律,而群根抗拉力、抗拉強度則表現(xiàn)出隨著根系數(shù)量增加而增大,且與根數(shù)之間呈線性函數(shù)關(guān)系。此外,諸多有關(guān)草本單根抗拉力學(xué)特性研究結(jié)論表明,草本根系可以有效增強土體強度、土壤受侵蝕等能力,且根系可以有效增強土壤表層持水能力以及通過根系的阻滯作用降低土壤水分下滲的能力,基于此,群根效應(yīng)亦表現(xiàn)出此類作用[27-28]。

此外,有關(guān)青藏高原草甸層抗拉力學(xué)特性研究方面已有的相關(guān)研究成果還相對較少。李本峰等[29]采用現(xiàn)場挖空法,對黃河源區(qū)河南縣曲流河河岸二元結(jié)構(gòu)3個點位開展2種植被群落類型的根-土復(fù)合體抗拉特性原位試驗,結(jié)果表明3個點位的根-土復(fù)合體的抗拉強度值分別為66.86 kPa,21.29 kPa,22.63 kPa。本研究草甸層根-土復(fù)合體原位拉裂試驗得出大尺寸、小尺寸拉裂面產(chǎn)生的平均拉裂強度分別為25.36±1.19 kPa,34.61±1.32 kPa的研究結(jié)論,與上述學(xué)者的研究結(jié)論基本一致。與此同時,已有研究表明,高寒草甸作為青藏高原生態(tài)系統(tǒng)最主要的組成部分,不僅能固土護坡、改良邊坡表層土壤,增加土壤有機質(zhì),為植物提供良好的生長環(huán)境,亦能減緩雨水對地表的直接沖刷,減少地表徑流,從而起到保持水土、涵養(yǎng)水源、減輕自然災(zāi)害等作用[30-31]。

進一步分析得到,草本植物根系通過群根的牽拉作用起到增強土體強度的作用,由3.2部分試驗結(jié)果可知,在群根拉伸試驗過程中,隨著每組實際斷根數(shù)的增加,群根抗拉力與抗拉強度呈上升的變化趨勢,且由于根系的伸長率不同,在草甸層拉裂過程中,一部分根系斷裂,另一部分則被整體拔出,其結(jié)果造成斷根率呈下降趨勢,這一結(jié)論與本研究中的草甸層拉裂試驗結(jié)果基本相一致。

本研究通過單根及群根拉伸試驗和草甸層拉裂試驗探討植物根系增強土體強度的群根效應(yīng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)草甸層受拉力作用時,草本植物通過深扎在土壤中的根系與土壤之間的纏繞和摩擦作用提供抗拉力,其所具有的抗拉力與植物根系自身生長特性有關(guān),表現(xiàn)為根徑愈大、根長愈長,單根的抗拔力愈大[32-33]。此外,土壤中的根系數(shù)量愈多,在草甸層受拉力作用時,根系與土體之間的摩擦力亦愈大,相互纏繞的越緊密,根系增強土體強度其群根效應(yīng)愈明顯,進而起到顯著增強草甸層抵抗拉拔的作用[34-35]。本研究通過開展植物單根力學(xué)性能、根-土復(fù)合體強度以及草甸層根-土復(fù)合體拉裂特性研究,得到區(qū)內(nèi)以高山嵩草為主的草本根系,在群根拉伸試驗過程中隨著根系數(shù)量增多,群根抗拉力、群根抗拉強度隨著根數(shù)的增加而增大,表現(xiàn)出群根抗拉力、群根抗拉強度與根數(shù)之間均符合線性函數(shù)關(guān)系,且斷根率隨根數(shù)的增加呈減小趨勢。因此,區(qū)內(nèi)開展草甸層根-土復(fù)合體原位拉裂試驗過程中,隨著拉裂面位置處草本根系數(shù)量的增加,表現(xiàn)出所產(chǎn)生的抗拉力亦呈增加的趨勢。

4 結(jié)論

青藏公路沿線研究區(qū)內(nèi)的草本植物根徑為0.3～0.4 mm時,其根徑與平均伸長率之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,且其單根抗拉力與根徑、單根抗拉強度與根徑間均呈冪函數(shù)關(guān)系;草本群根抗拉力、抗拉強度隨著根數(shù)的增加而增大,且根數(shù)與群根抗拉力、根數(shù)與群根抗拉強度之間均符合線性函數(shù)關(guān)系;斷根率表現(xiàn)為隨著根數(shù)的增加呈逐漸減小的變化趨勢;群根抗拉力、抗拉強度則隨著根系數(shù)量的增加而顯著增大,二者之間表現(xiàn)為呈線性函數(shù)關(guān)系;草甸層原位拉裂試驗中不同尺寸拉裂面其所產(chǎn)生的拉裂強度不相同,表現(xiàn)在小尺寸拉裂面產(chǎn)生的平均拉裂強度為(25.36±1.19) kPa,大尺寸拉裂面產(chǎn)生的平均拉裂強度則為(34.61±1.32) kPa。因此,該區(qū)域內(nèi)以高山嵩草為主要類型的草本根系起到顯著抑制熱融滑塌形成的作用。