植被对斜坡稳定性的积极作用和局限性

罗建杰 LUO Jian-jie

（昆明理工大学土木工程学院土木系，昆明 650500）

（Civil Engineering Department of College of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

0 引言

截至目前，植被护坡的应用在工程中随处可见，尤其是在复杂地形地质条件下的高等级公路、铁路边坡工程。植被护坡理论研究主要集中于植被对边坡的力学加固机理、防止降水对坡面侵蚀及护坡植被种类的选择方面，而对植被护坡的局限性和危害缺乏强有力的论证和分析。

植被根系的抗拉、抗剪强度一般都大于土体，根-土耦合作用可以提高土体的抗剪强度，从而改善斜坡稳定环境[1]。吕晶等[2]报道，草本植物可以增加土体的内摩擦角，提高土体的抗剪强度，灌木在生长初期与草本植被增加土体抗剪强度的机理相同，多年生灌木根系增加土体粘聚力。徐则民等[3]指出，植被护坡有其局限性，且植被在一定程度上会对滑坡的孕育产生促进作用。因此，从相关领域对植被护坡的积极功效和副作用进行系统的辨证分析是有必要的。

1 植被对斜坡稳定的积极功效

植被护坡常作为一种保持斜坡稳定的手段，究其原因，植被能够很大程度上防止雨水对边坡体侵蚀，且在理想情况下，植物根系能够穿过潜在滑动面，从而通过根-土耦合作用来提高整个坡体的抗剪强度，使斜坡更加稳定。

斜坡土体的抗剪强度是决定斜坡稳定的一个重要因素。工程中常采用斜坡安全系数来评价斜坡稳定性，安全系数是抗滑力与下滑力之比，而斜坡土体的抗滑力大小主要取决于土体的抗剪强度。

斜坡土体的抗剪强度指标通常是由摩尔-库伦强度理论得到的，具体见式（1）。

式中τ为抗剪强度，c为粘聚力，σ为法向有效应力，φ表示内摩擦角。

植物根系与土壤接触后发生物理化学作用，两者会胶结在一起，从而提高土体粘聚力[4]。植被护坡是通过植物的垂直深根穿过坡体浅层的强风化层，锚固到较深处的较为稳定的岩土层上，同时盘根错节的植物浅根可看作带预应力的加筋材料，它使边坡土体成为土与根的复合材料，从而提高土体强度[5-8]。Gray等[9]指出，根系如同复合材料中的纤维一样与土壤紧密结合形成一个特殊复合材料。文献[10]报道，含根系土的抗剪强度符合库伦定律，其c、φ均高于无根系土的c、φ，变形模量也高于无根系土的变形模量。文献[11]认为，根和土应当视为一个整体，这一整体被称为根-土复合体，且当该复合体的体积和含水量一定时，其粘聚力c与含根量呈正相关，而内摩擦角φ与含根量的关系不大，并认为粘聚力c是由多种作用力组成的，具体见式（2）。

式中c1为土粒之间的粘聚力，c2为土粒与根系之间的粘聚力，c3代表由土的剪切应力传递给根系而引起的根系抗拔力。

不同种类植被的护坡功效不同。文献[2]认为草本植物和灌木植物的根系都是可以增加土体的抗剪强度，但两类植物根系增加土体抗剪强度的机理稍有不同。草本植物是通过增加土体的内摩擦角来提升土体抗剪强度，灌木在生长初期与草本植物增加土体抗剪强度的机理是一致的，但在多年之后，灌木根系增加了土体粘聚力，减小摩擦角。但总体来看，灌木的根系也是可以提高土体的抗剪强度。

由文献[2,4-11]可知，植物根系增强斜坡稳定性的机理在于植物根系提高了土的抗剪强度，但既有研究对植物根系提高土体抗剪强度的机制没有达成一致。

大部分学者认为植被护坡是由于根-土复合体的形成，使土体整体的抗剪强度增加，从而增加了斜坡的抗滑作用力，即是通过根-土之间的耦合作用来增强稳定性差的土体的抗剪强度。通过对植被发育斜坡失稳事件的现场调查发现，通过根系的锚固作用将稳定性较差的土体与稳定性较好的土体整合成一个整体，从而提高坡体的整体抗剪强度也是存在的。当植被根系长度不够从稳定性较差的土体深入到稳定性较好的土体时，根-土耦合作用是主要的，而植物根系的锚固作用是次要的。

植物根系提高土体抗剪强度的作用已被绝大部分学者认可，而土的抗剪强度增加程度与植物根系的哪些因素有关没有定论。

土的抗剪强度都随根系（或纤维）的数量增加而增大，并进一步说明根的加强作用与根系的数量、根的刚度和根在土体中的方位等因素有关[9,12-13]。通过野外原位抗拔试验，测定4种植物（灌木铁仔、黄荆、羊蹄甲和禾本科金发草）的植株的抗拔力、单根的力学特性和生物指标，研究护坡植物根系与岩体相互作用的力学行为[14]。研究结果表明，植物类型不同，抗拔力的变化也不尽相同。江锋等[15]利用摩尔-库伦理论建立根-土力学模型，分析了狗牙根的根密度和方位对土体内摩擦角和粘聚力的影响。结果表明，根密度越大，抗剪强度越大，斜根对土体的抗剪强度增幅大于直根。

既有研究成果表明，植物根系对斜坡土体抗剪强度的提高程度主要由根的密度、植物种类、根的刚度以及根的方位等因素决定的.但研究结果大多来自室内仿真模拟，与天然斜坡的实际情况的差距有待论证。

2 植被护坡的局限性和危害

植被护坡有正、反两个方面的水文学效应。降雨改变边坡的应力环境，是诱发植被发育斜坡失稳的一个重要因素。从宏观来看，当降雨进入土体未能及时通过地下水管网排泄，就会增加斜坡土体的下滑力，降低边坡稳定性.从微观上来看，降雨入渗后增加土体的含水率，降低土体的抗剪强度，造成斜坡土体抗滑力下降，也会增加斜坡失稳的可能性。

2.1 植被护坡的局限性 植被根系对边坡稳定性的影响程度与根的直径、长度、密度、以及根的延伸方向密切相关。也就是说，植被护坡的效果受植物体根系自身、其生长环境以及边坡条件等综合因素的影响和制约，故植被护坡有其局限性[16]。

图1 林木各类根生物量占总生物量的百分比[17]

对14～20年生的华北落叶松人工林的调查发现表明[17]，林木根系主要是骨骼根和毛根（图1），骨骼根集中分布在0～40cm的土层中，40cm以下土层中骨骼根很少；直径小于1mm的毛根有60%～90%分布在0～30cm的土层内.对甘肃民勤地区人工樟子松进行调查发现[18]，根系在0～100cm土层范围随深度增加迅速减少；0～20cm土层范围内根系分布最为集中，根重和根长分别占其总量的58.6%和60.7%；60～100cm土层范围的根系仅占总量的5%左右（图2）。文献[19]对多种木本植物的根系分布进行的统计分析表明，一般情况下，树木根系的垂直分布是较浅的，大部分根系位于50cm土层以上，多集中在枯枝落叶层和10cm以上的矿质土壤表层，60%的根系分布在表层（0～20cm）处，且最大根密度出现在10～20cm深度。

图2 樟子松根系垂直分布统计[18]

草本植物的根系分布特征研究表明[20]，草本植物的根系一般均为直径小于1mm的须根，根系密度随土壤剖面深度的增加表现出3个显著特点，即在0～30cm土层急剧减少，在30～70cm土层逐渐减少及在70～150cm土层保持最低水平，总根数的90%集中分布在0～30cm的土层内.30～70cm土层内根数约占总根数的8%，70cm以下土层仅占总根数的2%左右。图3表明草本植物根系主要分布在0～60cm的深度范围内，根量、根系密度随土壤剖面深度的变化趋势一致。

图3 草本植物根量随土层深度变化曲线[20]

植被护坡最理想的情况是植物根系能扎进基岩的裂隙中，才可以起到类似于锚杆的作用，将土层的剪切变换成植物根系的拉伸作用。但以上分析表明，无论是木本还是草本植物，斜坡的植被根系主要分布一米以内，即使是某些深根性植物，根系深度也仅为几米，而且土中的根系密度随土层深度的变深而逐渐减弱，对土体的抗剪强度与边坡稳定性的提高作用也会逐渐变弱。对于深层滑坡，滑动面埋深往往在十几米到几十米之间，远远超出了植物根系的影响范围。因此，对于深层滑坡的防治，植被护坡有很明显的局限性。在评价植被护坡是否有效时，需根据斜坡的地质地形条件来预测边坡潜在滑动面和调查植被根系的分布规模。当潜在滑动面的深度不大时，可以种植不同种类的护坡植被来维持斜坡的稳定。

表1 各土样在不同含水量的下抗剪强度试验结果[14]

表2 各土样在不同含水量的下抗剪强度理论结果[14]

图4 染色-示踪试验剖面图

相对于裸坡来说，植被发育斜坡中的大孔隙要丰富得多。主要有以下两个原因：①植物根系分泌的有机酸会对岩土体的结构造成影响；②植被发育的地方土体表层会有很多的枯枝落叶层，有机质含量高，为动植物生长提供营养物质和保护了动物通道。动物活动增多，大孔隙会变多。大孔隙发育程度越高，雨水通过这个途径渗入土体的雨水就会越多，加之植被发育斜坡的地表径流量要小得多[22]，这样会造成有植被的斜坡渗入量要远远大于裸坡。

同等条件下的降雨，大孔隙越发育的斜坡表土层，雨水通过大孔隙流进入较深土层的量会越多，引起软弱结构面上增加的土体下滑力就越大，大孔隙的存在对滑坡的发生有促进作用。

对南昆铁路八渡车站滑坡机制的分析表明[23]，植被对斜坡稳定存在着副作用以及对滑坡孕育作出贡献。文献[24]认为，土体大孔隙对于斜坡失稳的贡献主要表现在降雨过程中，快速渗透下层土体中，导致滑坡灾害发生的概率增大。徐宗恒等[25]报道植被根系通道和动物通道在内的大孔隙是斜坡土体优先流的重要通道，植被对大孔隙的产生和维护起到了很重要的作用。

植被发育情况越好的土体中的大孔隙发育程度一般都越大，而大孔隙为降雨入渗提供更加便利的通道。强降雨发生时，雨水会通过大孔隙优先渗入土层，很有可能会增加潜在滑动面上部的饱和层厚度，造成潜在滑动面上部重量增加，即斜坡软弱面上的坡体下滑动力增加，从而使斜坡更容易失稳。

3 结论

①植被根系在表土层形成了根-土复合体，增强了斜坡土体的抗剪强度，从而起到维持斜坡稳定的作用；植被护坡能防止土表层受到水的侵蚀，在一定程度上降低滑坡发生的可能。

②无论是草本还是木本植物，根系主要分布深度在1米范围以内，大部分植被根系并不能扎根到潜在滑动面以下，对维持斜坡稳定性的积极贡献是有限的。植被具有蓄水作用，在同等降雨条件下，植被发育斜坡土体的抗剪强度可能比裸坡的小，植被护坡是有局限性的。

③植被发育斜坡有丰富的优先流通道-大孔（空）隙，这些大孔隙结构导致大部分降雨快速入渗补给地下水，促使滑坡灾害发生。

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