生态护坡保水和抗冲刷能力分析

周 辉

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045）

近年来，人们对边坡植物恢复技术开展了较多的研究。如多种多样的生态防护方法，对草、乔灌木等植物的合理配置、生态群落的合理布置、生态防护与边坡支护结构物的关系等都开展了一些有益的探索。植被护坡的应用越来越广泛，工程建设单位与设计单位也在大力推行“生态护坡”的新理念。鉴于此，本文在以有研究成果的基础上，对植物根系护坡的保水能力和抗冲刷能力进行了分析。

1 植被在防止边坡地表冲蚀方面的功效

草本植物抵抗雨水冲蚀地表土有四大功效。

（1）拦阻：树叶及地面残枝腐质层部分，可以吸收雨滴降下的能量，减少地表土壤飞溅损失。

（2）抑制：植物根系具有固结土壤颗粒的功能，同时植被位于地表的部分可过滤地表径流中的沉淀物。

（3）延缓：植物的茎、叶部分将可增加地表粗糙度及延缓地表径流的流速。

（4）入渗：植物及其残余物将提高土壤的渗透性和孔隙率，增加降雨的入渗量，以涵养水源并且延缓径流产生洪峰的时间。

2 植被抑制边坡滑动的稳定机制

植被对于抑制边坡滑动的稳定机制可分为水文及力学两个机制加以讨论。Greenway提供了植被对水文及力学机制的影响，这些机制包括有利的因素、有害的因素或是兼具利与害的因素。例如树木的蒸散作用，会降低土壤的孔隙水压力，提高土壤的剪力强度；土壤的水分过度蒸发会导致土体内部产生张力裂缝，降雨时入渗水量增加，不利边坡稳定。整体而言，植被对边坡的安全性提升有积极的作用。最有效的植被方式为木本植被，因为木本植物的根系强度及密度较高、主根锚定较深及产生拱效应等，对于抑制浅层边坡的滑动是相当有效的方法之一。

3 生态防护抗渗机理研究

通过已有的工程来看，生态防护的抗渗效果较好。生态护坡的抗渗能力与以下三个方面有关。

（1）有生态防护的边坡，雨水下渗速度较没有防护的边坡慢；植物表面及根系较柔软，能迅速吸收落地雨水，一定程度上阻碍着雨水下渗；植物叶面对水流有分割的效应，将水滴分割变小，水滴经过叶面后，其动能和体积都将减小，从而雨水落地时不会对地表有较大冲击。

（2）裸露的边坡，地表水容易形成径流，流速较大。径流会导致水土流失并引起水流下渗，影响边坡的整体稳定性，严重时改变边坡土体宏观结构，造成边坡土体力学性质变化，可能导致坍塌或局部滑坡；而生态护坡后，由于植被的影响，显然地表径流流速、流量均会大幅减少，边坡土体流失自然减小，土体结构受扰动较小，地表水下渗也会减小。

（3）生态防护方式对边坡土体表面起到一定的板结作用，使土体保持较稳定的含水量，保证了其抗剪强度指标的稳定性。

4 生态防护抗冲刷机理研究

防冲刷设计是边坡稳定性及防护设计的重要组成部分，冲刷造成水土流失会污染环境，其带走的大量泥沙会堆积在坡脚或行车道，阻碍路面排水，甚至影响行车安全；土边坡土体的抗冲刷性可用抗冲性指数和水稳性指数评定。

容易被水分散、悬浮的土壤，其抗蚀性较差，水稳性指数较小。植物的根系腐烂后，不仅能提高土壤有机质的含量，并且植物根系与根系结合在一起，能形成整体不易破碎和分散，可增强土壤的抗蚀性。代全厚等人的研究表明：植物根系与土壤抗蚀性具有相关性，但土壤有机质与土壤抗蚀性能的相关性则更好。

增加有机质含量，有利于植被生长，也有利于土的稳定。边坡进行植物防护后，植被能减少水土的流失，减轻雨水冲蚀的强度，并且提高了土体内部颗粒间的结合作用，从而对坡面稳定有利。

5 地下水潜水的渗流对生态护坡的影响

植被的生长需要水分，设计者在考虑坡度、坡高、坡体材料结构的同时应考虑植被水分的供给。

生长在边坡下部一定高度范围内的植被能够受到较远的潜水渗流的补给，耐旱的时间较长，容易成活。当坡高超过一定高度时，坡面距地下水浸润线的厚度将增大，由于植被根系的生长深度有限，不能有效地得到水分补给，当降雨间隔较长时，就会出现植被因缺水衰退的现象，这也是植被在边坡下部不易成活的原因之一。所以，生态防护要求边坡单级高度不宜过高，应对边坡进行分级，修建台阶，使坡面植被更容易接受较远处潜水的渗流补给。

6 植物根系补强效应的评估假设案例分析

6.1 考虑植被的边坡稳定分析模式

就不饱和土壤边坡而言，其破坏形式大都为浅层破坏或地下水位较深的非圆弧破坏，在考虑了不饱和土壤基质吸力对边坡稳定的影响后，Fredlund等人于1981年提出了一般极限平衡法（General Limit Equilibium Method），使得基质吸力提供剪力强度分布能列入边坡破坏分析模式中，同时，GLE分析模式的提出使以往传统的极限平衡法均可视为本方法的特例。

切片土体底部的驱动剪应力Sm可写成：

式中：F为安全系数；β为切片底部的长度。位于边坡顶部的张力裂缝，假设没有剪力强度存在，当其充满水时，则可视为外加载重。若基质吸力视为土壤黏聚力的一部份，则Sm可改写成：

上式可以考虑基质吸力对于边坡稳定的贡献，一般称此法为总黏聚力法，其优点为抗剪强度公式仍保持传统的形式，因而可沿用传统饱和土壤的边坡稳定分析计算程序求解不饱和土壤的问题。

同时考虑基质吸力及土壤根黏聚力ΔS的影响，总黏聚力C由不饱和土壤含根总黏聚力取代，土壤的强度较饱和土壤增加了基质吸力及土壤根黏聚力的贡献，再进行考虑植被的边坡稳定分析。

针对一个高10m、边坡坡度为1∶1的不饱和土壤边坡植被建立模型（见图1）。用边坡分析程序进行不同植被强度及厚度的边坡稳定分析，以了解植被对边坡的安全系数的影响。边坡稳定分析时采用不饱和土壤的三维抗剪强度模式，选用的土壤参数为： rsat=20.4kN/m3； c′=20kPa； φ′=30°；φb=20°。根据蔡光荣教授（1994）进行的一系列的现地土壤含根剪力试验结果，土壤的黏聚力将会增加20%～140%不等，故假设根总黏聚力分别为0、10kPa、20kPa、30kPa及40KPa时，边坡稳定分析结果如图2所示。

图1 假设案例示意图

图2 不同地下水位下根黏聚力与安全系数的关系

6.2 植被加筋强度的影响

假设根的黏聚力为0～40kPa时（图2的x轴），地下水位分别距地表不同深度，边坡的安全系数如图2所示。从图中可以看出，边坡的安全系数均随着根的黏聚力的提高而提高。

6.3 植被厚度的影响

植被厚度为2m的边坡安全系数（见图2（a）），在相同地下水条件下，比植被厚度为1m的边坡安全系数（见图2（b））增加约3%。植被越厚，边坡整体稳定性越高，这是因为植被越厚，其提供给边坡表面的整体加筋能力越高；植被越厚，则加筋强度增加对边坡稳定性提高的趋势越明显。植被越厚，代表现地的边坡植被种类较接近木本植物。但值得注意的是，安全系数增加的趋势并不明显，详细的量化分析，仍有待后续的研究加以理清。另外，不论黏聚力及植被厚度怎样改变，地下水位升高对边坡稳定都有不利影响。

7 结论

（1）生态防护对边坡稳定性有有利的影响，也有不利的影响。

（2）植被对于防止边坡地表冲蚀、抗渗的功效是相当显著的；而草本或是禾本科植物较木本植物防止边坡地表冲蚀能力更好。

（3）地下水位升高对边坡稳定均有不利影响，但根的黏聚力及植被厚度对边坡稳定性都有利。

（4）采取生态防护时要求单级边坡高度不宜过高。

（5）植被厚度的增加引起的边坡稳定性系数的增加趋势并不明显，需要后续详细地量化分析加以理清。

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