典型草本植物防护砂性土边坡表层土体作用分析

2018-04-17姚明帅周彦章

水利科学与寒区工程 2018年2期

李　杰, 姚明帅, 周彦章, 孙　锐

(1.山东省水利工程局有限公司，山东济南 250013；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210024；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着我国社会经济发展，大量基础设施工程正在我国西北、华北沙漠地区规划和建设，如输水渠道、输气管道、沙漠公路、水工建筑物和输变电线路等，普遍存在大量砂性土边坡、砂基或砂堤。植被护坡作为利用植被涵水固土原理保护边坡，同时美化生态环境的一种新技术正得到广泛关注和应用[1]，有关植被根系固土机理和植物根系对土体稳定性影响的研究越来越受到业内重视[2]。植物固土-生物软措施在一定程度上能够替代工程措施，并与之互补，在经济价值和生态环境保护方面具有重要应用意义[3]。

植物固土护坡技术利用植物根系与坡面土体的结合，改善土壤结构稳定性，增加坡面表层土体土壤团粒数量，靠浅根的加筋作用、深根的锚固作用以及根茎间缠绕加固边坡、提高坡表抗冲刷的能力。通过植物固土护坡不仅可以涵养水源，减少水土流失，而且还可以保护生态，实现景观造景，具有良好的经济、社会和生态效益。狗尾巴草作为北方地区典型旱地常见草本植物，具有适生性强，耐旱、耐贫瘠，酸性或碱性土壤条件下均可生长的优点，须状根发达，是良好的固土护坡植被。通过含狗尾巴草的砂性土边坡表层土体直剪试验，从“根系-土”相互作用的力学加筋特性、草本植物的水文效应两个方面分析典型草本植物对砂性土边坡表层土体的防护作用，为类似工程实践提供理论参考。

1　草本植被护坡作用类型划分

2　典型草本植物加固砂性土直剪试验

狗尾巴草作为典型草本植物，其根系对土体强度的加强作用可分为深根的锚固作用以及浅根的加筋作用。对于浅根的加筋作用，可将含有植物浅根的土体视为加筋土，植物根系在土体中通过缠绕、穿插、挤压等作用，增强了土体抵抗剪切破坏的能力。根据加筋土的强度理论[4]并结合剪切试验，能够得到植物根系加筋土的抗剪强度，分析植物根系对于土体的加固防护作用。由于边坡表面土层所受剪切力主要为水流剪力及土体自重下滑力，可针对植物根系加筋土开展直剪试验，得到其抗剪强度指标[5-6]。

作为北方地区典型草本植物，狗尾巴草分布范围广，具有适生性强、须状根发达等特点。为深入分析典型草本植物在天然状态下对砂性土边坡的防护作用，试验取样均来自北方地区渠道砂性土人工边坡，且黏粒含量较低，边坡土中所含植物生长的养分也较少。在砂性土边坡沿坡脚至坡顶选择不同位置取样5组，每组对无根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)各取样4个、试样面积30 cm2(图1)，采用应变控制仪进行直剪试验，且每组试样均进行了物理性质及颗分试验。

无根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)直剪试验结果及物理性质如表1，由于砂性土边坡表层土体在天然状态下大多为非饱和状态，在这种天然含水率较低的情况下，含根系土的黏聚力明显大于素填土，但摩擦角变化不明显，抗剪强度指标显著增加。

图1　直剪试验现场取样实物图

表1　直剪试验结果及物理性质统计表

3　草本植物根系力学作用

对于砂性土边坡而言，植物根系一般具有较强的抗剪及抗拉强度。在砂性边坡土层中，植物根系主要通过浅层加筋、深层锚固的方式，增加土体强度、增强边坡稳定性。草本植物根系一般为直径小于1 mm的须根，根系中90%的根数分布在深度0～30 cm的表层土体中。

根系提高土壤抗蚀性关键由根径小于1 mm的须根决定[7-8]，直径小于1 mm的须根根系能够增加土壤水稳性团体的数目，有助于土壤结构稳定性的改进和渗透性增强，间接强化土壤的抗侵蚀力[9-11]。草本植物根系在边坡表面土层中盘结缠绕，形成厚约30 cm的根-土加筋复合体保护层[12]，缠绕于土中的根系与土组成三维网状结构体。草本植物根系的加筋与锚固作用一方面表现为土层提供了附加的“黏聚力”，另一方面表现为对土颗粒的网兜包裹效应[13]。

类似“黏聚力”的增加在一定程度上阻止了坡面水流的剪切力破坏和表土层张裂缝的形成，网兜效应则减弱了水流对土粒的冲刷侵蚀作用。草本植物根系土层中交错纵横、相互缠绕，编织成网状结构(图2)，这种相互缠绕的结构以网兜的作用方式将土颗粒包围固定。此外，草本植物根系在土中生长，为微生物的生长提供了必要的生存环境，微生物分泌的黏液质凝胶将土壤颗粒有效地团聚起来，进一步减弱了坡面水流对土层的解离侵蚀作用。

现代汉语动态助词“过1”和“过2”主要是附着在动词之后，表示“动作的结束和完成”和“过去曾经有过这样的事情”。所以“过”表“经过”“通过”义时与动词组合是“过”语法化的关键。以下是一些“动词+过”的情况，如：

图2　草本植物根系的网状结构图

4　草本植物的水文效应

草本植物茎叶生长茂密，覆盖度大，能够有效截留降雨、削弱溅蚀，抑制地表径流，控制土粒流失，降低孔隙水压力，提升土体的黏聚力，增强砂性土边坡表层土体的抗剪强度。降雨过程中，在没有植被覆盖的土层上，雨滴落下着地时会产生很强的冲击力，击打裸土边坡表层土体，破坏土体结构，使土颗粒溅起，土粒分散、破裂并迁移，侵蚀土体。当边坡表层土体被植物覆盖时，雨滴下落至植被茎叶，雨滴的动能被植被的缓冲作用消耗，使得雨滴停留在茎叶上，几乎可以完全抵抗雨滴的溅蚀。另外，草本植物可以有效的疏散、削弱径流，改变径流路径。在裸土坡面上直流的径流受到植物影响，回旋流动于草丛间，坡面覆盖的草本植物能够抑制坡面径流，利于边坡稳定。

草本植物生长过程中，根系生长疏松土体，留出了孔隙，使得根系与土体的接触面、根系通道及土体本身孔隙成为径流渗入土体的良好路径，改善了土体的孔隙状况，增加了土体渗透性，分散了水流及增加了入渗，有效地削减了坡面径流量，减轻了水流对坡面表层土体的冲刷，减缓了坡面水土流失。另外，草本植物根系不断地汲取土壤水分，降低孔隙水压力，甚至使孔隙水压力达到负值，从而提升了土体的黏聚力，增强土体抗剪强度，促进边坡保持稳定。