木本植物不同部位对土质斜坡稳定性的影响

黄少平，晏鄂川

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

近年来，关于斜坡防护措施方面的研究有了很大的进展，各种新方法和新技术已被广泛应用于斜坡防护中，其中由于植被护坡有其独特的优点(防止水土流失和美化环境)，因此被大量应用于土质斜坡的防护中，并且实践证明植被护坡措施在土质斜坡防护中发挥着十分有效的作用。

针对植被对土质斜坡稳定性的影响，目前很多学者从各个角度进行了大量研究，在植被茎叶截留作用和蒸腾作用研究方面，何玉琼[1]指出对植被的截留量起最重要作用的是植被郁闭度、覆盖层、降水量和降雨强度；宋文龙等[2]通过对应用耦合遥感数据的植被冠层截留模型进行模拟与分析，得出地表植被变化是影响植被截留年际差异的主要因素的结论；Fan等[3]利用FEM等模拟方法分析了斜坡上植被不同分布情况下斜坡的稳定性状况，结果发现斜坡上植被的空间分布可影响斜坡的稳定性；汤川典子等[4]的研究表明，林下植被、枯落层与入渗量之间存在着某种程度的相关关系,土壤结皮的有无对裸露化林地入渗量的影响要比土壤的孔隙组成更明显。在植被根系的研究方面，罗建杰[5]指出植物根系在表土层形成了根-土复合体，其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。在降雨入渗研究方面，吴钦孝等[6]研究认为林木影响土体的入渗;郭利娜等[7]应用Geo-Slope分析了青莲寺边坡的稳定性，并提出了相应的治理方案。

但上述研究并未详尽地分析植物各部位对斜坡稳定性的影响。鉴于此，本文采用分类研究的方法，从木本植物不同部位(茎叶、枯枝落叶、根系)、植被衍生物对土质斜坡稳定性的影响出发，总结与分析了木本植物对土质斜坡稳定性的作用模式，并利用Geostudio软件模拟与分析了木本植物茎叶和根系两个重点部位对土质斜坡稳定性的影响程度。

1 木本植物不同部位对土质斜坡稳定性的影响

由于木本植物不同部位对土质斜坡稳定性产生的作用不同，因此会对斜坡稳定性产生不同的影响，本文主要分析了木本植物不同部位(茎叶、枯枝落叶、根系)以及植被衍生物对土质斜坡稳定性产生的影响。

1.1 木本植物茎叶对土质斜坡稳定性的影响

1.1.1 植物茎叶的截留作用

雨滴通过自身的重量和加速度对裸露坡面产生溅蚀作用，破坏裸露表土结构，促进雨水的渗透，提高地下水水位。阵雨情况下，若降雨强度大而降雨持续时间短，当坡面裸露时部分雨水来不及入渗直接从坡面流走；而当坡面植被发育时，部分雨水在植物截留作用下存留于茎叶上未直接到达坡面，这部分雨水慢慢到达地面，或者提供植被蒸腾作用，减少了坡体的水分流失。植被的覆盖作用，可以减少地表土体水分的蒸发，大大降低表土开裂、干燥等现象的发生概率，进而降低大暴雨或连续降雨时期雨水的入渗。木本植物通过茎叶的截留作用降低了雨水对坡面的溅蚀作用，并影响降雨入渗，有利于土质斜坡的稳定。木本植物的分布特征和降雨情况是影响植物茎叶截留作用的主要因素，通常情况下木本植物枝叶越茂盛，截留作用越明显，对土质斜坡的稳定越有利。

Liu[8]提出的截留模型可以根据小时降雨量、日降雨量以及其他变化的气象数据来计算植被的降雨截留量。Liu提出的截留模型为

(1)

式中：I为植被的降雨截留量(mm/d)；Cm为林冠饱和贮水量(mm)；D0为降雨前的林冠干燥指数；b0为自由穿透植被的降水系数；P为平均降雨量(mm)；e为平均蒸发率；T为降雨持续时间(d)。

利用Liu的截留模型计算某工点2014年6月25日、26日、27日植被的降雨截留量，其计算结果见表1。

表1 植被的降雨截留量估算结果Table 1 Estimation of rainfall interception

本文利用Geostudio软件中的SEEP/W模块对该土质斜坡主剖面的稳定性进行了模拟计算。该土质斜坡表面渗透系数相同，选用的模型几何参数为：该土质斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潜在滑移面深2～7 m，土层的基本参数见表2。

表2 茎叶截留作用模拟土层的基本参数Table 2 Basic calculation parameters of soil for the simulation of interception effect of the vegetation stems and leaves

模拟计算得到该工点2014年6月25日、26日、27日3天在有无木本植物截留作用下土质斜坡的稳定性系数，其模拟计算结果见表3、图1和图2。

图1 植物茎叶的截留作用对土质斜坡稳定性的影响模拟(2014年6月25日)Fig.1 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 25,2014

图2 植物茎叶的截留作用对土质斜坡稳定性的影响模拟(2014年6月27日)Fig.2 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 27,2014

表3 土质斜坡稳定性系数计算结果Table 3 Calculation result of the soil slope stability

由表3、图1和图2可以看出：

(1) 无论是否考虑植物茎叶的截留作用，连续降雨都会降低土质斜坡的稳定性，因此降雨是影响土质斜坡稳定性的一个重要因素。

(2) 植物茎叶的截留作用可以提高土质斜坡的稳定性，植物枝叶越茂盛，其截留作用越明显，越有利于提高土质斜坡的稳定性。因此，选择枝叶茂盛的植被品种进行护坡，可以更好地提高土质斜坡的稳定性。

此外，植被和枯枝落叶可以阻挡雪霜直接降到坡面对坡面土体进行冻蚀，降低雪霜对坡面的破坏，提高土质斜坡的稳定性。

1.1.2 植物茎叶的蒸腾作用

蒸腾作用主要是通过根系吸收土壤水分并经过植物本身一系列的调节与控制过程进行，并最终将水分蒸发到空气中。蒸腾作用通过植物吸收土壤中的水分并将其蒸发到空气中，这也是土质斜坡排水的一种方式，该作用能够降低土质斜坡的地下水水位,减少土体含水量进而减轻土体的重量,以降低斜坡的下滑力；土体总应力是一定的，蒸腾作用通过植物吸收土壤中的水分使土体孔隙水压力减小，作用在土体颗粒上的有效应力增大，土体颗粒的黏聚力和内摩擦力增大，从而增强了土体对滑动应力及变形的抵抗力，土体抵抗变形的能力得到了提高，即斜坡土体的抗剪强度增强，坡体变得更加稳定。

蒸腾作用的效果在短时期内并不明显，加之该蒸腾作用是一个缓慢发展的过程，其速率很低，不能在短时期遏制大暴雨或连续降雨对斜坡地下水升降产生的大幅变化，因此其对斜坡稳定性的影响不是很明显。

1.1.3 植物茎叶在风荷载作用下的加载作用

多数情况下由于自然环境中风速较小，因此通常不考虑植物茎叶在风荷载作用下对坡体的加载作用，但是在强降雨并伴有大风的情况下，通过植物传递给坡体的风荷载会使得斜坡土体松动，破坏了土体结构，增大了土体内部孔隙，使得雨水入渗量增加，降低了土体抵抗剪切破坏的能力，可使土质斜坡沿着潜在滑移面滑动，从而降低土质斜坡的稳定性。

植被在风荷载作用下的简化受力模型[9]可表示为

P=μ·γv2/2g

(2)

式中：P为植被单位面积所受的风压(N/m2)；μ为林带阻力系数；γ为重度(N/m3)；v为风速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)。

由公式(2)可知，植被单位面积所受的风压为动能与林带阻力系数的乘积，因此认为风荷载大小不仅与风速有关，还与林带阻力系数有密切的关系。林带阻力系数是评价植被疏密程度的一个重要指标，植被的疏密程度直接影响树木的风荷载，间接影响斜坡的稳定性。风荷载还与植被的种类、树叶的形状、植被的高度、树冠的形状等有关，因此在频发台风的地区应尽量选择合适的植被品种进行种植。

1.2 木本植物枯枝落叶对土质斜坡稳定性的影响

1.2.1 枯枝落叶的截留作用

枯枝落叶覆盖在地表像一层保护膜一样可以防止雨水直接落在地表，减弱雨水对地表的溅蚀作用，从而保护土体结构，其作用比植物茎叶的截留作用更明显。枯枝落叶也像一层海绵，可以吸收和储存雨水，减少土壤表面水分的蒸发量。

枯枝落叶层对降雨的截留作用在降雨刚开始时最明显，随着时间的推移和降雨量的增加,枯枝落叶层可以吸收的水越来越少,达到饱和状态，不再有截留作用或者截留作用很弱。影响枯枝落叶截留量大小的因素有：降雨量大小,降雨持续时间，枯枝落叶的类型、厚度、数量等。

1.2.2 枯枝落叶分解物对斜坡土体的侵蚀作用

枯枝落叶及植物死亡根系经腐化后变为主要由胡敏酸(HA)和富里酸(FA)组成的腐殖质，其降解的最终产物也以草酸、醋酸及CO2等酸性物质为主，因此枯枝落叶在为斜坡土体提供酸储备的同时，也会对斜坡土体产生一定的侵蚀作用[10]。此外，枯枝落叶还为微生物和小动物提供了天然的庇护所和充足的食物，促进了微生物的活动，而大量微生物和动物的新陈代谢会产生二氧化碳、有机酸及酸性有机残余物，这些分解产物会随入渗水进入斜坡土体，从而对其产生侵蚀作用，将不利于斜坡的稳定，但该其侵蚀作用很弱，对斜坡稳定性的影响不明显。

1. 3 木本植物根系对土质斜坡稳定性的影响

1.3.1 植物根系的加固作用

植物根系分为主直根型、散生根型、水平根型，不同类型的植物根系对斜坡的作用机制不同[11-12]，因此对斜坡稳定性的影响程度也有所区别。土壤与植物根系之间的相互作用可以分为3种类型[13-16]：①附着黏结型根土作用；②摩擦型根土作用；③剪切型根土作用。这三种作用所提供的阻力增强了根系土层的整体抗剪强度。Wu等[17]研究认为植物根系增强土体抗剪强度是由于其凝聚力作用的结果,并提出了量化植物根系增加土体剪切强度的简化垂直根模型:

Cr=tR(cosθtanφ+sinθ)

(3)

式中：Cr为植物根系加固增加的土体剪切强度(MPa)；tR为植物根系单位面积土壤平均抗拉强度(MPa)；θ为剪切旋转角(°)；φ为内摩擦角(°)。

植物根系在土体中的分布密度自地表向下逐渐减少，在根系盘结范围内，土体可以看作由土和根系组成的根-土复合体[18](见图3)。在根-土复合体中，根系如同纤维一样起到加固土体的作用。根系土所提供的附加黏聚力，一方面增加了土体的黏聚力，另一方面限制了土体的侧向位移，两者之间的共同作用提高了土体的抗剪强度。然而，植物根系对土体的影响是不均匀的，因此在考虑植物根系对土质斜坡稳定性的影响时，需要选用平均抗剪强度系数进行模拟运算。

图3 根-土复合体Fig.3 Root-soil composite

本文运用Geostudio软件中的Slope模块通过对某一浅层土质斜坡进行模拟计算，分析了植物根系对土质斜坡稳定性的影响。计算原理采用极限平衡法，根据滑裂土体的静力平衡条件和Mohr-Coulomb准则计算该土质斜坡的稳定性系数，并在许多可能的滑动面中找出最危险滑动面。选用的模型几何参数为：该土质斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潜在滑移面深2～7 m，斜坡土层的基本参数见表4。

模拟计算得到在有无植物根系情况下该土质斜坡的稳定性系数，其模拟计算结果见表5和图4。

表4 植物根系加固作用模拟土层的基本参数Table 4 Basic calculation parameters of soil for the simulation of reinforcement action of vegetation root system

表5 土质斜坡的稳定性系数Table 5 Stability coefficient of the soil slope

图4 植物根系对土质斜坡稳定性影响的模拟结果Fig.4 Simulation of the influence of vegetation root system on the stability of the soil slope

由表5和图4可见，植物根系可以提高土质斜坡的稳定性。因此，合理选择根系发育的植被可以更好地起到护坡作用。由于本模型并不能完全模拟植物根系的分布情况及其加固机制，同时模拟过程中选用的是平均抗剪强度参数，故模拟结果存在一定的误差。

虽然植物根系对土体的加固黏结作用增加了土体本身的黏聚力，提高了土质斜坡的抗滑能力，但植物根系的这种加固作用会受到植被种类、年龄及植地条件等多方面因素的影响，且随着地表深度的增加植物根系的密度急剧减少，这种加固作用也会减弱。因此，植物根系对其延伸范围内的土体的力学加固效应是显著的，但这种效应仅存在于地表以下很浅的范围内；尽管某些深根性植物的根系可以到达地下5 m甚至更大的深度，而在这一深度范围，无论单根直径，还是根系总密度都已大幅降低，其加固效应已十分微弱。

1.3.2 植物根系的成孔作用

植物根系在土体内发育时，活的根系向下或侧向伸展，在根尖部呈圆柱体扩大，使根系周围的土壤变得疏松,其粗度、深度和分布取决于树木的生长状况，随着根系的生长，在植物活根与土体之间，常形成一些大孔隙。植物根系生长产生轴向压力与横向压力,由于土体顶面没有约束，将导致根系范围内的土体膨胀，使土体顶面及根系外壁与土壤之间产生裂缝，由于土体与根系之间的不协调变形，将在它们之间形成平行于根系界面的下渗通道，增加了降雨时雨水的入渗量，改变了地下水水位深度。植物根系腐烂后会形成连通性很好的大孔隙，增加了土体渗透性，使得斜坡土体内部入渗量增大，土体含水量发生变化。垂直、水平腐烂的植物根系相互交叉，共同构成土体剖面上大部分自由水下渗的网络通道，腐烂的植物根系通道不仅导水而且还能够传输有机质。活根和腐根通过增加孔洞数量来增加雨水入渗，在一定程度上破坏了斜坡土体的结构，因此从这个角度来说，植物根系的发育延伸降低了土质斜坡的稳定性。

1.3.3 植物根系的呼吸作用

植物根系在土壤中进行呼吸作用会产出大量CO2，这为斜坡土体的水-土作用提供了必要的CO2，也提高了土体的酸度，从而增强了入渗水对斜坡土体的侵蚀性，使土质斜坡整体的稳定性减弱，但这种作用非常弱。

1. 4 植被衍生物对土质斜坡稳定性的影响

随着植被的生长发育，动物和微生物的种类慢慢增加，活动日趋频繁，生物多样化不断形成，而大型动物的日常活动和新陈代谢生长过程所产生的CO2、粪便和尸体，一定程度上改变了土壤的成分，提高了土体酸度和入渗水酸度，有利于促进水对斜坡土体的侵蚀作用；同时，动物和微生物频繁的活动会促使土体空洞的形成，而孔洞的增加又使得雨水入渗量变大。可见，植物衍生物降低了土质斜坡的稳定性，但这种作用也是非常微弱的。

2 木本植物对土质斜坡稳定性影响的作用模式

木本植物对土质斜坡稳定性的影响是一个非常复杂的过程，主要通过水文作用和机械作用来实现。木本植物各部位通过各种不同的作用机制而引起土质斜坡在水文方面和受力方面发生变化，从而影响土质斜坡的稳定性。本文将木本植物各部位对土质斜坡稳定性影响的不同作用模式进行了归纳，详见图5。

图5 木本植物各部位对土质斜坡稳定性影响的作用模式Fig.5 Action mode of different parts of woody plants act on the stability of soil slope

3 结 论

(1) 植物茎叶提高了土质斜坡的稳定性，这是由于植物茎叶具有截留作用，可以减小降雨对地表土的溅蚀作用，还可减弱雪霜对土壤的直接冻蚀，保护地表土；植物茎叶的蒸腾作用改变了地下水水位，降低了斜坡土体的自重和孔隙水压力。但在大风及台风情况下，植物茎叶会将风荷载传递给斜坡，降低其稳定性，因此在频发台风的地区应选择合适的植被品种进行种植。

(2) 植物枯枝落叶为一些动物和微生物提供了场所和营养物质，改变了土壤的酸碱度，提高了入渗

水的酸度，增强了入渗水对斜坡土体的侵蚀作用，对土质斜坡稳定性有一定的破坏作用。

(3) 植物根系提高了土质斜坡的稳定性，这是由于植物根系具有加固作用，增加了土体的抗剪强度，提高了土质斜坡的抗滑能力，但这种加固作用有一定的限制范围。此外，植物根系还具有成孔作用，可增加土体孔隙度，破坏土体结构，增强降雨的入渗，一定程度上降低了土质斜坡的稳定性。

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