草本植物根系在边坡防护中的加固研究＊

赵红洋，陈 莉

（1.甘肃梦绿环境工程有限公司，甘肃 兰州730030；2.西北民族大学生命科学院，甘肃 兰州730000）

边坡植被防护技术是一种新型的边坡护坡技术，生态植被的茎叶能拦截雨滴，使雨滴击打坡面的机会大大降低，减小了击溅侵蚀强度[1-5]。此外，生物植被根系具有很好的固土能力，增强了浅层土的抗剪强度，具有浅层加固作用。当植被通过根部吸收及蒸发作用改变了斜坡水文条件时，便增加了土体斜坡的稳定性。在雨季中土的抗剪强度可提高30%～65%[6-11]。

植物防护设计最基本的指标是植物根系的加固能力，植物根系在岩土介质中受力的复杂性和多变性，使得其加固能力的计算十分困难[12]。近年来国内外许多学者针对木本植物根系的加固能力进行了大量研究，如周跃[13,14]针对木本植物的抗拔性做了大量的野外现场测试。张俊云等[15-19]对木本植物根系的抗拔性和植物根系对边坡的加固作用通过建立力学模型进行了分析,分别对植物的抗拔力从植物根系与岩石体相互作用的摩擦力在铅垂方向的合力,植物的根系加固从水平根系与土粒间的摩擦力的作用方面进行研究。但对草本植物根系及地下茎在边坡植物防护中对土壤的加固能力报道较少。

目前国内边坡防护主要以草本植物防护为主，辅以灌木、乔木。草本植物由于其根系浅层集中，从而对于研究种植土层的加固具有重要的意义[20]。本文以岩石边坡和黄土边坡两种基质种植草本植物为研究对象，探讨了植物边坡防护在土壤加固作用,为草本植物广泛应用于边坡加固提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

以实验路段为河南平顶山地区鲁山县和尚岭太澳高速公路十二标段。该地处伏牛山东段南麓深山区, 地理坐标为东经 110°52′112°16′, 北纬 33°24′～33°43′。实验地段为兰州市城关区东出口高削坡路堑地段。

1.2 试验材料

根据文献[21-26]和路基防护绿化设计，采用厚层基材喷播植草技术。岩石边坡植物配比为高羊茅（Festucaanundinacca）、结缕草（Zoysia Japonica）、狗牙根（Yndondactylon）、紫穗槐（Amorpha fruticosa L）；黄土边坡厚层基材喷播植物配比为高羊茅、草地早熟禾（Poa pratensis）、黑麦草（Loliumperenne）、紫花苜蓿（Medicago sative）。 见表 1。

表1 岩石和黄土喷播草种配置表

1.3 试验方法

分别于2020年5月10日在长势良好岩石边坡和2020年5月25日在长势良好黄土边坡随机选取8个点，阴坡和阳坡分别取4个点，按样方20cm×20cm，对所取土样按2cm间隔深度切割并分别编号拍照。

1.4 试验设备

土壤刀，锯条，1200万像素sony数码相机，SigmaScan ProV5软件对照片进行分析。

1.5 根面积比率的测定

按照数字影像处理技术方法测定。

2 结果分析

2.1 典型剖面图像分析

图1 岩石边坡阴坡10cm深度剖面图

图2 岩石边坡阳坡10cm深度剖面图

图3 黄土边坡阴坡10cm深度剖面图

图4 黄土边坡阴坡10cm深度剖面图

从图1～4可以看出，在10cm深度剖面岩石边坡颗粒度较大,根系分布不均匀,阴坡和阳坡差异度较大；岩石边坡阳坡的根系分布为10.8%明显的多于阴坡的根系分布为9%。黄土边坡的阴坡和阳坡之间的差异度较小,分别为8%、8.6%，根系分布相对较均匀，土壤紧实；在同深度面上黄土边坡的根系分布较岩石边坡的根系分布均匀；黄土边坡的根系分布较浅，岩石边坡根系在深层分布量较大。

2.2 两种边坡植物根面积比率比较

2.2.1 同一地质条件下阴坡和阳坡植物根面积比率比较

二者相比较发现无论岩石边坡和黄土边坡在其不同层面中根系的分布量不同，如图5，6所示。

图6 黄土边坡阴坡与阳坡根面积比率的随土壤深度的变化

2.2.2 不同地质条件下阴坡植物根面积比率比较，如图7所示

图7 黄土边坡与岩石边坡阴坡根面积比率随土壤深度的变化

2.2.3 不同地质条件下阳坡植物根面积比率比较，如图8所示

图8 黄土边坡与岩石边坡阳坡根面积比率随土壤深度的变化

2.3草本植物根系与边坡夹角的关系

植物根系及地下茎与土壤结合可视为一复合材料，根茎由于具有较高的抗张能力，整体便能提高土壤的抗剪强度。从图中分析可知两种边坡基质根基本呈90°以内倾角分布。

2.4 岩石边坡滑坡对草本根系的影响，如图9，10所示

图9 岩石边坡阴坡段滑坡与未滑坡坡根面积比率的随土壤深度的变化

图10 岩石边坡阳坡段滑坡与未滑坡坡根面积比率的随土壤深度的变化

由于受滑坡作用影响,根的面积比率较未滑坡样方中根的面积比率小,如图7、8中阴坡与阳坡的样方调查可看出，植物在太澳高速岩石边坡的样本中，垂直面方向由于草本植物根系的杂呈分布，在每个水平断面层的分布各不相同。但就土样切割面的根面积比率统计可以看出，阳坡根系分布面积明显高于阴坡植被根系分布面积。在阳坡和阴坡中就前一年出现滑坡路段的样方中,根量分布面积明显低于未出现滑坡路段的样方内根量分布面积。

3 讨论

土中根的含量不同，根对土的加固作用的效果不同，植物对边坡稳定性的影响也就不同。草本植物根系随土壤深度增加而减少。衡量根在土中含量的一个常用指标为根的面积比率 （Root Area Ratio,RAR），它指一个土层断面上（水平断面或垂直断面）根的截面面积占断面面积的比率，根的面积比率是深度的函数。植物根系及地下茎与土壤结合可视为一复合材料，根茎由于具有较高的抗张能力，整体便能提高土壤的抗剪强度。一般认为植物根系增加土体的剪力强度主要在根系与土壤的黏合作用产生的凝聚力上，一般称作根力（root strength）或根凝聚力（抗拔力）（root cohesion），而对土壤的內摩擦角影响不大[11]。

植物在兰州城关高削坡黄土边坡植物防护样本中,水平面方向草本植物根系分布较太澳高速岩石边坡中根系在每个水平断面层的分布要均匀。在各样方的根的面积比率统计结果可以看出，黄土边坡中植被根系分布存在和岩石边坡中阴坡分布差异的相似性，由于黄土边坡采样中未出现滑坡。因此，各样方根面积比率分布相对较均一。同样，从兰州城关高削坡黄土边坡植物防护样本切割面上看根面积分布在4～6cm和12～16cm之间的根面积比率达最多。而且根基本呈90°以内倾角分布，上下两侧根面积比率分布很少。

当表层土体沿滑动面顺坡面下滑时，植物右侧穿过滑动面的根系受到拉力作用，对表层土体起到锚固作用，植物左侧根系受压力作用，对滑动土体起不到加固作用。植物右侧根系受到拉力作用会发生两种类型的破坏形式：（1）植物根系从土层裂隙中被拔出，（2）根系受拉力作用而被拉断。两种破坏方式所产生的力的大小各不相同，根据肖盛燮的岩石力学中抗拔力的公式，假设某一穿过滑动面的根系所产生的拉力为Ts，则此根系产生的抗滑力为

对于具体的边坡。σ·Φ为已知的定值，则

式中：E为根系产生的抗滑力 （KN/m）；a为滑动面倾角；β为植物根系与垂直面夹角；Φ为滑动面处土体的内摩擦角;T为抗滑力系数,T=R/H。

由此可知，植物根系与垂直面夹角a-β≤90°时，根系对边坡表层可以起到加固作用。与根面积比率的测定值一致。

4 结论

1）岩石边坡和黄土边坡中阳坡的根面积比率明显高于阴坡的根面积比率。

2）岩石边坡中由于土壤颗粒度大,根系分布不均匀,黄土边坡中根系分布相对比较均匀。

3）岩石边坡滑坡路段中，阳坡与阴坡比较，其根面积比率有较大变化。阳坡的根面积量明显高于阴坡的根面积量。

4）由于受滑坡作用影响，在岩石边坡滑坡路段中，无论阳坡还是阴坡，其根面积比率都明显低于未滑坡路段的根面积比率。