植被联合植筋带护坡水力特性模型试验

张劢捷，杨文琦，周 成，陈 群，李登华

(1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川大学 水利水电学院，四川成都 610065；3. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

边坡的稳定性是工程界所关注的问题之一。传统的护坡措施多采用喷射混凝土、浆砌片石护墙等方式，虽然能满足安全需要，但混凝土材料透水性及透气性较差，植被难以在坡面上生长，生态恢复效果并不理想[1]。植被护坡的方法既可以有效对边坡进行防护，又能促进工程影响范围内生态系统的恢复。因此，研究植被护坡代替传统的护坡措施，有利于减小工程对周围环境的破坏，实现人与自然的和谐发展。

国内外学者一般将植被的护坡机理分为力学效应和水文效应两部分[2]。目前关于植被护坡机理的研究大多集中在植被根系的力学效应上，由植被引起的水文变化过程对边坡稳定性的影响常常被低估。针对植被护坡水文效应，文献[3]开展的数值模拟结果表明，植被的根系吸水及蒸腾作用是影响边坡稳定安全系数的重要因素。植被能通过蒸腾作用提高坡土的基质吸力，有效影响土体的抗剪强度[4]。植被的蒸腾作用受到多方面因素共同作用的影响。陈建斌等[5]通过建立大气-非饱和土相互作用模型，发现叶面积指数是控制土体吸力变化的主要因素；Zhu 等[6]利用数值模拟研究发现植被根系形态对吸力影响较小，而降雨前的干燥时间越长，植被在降雨过程中维持的吸力范围越大，边坡降雨过程中的稳定性越高。以上研究表明植被根系的水文效应同其力学效应一样，对增强边坡稳定性有着积极作用。

另一方面，吴宏伟[7]和Devitt 等[8]认为植被生长过程中土体会形成大孔隙，促进了雨水入渗，即形成优势流通道，不利于边坡的稳定。在将植被运用于边坡防护时，对植被可能导致的优势流现象应引起重视并谨慎处理。周成等[9-11]认为设置竖向植筋带相当于延长了根系长度和提高了加筋作用，可以增强植物的护坡能力，但必须避免植筋带成为入渗通道。杨文琦等[12]开展的植物土柱试验考虑了有无植筋带的对比分析，试验结果表明，在干燥过程中，植被联合植筋带后蒸发蒸腾引起的吸力增量约为仅由植被蒸发蒸腾产生的吸力增量的2 倍，但在降雨作用下，植筋带也会成为优势流入渗通道加速雨水入渗，致使土体产生更多的吸力损失值。

目前的研究大多针对单个植株的蒸腾作用，聚焦于多植株的研究相对较少。本文的模型试验侧重分析植株间距对植被联合植筋带护坡水力特性的影响。设置3 组不同植株间距（20、30、40 cm）的模型试验，在每株两侧各布置1根植筋带，对土体在干燥阶段和降雨过程中的吸力、体积含水率进行监测，并分析其变化规律，研究成果可为植被护坡技术的研究和应用提供借鉴。

1 试验方案

1.1 试验用土与植被参数

试验用土料为低液限粉质黏土，含少量砾石，土体物理力学参数如表1 所示。为保证后续试验中植物能够顺利生长，模型填筑时黏土的压实度不宜过高[12]。参考程鹏等[13]的研究，本文取压实度为85%，填筑干密度为1.48 g/cm3，制模含水率则取为12%。

试验采用空心莲子草，这种植物抗逆性强，生长迅速，既喜阳又耐阴，能适应湿地、旱地等多种生长环境，是野外边坡上常见的粗放型植被[14]。其茎呈圆桶形，多分枝，光滑中空，髓腔较大，有较强的吸水能力，对于研究植被蒸腾作用十分有利。为了便于对比，试验用植株统一选用根长约为10～15 cm 的植株，主根直径约为6～8 mm。

表1 土体的物理力学参数Tab. 1 Physical and hydraulic parameters of the soil

1.2 试验方案与装置

模型试验在长75.5 cm、宽53.0 cm、高50.0 cm 的塑料箱中进行。斜坡与平地的持水能力存在一定的差异，因为坡地降雨一般分为坡面径流和坡面入渗两部分，而平地几乎只有垂直入渗。因此，本文采用地面等效入渗的原则，即平地的模型试验通过调整水头的高低使得模型箱内土体在一定时间范围内的入渗量与一定降雨强度和降雨历时下的斜坡模型的入渗量相等，从而近似地认为两者的入渗情况相同。试验分为3 组，分别设置植株种植间距为20 cm（试验组S20）、30 cm（试验组S30）和40 cm（试验组S40）。模型中填筑40 cm 厚的黏土层，底部铺5 cm 厚的砂土层构建自由排水边界，模型箱侧壁底部位置开小孔，并插上排水管以及时排出砂土层中的积水。排水管端口覆盖无纺布，起到反滤作用，防止排水过程中砂土流失，堵塞排水管。砂土与黏土层间用土工布隔开，防止入渗过程中土层界面发生颗粒迁移现象[12]。

柔性持水加筋带采用土工合成材料尼龙编织带，单条编织带宽约2 cm，长约20 cm。该材料条带致密，纤维间形成细小孔洞。将其一端放入水中时，由于毛细作用，水能沿着一端向上延伸，并很快浸透整条尼龙带，有着较好的持水作用。为使其效果更明显，每束持水加筋带由3 条尼龙带组成。

因模型箱尺寸所限，无法模拟分析更多不同布置方式下植株群体效应的影响，只侧重分析了3 株或6 株空心莲子草3 种株距对于土体水力特性的影响。每株植物两侧均竖向植筋长约30 cm 的柔性持水加筋带。传感器分两列布置，其中一列布置在两植株连线中点位置，该处用字母A 表示；另一列布置在等边三角形中心点位置，用字母B 表示，以便监测三植株综合影响下黏土的水力特性变化情况。传感器埋设点位的表示方法以S20-A-10 为例说明，其中S20 代表植株间距为20 cm，A 代表测量点的位置，10 代表测点距离地表10 cm，其余以此类推。传感器埋设点位用红色标记标出，试验模型如图1 所示。

图1 模型试验示意图（单位：cm）Fig. 1 Schematic diagram of the model test (unit: cm)

采用美国Decagon 公司的EC5 小型土壤水分传感器测量土体含水率，通过电压值的变化来反映土壤内部水分的变化。试验前先对传感器进行标定，模型填筑过程中，在需要埋设传感器的位置（即预留孔处）插入直径为2.5 cm 的开有细密小孔的PVC 塑料圆管到预留传感器的埋设空间，待填土完成之后，再将小型土壤水分传感器埋设至设计测量点位置。

图2 试验模型Fig. 2 Test model

1.3 试验模型制备

试验模型压实度取为85%，含水率控制在12%。为保证压实度，采用分层压实法进行填筑，每层填筑5 cm。每层填筑完成后对表层土体进行刮毛，以利于上下两层之间的紧密接触。模型箱内壁需要涂抹凡士林，防止降雨过程中雨水沿箱壁产生优势流。竖向柔性持水加筋带植入土体后在其周围封闭压实土体使植筋带与土体密切接触。试验模型照片如图2 所示。其中，植株间距为20 与30 cm 的试样制备在同一个模型箱中。两试样中间用不透水的塑料膜隔开，防止试验过程中出现两部分之间的水分迁移相互影响或根系缠绕的现象。由于植株茎部过长，为防止植株在植被养护过程中茎部折断对后续试验结果产生影响，制模完成之后将直径为20 cm的白色PVC 塑料管套在植株周围，对植株茎叶部分起到支撑作用。制模完成之后，对植被进行半个月的养护生长，养护完成后，将支撑植株茎叶部分的白色PVC 管取掉，正式进行试验。

该模型试验在室温为20 ℃的室内进行。正式试验前先将各试验组土体进行饱和浸泡，以构建各试验组的相同初始条件，之后经历干燥阶段，干燥时长为26 d；干燥后进行降雨试验，降雨在模型箱中积水4 cm 深，观测结束后结束试验。

2 试验结果与分析

2.1 干燥阶段裂隙发展分析

干燥阶段末期，试验模型表层土体裂隙发育如图3 所示。模型试验中首先由植被根茎边缘向外开裂，形成几条主裂隙，随后主裂隙周围发育出多条微裂纹，最终在土体表面形成裂隙网络。随着蒸发的进行，模型箱边缘土体发生干缩现象。对表层裂隙进行了简单测量，最大裂隙宽度约1 cm，模型箱的土体中部裂隙最大深度约3 cm，而模型箱边缘干缩裂缝最大深度达5 cm。由于担心在降雨过程中模型箱与土体之间的干缩裂缝过大，雨水会大量沿着模型箱侧壁入渗，继而从埋设传感器的管道中漏出，影响土体吸力和体积含水率测量结果的准确性，因此，在干燥过程结束后，将流动状态的泥浆灌入模型箱边缘的干缩裂缝中进行填充，待泥浆干燥后再进行下一阶段的降雨试验。

图3 试验模型表层裂隙开展情况Fig. 3 Development of surface cracks in the model test

2.2 干燥阶段的测量结果分析

图4 对比了干燥26 d 过程中3 种植株间距模型试验中表土以下10 cm 深处的测点1 的吸力变化情况。对比图4（a）、（b）可以发现，在两植株连线位置和三植株中心点位置处，植株间距为20 cm 的模型中产生的吸力最大，最大值为31.8 kPa；其次是植株间距30 cm 的模型，吸力最大值为30.2 kPa；而植株间距为40 cm 的模型中的吸力值最小，仅22.2 kPa。由此可见，植株间距为20 cm 的试验组中能达到的最大吸力值高出其他两组5.3%～43.3%。在干燥前10 d，3 条曲线仅有微小的差别，10 d 后，吸力差开始变大。由图4 可知，植株间距最小的模型中水分蒸发最多，随着植株间距的增大，水分蒸发减弱。这可能是因为植株间距小时，两植株的水力影响范围有部分重叠，存在水分竞争的关系，间距越小，这种水分竞争越激烈，因此两植株间距越小的模型在干燥过程中产生的吸力反而越大。

图4 干燥阶段不同株距测点1（10 cm 埋深）处吸力的变化Fig. 4 Change of suction force at plant distance measurement point 1 (10 cm buried depth) in the drying stage

此外，在两植株连线中点位置测点上的吸力值要大于三植株中心位置测点上的。在两植株连线中点位置，植株间距20、30 和40 cm 试样中的吸力最大值分别为31.8、30.2 和22.2 kPa；在三植株中心点处，植株间距20、30 和40 cm 的模型中的吸力最大值分别为28.8、23.5 和20.5 kPa。这是由于在三植株形成的等边三角形中，两植株连线中点处传感器到植株的距离比三植株中心点处传感器到植株的距离更小，受到植株水分竞争影响更大。因此虽然中心点处的传感器能受到周边三棵植株的影响，但距离远影响微弱，产生的吸力值也更小。

在图4 中约在第3 天和第13 天时呈现出水平的阶梯状线段，这是因为试验过程中室内空调出现故障，导致室温低于试验条件需要的20 ℃，从而使蒸发蒸腾速率减慢，吸力增加速率减缓。

图5 对比了3 种植株间距的模型在表面以下20 cm 处测点2 的吸力变化情况。由图5 可见，测点2 处的吸力变化规律与测点1 处的相同，但在数值上明显小于浅层的测点1。这是因为测点深度越大，受到大气影响越小，土中水的蒸发越弱；其次，20 cm 深处位于植被根深范围之外，植被蒸腾作用发生时受到根系吸水作用的影响越小，水分变化幅度小，引起的吸力值也就小于表层测点1 的值。而测点3 的深度约在表面以下30 cm 处，受到蒸发蒸腾作用影响微弱，吸力值变化不明显，因此不单独分析。

图5 干燥阶段不同株距测点2 处（20 cm 埋深）吸力的变化Fig. 5 Changes of suction at plant distance measurement point 2 (20 cm buried depth) during the drying stage

图6 对比了不同植株间距下干燥试验前后吸力沿深度的分布情况。由图6 可见，根深范围以内测点的吸力值总是大于根深范围以下测点处的吸力值，这是由于根深范围以内测点不仅受到较强的大气影响，蒸发活动剧烈，同时受到植被根系吸水作用的影响，水分变化较下部土体而言更强烈，因此吸力值更大。

图6 干燥试验前后不同株距的吸力沿深度的变化Fig. 6 Variation of suction of different plant spacings along depth before and after drying test

干燥过程中不同种植间距的模型中，两植株连线中点处A 列测点体积含水率变化如图7 所示。由图7 可见，无论在何种种植间距下，埋深10 cm 的测点1 处体积含水率变化幅度最大。在植株间距为20 cm和30 cm 的试验组中，测点1 处体积含水率接近，约从0.30 降至0.19；而植株间距为40 cm 的试验组中体积含水率变化幅度略小于其他两组，约为0.30 至0.21。说明随着植株间距的增大，两植株间的水分竞争越弱，这与上文吸力变化规律一致。

综合2.2 节数据分析可得，在一定范围内，植株间距越小，植株根系间的水分竞争越激烈，土体中的吸力值就越大，此时土体的抗剪强度也就越高。故在实际工程中采用株下植筋带联合植被护坡时，植株间距不宜过大，应按照冠幅大小和覆盖度的要求进行植株的布置。

图7 干燥过程中不同株距的株间A 点处不同埋深测点的体积含水率变化曲线Fig. 7 Variation curve of volumetric water content at different burial depth measuring points at the middle point A of different plant distances during the drying process

2.3 降雨阶段测量结果分析

图8 反映了4 cm 的降雨水头作用下3 组模型中株间A 点各深度吸力传感器的响应情况。降雨阶段0 min 代表干燥阶段末期，由于不同植株间距的模型在干燥阶段蒸发蒸腾不一致，因此3 组试样降雨阶段的初始吸力值不一样。

图8 降雨过程中不同株距的株间A 点处不同埋深测点的吸力变化情况Fig. 8 Changes of suction at different buried depth measuring points at the midpoint A of different plant distances during wetting process

对比图8（a）、（b）、（c）可见，降雨阶段末期各测点吸力均接近0。试验组S20 与试验组S40 中各测点吸力响应时刻几乎相同，最浅层的测点1 处的吸力在降雨开始后约10 min 时开始显著降低。由于雨水从土体表面自上而下入渗，深度越深的测点处吸力开始响应时刻越迟。测点2 和测点3 处吸力开始响应的时刻分别在降雨开始后16 和35 min。但试验组S30 中的3 个测点处吸力响应时间明显大于其他两组，分别为30、80 和98 min。这可能是因为制模时，试验组S30 的土体表面略微向模型箱中间倾斜，导致土体表面边缘高，中间低。降雨浸水时，由于土体表面的高度差，雨水会向模型箱中部汇集，导致表面积水高度不均匀。同时，土体表面裂隙发育的差别也会影响雨水入渗速率。

由于传感器数量有限，降雨过程中在模型的三植株中心点B 处仅对埋深10 cm 测点1 的吸力变化进行监测，绘出试验组S20 和试验组S40 中的变化曲线如图9 所示。对比图9 与图8 可知，试验组S20 和试验组S40 中三植株中心点B 的相同埋深10 cm 处测点1 响应时间为5 min，比A 处测点1 的响应时间缩短了一半左右，这可能是因为干燥阶段后期，裂隙在三植株之间的土体表面构成交错的裂隙网络，为雨水提供了入渗通道。降雨时，雨水优先沿着中间的裂隙入渗到土体内部，因此三植株中心点B 处测点的响应时间更短。

图9 降雨过程中三植株中心点B 处测点吸力的变化情况Fig. 9 Changes in suction at the measuring point at center B of three plants during wetting process

3 结 语

本文主要完成了植株间距分别为20、30 和40 cm 的模型试验，经历26 d 的干燥阶段和4 cm 水头的降雨阶段后，得到结论如下：

（1）在干燥过程中，裂隙从植株根茎向外侧发育，最终在土体表面形成裂隙网络，同时伴随着模型箱边缘土体的干缩现象。

（2）在干燥过程中，模型受到蒸发蒸腾作用，体积含水率减小，吸力值增加。其中，植株间距为20 cm 的试验组中的最大吸力值比植株间距为30 和40 cm 试验组中达到的最大吸力值分别高出5.3%和43.3%。说明植株间距越小，植株间水分竞争越激烈，植株从土中吸水越多，导致的吸力值越大。两植株连线中点处测点的吸力值大于三植株中心点处测点的吸力值。

（3）在模型的垂直剖面上，植被的根深范围以内土体的吸力和体积含水率变化剧烈，随着深度的增加，吸力和体积含水率变化幅度逐渐减小。

（4）在降雨过程中，埋深10～30 cm 的测点1、测点2 和测点3 的吸力值在响应时长上呈递增趋势，在20和40 cm 株距的模型中各测点响应时间几乎相同，证明雨水均匀入渗；在30 cm 株距的模型中响应时长明显大于其他两组，可能是制模和裂隙发育不同的影响所致。同时，三植株中点B 处测点响应时间比两植株连线中点A 处响应时间更短。

（5）在干燥过程中，设置于地表下的竖向植筋带不仅能通过土表面的裂隙与大气连通，加速土中水分的散失，还能促进植被根系吸水及蒸腾作用，进一步增加土体的基质吸力，提高土体强度。但植筋带护坡更强调其作为“延长根”的加筋作用，应封闭坡土避免开裂，避免植筋带直接接触坡面降雨成为优势流入渗通道而加速雨水的入渗。由于植筋带埋设于植株根系两侧（实际应用时也可以一株一带），那么株距实际上就是竖向植筋带的埋设间距。在采用植筋带进行护坡设计时，植筋带间距不宜过大，应根据经济性和灌木的株距，按照“细而密”的原则进行布置。