基于室内实验植被对边坡稳定的影响分析

信亮

（辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁沈阳 110001）

0 引言

河岸工程的安全建设与边坡的稳定性密切相关，通过理论分析、数值模拟和工程措施来预测边坡的稳定性，可以避免边坡破坏，减少人员伤亡[1-3]。植被是目前世界上公认的加固边坡措施，植被覆盖不仅提高了边坡的稳定性，还减少了雨水侵蚀造成的土壤流失，是一种低成本且环境友好型的护岸方法[4]。

袁海莉[5]建立了根系植入边坡的二维平面模型，并分析了在边坡土体自重作用下的根系主根轴力分布与塑性破坏时的坡体内位移分布；穆奎等[6]分析了植物护坡工程技术的发展现状及未来发展前景；许英姿等[7]基于不同指标的权重综合比较了植被根系护坡效果的优劣；蒋希雁等[8]选择高羊茅和小叶黄杨植被土，采用现场双环入渗试验分析入渗体积和渗透系数的变化，研究根系对入渗性能的影响；廖文华等[9]分析了TBS技术的基本原理，详细探讨了在实际工程中的植物搭配和施工工艺流程；唐林强等[10]通过对比裸露边坡、植草边坡、ARVS系统防护边坡降雨后的土体变形数据，评估ARVS系统防护膨胀土边坡的有效性；高素芳等[11]针对高陡岩质边坡植被绿化困难的问题，提出利用植生孔栽植抗旱植被的绿化方法；覃仁浩[12]基于实际情况，详细论述了当下生态型护坡施工技术的具体功能和技术优势；田振华等[13]基于床面切应力对植被的曳引作用，设计了一套流速范围在1.5～6.0 m/s的装配式恒定有压流冲刷装置；黄艳婷[14]通过有限元软件建立植被护坡模型，分析不同时期根系形态、种植密度和边坡角度对边坡稳定性的影响。

1 工程概况

根据现场勘探结果，此次分析的边坡主要为残积粘性土，呈褐黄、灰白色，稍湿，硬塑，局部可塑，粘性较差，石英砂含量20%～30%，遇水易软化、崩解。根据室内试验分析得出，其物理性质：密度1.90 g/m3，干密度1.47 g/m3，含水率22%，塑限含水率27%，液限含水率55%，塑性与液性指数分别为0.26，0.28。地表水主要受降雨补给，区内地下水赋存于全新统（上更新统）砂性土层及基岩裂隙中。地下水随季节变化与地表水呈互补关系，雨季（4—9月）地下水位较高，旱季（10月至次年3月）地下水位较低，场地地下水位的年变化幅度为1.0～2.0 m。

2 模型建立

物理模型是以1∶2.5的坡度制造一个玻璃箱，模型的长度、宽度、高度分别为900.00，600.00，600.00 mm，边坡模型如图1所示。模型中填充了从东北某区域收集的密度均匀的土壤，土壤物理性质见表1，模型的土壤密度与收集土壤的现场条件相似。为了使模型中的土体密度达到标准，用重2.5 kg的锤子分8层压实土壤，每层厚75.0 mm，落差为304.80 mm。此次一共制作了两个模型来模拟植被护坡效果，一个为裸土模型，另一个为有植被的模型。对于植被模型，采用香根草护坡，中心间距为100.00 mm，观察其生长90 d后的物理状况，测量出平均根冠长35.6 cm，如图2所示。

为了模拟人工降雨，此次还设计了便携式穿孔钢托盘降雨模拟器（1 220.00 mm×910.00 mm×50.00 mm）。该模拟器包括一个1.11 m2的矩形托盘，由低碳钢制成，带有基于管道供应的供水连接系统，能够模拟任何人工降雨。在坡脚上方3.0 m的高度上，模拟器可以产生188 mm/h的降雨强度，雨滴大小分布略大于自然降雨。

图1 边坡室内模型（单位：mm）

3 试验结果分析

3.1 植被对坡体渗水的影响

地表径流量指降水一旦超过下渗强度，超过的水量可能暂时留于地表，当地表贮留量达到一定限度时，即向低处流动，成为地表水而汇入溪流的水量，此过程的水量称为地表径流量。图3为每次试验达到0.01 mm地表径流的时间与边坡渗水体积的关系。由图3可知，达到同一地表径流量所需时间逐渐减少，这是由于降雨条件下土壤内的保水性随着时间的推移而减少，同时在地表水径流量相同的情况下（每次0.01 mm），渗透边坡内水的体积随着时间的推移而减少。此外，由于香根草根系吸收并保留水分，模型底部的含水量高于模型顶部；裸土边坡破坏十分明显，坡度几乎水平，而有植被护坡的边坡几乎保持原貌。因此，植被对边坡有较好的加固作用。

图2 植被布置间距（单位：mm）

表1 土体物理性质

图3 单次试验达到0.01 mm地表径流量时间和坡体渗流体积的关系

3.2 坡体表面侵蚀

由图4可知，侵蚀土壤（在有植被条件下）的累积干重（初始2～10 min降雨量）随时间的增加而增加，但与初始部分相比，增长率逐渐减小。裸土边坡累积干重在降雨的后期（10～30 min）随时间呈指数增长，这表明香根草在防止土壤侵蚀方面比裸土更有效。此次试验，裸土产沙量为47.8 kg/m2，比有根边坡的产沙量（11.6 kg/m2）高出近4倍。对于植被边坡，降雨60.00 mm后侵蚀停止。

图4 累计土壤损失量变化规律

4 结语

研究结果表明，在地表水径流总量相同的情况下，渗透进植被边坡内水的体积随着时间的推移而减少；裸土边坡在降雨下破坏十分明显，坡度几乎水平，而植被护坡后，边坡几乎保持原来的样貌；裸土产沙量远高于有根边坡的产沙量。因此，从岸坡稳定性和土壤流失结果来看，植被能够起到有效的护岸和护坡效果，具有一定工程实用性，研究成果可为相关工程提供参考。