植被護坡穩定性研究分析

熊杰 李照金 張紅率 羅加敏 資雯婷 吳新春

(昆明學院城鄉建設與工程管理學院,云南昆明 650214)

植被護坡穩定性研究分析

熊杰 李照金 張紅率 羅加敏 資雯婷 吳新春

(昆明學院城鄉建設與工程管理學院,云南昆明 650214)

隨著我國公路、鐵路、水庫等的興建,對邊坡的穩定與生態環境保護有機結合的要求也越來越高。傳統的護坡方式雖有較好的護坡能力,但對生態環境的破壞是非常嚴重的,已經不能與現在對生態壞境保護的需求相適應。隨之被廣泛應用的是植被護坡,它既有較好的護坡能力,又能使工程對生態壞境的破壞達到最小。本文將從植被對地表土顆粒流失的約束作用、植被根系對土體的加筋效應、植被枝葉對降雨的導流減沖作用等幾方面對植被護坡的穩定性進行研究分析。

生態護坡 傳統護坡 穩定性分析 植被

1 引言

在強降雨條件下,降雨對邊坡影響是非常大的。由強降雨對邊坡土壤侵蝕而引起的破壞主要有兩大類：第一是由于雨水對地表土壤的沖刷,導致一些地表土壤伴隨著水流流失;另一類是在雨水侵蝕作用下土壤內部結構受到破壞,土坡直接失穩,發生滑坡、泥石流等地質災害。水土流失將破壞地面完整,沖走肥沃的淺層土壤,降低土壤肥力,造成土地硬石化及沙化等,將嚴重影響農業生產。而滑坡、泥石流等地質災害則更是嚴重威脅著人類的生產生活安全,嚴重破壞生態環境。為增大邊坡穩定性,傳統的護坡方法一般以水泥、石料、混凝土等硬性材料為主要建材,在設計上主要以力學的角度進行思考設計。傳統護坡大致可分為淺層抹面捶面護坡、砌石護坡,鋼筋混凝土網格護坡、噴混類護坡等。

傳統型護坡雖然護坡能力強,但是一次性投資大,難以恢復自然植被,使大量土坡巖石裸露在外面,不利于生態環境的保護和水土保持,在外觀上較為單調生硬,多數情況下與周邊的景觀不協調,與目前注重保護生態環境的發展趨勢相違背[1]。到29世紀,日本、美國等一些歐洲發達國家及地區他們基本上摒棄了傳統的護坡方式,他們開始廣泛應用植被護坡技術進行邊坡防護[2]。為適應時代潮流,保護生態環境,走可持續發展道路,響應國家出臺的《全國生態保護“十一五”規劃》,國家環保總局下發的《關于進一步加強生態保護工作的意見》號召,植被護坡在我國也得到了廣泛的應用。植被護坡之所以能被廣泛采用,是因為其具有造價低、施工簡單、工期較短、有利于較好的保護生態環境,減少水土流失,美化環境等眾多優點[3]。

表1 無植被邊坡各坡度相應時間內土的流失量

表2 植被護坡邊坡各坡度相應時間內土的流失量

圖1 水土流失試驗裝置

2 植被對地表土顆粒流失的約束作用

當高速的雨滴降落至地面時,會對坡面產生較大的沖擊作用,會使地表土顆粒與母體分離,伴隨著降雨形成的水流一起流走,造成較大的水土流失。但在植被護坡的作用下,植被的枝葉能夠有效緩沖雨滴對地表的沖擊力,減少對地表土顆粒的沖刷。植被的枝干及根系還能有效阻擋被分離出來的土顆粒的流失。以有植被和無植被的人工邊坡進行模擬降雨沖刷試驗,試驗裝置通過參照盧坤林抬起實驗模型優化改進而成(如圖1所示),通過調節升降調節器螺栓來改變邊坡坡度,坡度可調節為15°、30°、45°、60°,通過流量調節開關控制降雨量的大小。25min內無植被護坡的邊坡在各坡度下土的流失量如表1所示,有植被護坡的邊坡在各坡度下土的流失量如表2所示。有無植被護坡邊坡水土流失量對照圖如圖2所示。

圖2 有無植被護坡邊坡水土流失對照圖

圖3 抗剪強度-根系關系圖

由實驗結果可知,在25min內無植被的邊坡水土流失量遠遠大于有植被邊坡的水土流失量,即植被護坡對水土流失有較好的的防治作用。

3 植被根系對土體的加筋效應

為了確定植被的根系在土壤中的作用及根土混合體強度與根系空間分布的關系,筆者利用水土流失試驗所用土體及植被根系進行直剪實驗,實驗制取的土樣為沒根、根在土體中分布的數量逐級增加。實驗結果如圖3所示。

分析可知,植物的根一般都具有較大的強度,植物根的粘聚力遠遠超過土壤的粘聚力。植物根在土壤中的分布,就好比在混凝土中布置了一些鋼筋,能夠較好的提高邊坡土體的強度和邊坡土體的抗變形能力等[4]。但其真正強度提高大小與根的強度及根在土體中分布密度有關,植物根系分布密度越大,土的抗剪強度越高,植被根系對提高土體抗剪強度有較大作用。

4 植被枝葉對降雨的導流減沖作用

胡其志、程明生通過對孔隙水壓力對滑動面土體應力狀態的影響進行分析發現,隨著空隙水壓力的增大,土體的強度指標隨之降低。而用基于剛體極限平衡理論的傳遞系數法計算滑動面的穩定系數,雖穩定系數隨孔隙水壓力的增大呈現先減小后增大的趨勢[5]。但初期穩定系數的降低對邊坡的安全是非常不利的,許多災害也就是發生在這個時期,所以我們要嚴格控制邊坡土體孔隙水壓力的增大。

隨著降雨時間的增長,雨水就會逐漸滲透到土層中,使土層中的孔隙水壓力隨之增大。但在植被護坡中植被的枝葉對雨水有較好的的導流防滲作用,它能夠使部分雨水沿著葉面逐級流向坡腳。從而有效的減小了水流的下滲,降低土體中的空隙水壓力,這對邊坡的抗滑穩定是非常有利的。

5 結語

植被護坡具有施工簡單、造價低、固坡性能好、美化環境、有效保護生態環境等優點,常被運用于現代護坡工程中。但要使其發揮較好的護坡性能,提高邊坡的抗滑能力,我們還應更深入的研究。在植被的選擇及布置時我們應注意遵循以下幾個原則：(1)所選植被根系應較為發達,能夠伸入較深土層中,并且不易老化有較強的抗剪能力;(2)枝葉面積較大,在被雨水淋濕后倒伏,葉面能呈較好的流線型對降雨有較好的導流及緩沖作用;(3)所選植被自重不能太重,以減少作用于邊坡上的不利于邊坡穩定的荷載。

[1]劉黎明,邱衛民等.傳統護坡與生態護坡比較與分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2007-12,29(6).528-530．

[2]戚國慶,胡利文.植被護坡機制及應用研究[J].巖石力學與工程學報,2006-11,25(11).2221-2224．

[3]李輝,桂勇等.生態邊坡穩定性模型試驗研究綜述[J]．有色金屬科學與工程,2003-04,4(2).67-69．

[4]鄢朝勇,葉建軍等.植被對邊坡淺層穩定的影響[J].水土保持研究,2007-02,14(1).24-27．

[5]胡其至,程明生等.考慮孔隙水壓力的土質邊坡穩定性分析[J]．長沙大學學報,2010-03,24(2).44-46．

With the construction of roads, railways, reservoirs, etc., ecological environment protection requirements for slope stability and organic collection is also increasing. Although the traditional way of a good slope revetment ability, but the destruction of the ecological environment is very large, and now has been unable to adapt to the needs of a bad environment for ecological protection. Is widely used along with vegetation slope, it has both good slope capability, but also make the project a bad environment ecological damage to a minimum. This article from the binding effect of vegetation on the surface of soil particles are lost, the effect of vegetation roots on reinforced soil, vegetation leaves less diversion of rainfall and other aspects of the role of the red slope vegetation on the slope stability undertaking research and analysis.

Traditional slope protection Ecological slope protection Stability analysis Vegetation

國家級本科教學工程,項目編號：201311393003。

熊杰(1992-),云南文山人,主要從事水利水電工程等方面的學習和研究。