植被因素對邊坡穩定性影響分析★

吳丹丹 胡 意 劉開富

(浙江理工大學建筑工程學院，浙江杭州 310018)

0 引言

我國山區丘陵地帶多存在山體滑坡現象及邊坡失穩隱患，若采用傳統處置方式花費巨大，且隨著時間推延其邊坡穩定性將逐漸降低，生命周期內的費用較高，同時也不利于已破壞自然生態環境的修復;生態邊坡工程具有花費較少且能修復自然生態環境及高效利用土地資源的優勢，因而有較好的應用前景，并得到了有效利用。但當前對如何考慮生態邊坡的穩定性還不夠明確，因此本文基于當前生態邊坡穩定性分析的研究現狀，分析植被因素對生態邊坡穩定性的影響。

1 生態邊坡穩定性的研究現狀

植被作用直接影響了生態邊坡的穩定性，因而許多學者結合生態邊坡實際進行了大量的研究和分析。國內外許多學者基于極限平衡法分析生態邊坡的穩定性。如國內的封金財等建議根據根系的分布而分別討論根系對淺層及深層條件下的邊坡穩定性的影響［1］。陳向波對一實際邊坡的穩定性進行分析，結果表明隨著根系加入邊坡的安全系數有所提高［2］。趙志明等研究了工程初期和植被長成后邊坡綠色防護層的穩定性［3］。

國外Wu等在研究根系作用基礎上提出了穩定滲流條件下的無限邊坡的穩定性分析計算公式［4］;Bache和Macaskill考慮了風荷載、根系加筋土體作用和木本植物根系作用分析了無限長邊坡的穩定性［5］。Greenway分別考慮了根系加筋土體、根系模型、根系錨固及支撐作用、超載及風荷載等作用對邊坡穩定性的影響［6］。Coppin和Gray等給出了可考慮植被作用的淺層邊坡無限邊坡模型的計算公式［6，7］。Greenwood等在分析植被對邊坡穩定性影響的基礎上，提出了考慮植被影響生態邊坡穩定性因素的邊坡穩定性計算方法，并且討論了如何估算植被對邊坡穩定性的貢獻［8-10］。

2 植被對生態邊坡穩定性的影響因素

從研究現狀看，很多學者分析植被對邊坡穩定性影響時，認為植被對邊坡穩定性的主要影響因素［4-11］為以下幾個方面:因植被而增加的粘聚力和土條重量，作用于每一土條底部上的根系抗拔力，風荷載，因植被根系導致的土體含水量的降低而導致土體不排水強度的改變，以及孔隙水壓力改變等。下面進行簡單分析。

2.1 因植被而增加的粘聚力

完好的植被根系抵抗地表侵蝕的作用已得到公認。完好植被根系不僅是植物養分運輸的主要通道，還對土體的飽和度等有一定的影響，因其對邊坡淺層穩定性的保持作用要相對小于其對抵抗地表侵蝕的作用。根據研究，完好的根系對土體強度的影響主要明顯表現增加土體的粘聚力［6，7］。陳昌富及劉開富等研究表明草根根系對土體強度有明顯提高作用，特別對土體粘聚力的提高更為明顯［12，13］。Wu，Coppin，Greenwood 等的研究也證實草根和灌木區的根系分布對淺層土體強度有明顯的提高［4，6，10］。這將使邊坡穩定性有一定的提升。

2.2 因植被而增加的土條重量

當植被重量較大時，其將對邊坡穩定性有較大的影響，特別是植被為大型的樹木時。若此時大型植被作用于邊坡的不利地段時，將嚴重降低邊坡的穩定性，而當作用于邊坡的坡角或潛在的破裂面角部時，可能會將邊坡的穩定安全系數提高10%［6］;不同位置不同重量的植被都將對邊坡的穩定性有不同的影響，因此需進行針對性的分析。需要特別指出的是植被的蒸騰作用將降低土體的重量，同時也會導致土體強度的變化，因此也會對邊坡的穩定有重要影響。而當從邊坡坡角或其他位置移除植被時，蒸騰作用的缺失將導致土體強度的逐步降低，進而導致粘土等土體的開裂［7］，這將導致邊坡穩定安全系數發生相應的變化。

2.3 根系抗拔力

根據實驗室內的測定［6，8，11］，各種不同直徑根系的抗拉強度多在5 MPa～60 MPa間，有些植被的根系強度甚至大于100 MPa。實際邊坡工程中，植被根系只有錨進土體足夠長度且與有足夠的土體摩擦力才能提高邊坡的穩定性。從生態學角度看，植被與土體的相互作用是十分復雜的［11］，但從邊坡穩定的工程角度看，植被與土體的相互作用則可通過現場測試根系的抗拔力來簡單的實現。

2.4 風荷載

對于獨立的林木，風荷載是需要特別考慮的，嚴重時風荷載將會導致林木的拔出或毀壞，進而導致邊坡穩定性的改變。但總體來講，風荷載只占邊坡穩定分析荷載中的一小部分，因而其對邊坡穩定性的影響將相對較小［6］。

2.5 植被導致土體含水量降低而增加的土體強度

已有觀測文獻表明因植被的蒸騰作用等樹周的土體含水量相對較低［11］;但是依靠林木及灌木等植被根系降低堤壩邊坡等土體的含水量而提高土體強度是難以有效實現的。根據Greenwood等對倫敦M20公路沿線樹木根系土體的觀測試驗［8］，土體含水量會有季節性的變化。在雨季，根系影響土體含水量的能力將降低，同時因蒸騰作用而增加的土體強度將減小乃至減小為零。因此，在臨界條件下該影響的作用應慎重考慮。

2.6 因植被導致孔隙水壓力的改變及產生的吸力

含水量與吸力是相關的，季節水位的變化不會因新植入植被的加入而有明顯的改變。已有的觀測資料表明，吸力及孔隙水壓力的變化與干濕季節的變化相關［8，11］。

3 結語

植被對邊坡穩定性特別是淺層邊坡的穩定性有重要影響，其影響因素包括因植被而增加的粘聚力和土條重量，作用于每一土條底部上的根系抗拔力，風荷載，因植被根系導致的土體含水量的降低而導致土體不排水強度的改變，以及孔隙水壓力改變等。這些因素在不同的條件下對邊坡穩定性的影響是不同的，有些因素會提高邊坡穩定性，而有些因素可能會降低邊坡穩定性，因此在分析邊坡穩定性時需慎重考慮。

［1］封金財，王建華.植物根的存在對邊坡穩定性的作用［J］.華東交通大學學報，2003，20(5):42-45.

［2］陳向波.高速公路邊坡生態防護技術及其應用研究［D］.武漢:武漢理工大學學位論文，2005.

［3］趙志明，吳 光，王喜華.工程邊坡綠色防護機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(2):299-305.

［4］Wu T H，Mckinnel III W P，Swanston D N.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island［J］.Journal of Alaska Geotechnical，1979，16(2):19-33.

［5］Bache，D.H，.Macaskill I.A..Vegetation in civil and landscape engineering［M］.London:Granada，1984.

［6］Coppin N J，Richards I G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，1990.

［7］Gray，D.H.，Sotir B R..Biotechnical and Soil Bioengineering Slope Stabilization:a practical guide for erosion control［M］.Toronto:John Wiley ＆ Sons，1996.

［8］Greenwood J R，Norris J E，Wint J.Assessing the contribution of vegetation to slope stability［J］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers，Geotechnical engineering，2004，157(4):199-207.

［9］Greenwood J R.Slip4ex-A program for routine slope stability analysis to include the effects of vegetation，reinforcement and hydrological changes［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006，24(3):449-465.

［10］Greenwood J R，Norris J E，Wint J.Site investigation for the effects of vegetation on ground stability［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006，24(3):467-481.

［11］Norris，J.E.，Greenwood，J.R..Assessing the role of vegetation on soil slopes in urban areas［C］in Proceedings of the 10th IAEG International Congress，Nottingham，United Kingdom，2006:1-11.

［12］陳昌富，劉懷星，李亞平.草根加筋土的室內三軸試驗研究［J］.巖土力學，2007，28(10):2041-2045.

［13］Liu Kaifu，Yang Xiangru，Xie Xinyu，et al.Laboratory triaxial test study on soil reinforced with roots of Manilagrass［C］.Advanced Materials Research，2011:1366-1370.