植被對斜坡穩定性的積極作用和局限性

羅建杰 LUO Jian-jie

（昆明理工大學土木工程學院土木系，昆明 650500）

（Civil Engineering Department of College of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

0 引言

截至目前，植被護坡的應用在工程中隨處可見，尤其是在復雜地形地質條件下的高等級公路、鐵路邊坡工程。植被護坡理論研究主要集中于植被對邊坡的力學加固機理、防止降水對坡面侵蝕及護坡植被種類的選擇方面，而對植被護坡的局限性和危害缺乏強有力的論證和分析。

植被根系的抗拉、抗剪強度一般都大于土體，根-土耦合作用可以提高土體的抗剪強度，從而改善斜坡穩定環境[1]。呂晶等[2]報道，草本植物可以增加土體的內摩擦角，提高土體的抗剪強度，灌木在生長初期與草本植被增加土體抗剪強度的機理相同，多年生灌木根系增加土體粘聚力。徐則民等[3]指出，植被護坡有其局限性，且植被在一定程度上會對滑坡的孕育產生促進作用。因此，從相關領域對植被護坡的積極功效和副作用進行系統的辨證分析是有必要的。

1 植被對斜坡穩定的積極功效

植被護坡常作為一種保持斜坡穩定的手段，究其原因，植被能夠很大程度上防止雨水對邊坡體侵蝕，且在理想情況下，植物根系能夠穿過潛在滑動面，從而通過根-土耦合作用來提高整個坡體的抗剪強度，使斜坡更加穩定。

斜坡土體的抗剪強度是決定斜坡穩定的一個重要因素。工程中常采用斜坡安全系數來評價斜坡穩定性，安全系數是抗滑力與下滑力之比，而斜坡土體的抗滑力大小主要取決于土體的抗剪強度。

斜坡土體的抗剪強度指標通常是由摩爾-庫倫強度理論得到的，具體見式（1）。

式中τ為抗剪強度，c為粘聚力，σ為法向有效應力，φ表示內摩擦角。

植物根系與土壤接觸后發生物理化學作用，兩者會膠結在一起，從而提高土體粘聚力[4]。植被護坡是通過植物的垂直深根穿過坡體淺層的強風化層，錨固到較深處的較為穩定的巖土層上，同時盤根錯節的植物淺根可看作帶預應力的加筋材料，它使邊坡土體成為土與根的復合材料，從而提高土體強度[5-8]。Gray等[9]指出，根系如同復合材料中的纖維一樣與土壤緊密結合形成一個特殊復合材料。文獻[10]報道，含根系土的抗剪強度符合庫倫定律，其c、φ均高于無根系土的c、φ，變形模量也高于無根系土的變形模量。文獻[11]認為，根和土應當視為一個整體，這一整體被稱為根-土復合體，且當該復合體的體積和含水量一定時，其粘聚力c與含根量呈正相關，而內摩擦角φ與含根量的關系不大，并認為粘聚力c是由多種作用力組成的，具體見式（2）。

式中c1為土粒之間的粘聚力，c2為土粒與根系之間的粘聚力，c3代表由土的剪切應力傳遞給根系而引起的根系抗拔力。

不同種類植被的護坡功效不同。文獻[2]認為草本植物和灌木植物的根系都是可以增加土體的抗剪強度，但兩類植物根系增加土體抗剪強度的機理稍有不同。草本植物是通過增加土體的內摩擦角來提升土體抗剪強度，灌木在生長初期與草本植物增加土體抗剪強度的機理是一致的，但在多年之后，灌木根系增加了土體粘聚力，減小摩擦角。但總體來看，灌木的根系也是可以提高土體的抗剪強度。

由文獻[2,4-11]可知，植物根系增強斜坡穩定性的機理在于植物根系提高了土的抗剪強度，但既有研究對植物根系提高土體抗剪強度的機制沒有達成一致。

大部分學者認為植被護坡是由于根-土復合體的形成，使土體整體的抗剪強度增加，從而增加了斜坡的抗滑作用力，即是通過根-土之間的耦合作用來增強穩定性差的土體的抗剪強度。通過對植被發育斜坡失穩事件的現場調查發現，通過根系的錨固作用將穩定性較差的土體與穩定性較好的土體整合成一個整體，從而提高坡體的整體抗剪強度也是存在的。當植被根系長度不夠從穩定性較差的土體深入到穩定性較好的土體時，根-土耦合作用是主要的，而植物根系的錨固作用是次要的。

植物根系提高土體抗剪強度的作用已被絕大部分學者認可，而土的抗剪強度增加程度與植物根系的哪些因素有關沒有定論。

土的抗剪強度都隨根系（或纖維）的數量增加而增大，并進一步說明根的加強作用與根系的數量、根的剛度和根在土體中的方位等因素有關[9,12-13]。通過野外原位抗拔試驗，測定4種植物（灌木鐵仔、黃荊、羊蹄甲和禾本科金發草）的植株的抗拔力、單根的力學特性和生物指標，研究護坡植物根系與巖體相互作用的力學行為[14]。研究結果表明，植物類型不同，抗拔力的變化也不盡相同。江鋒等[15]利用摩爾-庫倫理論建立根-土力學模型，分析了狗牙根的根密度和方位對土體內摩擦角和粘聚力的影響。結果表明，根密度越大，抗剪強度越大，斜根對土體的抗剪強度增幅大于直根。

既有研究成果表明，植物根系對斜坡土體抗剪強度的提高程度主要由根的密度、植物種類、根的剛度以及根的方位等因素決定的.但研究結果大多來自室內仿真模擬，與天然斜坡的實際情況的差距有待論證。

2 植被護坡的局限性和危害

植被護坡有正、反兩個方面的水文學效應。降雨改變邊坡的應力環境，是誘發植被發育斜坡失穩的一個重要因素。從宏觀來看，當降雨進入土體未能及時通過地下水管網排泄，就會增加斜坡土體的下滑力，降低邊坡穩定性.從微觀上來看，降雨入滲后增加土體的含水率，降低土體的抗剪強度，造成斜坡土體抗滑力下降，也會增加斜坡失穩的可能性。

2.1 植被護坡的局限性 植被根系對邊坡穩定性的影響程度與根的直徑、長度、密度、以及根的延伸方向密切相關。也就是說，植被護坡的效果受植物體根系自身、其生長環境以及邊坡條件等綜合因素的影響和制約，故植被護坡有其局限性[16]。

圖1 林木各類根生物量占總生物量的百分比[17]

對14～20年生的華北落葉松人工林的調查發現表明[17]，林木根系主要是骨骼根和毛根（圖1），骨骼根集中分布在0～40cm的土層中，40cm以下土層中骨骼根很少；直徑小于1mm的毛根有60%～90%分布在0～30cm的土層內.對甘肅民勤地區人工樟子松進行調查發現[18]，根系在0～100cm土層范圍隨深度增加迅速減少；0～20cm土層范圍內根系分布最為集中，根重和根長分別占其總量的58.6%和60.7%；60～100cm土層范圍的根系僅占總量的5%左右（圖2）。文獻[19]對多種木本植物的根系分布進行的統計分析表明，一般情況下，樹木根系的垂直分布是較淺的，大部分根系位于50cm土層以上，多集中在枯枝落葉層和10cm以上的礦質土壤表層，60%的根系分布在表層（0～20cm）處，且最大根密度出現在10～20cm深度。

圖2 樟子松根系垂直分布統計[18]

草本植物的根系分布特征研究表明[20]，草本植物的根系一般均為直徑小于1mm的須根，根系密度隨土壤剖面深度的增加表現出3個顯著特點，即在0～30cm土層急劇減少，在30～70cm土層逐漸減少及在70～150cm土層保持最低水平，總根數的90%集中分布在0～30cm的土層內.30～70cm土層內根數約占總根數的8%，70cm以下土層僅占總根數的2%左右。圖3表明草本植物根系主要分布在0～60cm的深度范圍內，根量、根系密度隨土壤剖面深度的變化趨勢一致。

圖3 草本植物根量隨土層深度變化曲線[20]

植被護坡最理想的情況是植物根系能扎進基巖的裂隙中，才可以起到類似于錨桿的作用，將土層的剪切變換成植物根系的拉伸作用。但以上分析表明，無論是木本還是草本植物，斜坡的植被根系主要分布一米以內，即使是某些深根性植物，根系深度也僅為幾米，而且土中的根系密度隨土層深度的變深而逐漸減弱，對土體的抗剪強度與邊坡穩定性的提高作用也會逐漸變弱。對于深層滑坡，滑動面埋深往往在十幾米到幾十米之間，遠遠超出了植物根系的影響范圍。因此，對于深層滑坡的防治，植被護坡有很明顯的局限性。在評價植被護坡是否有效時，需根據斜坡的地質地形條件來預測邊坡潛在滑動面和調查植被根系的分布規模。當潛在滑動面的深度不大時，可以種植不同種類的護坡植被來維持斜坡的穩定。

表1 各土樣在不同含水量的下抗剪強度試驗結果[14]

表2 各土樣在不同含水量的下抗剪強度理論結果[14]

圖4 染色-示蹤試驗剖面圖

相對于裸坡來說，植被發育斜坡中的大孔隙要豐富得多。主要有以下兩個原因：①植物根系分泌的有機酸會對巖土體的結構造成影響；②植被發育的地方土體表層會有很多的枯枝落葉層，有機質含量高，為動植物生長提供營養物質和保護了動物通道。動物活動增多，大孔隙會變多。大孔隙發育程度越高，雨水通過這個途徑滲入土體的雨水就會越多，加之植被發育斜坡的地表徑流量要小得多[22]，這樣會造成有植被的斜坡滲入量要遠遠大于裸坡。

同等條件下的降雨，大孔隙越發育的斜坡表土層，雨水通過大孔隙流進入較深土層的量會越多，引起軟弱結構面上增加的土體下滑力就越大，大孔隙的存在對滑坡的發生有促進作用。

對南昆鐵路八渡車站滑坡機制的分析表明[23]，植被對斜坡穩定存在著副作用以及對滑坡孕育作出貢獻。文獻[24]認為，土體大孔隙對于斜坡失穩的貢獻主要表現在降雨過程中，快速滲透下層土體中，導致滑坡災害發生的概率增大。徐宗恒等[25]報道植被根系通道和動物通道在內的大孔隙是斜坡土體優先流的重要通道，植被對大孔隙的產生和維護起到了很重要的作用。

植被發育情況越好的土體中的大孔隙發育程度一般都越大，而大孔隙為降雨入滲提供更加便利的通道。強降雨發生時，雨水會通過大孔隙優先滲入土層，很有可能會增加潛在滑動面上部的飽和層厚度，造成潛在滑動面上部重量增加，即斜坡軟弱面上的坡體下滑動力增加，從而使斜坡更容易失穩。

3 結論

①植被根系在表土層形成了根-土復合體，增強了斜坡土體的抗剪強度，從而起到維持斜坡穩定的作用；植被護坡能防止土表層受到水的侵蝕，在一定程度上降低滑坡發生的可能。

②無論是草本還是木本植物，根系主要分布深度在1米范圍以內，大部分植被根系并不能扎根到潛在滑動面以下，對維持斜坡穩定性的積極貢獻是有限的。植被具有蓄水作用，在同等降雨條件下，植被發育斜坡土體的抗剪強度可能比裸坡的小，植被護坡是有局限性的。

③植被發育斜坡有豐富的優先流通道-大孔（空）隙，這些大孔隙結構導致大部分降雨快速入滲補給地下水，促使滑坡災害發生。

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