生態護坡保水和抗沖刷能力分析

周 輝

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100045）

近年來，人們對邊坡植物恢復技術開展了較多的研究。如多種多樣的生態防護方法，對草、喬灌木等植物的合理配置、生態群落的合理布置、生態防護與邊坡支護結構物的關系等都開展了一些有益的探索。植被護坡的應用越來越廣泛，工程建設單位與設計單位也在大力推行“生態護坡”的新理念。鑒于此，本文在以有研究成果的基礎上，對植物根系護坡的保水能力和抗沖刷能力進行了分析。

1 植被在防止邊坡地表沖蝕方面的功效

草本植物抵抗雨水沖蝕地表土有四大功效。

（1）攔阻：樹葉及地面殘枝腐質層部分，可以吸收雨滴降下的能量，減少地表土壤飛濺損失。

（2）抑制：植物根系具有固結土壤顆粒的功能，同時植被位于地表的部分可過濾地表徑流中的沉淀物。

（3）延緩：植物的莖、葉部分將可增加地表粗糙度及延緩地表徑流的流速。

（4）入滲：植物及其殘余物將提高土壤的滲透性和孔隙率，增加降雨的入滲量，以涵養水源并且延緩徑流產生洪峰的時間。

2 植被抑制邊坡滑動的穩定機制

植被對于抑制邊坡滑動的穩定機制可分為水文及力學兩個機制加以討論。Greenway提供了植被對水文及力學機制的影響，這些機制包括有利的因素、有害的因素或是兼具利與害的因素。例如樹木的蒸散作用，會降低土壤的孔隙水壓力，提高土壤的剪力強度；土壤的水分過度蒸發會導致土體內部產生張力裂縫，降雨時入滲水量增加，不利邊坡穩定。整體而言，植被對邊坡的安全性提升有積極的作用。最有效的植被方式為木本植被，因為木本植物的根系強度及密度較高、主根錨定較深及產生拱效應等，對于抑制淺層邊坡的滑動是相當有效的方法之一。

3 生態防護抗滲機理研究

通過已有的工程來看，生態防護的抗滲效果較好。生態護坡的抗滲能力與以下三個方面有關。

（1）有生態防護的邊坡，雨水下滲速度較沒有防護的邊坡慢；植物表面及根系較柔軟，能迅速吸收落地雨水，一定程度上阻礙著雨水下滲；植物葉面對水流有分割的效應，將水滴分割變小，水滴經過葉面后，其動能和體積都將減小，從而雨水落地時不會對地表有較大沖擊。

（2）裸露的邊坡，地表水容易形成徑流，流速較大。徑流會導致水土流失并引起水流下滲，影響邊坡的整體穩定性，嚴重時改變邊坡土體宏觀結構，造成邊坡土體力學性質變化，可能導致坍塌或局部滑坡；而生態護坡后，由于植被的影響，顯然地表徑流流速、流量均會大幅減少，邊坡土體流失自然減小，土體結構受擾動較小，地表水下滲也會減小。

（3）生態防護方式對邊坡土體表面起到一定的板結作用，使土體保持較穩定的含水量，保證了其抗剪強度指標的穩定性。

4 生態防護抗沖刷機理研究

防沖刷設計是邊坡穩定性及防護設計的重要組成部分，沖刷造成水土流失會污染環境，其帶走的大量泥沙會堆積在坡腳或行車道，阻礙路面排水，甚至影響行車安全；土邊坡土體的抗沖刷性可用抗沖性指數和水穩性指數評定。

容易被水分散、懸浮的土壤，其抗蝕性較差，水穩性指數較小。植物的根系腐爛后，不僅能提高土壤有機質的含量，并且植物根系與根系結合在一起，能形成整體不易破碎和分散，可增強土壤的抗蝕性。代全厚等人的研究表明：植物根系與土壤抗蝕性具有相關性，但土壤有機質與土壤抗蝕性能的相關性則更好。

增加有機質含量，有利于植被生長，也有利于土的穩定。邊坡進行植物防護后，植被能減少水土的流失，減輕雨水沖蝕的強度，并且提高了土體內部顆粒間的結合作用，從而對坡面穩定有利。

5 地下水潛水的滲流對生態護坡的影響

植被的生長需要水分，設計者在考慮坡度、坡高、坡體材料結構的同時應考慮植被水分的供給。

生長在邊坡下部一定高度范圍內的植被能夠受到較遠的潛水滲流的補給，耐旱的時間較長，容易成活。當坡高超過一定高度時，坡面距地下水浸潤線的厚度將增大，由于植被根系的生長深度有限，不能有效地得到水分補給，當降雨間隔較長時，就會出現植被因缺水衰退的現象，這也是植被在邊坡下部不易成活的原因之一。所以，生態防護要求邊坡單級高度不宜過高，應對邊坡進行分級，修建臺階，使坡面植被更容易接受較遠處潛水的滲流補給。

6 植物根系補強效應的評估假設案例分析

6.1 考慮植被的邊坡穩定分析模式

就不飽和土壤邊坡而言，其破壞形式大都為淺層破壞或地下水位較深的非圓弧破壞，在考慮了不飽和土壤基質吸力對邊坡穩定的影響后，Fredlund等人于1981年提出了一般極限平衡法（General Limit Equilibium Method），使得基質吸力提供剪力強度分布能列入邊坡破壞分析模式中，同時，GLE分析模式的提出使以往傳統的極限平衡法均可視為本方法的特例。

切片土體底部的驅動剪應力Sm可寫成：

式中：F為安全系數；β為切片底部的長度。位于邊坡頂部的張力裂縫，假設沒有剪力強度存在，當其充滿水時，則可視為外加載重。若基質吸力視為土壤黏聚力的一部份，則Sm可改寫成：

上式可以考慮基質吸力對于邊坡穩定的貢獻，一般稱此法為總黏聚力法，其優點為抗剪強度公式仍保持傳統的形式，因而可沿用傳統飽和土壤的邊坡穩定分析計算程序求解不飽和土壤的問題。

同時考慮基質吸力及土壤根黏聚力ΔS的影響，總黏聚力C由不飽和土壤含根總黏聚力取代，土壤的強度較飽和土壤增加了基質吸力及土壤根黏聚力的貢獻，再進行考慮植被的邊坡穩定分析。

針對一個高10m、邊坡坡度為1∶1的不飽和土壤邊坡植被建立模型（見圖1）。用邊坡分析程序進行不同植被強度及厚度的邊坡穩定分析，以了解植被對邊坡的安全系數的影響。邊坡穩定分析時采用不飽和土壤的三維抗剪強度模式，選用的土壤參數為： rsat=20.4kN/m3； c′=20kPa； φ′=30°；φb=20°。根據蔡光榮教授（1994）進行的一系列的現地土壤含根剪力試驗結果，土壤的黏聚力將會增加20%～140%不等，故假設根總黏聚力分別為0、10kPa、20kPa、30kPa及40KPa時，邊坡穩定分析結果如圖2所示。

圖1 假設案例示意圖

圖2 不同地下水位下根黏聚力與安全系數的關系

6.2 植被加筋強度的影響

假設根的黏聚力為0～40kPa時（圖2的x軸），地下水位分別距地表不同深度，邊坡的安全系數如圖2所示。從圖中可以看出，邊坡的安全系數均隨著根的黏聚力的提高而提高。

6.3 植被厚度的影響

植被厚度為2m的邊坡安全系數（見圖2（a）），在相同地下水條件下，比植被厚度為1m的邊坡安全系數（見圖2（b））增加約3%。植被越厚，邊坡整體穩定性越高，這是因為植被越厚，其提供給邊坡表面的整體加筋能力越高；植被越厚，則加筋強度增加對邊坡穩定性提高的趨勢越明顯。植被越厚，代表現地的邊坡植被種類較接近木本植物。但值得注意的是，安全系數增加的趨勢并不明顯，詳細的量化分析，仍有待后續的研究加以理清。另外，不論黏聚力及植被厚度怎樣改變，地下水位升高對邊坡穩定都有不利影響。

7 結論

（1）生態防護對邊坡穩定性有有利的影響，也有不利的影響。

（2）植被對于防止邊坡地表沖蝕、抗滲的功效是相當顯著的；而草本或是禾本科植物較木本植物防止邊坡地表沖蝕能力更好。

（3）地下水位升高對邊坡穩定均有不利影響，但根的黏聚力及植被厚度對邊坡穩定性都有利。

（4）采取生態防護時要求單級邊坡高度不宜過高。

（5）植被厚度的增加引起的邊坡穩定性系數的增加趨勢并不明顯，需要后續詳細地量化分析加以理清。

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