典型草本植物防護砂性土邊坡表層土體作用分析

李　杰, 姚明帥, 周彥章, 孫　銳

(1.山東省水利工程局有限公司，山東 濟南 250013；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

隨著我國社會經濟發展，大量基礎設施工程正在我國西北、華北沙漠地區規劃和建設，如輸水渠道、輸氣管道、沙漠公路、水工建筑物和輸變電線路等，普遍存在大量砂性土邊坡、砂基或砂堤。植被護坡作為利用植被涵水固土原理保護邊坡，同時美化生態環境的一種新技術正得到廣泛關注和應用[1]，有關植被根系固土機理和植物根系對土體穩定性影響的研究越來越受到業內重視[2]。植物固土-生物軟措施在一定程度上能夠替代工程措施，并與之互補，在經濟價值和生態環境保護方面具有重要應用意義[3]。

植物固土護坡技術利用植物根系與坡面土體的結合，改善土壤結構穩定性，增加坡面表層土體土壤團粒數量，靠淺根的加筋作用、深根的錨固作用以及根莖間纏繞加固邊坡、提高坡表抗沖刷的能力。通過植物固土護坡不僅可以涵養水源，減少水土流失，而且還可以保護生態，實現景觀造景，具有良好的經濟、社會和生態效益。狗尾巴草作為北方地區典型旱地常見草本植物，具有適生性強，耐旱、耐貧瘠，酸性或堿性土壤條件下均可生長的優點，須狀根發達，是良好的固土護坡植被。通過含狗尾巴草的砂性土邊坡表層土體直剪試驗，從“根系-土”相互作用的力學加筋特性、草本植物的水文效應兩個方面分析典型草本植物對砂性土邊坡表層土體的防護作用，為類似工程實踐提供理論參考。

1　草本植被護坡作用類型劃分

2　典型草本植物加固砂性土直剪試驗

狗尾巴草作為典型草本植物，其根系對土體強度的加強作用可分為深根的錨固作用以及淺根的加筋作用。對于淺根的加筋作用，可將含有植物淺根的土體視為加筋土，植物根系在土體中通過纏繞、穿插、擠壓等作用，增強了土體抵抗剪切破壞的能力。根據加筋土的強度理論[4]并結合剪切試驗，能夠得到植物根系加筋土的抗剪強度，分析植物根系對于土體的加固防護作用。由于邊坡表面土層所受剪切力主要為水流剪力及土體自重下滑力，可針對植物根系加筋土開展直剪試驗，得到其抗剪強度指標[5-6]。

作為北方地區典型草本植物，狗尾巴草分布范圍廣，具有適生性強、須狀根發達等特點。為深入分析典型草本植物在天然狀態下對砂性土邊坡的防護作用，試驗取樣均來自北方地區渠道砂性土人工邊坡，且黏粒含量較低，邊坡土中所含植物生長的養分也較少。在砂性土邊坡沿坡腳至坡頂選擇不同位置取樣5組，每組對無根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)各取樣4個、試樣面積30 cm2(圖1)，采用應變控制儀進行直剪試驗，且每組試樣均進行了物理性質及顆分試驗。

無根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)直剪試驗結果及物理性質如表1，由于砂性土邊坡表層土體在天然狀態下大多為非飽和狀態，在這種天然含水率較低的情況下，含根系土的黏聚力明顯大于素填土，但摩擦角變化不明顯，抗剪強度指標顯著增加。

圖1　直剪試驗現場取樣實物圖

表1　直剪試驗結果及物理性質統計表

3　草本植物根系力學作用

對于砂性土邊坡而言，植物根系一般具有較強的抗剪及抗拉強度。在砂性邊坡土層中，植物根系主要通過淺層加筋、深層錨固的方式，增加土體強度、增強邊坡穩定性。草本植物根系一般為直徑小于1 mm的須根，根系中90%的根數分布在深度0～30 cm的表層土體中。

根系提高土壤抗蝕性關鍵由根徑小于1 mm的須根決定[7-8]，直徑小于1 mm的須根根系能夠增加土壤水穩性團體的數目，有助于土壤結構穩定性的改進和滲透性增強，間接強化土壤的抗侵蝕力[9-11]。草本植物根系在邊坡表面土層中盤結纏繞，形成厚約30 cm的根-土加筋復合體保護層[12]，纏繞于土中的根系與土組成三維網狀結構體。草本植物根系的加筋與錨固作用一方面表現為土層提供了附加的“黏聚力”，另一方面表現為對土顆粒的網兜包裹效應[13]。

類似“黏聚力”的增加在一定程度上阻止了坡面水流的剪切力破壞和表土層張裂縫的形成，網兜效應則減弱了水流對土粒的沖刷侵蝕作用。草本植物根系土層中交錯縱橫、相互纏繞，編織成網狀結構(圖2)，這種相互纏繞的結構以網兜的作用方式將土顆粒包圍固定。此外，草本植物根系在土中生長，為微生物的生長提供了必要的生存環境，微生物分泌的黏液質凝膠將土壤顆粒有效地團聚起來，進一步減弱了坡面水流對土層的解離侵蝕作用。

現代漢語動態助詞“過1”和“過2”主要是附著在動詞之后，表示“動作的結束和完成”和“過去曾經有過這樣的事情”。所以“過”表“經過”“通過”義時與動詞組合是“過”語法化的關鍵。以下是一些“動詞+過”的情況，如：

圖2　草本植物根系的網狀結構圖

4　草本植物的水文效應

草本植物莖葉生長茂密，覆蓋度大，能夠有效截留降雨、削弱濺蝕，抑制地表徑流，控制土粒流失，降低孔隙水壓力，提升土體的黏聚力，增強砂性土邊坡表層土體的抗剪強度。降雨過程中，在沒有植被覆蓋的土層上，雨滴落下著地時會產生很強的沖擊力，擊打裸土邊坡表層土體，破壞土體結構，使土顆粒濺起，土粒分散、破裂并遷移，侵蝕土體。當邊坡表層土體被植物覆蓋時，雨滴下落至植被莖葉，雨滴的動能被植被的緩沖作用消耗，使得雨滴停留在莖葉上，幾乎可以完全抵抗雨滴的濺蝕。另外，草本植物可以有效的疏散、削弱徑流，改變徑流路徑。在裸土坡面上直流的徑流受到植物影響，回旋流動于草叢間，坡面覆蓋的草本植物能夠抑制坡面徑流，利于邊坡穩定。

草本植物生長過程中，根系生長疏松土體，留出了孔隙，使得根系與土體的接觸面、根系通道及土體本身孔隙成為徑流滲入土體的良好路徑，改善了土體的孔隙狀況，增加了土體滲透性，分散了水流及增加了入滲，有效地削減了坡面徑流量，減輕了水流對坡面表層土體的沖刷，減緩了坡面水土流失。另外，草本植物根系不斷地汲取土壤水分，降低孔隙水壓力，甚至使孔隙水壓力達到負值，從而提升了土體的黏聚力，增強土體抗剪強度，促進邊坡保持穩定。

5　結　論

針對北方地區砂性土邊坡植被護坡技術，根據含狗尾巴草的砂性土邊坡表層土體直剪試驗結果，從“根系-土”相互作用的力學加筋特性、草本植物的水文效應兩個方面分析典型草本植物對砂性土邊坡表層土體的防護作用，得到主要結論如下：

(1)通過對北方地區渠道砂性土人工邊坡典型草本植物取樣并進行了直剪試驗，相對于無根系砂土，生長有狗尾巴草的邊坡表層含根系土的黏聚力明顯大于素填土，抗剪強度指標顯著增加，植物根系在土體中通過纏繞、穿插、擠壓等作用，增強了土體抵抗剪切破壞的能力。

(2)草本植物根系主要通過淺層加筋、深層錨固的方式，增加土體強度、增強邊坡穩定性，根系提高土壤抗蝕性關鍵由根徑小于1 mm的須根決定，有助于土壤結構穩定性的改進和滲透性增強，草本植物根系在土層中交錯縱橫、相互纏繞，編織成網狀結構將土顆粒包圍固定，強化邊坡表層土體的抗侵蝕力。

(3)草本植物能夠有效截留降雨、削弱濺蝕，控制土粒流失，降低孔隙水壓力，提升土體的黏聚力，增強砂性土邊坡表層土體的抗剪強度，坡面覆蓋的草本植物能夠抑制坡面徑流，減輕了水流對坡面表層土體的沖刷，利于邊坡穩定。

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