木本植物不同部位對土質斜坡穩定性的影響

黃少平，晏鄂川

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

近年來，關于斜坡防護措施方面的研究有了很大的進展，各種新方法和新技術已被廣泛應用于斜坡防護中，其中由于植被護坡有其獨特的優點(防止水土流失和美化環境)，因此被大量應用于土質斜坡的防護中，并且實踐證明植被護坡措施在土質斜坡防護中發揮著十分有效的作用。

針對植被對土質斜坡穩定性的影響，目前很多學者從各個角度進行了大量研究，在植被莖葉截留作用和蒸騰作用研究方面，何玉瓊[1]指出對植被的截留量起最重要作用的是植被郁閉度、覆蓋層、降水量和降雨強度；宋文龍等[2]通過對應用耦合遙感數據的植被冠層截留模型進行模擬與分析，得出地表植被變化是影響植被截留年際差異的主要因素的結論；Fan等[3]利用FEM等模擬方法分析了斜坡上植被不同分布情況下斜坡的穩定性狀況，結果發現斜坡上植被的空間分布可影響斜坡的穩定性；湯川典子等[4]的研究表明，林下植被、枯落層與入滲量之間存在著某種程度的相關關系,土壤結皮的有無對裸露化林地入滲量的影響要比土壤的孔隙組成更明顯。在植被根系的研究方面，羅建杰[5]指出植物根系在表土層形成了根-土復合體，其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。在降雨入滲研究方面，吳欽孝等[6]研究認為林木影響土體的入滲;郭利娜等[7]應用Geo-Slope分析了青蓮寺邊坡的穩定性，并提出了相應的治理方案。

但上述研究并未詳盡地分析植物各部位對斜坡穩定性的影響。鑒于此，本文采用分類研究的方法，從木本植物不同部位(莖葉、枯枝落葉、根系)、植被衍生物對土質斜坡穩定性的影響出發，總結與分析了木本植物對土質斜坡穩定性的作用模式，并利用Geostudio軟件模擬與分析了木本植物莖葉和根系兩個重點部位對土質斜坡穩定性的影響程度。

1 木本植物不同部位對土質斜坡穩定性的影響

由于木本植物不同部位對土質斜坡穩定性產生的作用不同，因此會對斜坡穩定性產生不同的影響，本文主要分析了木本植物不同部位(莖葉、枯枝落葉、根系)以及植被衍生物對土質斜坡穩定性產生的影響。

1.1 木本植物莖葉對土質斜坡穩定性的影響

1.1.1 植物莖葉的截留作用

雨滴通過自身的重量和加速度對裸露坡面產生濺蝕作用，破壞裸露表土結構，促進雨水的滲透，提高地下水水位。陣雨情況下，若降雨強度大而降雨持續時間短，當坡面裸露時部分雨水來不及入滲直接從坡面流走；而當坡面植被發育時，部分雨水在植物截留作用下存留于莖葉上未直接到達坡面，這部分雨水慢慢到達地面，或者提供植被蒸騰作用，減少了坡體的水分流失。植被的覆蓋作用，可以減少地表土體水分的蒸發，大大降低表土開裂、干燥等現象的發生概率，進而降低大暴雨或連續降雨時期雨水的入滲。木本植物通過莖葉的截留作用降低了雨水對坡面的濺蝕作用，并影響降雨入滲，有利于土質斜坡的穩定。木本植物的分布特征和降雨情況是影響植物莖葉截留作用的主要因素，通常情況下木本植物枝葉越茂盛，截留作用越明顯，對土質斜坡的穩定越有利。

Liu[8]提出的截留模型可以根據小時降雨量、日降雨量以及其他變化的氣象數據來計算植被的降雨截留量。Liu提出的截留模型為

(1)

式中：I為植被的降雨截留量(mm/d)；Cm為林冠飽和貯水量(mm)；D0為降雨前的林冠干燥指數；b0為自由穿透植被的降水系數；P為平均降雨量(mm)；e為平均蒸發率；T為降雨持續時間(d)。

利用Liu的截留模型計算某工點2014年6月25日、26日、27日植被的降雨截留量，其計算結果見表1。

表1 植被的降雨截留量估算結果Table 1 Estimation of rainfall interception

本文利用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊對該土質斜坡主剖面的穩定性進行了模擬計算。該土質斜坡表面滲透系數相同，選用的模型幾何參數為：該土質斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潛在滑移面深2～7 m，土層的基本參數見表2。

表2 莖葉截留作用模擬土層的基本參數Table 2 Basic calculation parameters of soil for the simulation of interception effect of the vegetation stems and leaves

模擬計算得到該工點2014年6月25日、26日、27日3天在有無木本植物截留作用下土質斜坡的穩定性系數，其模擬計算結果見表3、圖1和圖2。

圖1 植物莖葉的截留作用對土質斜坡穩定性的影響模擬(2014年6月25日)Fig.1 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 25,2014

圖2 植物莖葉的截留作用對土質斜坡穩定性的影響模擬(2014年6月27日)Fig.2 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 27,2014

表3 土質斜坡穩定性系數計算結果Table 3 Calculation result of the soil slope stability

由表3、圖1和圖2可以看出：

(1) 無論是否考慮植物莖葉的截留作用，連續降雨都會降低土質斜坡的穩定性，因此降雨是影響土質斜坡穩定性的一個重要因素。

(2) 植物莖葉的截留作用可以提高土質斜坡的穩定性，植物枝葉越茂盛，其截留作用越明顯，越有利于提高土質斜坡的穩定性。因此，選擇枝葉茂盛的植被品種進行護坡，可以更好地提高土質斜坡的穩定性。

此外，植被和枯枝落葉可以阻擋雪霜直接降到坡面對坡面土體進行凍蝕，降低雪霜對坡面的破壞，提高土質斜坡的穩定性。

1.1.2 植物莖葉的蒸騰作用

蒸騰作用主要是通過根系吸收土壤水分并經過植物本身一系列的調節與控制過程進行，并最終將水分蒸發到空氣中。蒸騰作用通過植物吸收土壤中的水分并將其蒸發到空氣中，這也是土質斜坡排水的一種方式，該作用能夠降低土質斜坡的地下水水位,減少土體含水量進而減輕土體的重量,以降低斜坡的下滑力；土體總應力是一定的，蒸騰作用通過植物吸收土壤中的水分使土體孔隙水壓力減小，作用在土體顆粒上的有效應力增大，土體顆粒的黏聚力和內摩擦力增大，從而增強了土體對滑動應力及變形的抵抗力，土體抵抗變形的能力得到了提高，即斜坡土體的抗剪強度增強，坡體變得更加穩定。

蒸騰作用的效果在短時期內并不明顯，加之該蒸騰作用是一個緩慢發展的過程，其速率很低，不能在短時期遏制大暴雨或連續降雨對斜坡地下水升降產生的大幅變化，因此其對斜坡穩定性的影響不是很明顯。

1.1.3 植物莖葉在風荷載作用下的加載作用

多數情況下由于自然環境中風速較小，因此通常不考慮植物莖葉在風荷載作用下對坡體的加載作用，但是在強降雨并伴有大風的情況下，通過植物傳遞給坡體的風荷載會使得斜坡土體松動，破壞了土體結構，增大了土體內部孔隙，使得雨水入滲量增加，降低了土體抵抗剪切破壞的能力，可使土質斜坡沿著潛在滑移面滑動，從而降低土質斜坡的穩定性。

植被在風荷載作用下的簡化受力模型[9]可表示為

P=μ·γv2/2g

(2)

式中：P為植被單位面積所受的風壓(N/m2)；μ為林帶阻力系數；γ為重度(N/m3)；v為風速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)。

由公式(2)可知，植被單位面積所受的風壓為動能與林帶阻力系數的乘積，因此認為風荷載大小不僅與風速有關，還與林帶阻力系數有密切的關系。林帶阻力系數是評價植被疏密程度的一個重要指標，植被的疏密程度直接影響樹木的風荷載，間接影響斜坡的穩定性。風荷載還與植被的種類、樹葉的形狀、植被的高度、樹冠的形狀等有關，因此在頻發臺風的地區應盡量選擇合適的植被品種進行種植。

1.2 木本植物枯枝落葉對土質斜坡穩定性的影響

1.2.1 枯枝落葉的截留作用

枯枝落葉覆蓋在地表像一層保護膜一樣可以防止雨水直接落在地表，減弱雨水對地表的濺蝕作用，從而保護土體結構，其作用比植物莖葉的截留作用更明顯。枯枝落葉也像一層海綿，可以吸收和儲存雨水，減少土壤表面水分的蒸發量。

枯枝落葉層對降雨的截留作用在降雨剛開始時最明顯，隨著時間的推移和降雨量的增加,枯枝落葉層可以吸收的水越來越少,達到飽和狀態，不再有截留作用或者截留作用很弱。影響枯枝落葉截留量大小的因素有：降雨量大小,降雨持續時間，枯枝落葉的類型、厚度、數量等。

1.2.2 枯枝落葉分解物對斜坡土體的侵蝕作用

枯枝落葉及植物死亡根系經腐化后變為主要由胡敏酸(HA)和富里酸(FA)組成的腐殖質，其降解的最終產物也以草酸、醋酸及CO2等酸性物質為主，因此枯枝落葉在為斜坡土體提供酸儲備的同時，也會對斜坡土體產生一定的侵蝕作用[10]。此外，枯枝落葉還為微生物和小動物提供了天然的庇護所和充足的食物，促進了微生物的活動，而大量微生物和動物的新陳代謝會產生二氧化碳、有機酸及酸性有機殘余物，這些分解產物會隨入滲水進入斜坡土體，從而對其產生侵蝕作用，將不利于斜坡的穩定，但該其侵蝕作用很弱，對斜坡穩定性的影響不明顯。

1. 3 木本植物根系對土質斜坡穩定性的影響

1.3.1 植物根系的加固作用

植物根系分為主直根型、散生根型、水平根型，不同類型的植物根系對斜坡的作用機制不同[11-12]，因此對斜坡穩定性的影響程度也有所區別。土壤與植物根系之間的相互作用可以分為3種類型[13-16]：①附著黏結型根土作用；②摩擦型根土作用；③剪切型根土作用。這三種作用所提供的阻力增強了根系土層的整體抗剪強度。Wu等[17]研究認為植物根系增強土體抗剪強度是由于其凝聚力作用的結果,并提出了量化植物根系增加土體剪切強度的簡化垂直根模型:

Cr=tR(cosθtanφ+sinθ)

(3)

式中：Cr為植物根系加固增加的土體剪切強度(MPa)；tR為植物根系單位面積土壤平均抗拉強度(MPa)；θ為剪切旋轉角(°)；φ為內摩擦角(°)。

植物根系在土體中的分布密度自地表向下逐漸減少，在根系盤結范圍內，土體可以看作由土和根系組成的根-土復合體[18](見圖3)。在根-土復合體中，根系如同纖維一樣起到加固土體的作用。根系土所提供的附加黏聚力，一方面增加了土體的黏聚力，另一方面限制了土體的側向位移，兩者之間的共同作用提高了土體的抗剪強度。然而，植物根系對土體的影響是不均勻的，因此在考慮植物根系對土質斜坡穩定性的影響時，需要選用平均抗剪強度系數進行模擬運算。

圖3 根-土復合體Fig.3 Root-soil composite

本文運用Geostudio軟件中的Slope模塊通過對某一淺層土質斜坡進行模擬計算，分析了植物根系對土質斜坡穩定性的影響。計算原理采用極限平衡法，根據滑裂土體的靜力平衡條件和Mohr-Coulomb準則計算該土質斜坡的穩定性系數，并在許多可能的滑動面中找出最危險滑動面。選用的模型幾何參數為：該土質斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潛在滑移面深2～7 m，斜坡土層的基本參數見表4。

模擬計算得到在有無植物根系情況下該土質斜坡的穩定性系數，其模擬計算結果見表5和圖4。

表4 植物根系加固作用模擬土層的基本參數Table 4 Basic calculation parameters of soil for the simulation of reinforcement action of vegetation root system

表5 土質斜坡的穩定性系數Table 5 Stability coefficient of the soil slope

圖4 植物根系對土質斜坡穩定性影響的模擬結果Fig.4 Simulation of the influence of vegetation root system on the stability of the soil slope

由表5和圖4可見，植物根系可以提高土質斜坡的穩定性。因此，合理選擇根系發育的植被可以更好地起到護坡作用。由于本模型并不能完全模擬植物根系的分布情況及其加固機制，同時模擬過程中選用的是平均抗剪強度參數，故模擬結果存在一定的誤差。

雖然植物根系對土體的加固黏結作用增加了土體本身的黏聚力，提高了土質斜坡的抗滑能力，但植物根系的這種加固作用會受到植被種類、年齡及植地條件等多方面因素的影響，且隨著地表深度的增加植物根系的密度急劇減少，這種加固作用也會減弱。因此，植物根系對其延伸范圍內的土體的力學加固效應是顯著的，但這種效應僅存在于地表以下很淺的范圍內；盡管某些深根性植物的根系可以到達地下5 m甚至更大的深度，而在這一深度范圍，無論單根直徑，還是根系總密度都已大幅降低，其加固效應已十分微弱。

1.3.2 植物根系的成孔作用

植物根系在土體內發育時，活的根系向下或側向伸展，在根尖部呈圓柱體擴大，使根系周圍的土壤變得疏松,其粗度、深度和分布取決于樹木的生長狀況，隨著根系的生長，在植物活根與土體之間，常形成一些大孔隙。植物根系生長產生軸向壓力與橫向壓力,由于土體頂面沒有約束，將導致根系范圍內的土體膨脹，使土體頂面及根系外壁與土壤之間產生裂縫，由于土體與根系之間的不協調變形，將在它們之間形成平行于根系界面的下滲通道，增加了降雨時雨水的入滲量，改變了地下水水位深度。植物根系腐爛后會形成連通性很好的大孔隙，增加了土體滲透性，使得斜坡土體內部入滲量增大，土體含水量發生變化。垂直、水平腐爛的植物根系相互交叉，共同構成土體剖面上大部分自由水下滲的網絡通道，腐爛的植物根系通道不僅導水而且還能夠傳輸有機質。活根和腐根通過增加孔洞數量來增加雨水入滲，在一定程度上破壞了斜坡土體的結構，因此從這個角度來說，植物根系的發育延伸降低了土質斜坡的穩定性。

1.3.3 植物根系的呼吸作用

植物根系在土壤中進行呼吸作用會產出大量CO2，這為斜坡土體的水-土作用提供了必要的CO2，也提高了土體的酸度，從而增強了入滲水對斜坡土體的侵蝕性，使土質斜坡整體的穩定性減弱，但這種作用非常弱。

1. 4 植被衍生物對土質斜坡穩定性的影響

隨著植被的生長發育，動物和微生物的種類慢慢增加，活動日趨頻繁，生物多樣化不斷形成，而大型動物的日常活動和新陳代謝生長過程所產生的CO2、糞便和尸體，一定程度上改變了土壤的成分，提高了土體酸度和入滲水酸度，有利于促進水對斜坡土體的侵蝕作用；同時，動物和微生物頻繁的活動會促使土體空洞的形成，而孔洞的增加又使得雨水入滲量變大。可見，植物衍生物降低了土質斜坡的穩定性，但這種作用也是非常微弱的。

2 木本植物對土質斜坡穩定性影響的作用模式

木本植物對土質斜坡穩定性的影響是一個非常復雜的過程，主要通過水文作用和機械作用來實現。木本植物各部位通過各種不同的作用機制而引起土質斜坡在水文方面和受力方面發生變化，從而影響土質斜坡的穩定性。本文將木本植物各部位對土質斜坡穩定性影響的不同作用模式進行了歸納，詳見圖5。

圖5 木本植物各部位對土質斜坡穩定性影響的作用模式Fig.5 Action mode of different parts of woody plants act on the stability of soil slope

3 結 論

(1) 植物莖葉提高了土質斜坡的穩定性，這是由于植物莖葉具有截留作用，可以減小降雨對地表土的濺蝕作用，還可減弱雪霜對土壤的直接凍蝕，保護地表土；植物莖葉的蒸騰作用改變了地下水水位，降低了斜坡土體的自重和孔隙水壓力。但在大風及臺風情況下，植物莖葉會將風荷載傳遞給斜坡，降低其穩定性，因此在頻發臺風的地區應選擇合適的植被品種進行種植。

(2) 植物枯枝落葉為一些動物和微生物提供了場所和營養物質，改變了土壤的酸堿度，提高了入滲

水的酸度，增強了入滲水對斜坡土體的侵蝕作用，對土質斜坡穩定性有一定的破壞作用。

(3) 植物根系提高了土質斜坡的穩定性，這是由于植物根系具有加固作用，增加了土體的抗剪強度，提高了土質斜坡的抗滑能力，但這種加固作用有一定的限制范圍。此外，植物根系還具有成孔作用，可增加土體孔隙度，破壞土體結構，增強降雨的入滲，一定程度上降低了土質斜坡的穩定性。

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