草本植物根系在邊坡防護中的加固研究＊

趙紅洋，陳 莉

（1.甘肅夢綠環(huán)境工程有限公司，甘肅 蘭州730030；2.西北民族大學生命科學院，甘肅 蘭州730000）

邊坡植被防護技術(shù)是一種新型的邊坡護坡技術(shù)，生態(tài)植被的莖葉能攔截雨滴，使雨滴擊打坡面的機會大大降低，減小了擊濺侵蝕強度[1-5]。此外，生物植被根系具有很好的固土能力，增強了淺層土的抗剪強度，具有淺層加固作用。當植被通過根部吸收及蒸發(fā)作用改變了斜坡水文條件時，便增加了土體斜坡的穩(wěn)定性。在雨季中土的抗剪強度可提高30%～65%[6-11]。

植物防護設計最基本的指標是植物根系的加固能力，植物根系在巖土介質(zhì)中受力的復雜性和多變性，使得其加固能力的計算十分困難[12]。近年來國內(nèi)外許多學者針對木本植物根系的加固能力進行了大量研究，如周躍[13,14]針對木本植物的抗拔性做了大量的野外現(xiàn)場測試。張俊云等[15-19]對木本植物根系的抗拔性和植物根系對邊坡的加固作用通過建立力學模型進行了分析,分別對植物的抗拔力從植物根系與巖石體相互作用的摩擦力在鉛垂方向的合力,植物的根系加固從水平根系與土粒間的摩擦力的作用方面進行研究。但對草本植物根系及地下莖在邊坡植物防護中對土壤的加固能力報道較少。

目前國內(nèi)邊坡防護主要以草本植物防護為主，輔以灌木、喬木。草本植物由于其根系淺層集中，從而對于研究種植土層的加固具有重要的意義[20]。本文以巖石邊坡和黃土邊坡兩種基質(zhì)種植草本植物為研究對象，探討了植物邊坡防護在土壤加固作用,為草本植物廣泛應用于邊坡加固提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

以實驗路段為河南平頂山地區(qū)魯山縣和尚嶺太澳高速公路十二標段。該地處伏牛山東段南麓深山區(qū), 地理坐標為東經(jīng) 110°52′112°16′, 北緯 33°24′～33°43′。實驗地段為蘭州市城關(guān)區(qū)東出口高削坡路塹地段。

1.2 試驗材料

根據(jù)文獻[21-26]和路基防護綠化設計，采用厚層基材噴播植草技術(shù)。巖石邊坡植物配比為高羊茅（Festucaanundinacca）、結(jié)縷草（Zoysia Japonica）、狗牙根（Yndondactylon）、紫穗槐（Amorpha fruticosa L）；黃土邊坡厚層基材噴播植物配比為高羊茅、草地早熟禾（Poa pratensis）、黑麥草（Loliumperenne）、紫花苜蓿（Medicago sative）。 見表 1。

表1 巖石和黃土噴播草種配置表

1.3 試驗方法

分別于2020年5月10日在長勢良好巖石邊坡和2020年5月25日在長勢良好黃土邊坡隨機選取8個點，陰坡和陽坡分別取4個點，按樣方20cm×20cm，對所取土樣按2cm間隔深度切割并分別編號拍照。

1.4 試驗設備

土壤刀，鋸條，1200萬像素sony數(shù)碼相機，SigmaScan ProV5軟件對照片進行分析。

1.5 根面積比率的測定

按照數(shù)字影像處理技術(shù)方法測定。

2 結(jié)果分析

2.1 典型剖面圖像分析

圖1 巖石邊坡陰坡10cm深度剖面圖

圖2 巖石邊坡陽坡10cm深度剖面圖

圖3 黃土邊坡陰坡10cm深度剖面圖

圖4 黃土邊坡陰坡10cm深度剖面圖

從圖1～4可以看出，在10cm深度剖面巖石邊坡顆粒度較大,根系分布不均勻,陰坡和陽坡差異度較大；巖石邊坡陽坡的根系分布為10.8%明顯的多于陰坡的根系分布為9%。黃土邊坡的陰坡和陽坡之間的差異度較小,分別為8%、8.6%，根系分布相對較均勻，土壤緊實；在同深度面上黃土邊坡的根系分布較巖石邊坡的根系分布均勻；黃土邊坡的根系分布較淺，巖石邊坡根系在深層分布量較大。

2.2 兩種邊坡植物根面積比率比較

2.2.1 同一地質(zhì)條件下陰坡和陽坡植物根面積比率比較

二者相比較發(fā)現(xiàn)無論巖石邊坡和黃土邊坡在其不同層面中根系的分布量不同，如圖5，6所示。

圖6 黃土邊坡陰坡與陽坡根面積比率的隨土壤深度的變化

2.2.2 不同地質(zhì)條件下陰坡植物根面積比率比較，如圖7所示

圖7 黃土邊坡與巖石邊坡陰坡根面積比率隨土壤深度的變化

2.2.3 不同地質(zhì)條件下陽坡植物根面積比率比較，如圖8所示

圖8 黃土邊坡與巖石邊坡陽坡根面積比率隨土壤深度的變化

2.3草本植物根系與邊坡夾角的關(guān)系

植物根系及地下莖與土壤結(jié)合可視為一復合材料，根莖由于具有較高的抗張能力，整體便能提高土壤的抗剪強度。從圖中分析可知兩種邊坡基質(zhì)根基本呈90°以內(nèi)傾角分布。

2.4 巖石邊坡滑坡對草本根系的影響，如圖9，10所示

圖9 巖石邊坡陰坡段滑坡與未滑坡坡根面積比率的隨土壤深度的變化

圖10 巖石邊坡陽坡段滑坡與未滑坡坡根面積比率的隨土壤深度的變化

由于受滑坡作用影響,根的面積比率較未滑坡樣方中根的面積比率小,如圖7、8中陰坡與陽坡的樣方調(diào)查可看出，植物在太澳高速巖石邊坡的樣本中，垂直面方向由于草本植物根系的雜呈分布，在每個水平斷面層的分布各不相同。但就土樣切割面的根面積比率統(tǒng)計可以看出，陽坡根系分布面積明顯高于陰坡植被根系分布面積。在陽坡和陰坡中就前一年出現(xiàn)滑坡路段的樣方中,根量分布面積明顯低于未出現(xiàn)滑坡路段的樣方內(nèi)根量分布面積。

3 討論

土中根的含量不同，根對土的加固作用的效果不同，植物對邊坡穩(wěn)定性的影響也就不同。草本植物根系隨土壤深度增加而減少。衡量根在土中含量的一個常用指標為根的面積比率 （Root Area Ratio,RAR），它指一個土層斷面上（水平斷面或垂直斷面）根的截面面積占斷面面積的比率，根的面積比率是深度的函數(shù)。植物根系及地下莖與土壤結(jié)合可視為一復合材料，根莖由于具有較高的抗張能力，整體便能提高土壤的抗剪強度。一般認為植物根系增加土體的剪力強度主要在根系與土壤的黏合作用產(chǎn)生的凝聚力上，一般稱作根力（root strength）或根凝聚力（抗拔力）（root cohesion），而對土壤的內(nèi)摩擦角影響不大[11]。

植物在蘭州城關(guān)高削坡黃土邊坡植物防護樣本中,水平面方向草本植物根系分布較太澳高速巖石邊坡中根系在每個水平斷面層的分布要均勻。在各樣方的根的面積比率統(tǒng)計結(jié)果可以看出，黃土邊坡中植被根系分布存在和巖石邊坡中陰坡分布差異的相似性，由于黃土邊坡采樣中未出現(xiàn)滑坡。因此，各樣方根面積比率分布相對較均一。同樣，從蘭州城關(guān)高削坡黃土邊坡植物防護樣本切割面上看根面積分布在4～6cm和12～16cm之間的根面積比率達最多。而且根基本呈90°以內(nèi)傾角分布，上下兩側(cè)根面積比率分布很少。

當表層土體沿滑動面順坡面下滑時，植物右側(cè)穿過滑動面的根系受到拉力作用，對表層土體起到錨固作用，植物左側(cè)根系受壓力作用，對滑動土體起不到加固作用。植物右側(cè)根系受到拉力作用會發(fā)生兩種類型的破壞形式：（1）植物根系從土層裂隙中被拔出，（2）根系受拉力作用而被拉斷。兩種破壞方式所產(chǎn)生的力的大小各不相同，根據(jù)肖盛燮的巖石力學中抗拔力的公式，假設某一穿過滑動面的根系所產(chǎn)生的拉力為Ts，則此根系產(chǎn)生的抗滑力為

對于具體的邊坡。σ·Φ為已知的定值，則

式中：E為根系產(chǎn)生的抗滑力 （KN/m）；a為滑動面傾角；β為植物根系與垂直面夾角；Φ為滑動面處土體的內(nèi)摩擦角;T為抗滑力系數(shù),T=R/H。

由此可知，植物根系與垂直面夾角a-β≤90°時，根系對邊坡表層可以起到加固作用。與根面積比率的測定值一致。

4 結(jié)論

1）巖石邊坡和黃土邊坡中陽坡的根面積比率明顯高于陰坡的根面積比率。

2）巖石邊坡中由于土壤顆粒度大,根系分布不均勻,黃土邊坡中根系分布相對比較均勻。

3）巖石邊坡滑坡路段中，陽坡與陰坡比較，其根面積比率有較大變化。陽坡的根面積量明顯高于陰坡的根面積量。

4）由于受滑坡作用影響，在巖石邊坡滑坡路段中，無論陽坡還是陰坡，其根面積比率都明顯低于未滑坡路段的根面積比率。