植被根系河堤岸坡加固效果的評價研究

李 輝

(葫蘆島平山供水有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

近年來，經濟的迅速發展在一定程度上推動了水利事業的不斷進步，工程投資規模和建設數量逐年增多，岸坡防護工程的實施有利于系統治理江河及其支流，有效解決防洪體系中存在的突出問題，進一步完善江河防洪系統，大大減小洪澇災害損失及增強區域經濟可持續發展的防洪安全保障。然而，建設過程中導致的淺層邊坡抗滑穩定性下降、水土流失和邊坡裸露等問題日趨突出[1-3]。實踐表明，對邊坡采取植被加固措施能夠有效防止水土流失，有利于增大邊坡穩定性以及保護生態環境[4-6]。因此，河堤岸坡植被加固越來越成為現階段的研究熱點。

關于植被根系的土壤力學特性國內外學者開展了深入研究，如劉秀萍等[7]揭示了根系分布及其大小，對黃土與植被根系復合體強度的影響特征，結果顯示莫爾-庫倫強度準則適用于復合體抗剪強度特征，復合體抗剪強度隨含水率(試驗范圍內)的增大而增加；周云艷等[8]探究了根系總長、根長、根重、根表面積與土壤強度特性之間的關系；Mattie等[9-10]研究了根系生物量、土壤本身力學特征與根系加固土體強度特征之間的關系，結果發現根系生物量、土體的自身力學特性與根系加固土體強度特性之間存在正相關性。

植被護坡技術是一項融合了多門學科的新型防護技術，主要對淺表層邊坡利用植被涵水固土原理實施加固。20世紀60年代，在護坡工程中日本最早應用了液壓噴播技術，隨后探討了高次團粒SF和纖維土綠化工植被護坡法，在一定程度上推動了植被護坡的發展[11-12]。現階段，我國對于植被護坡技術的研究尚處于初始時期，堤岸加固防護仍以鋪草皮為主，對定量評估植被護坡效果的研究鮮有報道，缺乏能夠有效指導植被護坡的技術體系。鑒于此，利用蒲草、狗牙根、白羊草和香根草4種植被根系，通過室內試驗與數值模擬定量分析其對河堤邊坡穩定性以及土體抗剪強度特性的影響，為河堤岸坡加固工程設計及其效果評價提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗過程

選擇含蒲草、狗牙根、白羊草、香根草根系的土體和裸地為試驗材料，試驗區屬于大陸性季風氣候，年均降水量816.0mm，平均氣溫8.7℃，溫室中育苗健壯后將其移至試驗區，編號A1、A2、A3、A4、A5代表蒲草、狗牙根、白羊草、香根草的種植土和裸地。將各種植樣區劃分成尺寸為4.0m×4.0m的3個小區，每種植被以30cm×30cm的株行距重復種植三次，定期拔除培育期間試驗區內的雜草以保證土體不受其它根系的影響。然后以株徑為中心利用直徑31.80mm×高20mm的環刀，每隔10cm自上而下將培育八個月的植被取出一個原狀樣，每個取樣點以距離地表0-2cm、10-12cm、20-22cm取出三個樣，采用環刀盒封裝取好的試樣以防止土地發生擾動。設直接剪切試驗圍壓400kPa、300kPa、200kPa和100kPa，剪切停止位移5mm，剪切速率0.036mm/min，通過有關參數的設定開展試樣直剪試驗。

1.2 試驗分析

土體破壞抗剪強度取應變值的15%，利用固結應力與抗剪強度擬合曲線確定黏聚力、內摩擦角等土體抗剪強度參數，不同植被根系的有關參數如表1。從表1可知，含植被根系土體的內摩擦角與黏聚力等抗剪強度參數，隨土層深度的增大均呈現出減少的趨勢，而裸地呈增大趨勢。植被根系密度隨地層深度的增大不斷減少，所以其加固土體的效果也就越低，土體上覆土重隨深度的增大而增大，故抗剪強度也就越高。裸地抗剪強度參數均小于各植被根系土體，由此表明植被根系具有增強土體抗剪強度的功能，其中狗牙根的增強效果較弱而香根草的增強作用最為明顯。其原因為土體的咬合力受土體與植被根系結合作用明顯增大，如顆粒與根系間的嵌入作用以及顆粒表面摩擦力等，這大大增強了土體的抗剪強度。

表1 土壤抗剪強度參數

2 分析評價

2.1 模擬分析

為進一步探究堤岸邊坡加固效果受不同植被根系的影響，對堤岸邊坡穩定性利用有限元軟件加以模擬，模擬過程中固定堤岸底部與表層位移，并約束邊坡兩側法向位移。植被加固土層20cm厚，河堤邊坡高15m，統計單元節點數4180，計算單元數3316。

河堤岸坡加固整治工程大多選用強度折減法確定安全系數，其理論依據為：采用給定的折減系數R對巖土體材料的內摩擦角φ和黏聚力c等強度參數折減，由此確定新的內摩擦角φ′和c′，其表達式如下：

(1)

重新代入折減后的參數完成相應的計算，邊坡破壞時確定的R就是所求的穩定系數，即Fs=R，合理的確定破壞判斷標準將直接關系著強度折減法的結果合理性。目前，特征部位的位移產生突變、滑面上塑性區貫通、數值計算不收斂為強度折減法判斷巖土體穩定性的三種常用標準。文章利用莫爾-庫倫強度模型作為計算模型，破壞判據標準設為不平衡力是否發展平衡，并取表層20cm土體強度參數平均值作為植被根系加固土體強度參數，結果如表2。

表2 模型參數

2.2 計算結果

蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被根系和裸地加固邊坡安全系數，如圖1。從圖1可知，裸地加固河堤邊坡安全系數均小于各植被根系，從小到大排序為裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，采取蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被加固河堤，其安全系數較裸地提高了10.9%、7.8%、14.8%、23.4%，可見對加固河堤各植物根系發揮著積極作用。植被錨固坡體、增大土體抗剪強度為植被根系加固邊坡的機理，有利于減少邊坡崩塌和較好的抵抗淺層邊坡滑動。此外，邊坡抵抗徑流破壞能力隨土體抗剪切強度參數的增大而增強，即抗剪強度越高則邊坡越難以發生土壤侵蝕。模擬過程中，由于未考慮植被根系保持水土的功能，因此模擬結果偏于安全。

圖1 加固河堤邊坡安全系數

3 結 論

文章利用直接剪切試驗，模擬分析了土體抗剪強度參數受不同植被根系的影響，并對不同植被根系加固邊坡安全系數利用強度折減法建議計算，從而揭示了河堤邊坡加固效果與不同植被根系間的相互關系，得出的結論有：

含植被根系土層的內摩擦角、黏聚力等抗剪強度參數，隨土層深度增大均呈減少趨勢，而裸地呈增大趨勢；裸地抗剪強度參數均小于各植被根系土體，可見植被有利于錨固坡體、增大土體抗剪強度，能夠減少邊坡崩塌和較好的抵抗淺層邊坡滑動。模擬過程中，由于未考慮植被根系保持水土的功能，模擬結果偏于安全；裸地加固邊坡安全系數均小于各植被，從小到大排序為裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，香根草的加固安全系數最高。