常見護坡草本植物對邊坡穩定性的影響

呂媛媛

（杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 310024）

0 引 言

高速公路建設對我國社會經濟發展起著至關重要的作用，是推進國家交通網絡戰略的關鍵基礎。然而，在大力發展公路工程建設的同時也將不可避免地會對周圍環境產生一定程度的擾動[1]。近年來，由于高速公路的擴張修建而導致邊坡大量挖方填方的現象屢見不鮮，嚴重改變了自然環境的生態面貌，大大削弱了巖土體的抗剪強度，最終導致地質災害頻頻發生。因此，為了增強路堤邊坡穩定性并且達到防止水土流失、恢復生態的目的[2]，高速公路邊坡生物防護技術得到了廣泛關注。其中，植物護坡對于生態文明建設更是具有重要意義。

目前，已有學者通過研究發現植物根系對預防邊坡淺層滑坡具有重要作用[3]。在植物根系力學性質方面，程洪等[4]采用抗剪強度試驗測定根土復合體，結果表明植物根系能有效增強土體的抗剪強度。而稽曉雷等[5]利用數值模擬方法，發現根土復合體的強度隨著狗牙根的根系數量的增多、根系長度增大而增大。在模型實驗方面，吳宏偉[6]利用根土相互作用模型箱研究了大氣-植被-土體相互作用系統，結果表明植物的蒸騰作用能顯著提高邊坡的安全系數；徐文秀等[7]通過植物護坡模型試驗發現草本植物的根、莖、葉的綜合作用對增強邊坡抗沖刷能力具有顯著效果。

然而，上述學者的研究僅僅針對某一種植物根系對土體的加固作用，尚未分析不同品種植物根系在不同種植密度下對土體的加筋效果。本文針對千黃高速庫灣高填路基段開展研究，該庫彎路基段由于為一臨湖邊坡，冬夏季水位變化高差大，在進行植物生態護岸時需優先考慮植物在耐淹狀態下的生長狀態，為此本文首先通過多種常規護坡植物的水淹脅迫試驗（百喜草、香根草、狗牙根、結縷草、高羊茅、黑麥草和果嶺草），篩選出3種不同根系形態的植物作為研究對象（百喜草、香根草和狗牙根），并通過室內試驗獲得植物根系力學性質數據為有限元模擬的參數提供依據，進一步建立二維平面應變模型，分析了所篩選耐淹植物在降雨條件下不同植物種植方案對邊坡的加固作用。

1 植物預選試驗

為了挑選出3種能夠快速生長、品質良好且根系形態不同的草本植物，首先本文進行了植物預選試驗，篩選出適合用于該地區固堤護坡的植物種類。根據千島湖庫區野外調查情況，選取該區域常見的7種草本植物作為供試植物：結縷草、果嶺草、黑麥草、高羊茅、狗牙根、百喜草和香根草，進行耐淹性能的試驗研究。

1.1 水淹脅迫對種子萌發率的影響

本試驗主要對每種植物進行兩種處理：無脅迫處理（對照組）和水淹脅迫處理（試驗組）。其中，試驗組采用室內水淹處理種子，水淹時將種子置于水桶內，水淹高度為10 cm，每24 h換一次水，水淹時長240 h，水淹結束后馬上進行萌發實驗。

萌發實驗時，首先使用10%的次氯酸鈉溶液對種子進行消毒，然后將對照組和試驗組的種子浸泡10 h。浸泡結束后，在培養皿底墊一層濾紙，每個濾紙上放置 20粒植物種子，每日在濾紙上均勻噴灑蒸餾水使其保持濕潤并置于植物培養箱中，每日記錄每個培養皿中種子萌發的數目。

1.2 水淹脅迫對植物生理特性的影響

本試驗選用10 cm×10 cm×10 cm的盆缽，在每個盆缽中添加等量泥炭土，每盆缽中移入 1 cm高的相同植物幼苗20棵，并于溫室內定期澆水養護。待植物生長一個月后，對于無脅迫對照處理組的植物維持原來生長狀態；對于水淹脅迫處理組，采用雙套盆法，取一個大水箱，水箱中注入水，將水淹脅迫處理組的植物連同盆缽一起放入其中（如圖 1所示），調整水位至將植物完全淹沒，連續淹沒168 h后取出植物盆缽。水淹植物取出之后，在正常環境下放置3 d，3 d后檢測7種植物的生理指標。

圖1 水淹處理Fig.1 Flooding treatment

1.3 植物耐淹試驗效果分析

本研究進行了不同植物的水淹脅迫處理，通過檢測4種生理指標（葉綠素含量、SOD活性、丙二醛含量和脯氨酸含量）和萌發率，以耐淹性為主要篩選、評價指標，性狀、生長特性為次要指標進行比較。

本研究發現水淹提高了植物的 SOD活性，按照變化大小依次為：百喜草、香根草、狗牙根、高羊茅、結縷草、黑麥草、果嶺草。其中變化率較大的狗牙根、百喜草和香根草的變化率在80%～90%之間，變化率較小的果嶺草和黑麥草的變化率在40%左右，如圖2所示。

圖2 不同水淹脅迫對植物葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of different waterlogging stress on chlorophyll content in plants

植物中脯氨酸含量除了作為植物細胞質內滲透調節物質外，還在穩定生物大分子結構、降低細胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調節細胞氧化還原勢等方面起重要作用。本研究發現水淹提高了植物的脯氨酸含量，按照變化大小依次為：香根草、狗牙根、百喜草、高羊茅、果嶺草、黑麥草、結縷草。其中變化率較大的狗牙根和香根草的變化率在100%～120%之間，變化率較小的黑麥草和結縷草的變化率在70%左右，如圖3所示。

圖3 不同水淹脅迫對脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of different waterlogging stress on proline content

通過整理 SOD活性、丙二醛含量以及萌發率試驗結果，然后使用隸屬函數法對7種植物進行了耐淹性的四因素綜合評價，計算出了7種植物耐淹性綜合評價指數以及耐淹性能的綜合排序，見表1。

表1 7種植物在水淹處理下因子得分、綜合評價值（D）耐淹性排序Table 1 Factor scores and comprehensive evaluation value(D) ranking of submergence tolerance of 7 plants under waterlogging treatment

通過表1綜合分析顯示狗牙根、香根草和百喜草的耐淹性最強，其次為結縷草、高羊茅、黑麥草、果嶺草。因此，綜合考慮各方面因素，初步確定狗牙根、百喜草和香根草作為本研究對象。

2 有限元模型建立

植物根系對邊坡的穩定性具有重要的加固作用，是增強路堤邊坡穩定性并且達到防止水土流失、恢復生態環境的關鍵方法。本節將參考千黃高速項目路基邊坡，以狗牙根、百喜草和香根草作為護坡植物，結合室內試驗獲得的植物根系和土體物理力學數據，建立二維模型研究降雨條件下不同植物種植方案對邊坡的加固作用。

2.1 模型幾何尺寸和土體材料參數

本研究采用 ABAQUS有限元軟件建立二維平面應變數值模型，坡體的幾何參數參照了千黃高速項目淳安段的路基邊坡橫斷面圖，土體采用常規理想彈塑性本構模型，即Mohr-Coulomb的破壞準則，強度指標采用固結不排水剪切強度，土坡示意圖如圖 4所示。邊坡模型的左右邊界約束其水平位移，模型的下邊界約束其水平和豎向位移。土體的材料參數根據室內土工試驗獲得，如表2所示。

表2 土體材料參數Table 2 Soil material parameters

圖4 土坡示意圖Fig.4 Schematic diagram of soil slope

根據復合材料的觀點和方法，在不考慮界面單元的情況下，以土體與植物根系的物理力學參數為依據，將植物根系作為外荷載考慮，直接作用在土體單元上，通過公式將根土復合體轉化為等價的均質材料，利用均質材料的有限元方法進行求解，分析香根草根系、百喜草根系和狗牙根百喜草混種等3種情況下植物根系對土坡的加固作用。其中，有限元的網格圖劃分如圖5所示，對坡體采用四結點平面應變四邊形單元、雙線性位移。

圖5 網格劃分圖Fig.5 Grid generation diagram

為了有效地反映根系的淺層固坡效果，本研究通過改變坡面邊界條件的孔壓和滲流速度來分別模擬地下水分布和降雨條件。本研究選擇在坡面加入降雨入滲條件，通過對比素土坡和不同分布密度的根土復合體土坡的應力及位移等變量，分析植物根系對土坡穩定性的加固效果。

2.2 不同植物根系二維模型及材料參數

（1）香根草

香根草的根系形態復雜，通過數理統計分析的方法可以大致了解草根的分布規律。香根草根系能穿透堅硬紅黏土，并穿透礫石和巖層之間薄弱的地方，可長至2～3 m深，最深達到5～6 m，并且有耐淹的特性，是典型的護坡植物。在本研究計算中，由于相對于根系的長度，香根草根系的直徑變化量較小，因此植物根系的直徑可以認為是不變的。根據香根草根須分布情況，并采用二維的桿單元將其簡化成 4枝須根和 1枝主根，其中主根長度為760 mm，另外兩種須根長為200 mm和370 mm，且與主根夾角分別為 33°和 25°。通過室內抗拉試驗可知，在受拉時植物根系呈現出先受拉變形后驟然破壞的現象，根系處于塑性變形的應變范圍較窄[8]，因此在材料參數定義中近似將根系材料設置成只能夠受拉力的彈性材料。并在網格劃分中采用2節點桿單元T2D2，方便計算，在簡化后的香根草二維模型如圖6所示。在ABAQUS有限元軟件材料模塊中輸入材料橫截面面積，以實現模擬植物根系的平均直徑，該平均值通過植物根系直徑的統計值確定，由于本文采用二維平面應變模型，未計入根系三維尺寸的影響，對其輸入值參考表3。

圖6 香根草根系及其二維模型Fig.6 Vetiver grass root system and its two-dimensional model

（2）百喜草

通過對百喜草進行調研，可知百喜草的根系主要是須根根系，主根不明顯，具有粗壯、木質、多節的根狀莖。因此，可將百喜草根系簡化成5枝須根，長度為400 mm，根系之間的夾角為25°。如圖7所示。

圖7 百喜草根系及其二維模型Fig.7 Paspalum natatum root system and its two-dimensional model

（3）狗牙根

根據狗牙根根系須根數量的分布情況（如圖 8所示），將狗牙根根系簡化成3枝須根，根須的長度為200 mm，根系之間的夾角為45°。

圖8 狗牙根根系及二維模型Fig.8 Bermuda grass root system and its two-dimensional model

（4）根系力學參數

植物根系的物理力學參數通過查閱相關文獻資料[9-11]，取值如表3所示。

表3 植物根系力學參數Table 3 Mechanical parameters of plant roots

（5）根土接觸定義

根土復合體采用嵌入式接觸，以根系為嵌入實體，土體為被嵌入實體，由于植物根系的自重相對較輕，在計算過程中可以忽略根系的自重。

本文在研究香根草根系分布密度時，采用1、3、5、8、10株/m等5種情況進行計算分析；狗牙根系的分布密度采用1、4、8、12、15株/m等5種情況進行分析；當狗牙根與百喜草混種時，根系的混合比例取 1∶1，其分布密度采用 1、5、10、15株/m等4種分布密度。

3 計算結果分析

通過有限元數值模擬計算，發現在邊坡表面植入植物根系之后，由于土體和植物根系之間的彈性模量差異較大，因此會對邊坡表面土層形成一定程度上的加筋作用。當植物根系的分布密度逐步增大時，坡體的水平位移、豎向位移以及總位移都呈現逐漸減小的趨勢，這也說明了植物根系的植入對防止邊坡淺層滑坡具有重要的作用。表 4～6分別對應為香根草、百喜草以及狗牙根與百喜草混種工況下的水平位移、豎向位移和總位移的計算結果。

表4 香根草分布密度對邊坡表層位移的影響Table 4 Effect of density distribution of Vetiver grass on surface displacement of slope

表5 百喜草分布密度對邊坡表層位移的影響Table 5 Effect of density distribution of Paspalum natatum on surface displacement of slope

表6 狗牙根與百喜草1∶1混種時分布密度對邊坡表層位移的影響Table 6 Effect of density distribution on surface displacement of slope with 1∶1 mixture of Bermuda grass and Paspalum natatum

根據上述計算結果，將不同種植方案下的水平位移、豎向位移和總位移轉換為位移減小量，可得到不同種植密度以及不同植物種植方案與邊坡位移減小量的關系（如圖9所示）。由圖可知，由于植物根系的加筋作用，使得邊坡表層土體的水平位移、豎向位移以及總位移都明顯減小。其中，植物根系的植入對坡體的水平位移影響最大，其次是對總位移的影響，影響最小的是豎向位移，尤其是植物根系的分布密度對邊坡位移的影響。對比不同植物種植方案以及植物分布密度來看，可以發現不同分布密度對香根草和百喜草表現出近似線性的提升效果。而當分布密度由5株/m轉至15株/m過程時，狗牙根與百喜草混種方案所對應的位移減小量突然增加而后保持穩定線性增長，該現象可以說明當該方案分布密度為5～8株/m時，對邊坡加固的效果尤為顯著，混種方案進一步增加種植密度效果有限。

圖9 香根草、百喜草、狗牙根與百喜草混種分布密度與位移減小量關系圖Fig.9 Relationship between density distribution and displacement reduction of Vetiver grass, Paspalum natatum and Bermuda grass mixed with Paspalum natatum

對比不同植物種類對邊坡土體的加筋效果，可得到如下結果（見圖10）。

圖10 分布密度和水平位移減小量關系圖Fig.10 Relation between distribution density and horizontal displacement reduction

由圖10可以明顯看出，在同樣的分布密度下，相較于狗牙根與百喜草混種的種植方案，香根草的根系對坡面土體的加筋效果最好，而百喜草根系對抵抗邊坡位移的效果稍顯薄弱。加之，當隨著分布密度的逐漸增加，香根草所對應的位移減小量與狗牙根相比差距也逐漸增大。由此可以得出，在本研究中香根草根系的加筋作用最好，究其原因，系香根草根系以主根為主、須根次之，相較于其他兩種植物方案更加深入邊坡土體，對邊坡的加固效果愈好。并由此得出不同方案加固效果排序：香根草方案＞狗牙根與百喜草混種方案＞百喜草方案。

4 結 論

根據以上綜合分析，可得出以下結論：

（1）通過試驗研究狗牙根、香根草和百喜草在水淹處理下種子萌發率以及植物生理特性，發現香根草的耐淹性最強，可作為庫灣區路堤邊坡綠化工程首選植物。

（2）植物根系的加入對邊坡水平位移的影響最大，其次是總位移，影響最小的是豎向位移。

（3）香根草對邊坡的加固作用最好，其次是狗牙根與百喜草混種，而百喜草的加固作用不如前面兩者。

（4）從植物根系形態方面可知，香根草發達的主根相較于茂密的須根更能深入邊坡土體，起到更好的護坡作用。