植被护坡机理及其工程应用研究

符亦强

(湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

大规模公路建设产生了大量的边坡。边坡开挖带来了两方面的问题,一是对原有的植被产生破坏,导致严重的水土流失,加剧生态系统的退化,破坏了原有的景观;二是工程开挖以及建成后的风蚀和雨蚀作用往往威胁到边坡的稳定性。传统的工程治理对于潜在的深层滑动面,常采用挡土墙、抗滑桩、锚索等支护措施,对于表层的不稳定问题,常常采取浆砌片石护坡、干砌片石护坡、喷射混凝土、灰浆抹面、锚喷护面等支护措施。随着公众环境保护意识的加强,在工程建设同时,如何既能保证边坡稳定性,又能快速恢复因边坡开挖而破坏的植被就成了亟待解决的问题[1]。植被护坡技术由于既能起到传统支护措施的边坡防护功能,又能恢复被破坏的生态环境,受到了广泛的关注。

1 植被护坡介绍

开挖边坡形成以后,在其上通过种植植物,利用植物与岩土体的相互作用对边坡表层进行防护、加固,使之既能满足设计对边坡稳定性的要求,又能恢复因工程建设而破坏的自然生态环境,这种护坡方式为植被护坡。植被防护主要利用植物根系的加固作用提高土壤的抗剪强度,从而增加路基边坡的稳定性,增强边坡土壤抗侵蚀的能力,提高道路边坡的景观效果及提高道路的行车舒适性。

表1 植被护坡技术分类表

2 植被护坡的机理

草本植物与木本植物的水平根属浅根类型,浅根与边坡表层土中分布厚度一般为0～30 cm。木本植物的垂直根系为深根,其锚固深度可达3～5m[3]。在有植被的边坡上,一方面,表层土体中植物根系互相缠绕,把土体颗粒集聚紧紧包裹在一起,可以有效防止坡面的冲刷破坏;另一方面,植物根系在地下盘绕交织成网状结构,形成由根系和土体组成的复合材料,对其分布范围内的边坡浅层岩土体起到一定程度的增强与增韧效果,从而能有效防止浅层滑坡,增加边坡的稳定性。植被护坡是通过其本身的机械力学作用和水文作用来实现的。如图1[4]。

图1 植被护坡机理框图

2.1 植被根系与边坡土体的力学作用机理

2.1.1 浅根的加筋作用

浅根在边坡表层土中错综盘结,形成厚度约为30 cm厚的土与植物根的加筋复合材料,根据摩尔库伦强度准则,浅根系的加筋作用提高了土体的内聚力;另一方面,根与土体间的摩擦力限制了土体的侧向变形。因此,浅根的存在提高了土体的抗剪强度。见图2。

图2 加筋作用机理

由图2可计算出粘聚力的增加量[5]为:

试验研究发现,草本植物的根系能显著提高土体的抗剪强度,但对其内摩擦角的影响不大[6]。因此根据摩尔库伦强度准则,此时有:

2.1.2 深根的锚固作用(图3)

要实现变电站各控制层局域网的管理功能，智能变电站技术中，引入光纤技术应用，实现在一次设备与二次设备再到控制中心之间的信息可以无障碍自由传播。另外，还能实现各级之间的数据传输稳定化、可靠化。通过计算机数字技术的智能化，更加集成化了变电站的电能监测和管理，不仅能节约设备占地，进一步缩短工期，还能降低电网安装成本并保证设备是在预定时间投入工作状态。

植物的深粗根本身具备一定的强度和刚度,木本植物的垂直根系深入土层,能够锚固到边坡深处较稳定的岩土层上,起到了预应力锚固的作用[7]。另外,在植被覆盖的斜坡上,植物间相互缠绕的侧向根系将边坡联系成为一个整体,通过深根的锚固作用将浅层土体锚固在深处较稳定的土层处,增加了边坡的整体稳定性。木本植物根系最大锚固力为[8]:

式中,T为木本植物根系的最大锚固力;μ为根土间的最大静摩擦因数;γ为土体的天然容重;P(z)为根系的平均半径沿深度z方向的分布函数;Q(z)为根系数目沿深度z方向的分布函数。

树木根系的锚固力很大,例如,15 a生油松在1 000 cm2面积上分布的根系锚固力可达470 kN,同时根的直径越细,则抗拉强度越高[9],试验结果表明,对于直径为2～5 mm的各种类型的树根,其抗拉强度为8～80MPa。

图3 深根锚固作用模型

2.2 植被护坡的水文效应机理

2.2.1 降雨截留,削弱溅蚀

裸露边坡的表土在雨滴击溅的力量打击下,土壤结构即遭破坏,发生分离、破裂、位移并溅起。雨滴的动能是造成边坡侵蚀的主要能量来源[9]。当有植被存在时,一部分降雨在到达坡面之前被截留,以后重新蒸发到大气或下落到坡面。另外,植被的茎叶能拦截高速下落的雨滴,分散雨滴,使其以很小的速度落到坡面上,从而减少滴溅能量及飞溅的土粒。植物的截留雨量E同降雨量P有如下关系[10]:

式中:λ为截留系数,是降雨量P的函数。对于给定的植物类型及其叶面指数LAI,存在一个临界降雨量P*,当P＜P*时,截留量随降雨量线性增加;当P≥P*时,E保持在最大值E*不再变化。见图4。

图4 截留量与降雨量关系

在雨滴击溅作用下,土粒能被溅至60 cm高、1.6 m远。一场暴雨能将裸露地的土壤溅蚀达240 hm2之多[9]。可假设一质量为m的雨滴从距地表H高度下落,忽略空气阻力,直接到达地面时,雨滴动能为E1=mgH。若地表有植被,植被叶片距地表高度为h。则经过植物的缓冲作用,雨滴速度可认为减小到0,假定雨滴被分散为n个质量相等的小雨滴,则每个小雨滴达到地面时具有的动能为E2=mgh/n,对比发现E2要远小于E1。植被的削弱溅蚀作用相当明显。

2.2.2 抑制地表径流,控制土粒流失

地表径流带走已被滴溅分离的土粒,进一步可引起片蚀、沟蚀。草本植物的根茎连接处形成天然的微型拦土栅,当水流夹带的土颗粒粒径大于拦土栅的孔隙时,土粒被挡住而形成一个薄的粗粒层;后来的土粒,若大于该粗粒层土的孔隙,则又会被挡住而沉积在该粗粒层的前面,从而形成另一个土粒较细的细粒层。依此规律,土粒在根茎连接处形成了微型土堆,拦阻径流,减缓流速,使其土粒搬运能力减小,从而控制土粒流失,通常土体的流失量随植被覆盖率的增加而锐减。表2显示了某高速公路边坡在雨季植草边坡和未植草边坡在抑制地表径流和土粒损失方面的差距[11]。

另外,植物蒸腾作用能够起到排水效应,从而降低了边坡岩土体中的孔隙水压力。尤其是降雨之后,通过植被的吸收和蒸发边坡内的水分,有效地降低了岩土体中孔隙水压力,提高了土体的抗剪强度,避免了降水作用引发的滑坡灾害。

表2 边坡植草影响分析

3 工程应用

3.1 工程概况

某高速公路边坡部分路段冲沟较发育,土质以低液限粉质粘土为主,粘聚力低,水稳性较差,最大坡脚为40°。该地区降雨集中,连续降雨量大,边坡有冲刷,滑坍病害隐患,且局部有小滑坡,采用简化Bishop法计算后,安全系数为1.1,需采取防护措施进行处治。

3.2 治理措施

采用锚杆+三维植被网进行支护。在坡面设置锚杆,锚杆间排距各为2.5m,锚杆长度为4～6m,采用梅花型布置,用钢筋混凝土骨架将锚杆连接成整体,并对坡面进行加固。植被采用宿根黑麦草、百喜草、狗牙根、假俭草和勾叶画眉草按比例配植。活性营养土覆土厚度20～25 cm。坡顶设截水沟,坡面布排水盲沟进行排水。利用耐特龙高强土工网,采用U型钉固定于坡面上并覆土,然后覆盖地膜保水。考虑植被根系深度为0.5m左右,经重新计算安全系数为1.89。

3.3 施工步骤

施工工序为:坡面平整→选取植物种子→锚杆施工→安装植生袋→安装格网→种植植被→养护。

1)施工准备。测定土壤并改造不良土壤,对边坡进行削坡整形,准备植物种子及材料。要尽量选取根系发达、枝叶繁茂、生长快的多年生植物,这样才能够起到长久有效地防护边坡。

2)施工锚杆,安装锚筋。根据锚筋时效性,安装短效锚固的竹筋和长效锚固的锚杆,当竹筋腐蚀后,植被根系及锚杆可继续提供锚固力。

3)安装植生袋。将植生袋储存于保水保肥等生长基材,并与钢丝网或土工格栅等捆扎。基材由腐质有机物、混合肥、粗纤维、保水剂、本地土等组成。对基材要求要必须适合所选植物生长,有一定孔隙和强度,pH要适合植物的生长发育。

4)安装格网并种植植被。采用土工格栅和三维生态网,网间搭接宽度不小于10 cm,每隔30 cm用铁丝扎结。用U型钉固定格网。采用垫块使网与坡面保持2/3覆土厚度的距离。然后开始播撒种子,创造草灌混合生态。

5)对植被进行养护。采用地膜保温防雨,避免基材混合物在没有一定勃聚力的情况下流失。用高压喷雾器将养护水成雾状湿润坡面基材,杜绝高压水头直接喷射,发芽期湿润深度控制在2～5 cm,出芽期早晚各养护1次,并注意防治植物病虫害。

3.4 工程总结

通过现场观测,狗牙根等草种6 d左右开始发芽,10 d后灌木种子开始发芽。由于基材土配比合理,植物生长快,长势旺。播种35 d后坡面植被覆盖率达75%以上,2个月后即达95%,高度平均可达23 cm,最大根深35 cm,施工3.5个月后,覆盖率即达100%。长期观测发现,由于植物根系浅根的加筋作用、深根以及锚杆的锚固作用,边坡稳定性较好,起到了对边坡的加固防护作用。边坡虽然经过多次暴雨,仍然完好无损。

4 结论

传统护坡支护方式只考虑了边坡的力学稳定,植被护坡既能够考虑到边坡的安全稳定性,又能顾及边坡的生态、环境及景观功能。但是由于植物根系的深度有一定局限性,对于有潜在深层滑动面的边坡可采用植被护坡和传统护坡相结合的方式,保证边坡的稳定性和生态性。另外,护坡植物应以本地生的灌木为主,草本植物为辅,兼顾短期和长期效果。

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