护坡植物的选择及对护坡土体稳定性的影响研究进展

王金惠,杨知建

(湖南农业大学农学院,长沙 410128)

交通运输部印发的《资源节约型环境友好型公路水路交通发展政策》透露,截止 2008年底,全国公路总里程达 199.5万公里 (不含村道),高速公路达 6.03万公里。根据规划,到 2020年,全国公路总里程将达到300万公里以上(不含村道),其中高速公路 10万公里左右,比 2008年底增加 50%以上。公路的大量兴建开挖了大量新的边坡,为边坡水土流失和滑坡提供了自然条件,而山多地少的地貌结构本就使我国成为了世界上滑坡和泥石流较多的国家之一,同时也是世界上水土流失最为严重的国家之一。边坡的灾害防治一直是工程建设者十分关注但又未完全解决好的问题。随着人类环保意识的不断增强和对环境条件的要求不断提高,植被护坡成为很多边坡灾害防治和水土流失控制的首选方案。

边坡防护技术的最低层次是保持水土、浅层防护,高一层次是满足生态功能需要,营造感观怡人的景观效果。当前应用于边坡生态修复与重建的技术很多,但没有任何一种技术是普遍适用的,必须根据边坡坡度、坡体基底形态、坡体性质的不同,以及当地自然环境特点和对景观的基本需求,有针对性地选择合适的技术[1]。

近年来,生态护坡技术的应用实践及护坡机理的研究在国内外也都取得了丰硕的成果。本文总结了植被护坡在国内外的应用以及植被对边坡稳定性的影响,对植被的护坡机理进行概述,以期对植被护坡的进一步发展提供借鉴。

1 植被护坡的由来及发展

植被护坡的实践历史可以追溯到遥远的人类古代文明。我国早在明代就通过栽植柳树来加固河岸,17世纪采用植被护坡来保护黄河河岸[2]。但是直到恢复生态学建立了完整的理论体系之后,植被固坡才作为一种工程技术方法被系统研究。国际上直到1994年才在英国牛津召开了第一次专门以植物固坡为主题的国际学术会议。但植被护坡在国内一直是重工程而轻科学研究,直到近几年才逐渐受到重视。20世纪50年代,植被护坡开始应用于水土保持和防风固沙;80年代在华南地区进行液压喷播试验取得成功,随后被推广应用;从 70年代开始,景观改善取代单纯的固持水土逐渐成为植物护坡的主要目的,虽有进一步发展,但一般也仅是撒草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草等护坡方法;1993年中国引进土工材料植草护坡技术;进入 21世纪,植被护坡得到了快速发展,已有许多成熟技术应用于工程护坡。目前边坡防护的方法主要有三种,即工程护坡、植被护坡和工程与植被相结合的护坡。国内已研制出植生型生态混凝土,并将此技术应用到护坡中[3]。此外还有三维网植草护坡、液压喷播植草护坡、土工格植草护坡方法等。目前工程与植被相结合的护坡方法已广泛应用于边坡防护,但一般土质边坡仍多采用植被护坡。

2 生态护坡植被的选择

植被护坡一般多应用于土质边坡,其坡面的破坏主要是坡面水流的冲蚀,除此之外,在一定条件下,降水的入渗使土壤水分达到饱和状态,抗剪强度下降,也可能发生边坡土体的失稳变形导致浅层坍塌的出现。

在植被固坡工程的实施中,固坡植物的选择是一个关键环节。首先要从植物的生长规律、边坡的稳定性、气候条件等多方面来综合分析。理论上来讲,护坡植物要求适应性好,一般不能出现夭折或者早衰,可以达到较好的效果,不需补种或者重播,能节约资金,降低成本。选择植物时,除考虑根深、坚固和涵养水能力强外,还应具有一定的美感。一般来说,应根据当地气候条件,选择比较低矮、枝叶团结较紧凑的、根系发达的植物。适宜在我国生长的比较常见的固坡植物有香根草、新银合欢、马桑、黄荆、黑荆、百喜草等[4]。其次边坡绿化工程应着眼于景观协调性和生态保护的功能,在护坡规划中要尤其重视不同植物配置的模式。边坡的功能性和稳定性的恢复是一个长期的过程,但总体来说,混合配置模式总体上优于单一模式,灌草结合还是一个发展趋势。

国内外很多学者通过研究把牧草种植与固土护坡结合起来,既增加了坡地的植被覆盖率,减少了地表径流,降低了土壤侵蚀,同时也取得了良好的经济效益。王凭青等[5]在狼尾草水土保持的研究中指出,坡地栽植狼尾草后,年径流量和土壤侵蚀模数分别是裸地的18.15%和2.61%。朱显谟[6]指出,在西北干旱地区,草灌类植被在生态恢复与建设中占有十分重要的地位,研究证实,草本及灌木植被的繁生,可以加强土壤抗冲蚀性,增加土壤通透性和蓄水容量,增加入渗,消减超渗径流,防止冲刷,尤为重要的是灌草植被可以分散或减少上方袭来的径流,增加坡面径流运动阻力,削弱径流侵蚀能力,进而减少当地的水土流失。熊艳平[7]等通过百喜草林下栽培模式的研究发现,百喜草在保持水土、改善林地小气候、改良土壤等方面具有显著作用,同时百喜草作为一种优良的牧草,具有一定的经济价值。有相关研究证明,百喜草具有一定的适应性和抗逆性,在受淹水胁迫10～ 15 d后其成活率仍有85%以上,是一种不错的护坡植物。王晓蓓[8]通过研究发现,在人工栽培状态下,荆条的生长受降雨量变化影响小,抗旱能力强,对干旱和水淹也具有良好的适应能力,并具有较长的绿色景观期。荆条的有效根密度大于对比植物胡枝子,在改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增强土壤抗冲蚀性方面具有良好效果。夏锦慧等[9]研究了施肥对香根草篱长势及护坡保水效果的影响得出,施肥能加速香根草的生长,促进浓密的香根草篱的形成,对分蘖的影响达到了极显著水平,更快、更好地起到了水土保持的效果。

一般来说,依靠植物根系作用的边坡的抗崩塌力相对较小,因此简单的植被护坡虽然可以满足绿化以及景观要求,是水土保持措施之一,但是其应用于边坡治理的范围有限。而很多开挖后形成的边坡由于地质特性、卸载影响等原因,需要采用工程技术进行坡体的稳定性加固。但是对于坡长太短或者太小的边坡,运用工程技术造价太高,而由于边坡面积小,采用草、灌、木结合的自然条件不够,同时考虑绿化目的或者生态需要,可采用草本植物护坡。草本植物生长快,可以作为边坡防护植被建植中的先锋植物,在边坡治理中发挥重要作用。

3 植被护坡对土质边坡稳定性的影响

降雨是边坡冲刷的最主要能量来源,土质边坡在雨季容易产生滑坡这是一个普遍现象。正常情况下这些边坡是稳定的,但时间的推移和雨水的作用使这些边坡土体发生变化,一些设计上看来十分可靠的边坡可能在雨季发生滑坡。在我国大部分地区,表层和浅层的不稳定过程是斜坡最常见的两类侵蚀类型。表层不稳定表现为坡体表面的土壤侵蚀及其导致的水土流失,浅层不稳定和深层不稳定表现为浅层和深层坡体滑移。植物对边坡稳定的作用主要集中于表层和浅层。

3.1 降雨对边坡稳定的影响

何永金[10]认为暴雨是土质边坡滑坡的主要诱因。钱纪芸等[11]的研究表明,降雨对边坡稳定性产生很大影响,降雨引起均质土坡发生浅层土体滑移破坏雨水入渗至土坡较深的位置,降雨引起土坡位移逐渐增大,最终形成明显的位移集中区域。严继华[12]研究了华南红土不同含水率条件下的力学特性,结果显示含水率对土体性质有显著影响。

赵鸿雁等人利用主成分分析方法对人工油松林地影响水土流失的主要因子进行了分析,结果表明,径流势能、根量、郁闭度对水土流失起决定作用,尤其是径流势能最为突出。所以在护坡的过程中,降低径流的势能最为关键,因此植被的覆盖度要尽量的大。

不同降雨强度、不同降雨持续时间条件下边坡渗流对其稳定性的影响是非常大的,边坡土的含水率的变化显著影响边坡稳定。边坡稳定性系数随边坡土体含水率增大而变化,总体趋势是先减小,后增大,增大到峰值后又急剧衰减。相同含水率时,土体初始重度越大的边坡,其边坡稳定性系数越小[13]。

3.2 植物的水文效应

植被通过调节近地面气候、地表和地下水文状况,使植被生长地区的水循环途径发生变化,因而影响了侵蚀过程,减少水土流失[14]。植物对边坡防止水土流失的作用主要是通过地上部分枝叶对降雨及径流的削弱溅蚀、截留等作用以及根系对边坡土壤的浅层加筋作用,理论上称之为植物的水文效应。

3.2.1 植被的茎叶截留作用

一部分降雨在达到坡面之前就被植被茎叶截留并暂时储存在其中,以后再重新蒸发到大气中或落回坡面。植被通过茎叶截留作用,减少了到达坡面的有效雨量,从而减弱雨水对坡面土体的侵蚀。地上部分不仅具有减少地上径流量的作用,而且能够改变雨谱分布和雨滴动能,削弱雨水对坡面的侵蚀。同时,地表枯落物尤其是草本植物具有很强的吸水性,可有效地截留降雨,其最大截持量是自身重量的 1.7～ 3.5倍。卓丽等[15,16]对结缕草枯草层的降雨截留特性进行了研究,结果显示枯草层因紧密而结实可吸附大量的尘土,截留水分能力很强,截留的水量相当于 5 mm的降雨量。同时研究发现,草坪枯草层截留量随降水的变化可分为3个阶段,分别为快增期(当降雨量小于 2 mm时,枯草层可吸收全部降雨而使截留量随降雨的增加而迅速增加)、渐增期(降雨量增加到一定程度,一般为6 mm,截留量随降雨量增大的趋势减缓)、稳定期(随着降雨量的增大,枯草层吸水饱和,而使截留量随降雨量的增大变化不大,基本稳定在4.8 mm左右)。

3.2.2 植被的削弱溅蚀作用

雨滴打击地面发生溅蚀的过程可分为两个阶段:地面发生漫流之前和漫流发生之后。在发生漫流之前,溅蚀作用过程主要是雨滴与土粒间的动量交换;在发生漫流之后,地面漫流流态则对溅蚀作用过程有重要作用,溅蚀作用过程则是雨滴、土粒及薄层水流间的能量交换过程。由于不同阶段中能量传递及交换的方式不同,即使在降雨量相同的情况下,溅蚀强度也会随降雨时间的持续有不同的变化规律。降雨的溅蚀面积大,凡是裸露的地面都可以发生,溅蚀不仅破坏表层土壤结构,而且为径流挟带土粒创造了条件,加剧了水土流失,影响了土地生产力。

雨滴的溅蚀是雨滴对地面的溅蚀作用造成的,它是水蚀的一种重要形式。降雨时雨滴从高空落下,因雨滴具有一定的动能,裸露的表土在这种力量的打击之下,土壤结构即遭到破坏,发生分离、破裂、位移并溅起,造成水土流失[17]。它在地表径流发生前便使土壤细粒产生位移。土壤的溅蚀量,取决于雨滴的打击力、地面覆盖物、风力、降雨特征、土壤抗蚀能力和地表水层厚度等。在坡地上,土粒向下坡的溅移量,要大于向上坡的溅移量。总的土壤溅蚀量,随着坡度的增加而增多。溅蚀破坏土壤结构,堵塞土壤孔隙,削弱土壤渗透能力,从而增加地表径流量和径流的冲刷搬运能力。伍德拉夫(CM Woodruff)试验证明,在缓坡情况下,90%的土壤侵蚀量由溅蚀作用造成,9°以上的坡地,径流冲刷则起着重要作用。采用“覆盖耕作法”和“免耕法”可以减少坡耕地的溅蚀作用。埃利森推导出土壤击溅侵蚀量的经验公式为 W= kV4.33D1.017I0.65,指出雨滴击溅产生的土壤侵蚀量与雨滴速度(V)、雨滴直径(D)、降雨强度(I)成正比。植被能够拦截高速落下的雨滴,通过地上茎叶的缓冲作用,消耗掉雨滴大量的动能,并且能使大雨滴分散为小雨滴,从而把雨滴的动能大大降低。当植被相当旺盛时,可以明显削弱甚至消除雨滴的溅蚀。

草本植物的地上部分减少了坡面冲蚀,延长了地表径流,增加了雨水的入渗。径流减小,流速减缓,冲刷能量降低,从而使土体冲蚀减弱。当植草的覆盖度超过一定临界值时,冲蚀强度趋近于零,可使坡面得到对冲蚀的有效保护。

地面覆盖能有效地减少土壤侵蚀,所以除了植物本身外,半分解和未分解的枯落物能够增大地表的粗糙程度,由此降低地表径流流速,同时还能阻截径流,改变径流形态,增大流程,从而减弱径流对地表土壤的冲刷能力。

植被在提高边坡的入渗率和减少土壤流失中具有相互促进的作用,其最终结果是保持水土,增加地下水补给。由于草本植物的根系大部分分布在浅层,根际区土壤储水能力强,植被对根际区下层土壤的渗透性影响不大,因此对深层土的稳定性影响不大。

樊萍等在降雨对黄河源区土壤溅蚀的研究中发现,降雨强度是影响溅蚀量的显著因子,溅蚀量与坡度和雨强成正相关关系。雨强越大,雨滴动能愈大,对土壤的冲击、剥落、溅起的能力就越强,因此,在降雨量相同的条件下,强度大的短阵性暴雨比强度小的“毛毛雨”更易产生溅蚀。土壤溅蚀量是下坡位大于上坡位,陡坡大于缓坡。

3.2.3 植被护坡的浅层加筋作用

根系系统是一个复杂的动态系统,具有扩张、抗压和抗曲折性能,起坚固和支持作用,前人对此作了大量的理论和试验研究。植物根系对边坡发生作用的力主要包括植株重量产生的重力分摊在各根系上形成的对土壤的推挤力;根表面上水的吸附力;根-土壤之间的黏结力、胶结力;根系网络之间相互牵拉的张力和拉力;根系-土壤接触面的摩擦力以及来自于土壤的反作用力;上下土壤之间滑动产生的对根表面的剪拉力。植物就是通过作用于边坡,影响其稳定性的[18]。

植物根系可以看成是天然的加筋材料,根土复合体可以看作是加筋土,只是根系的分布要比工程中的加筋材料分布复杂的多。根系可以分为垂直根和侧根,垂直根主要起锚固作用,而侧根主要起加筋作用[19]。地下根系深入土层盘根错节提高了浅层土的抗剪强度,具有浅层加筋作用,尤其自坡面以下 20 cm范围内加筋作用显著。有试验表明可使侧向应力减小相当于无草土粘聚力的约 40%～ 90%[20]。

周群华、封金财[21,22]分析了根系数量与边坡稳定的关系,指出随着根系数量的增加,边坡稳定系数提高。根系对边坡的加固稳定作用主要是垂直根的锚固作用和侧根的加筋作用,其根本机理是改变了土壤的黏结力和内摩擦角,使土壤的抗剪强度提高,滑移破坏面转移。随着土体中根含量的增加,边坡的安全系数也随之提高,两者正相关。含根量为某一最佳值时,根系对于边坡稳定性提高明显,但含根量增加到了一定程度,植被对边坡稳定性的影响不会再增加。

对于表层不稳定的边坡,传统常用的土木工程措施包括浆砌片石护坡、干砌片石护坡、喷射混凝土、灰浆抹面、锚喷护面等。但随着生态保护意识的加强和植被护坡技术的发展,植被护坡实质是提高土体的黏聚强度,增大了根系与土体之间的摩擦。

4 研究展望

植物护坡在增加边坡稳定性、减少水土流失以及改善生态环境方面有着很大的积极作用,但是在一定的环境和条件下,植物固坡也有负面作用。例如:植物根系在扎进土壤,对边坡起支撑和锚固作用的同时,也会增加土层的渗透性,导致土层渗透能力的增加。植物还容易受到外力(风等)作用,并将其荷载传递给边坡。这些都对边坡的稳定性产生了不利影响。在实际工程应用中,应该综合考虑植物与边坡土体之间的作用力与反作用力。在进行植物边坡防护设计和养护时应充分了解有关植物护坡的机理和植物营养方面的知识,这样才能很好的发挥防护效果。在植物生长初期防护作用较弱,此时若受到较大干扰就会降低成活率,植被根系的延伸也会使土体产生裂隙,增加了土体的渗透力;若植物根系所延伸的范围内没有稳定的岩土层,防护效果就不明显。目前的工程中只注意边坡内的生态恢复,强调短期效果而忽视长期效果,过分强调美观、观赏和绿化效果,忽视了植物生态保护功能和边坡环境的特殊性。

总之,植被护坡理论远远落后于防护技术应用的发展,制约了生态防护技术在边坡工程中的应用与推广。希望选用的护坡技术既能彻底的治理滑坡、泥石流,又能达到生态恢复的目的。这种想法过于理想化。

关于植被护坡理论,以下几个方面有待于进一步的研究:

(1)探讨生态系统对边坡稳定的作用。总结木本、草本植物的固坡作用,探讨微生物、有机物和各种动物对边坡稳定的影响。

(2)将农学、林学和生态学知识运用到边坡防护中去。植被护坡应结合不同的生态规划,筛选出适合不同生态区的边坡优势植物品种,开展驯化、商品化育种及坡面植被建植调控技术手段研究,并以生态学基本原理为指导,开展组合应用研究,使护坡植被群落具有稳定性和自我适应性。吸收现代恢复生态学、植物群落学理论的精华和国外先进的绿化理念,充分尊重植物群落演替的自然规律和植物自身的恢复机能,在不影响自然规律的前提下,人工促进植物群落形成,通过研究周围自然植物群落的组成、结构、功能,结合绿化现场立地条件,来确定绿化目标群落,逐渐恢复与自然植物群落在结构、功能上更加相似的人工植物群落。

(3)加强对植被作用下边坡稳定性分析。深入研究根—土相互作用机理、不同形态根系与土壤相互作用力学模型、不同根系材料对复合体强度的影响以及边坡稳定性等理论,加强对根系地下空间生长特性的研究,并对地下根系形态的观察方法加以创新。

(4)目前对于边坡防护的理论研究中,多采用室内人工模拟降雨冲刷试验,对于自然降雨条件下的研究较少。而且人工降雨条件下,存在试验期短护坡植物根系生长不良,人工降雨量难以控制等缺点。

随着人类环保意识和对生态环境要求的增加,植被护坡工程技术的应用将会越来越广,其方法也会更多、更完善。相应的护坡植物的种类也会更多,组配也会更合理。

[1]戴方喜,宋 玲,汪 婷,等.边坡绿化技术及应用辨析[J].中国水土保持,2009,(11):22-24.

[2]Lee IY.A review of vegetative slope stabilization[J].J Hong Kong Inst of Enginneer,1985,13(7):9-12.

[3]吴智仁,陆春华,刘荣桂,等.现浇护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性能 [J].江苏大学学报(自然科学版),2005,26(5):380-383.

[4]Hammasuna J,Maki H.Method of vegetation in slope protection area[P].Appl No:JP960222255,960823,Patent No:JP10060900,1988-03-03.

[5]王凭青,段传人.杂交狼尾草水土保持能力的实验研究[J].水土保持学报,2005,19(1):114-116.

[6]朱显谟,田积莹.强化黄土高原土壤抗冲性的研究 [J].水土保持学报,1993,7(3):1-10.

[7]熊艳平.百喜草在湖北省的引种栽培及开发应用技术研究 [D].武汉:华中农业大学 ,2007.

[8]王晓蓓.优良护坡植物—荆条的种子萌发及护坡性能研究 [D].北京:北京林业大学 ,2007.

[9]夏锦慧,陈旭晖,王文华.施肥对香根草篱长势及护坡保水效果的影响[J].贵州农业科学,2002,30(5):31-32.

[10]何永金.福建省主要地质灾害的特点成因及其对策[J].福建地质,1995,(4):263-271.

[11]钱纪芸,张 嘎,张建民,等.降雨时粘性土边坡的离心模型试验 [J].清华大学学报:自然科学版,2009,(6):813-817.

[12]严继华.广州地铁复杂岩土性状分析与研究 [D].北京:中国矿业大学,2005.

[13]刘纪峰,卢明师.含水率对边坡土性及其稳定性的影响[J].河南科技大学学报:自然科学版 ,2010,31(3):63-66.

[14]王占臣,庞 军.边坡绿化防护技术的发展和植被护坡机理 [J].吉林交通科技,2007,(2):29-32.

[15]房淑琴,代全厚.水土保持与植被 [J].吉林水利,2001,(7):24-27.

[16]卓 丽 ,苏德荣,刘自学.结缕草枯草层对降水的截留特性研究[J].北方园艺,2008,(7):67-69.

[17]李家春,田伟平.黄土路堤坡顶及路肩暴雨冲蚀破坏机理试验[J].林业科学,2001,37(5):140-144.

[18]程 洪,颜传盛,李建庆,等.草本植物根系网的固土机制模式与力学试验研究 [J].水土保持研究,2006,13(1):62-65.

[19]黄圣瑞 ,郑建荣,袁安华.根系含量对边坡稳定影响分析[J].工程建设与设计,2009,(6):97-100.

[20]周锡九,赵晓峰.坡面植草防护的浅层加固作用 [J].北方交通大学学报,1995,19(2):143-146.

[21]周群华,邓卫东.植物根系固坡的有限元数值模拟分析[J].公路 ,2007,(12):132-136.

[22]封金财.植物根系对边坡的加固作用模拟分析 [J].江苏工业学院学报,2005,17(3):27-29.