植被因素对边坡稳定性影响分析★

吴丹丹 胡 意 刘开富

(浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州 310018)

0 引言

我国山区丘陵地带多存在山体滑坡现象及边坡失稳隐患，若采用传统处置方式花费巨大，且随着时间推延其边坡稳定性将逐渐降低，生命周期内的费用较高，同时也不利于已破坏自然生态环境的修复;生态边坡工程具有花费较少且能修复自然生态环境及高效利用土地资源的优势，因而有较好的应用前景，并得到了有效利用。但当前对如何考虑生态边坡的稳定性还不够明确，因此本文基于当前生态边坡稳定性分析的研究现状，分析植被因素对生态边坡稳定性的影响。

1 生态边坡稳定性的研究现状

植被作用直接影响了生态边坡的稳定性，因而许多学者结合生态边坡实际进行了大量的研究和分析。国内外许多学者基于极限平衡法分析生态边坡的稳定性。如国内的封金财等建议根据根系的分布而分别讨论根系对浅层及深层条件下的边坡稳定性的影响［1］。陈向波对一实际边坡的稳定性进行分析，结果表明随着根系加入边坡的安全系数有所提高［2］。赵志明等研究了工程初期和植被长成后边坡绿色防护层的稳定性［3］。

国外Wu等在研究根系作用基础上提出了稳定渗流条件下的无限边坡的稳定性分析计算公式［4］;Bache和Macaskill考虑了风荷载、根系加筋土体作用和木本植物根系作用分析了无限长边坡的稳定性［5］。Greenway分别考虑了根系加筋土体、根系模型、根系锚固及支撑作用、超载及风荷载等作用对边坡稳定性的影响［6］。Coppin和Gray等给出了可考虑植被作用的浅层边坡无限边坡模型的计算公式［6，7］。Greenwood等在分析植被对边坡稳定性影响的基础上，提出了考虑植被影响生态边坡稳定性因素的边坡稳定性计算方法，并且讨论了如何估算植被对边坡稳定性的贡献［8-10］。

2 植被对生态边坡稳定性的影响因素

从研究现状看，很多学者分析植被对边坡稳定性影响时，认为植被对边坡稳定性的主要影响因素［4-11］为以下几个方面:因植被而增加的粘聚力和土条重量，作用于每一土条底部上的根系抗拔力，风荷载，因植被根系导致的土体含水量的降低而导致土体不排水强度的改变，以及孔隙水压力改变等。下面进行简单分析。

2.1 因植被而增加的粘聚力

完好的植被根系抵抗地表侵蚀的作用已得到公认。完好植被根系不仅是植物养分运输的主要通道，还对土体的饱和度等有一定的影响，因其对边坡浅层稳定性的保持作用要相对小于其对抵抗地表侵蚀的作用。根据研究，完好的根系对土体强度的影响主要明显表现增加土体的粘聚力［6，7］。陈昌富及刘开富等研究表明草根根系对土体强度有明显提高作用，特别对土体粘聚力的提高更为明显［12，13］。Wu，Coppin，Greenwood 等的研究也证实草根和灌木区的根系分布对浅层土体强度有明显的提高［4，6，10］。这将使边坡稳定性有一定的提升。

2.2 因植被而增加的土条重量

当植被重量较大时，其将对边坡稳定性有较大的影响，特别是植被为大型的树木时。若此时大型植被作用于边坡的不利地段时，将严重降低边坡的稳定性，而当作用于边坡的坡角或潜在的破裂面角部时，可能会将边坡的稳定安全系数提高10%［6］;不同位置不同重量的植被都将对边坡的稳定性有不同的影响，因此需进行针对性的分析。需要特别指出的是植被的蒸腾作用将降低土体的重量，同时也会导致土体强度的变化，因此也会对边坡的稳定有重要影响。而当从边坡坡角或其他位置移除植被时，蒸腾作用的缺失将导致土体强度的逐步降低，进而导致粘土等土体的开裂［7］，这将导致边坡稳定安全系数发生相应的变化。

2.3 根系抗拔力

根据实验室内的测定［6，8，11］，各种不同直径根系的抗拉强度多在5 MPa～60 MPa间，有些植被的根系强度甚至大于100 MPa。实际边坡工程中，植被根系只有锚进土体足够长度且与有足够的土体摩擦力才能提高边坡的稳定性。从生态学角度看，植被与土体的相互作用是十分复杂的［11］，但从边坡稳定的工程角度看，植被与土体的相互作用则可通过现场测试根系的抗拔力来简单的实现。

2.4 风荷载

对于独立的林木，风荷载是需要特别考虑的，严重时风荷载将会导致林木的拔出或毁坏，进而导致边坡稳定性的改变。但总体来讲，风荷载只占边坡稳定分析荷载中的一小部分，因而其对边坡稳定性的影响将相对较小［6］。

2.5 植被导致土体含水量降低而增加的土体强度

已有观测文献表明因植被的蒸腾作用等树周的土体含水量相对较低［11］;但是依靠林木及灌木等植被根系降低堤坝边坡等土体的含水量而提高土体强度是难以有效实现的。根据Greenwood等对伦敦M20公路沿线树木根系土体的观测试验［8］，土体含水量会有季节性的变化。在雨季，根系影响土体含水量的能力将降低，同时因蒸腾作用而增加的土体强度将减小乃至减小为零。因此，在临界条件下该影响的作用应慎重考虑。

2.6 因植被导致孔隙水压力的改变及产生的吸力

含水量与吸力是相关的，季节水位的变化不会因新植入植被的加入而有明显的改变。已有的观测资料表明，吸力及孔隙水压力的变化与干湿季节的变化相关［8，11］。

3 结语

植被对边坡稳定性特别是浅层边坡的稳定性有重要影响，其影响因素包括因植被而增加的粘聚力和土条重量，作用于每一土条底部上的根系抗拔力，风荷载，因植被根系导致的土体含水量的降低而导致土体不排水强度的改变，以及孔隙水压力改变等。这些因素在不同的条件下对边坡稳定性的影响是不同的，有些因素会提高边坡稳定性，而有些因素可能会降低边坡稳定性，因此在分析边坡稳定性时需慎重考虑。

［1］封金财，王建华.植物根的存在对边坡稳定性的作用［J］.华东交通大学学报，2003，20(5):42-45.

［2］陈向波.高速公路边坡生态防护技术及其应用研究［D］.武汉:武汉理工大学学位论文，2005.

［3］赵志明，吴 光，王喜华.工程边坡绿色防护机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(2):299-305.

［4］Wu T H，Mckinnel III W P，Swanston D N.Strength of tree roots and landslides on Prince of Wales Island［J］.Journal of Alaska Geotechnical，1979，16(2):19-33.

［5］Bache，D.H，.Macaskill I.A..Vegetation in civil and landscape engineering［M］.London:Granada，1984.

［6］Coppin N J，Richards I G.Use of Vegetation in Civil Engineering［M］.London:CIRIA，1990.

［7］Gray，D.H.，Sotir B R..Biotechnical and Soil Bioengineering Slope Stabilization:a practical guide for erosion control［M］.Toronto:John Wiley ＆ Sons，1996.

［8］Greenwood J R，Norris J E，Wint J.Assessing the contribution of vegetation to slope stability［J］.Proceedings of the Institution of Civil Engineers，Geotechnical engineering，2004，157(4):199-207.

［9］Greenwood J R.Slip4ex-A program for routine slope stability analysis to include the effects of vegetation，reinforcement and hydrological changes［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006，24(3):449-465.

［10］Greenwood J R，Norris J E，Wint J.Site investigation for the effects of vegetation on ground stability［J］.Geotechnical and Geological Engineering，2006，24(3):467-481.

［11］Norris，J.E.，Greenwood，J.R..Assessing the role of vegetation on soil slopes in urban areas［C］in Proceedings of the 10th IAEG International Congress，Nottingham，United Kingdom，2006:1-11.

［12］陈昌富，刘怀星，李亚平.草根加筋土的室内三轴试验研究［J］.岩土力学，2007，28(10):2041-2045.

［13］Liu Kaifu，Yang Xiangru，Xie Xinyu，et al.Laboratory triaxial test study on soil reinforced with roots of Manilagrass［C］.Advanced Materials Research，2011:1366-1370.