根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响

谷俊斌，闫 鑫



根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响

*谷俊斌，闫 鑫

(内蒙古科技大学建筑与土木学院，内蒙古，包头 014010)

为研究植被根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响，通过根系含量与粘聚力增加值关系建立了根系密度与土壤抗剪强度的关系式，推导了根系分布密度的土壤临界切应力，进而推算客土层滑动面范围内的单位体积含根量。最后，选取实例研究植被根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响，为边坡选择最适合的绿化草种和单位面积的播种数量提供有效依据。

根系含量；岩质边坡；抗冲刷性；抗剪强度

0 引言

我国的高速公路、铁路等基础建设遇到土石边坡是经常的，如采用传统的浆砌片石护墙或挂网喷浆护坡等方法，耐久性差，后期维护费用高，而且还不利于景观和生态环境的发展。生态护坡利用植物根系的深层锚固和浅层加筋作用提高边坡的抗剪和抗冲刷性能，且能增强沿线景观效应，进而达到加固、景观和生态的统一。

目前岩质边坡植物防护的理论和应用研究滞后于实践应用，使其在工程上具体实践应用只停留在定性和经验阶段。因此，加强岩质边坡植被防护理论的研究，是迫切的。植物根系对土壤降雨冲刷环境的改善起着至关重要的作用，其主要在于通过改变土壤力学性质参数－抗剪强度来提高土壤的抗冲刷能力。相对地上部分，它的作用尤其表现在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤冲刷等方面[1]。通过研究植物根系对土壤抗冲刷性能的影响和目前表层客土中的根系含量是否合理，进而根据降雨条件、土壤条件等在岩质边坡生态防护设计中为边坡表面客土层植草设计合理的根量集度，即土中含根量[2]，本文就植被根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响进行研究，为边坡绿化草种的选择和单位面积播种数量的确定提供合理化的建议。

1 植物根系的抗冲刷原理

1.1 边坡冲刷的力学分析

边坡坡面冲刷实质上是坡面流对坡面土体的搬运所造成，当坡面土体抵抗搬运的能力小于坡面径流时，将脱离母体运动。坡面冲刷的产生受许多因素的影响，比如：水流速度、径流深度、土的性质及坡面防护情况等。因此，研究植被根系对岩质边坡表层抗冲刷性的影响，首先应通过力学分析边坡坡面冲刷的产生及产生过程中的受力特征，从理论上研究冲刷的本质，进而研究根系含量对坡面冲刷能力的影响。

就岩质边坡而言，边坡表层客土在水流冲蚀作用下将沿着平行于坡面线的方向被水流一层一层地剥蚀，直到边坡表层失稳破坏，这时坡面即为最终滑动面，如图1所示[3, 4]。

图1 岩质边坡表层滑动面示意图

1.2 植被的抗冲刷原理

就岩质边坡而言，植草根系固着于边坡表层客土中，降低水流速度从而减轻水流对边坡的冲刷，达到植草保护边坡的作用。在岩质边坡浅层中，植草护坡对保护水土和防止土体滑坡具有很好的作用，其作用主要体现在固土、蒸腾、截流及改变土壤硬度等方面。本文就从根系固土提高土体抗剪强度的角度，研究植被根系含量对岩质边坡表层抗冲刷性的影响。

2 植物根系抗冲刷性的力学研究

2.1 试验研究

草本植物根系对边坡土体具有固土作用，即为“加筋作用”[5-6]，可看做附加“粘聚力”△，在一定程度上提高土层的粘聚力，其中粘聚力的大小取决于根系含量。本文通过试验建立植物根系含量对边坡抗剪强度影响的关系，即推导植物根系与△的数学表达式，进而通过量化计算分析根系含量对边坡抗抗冲刷能力的影响。假定含根土剪切强度公式形式为：

其中：为含根土的抗剪强度；为含根土的粘聚力；为土体标准应力；为含根土的内摩擦角；为土体的原始粘聚力；为土体的附加粘聚力。

试验中选取不同的植物根系分布密度，忽略根系分布密度对内摩擦角的影响，只研究对粘聚力的影响，分别计算不同的植物根系分布密度下土体附加粘聚力，从而建立单位体积土含根量与附加粘聚力的数学表达式，如表1所示。以每立方米土含根量为横轴，以粘聚力增加值为纵轴，拟合可得二次曲线，如图2所示。

表1 各种根系分布密度情况下土的抗剪强度指标增加值

图2 根系含量与粘聚力增加值关系图

通过以上研究可得到根系分布密度和土体附加粘聚力的二次函数关系式：

根系加筋后土的粘聚力为：

(3)

（3）式代入（1）式可得根系密度与土壤抗剪强度的关系式为：

2.2 根系对抗冲刷性的影响

由力学分析可知，土壤临界切应力[7-8]的计算公式如下：

其中：为粘性土壤侵蚀厚度；为径流作甩于土壤的压力；为土壤渗流水作用于土壤的孔隙水压力；为土壤自重；为土壤饱和容重；为坡面坡度；为有效粘聚力，为有效摩擦角。

植草护坡后总粘聚力的增加值近似等于有效粘聚力的增加值，因此假定：

（2）式代入（6）式得：

(7)

(8)

若已知土壤发生侵蚀的临界切应力，根据下式可推算土体客土层滑动面范围内的单位体积含根量：

表2 土体各种情况下的根系含量表

Tab.2 The roots content tables under various soil

表2结果显示粘聚力越大，土体的抗冲刷能力就越强，并且增加幅度较大，由此可见土体粘聚力对边坡表层的抗冲刷能力的影响是至关重要的。由图2可知，土体根系含量越大，土体的粘聚力能力就越强，边坡客土层的抗剪强度和抗冲刷能力就越强，土体就越稳定。因此，土体的抗剪强度与根系含量成正比，增加边坡土体中根系含量就等同于增大边坡土体的抗剪强度，进而可保持边坡土体的稳定性，总之增加边坡土体根系含量是植物护坡的重要措施之一。

3 结论

忽略根系分布密度对内摩擦角的影响，选取不同的植物根系分布密度，分别计算不同的植物根系分布密度下土体附加粘聚力，研究土体根系含量对粘聚力的影响，从而建立单位体积土含根量与附加粘聚力的数学表达式。

结合具体工程实例岩石边坡，在给定坡度、厚度、容重、有效粘聚力和摩擦角的情况下，选取马尼拉草种护坡，计算不同的侵蚀厚度坡体冲刷破坏时相应的土体临界切应力和平均植物根系含量，结果显示土体根系含量越大，土体的粘聚力越大，土体的抗剪强度就越大，进而边坡土体更稳定性。因此，根据植物根系分布密度，定量估算单位面积所需植物数量，确定需撒播的草种数量，进而为植物边坡防护提供合理的建议。

参考文献：

[1] 周德培,张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2] 付国茂.岩质边坡稳定性分析与可靠性评价[D].西安：长安大学,2009.

[3] 孙亚平,张科利,唐克丽.坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究[J].水土保持学报,2010,15(2):17-20.

[4] 王建强.云南龙江特大桥桥基区边坡稳定性研究[D]. 北京:中国地质大学(北京),2010.

[5] 扈萍.高速公路边坡植被护坡的力学分析[D].济南：山东大学,2005.

[6] 兰明雄.植被护坡技术及工程绿色机理研究[D].泉州：华侨大学,2008.

[7] 耿志义.影响公路边坡稳定性的工程地质分析[J].中国公路,2011(14):102-103.

[8] 杨冬升,张晖,龚常青.基于ANSYS的碾压混凝土重力坝坝基面抗滑稳定安全性分析[J].井冈山大学学报：自然科学版，2010,31(4):80-82.

THE INFLUENCE OF ROOT SYSTEM ON ROCK SLOPE SURFACE EROSION RESISTANCE

*GU Jun-bin, YAN Xin

(The school of architecture & civil engineering, Inner Mongolia University of science and Technology, Baotou, Neimenggu 014010, China)

According to the vegetation root content on rock slope surface erosion resistance, the relation of root density and the soil shear strength was established by the relation between root content. Furthermore, we use the added value of cohesive force to derive the soil critical shearing stress and consider the root distribution density. We also calculate per unit volume root content in the scope of sliding surface about soil layer. The selected experiment and analysis shows that vegetation root content on the rock slope surface erosion resistance for the slope chooses the most suitable greening grass and the seeding quantity of per unit area to provide basis effectively.

root content; rock slope; scouring resistance; shear strength

1674-8085(2015)01-0085-03

TU457

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.01.017

2014-04-03；修改日期：2014-12-02

内蒙古科技大学创新基金项目（2011NCL056）

*谷俊斌(1983-)，男，山西大同人，讲师，硕士, 主要从事计算力学研究(E-mail: gu613@163.com);

闫 鑫(1981-)，男，内蒙古包头人，讲师，主要从事计算力学研究(E-mail: yanxin_80@126.com).