植物根系固土护坡的机理分析

摘 要：生态护坡技术是利用植物自身的水文、生态及力学效应对边坡实现有效加固的方法，可以优化传统护坡技术的自身缺陷，并且在有效固土护坡的同时，起到恢复生态、美化环境的目的。植物的垂直根系可以直接穿过浅层土壤，锚固到较为稳定的深层土壤中去，对土体起到很好的锚固作用;浅根则类似于三维加筋材料，可以对土体起到良好的加筋效果。植物根系还具有降低边坡体的孔隙水压力、降雨残留和削弱溅蚀的作用，从而有效提高坡体的稳定性。采用植物根系对土体进行有效加固的生态护坡技术不仅可以对土壤进行有效长期的加固，对自然环境也不产生较大影响，而且对景观和生态的恢复都能起到良好效果，是一种绿色的护坡方式。

关键词：生态护坡;植物根系;加筋作用;锚固作用

1 引言

人类社会发展与生态环境和谐共生是实现可持续发展的必要条件。近40年来，我国公路建设实现了跨越式发展，截止2019年年底，我国的公路总里程已达485万公里，其中高速公路总里程达14.3万公里，稳居世界第一，公路建设的高速发展导致大量边坡支护的工程措施出现，常见的传统护坡技术包括喷混凝土、锚喷、锚喷网护坡及喷浆等，这些工程措施只考虑了边坡的稳定性，忽略了边坡对生态和景观的要求，造成土壤发生剧烈的工程扰动，植物永久性的丧失生长能力，对生态环境造成巨大破坏[1]。而植物和土体具有良好的兼容性，生态护坡技术利用植物根系自身的抗拉特性对土体进行加固，具有良好的发展前景。

2 根系的加筋及锚固作用

土体的抗剪强度有限，抗拉强度几乎可以忽略，在恶劣条件下很容易发生松动和滑移，因此需要对土体进行加筋处理从而提高土体的强度，传统的加筋法通常是利用条带或网格片的抗拉性能，和土体相结合后会在两者的界面上形成咬合力及摩擦阻力，实际效果相当于给土体施加了一个侧压力增量，从而限制土体侧向变形的趋势，提高了土体的承载力及强度[2]。植物侧根对土起到的加筋作用和加筋土极为相似，其侧根的强度虽然不如主根，但其数量和规模非常庞大，呈网状交错在一起，而且侧根同样具有良好的抗拉强度，可以视为一种抗拉材料，其加筋作用主要体现在对土体的包裹性和对粘聚力的提升这两个方面，而且由于植物的侧根和須根系在浅层土体中分布的极为密集和广泛，因此其加筋作用对浅层土体表现的尤为突出，对浅层滑坡的防护可以起到非常关键的作用。

木本植物的主根具有一定刚度，可以扎入土层深处，主根较为发达的木本植物甚至可以直接穿过坡体浅层锚固到较稳定的岩土层，其主根起到的锚固作用和传统支护技术中的锚杆和抗滑桩类似，可以将浅层容易松动的土体直接和深层较为稳定的岩土层相连接，提供了一定的拉力，并分担土体内部剪应力，克服了岩土体的自重及下滑力，阻止浅层土体出现松动和滑移的现象[3]。同时，植物的主根还可以在土体内部形成空间骨架并起到传递和扩散土体内部应力的作用，对土体的抗剪强度可以起到良好的增强效果。

3 植物的水文及生态效应

不同植被覆盖率的边坡，其水流对坡面的侵蚀程度以及坡面的径流会出现明显差异[4]，以下是关于植物的水文及生态效应对改善坡面侵蚀程度的机理分析。

（1）削弱溅蚀。裸土边坡在降雨条件下，表层土壤结构很容易被雨滴击溅的冲击力所破坏，发生不同程度的破裂、解体现象，而有植被覆盖的边坡雨滴的溅蚀作用则会明显减弱，原因是生长良好的植物茎叶以及一些散布在坡面上的枯枝烂叶都会对快速降落的雨滴起到良好的缓冲作用，并且可以有效隔离土体和水滴的直接接触，从而大大削弱了雨滴的动能，减少了雨滴对坡面土体的冲击和接触，在一些生长年限较长、植物覆盖率较高的植被边坡上，坡体表面土体可以完全不受雨滴溅蚀的影响。

（2）抑制坡面径流。植物的茎叶可以对降雨起到良好的截流作用，在降雨量不是很大的情况下，雨滴到达地面之前一般都会先和植物茎叶发生接触，植物茎叶可以充分吸附和吸收雨水，并且吸附的雨水会随时间逐渐蒸发消散，从而减少大量雨水冲刷坡面。在降雨量较大的情况下，茎叶以及表层枯枝可以形成一个水床，导致降雨产生分流现象，从而使坡面降雨从直流变成绕流，增大了径流路径，使水力坡降和冲刷能量减小，从而抑制了径流冲刷给坡面造成的危害。

（3）改善土壤含水率。随着非饱和土中含水率的增大，孔隙水压力增大的同时孔隙气压力减小，导致基质吸力减小，而内摩擦角也会随之减小，最终导致土体的抗剪强度减小。在植物覆盖率较高的边坡上，植物为了让自身较高部位获得水分，会充分发挥自身的蒸腾作用，从土壤中不断的汲取水分，从而导致孔隙水的张力增大，土壤含水率减少，导致土体抗剪强度增大。

4 生态护坡技术的实际应用

在实际工程应用中，由于生态护坡技术对坡体稳定性的提升是随着根系生长而逐渐增强的，大多情况下，在植物生长的前期并不能快速有效的增强边坡稳定性，因此，对于一些急需加固的危险边坡，生态护坡与传统的土木工程护坡技术往往结合在一起使用，这样既可以快速有效的满足边坡的稳定性要求，又能实现坡面植物的迅速恢复，对安全和生态环境都起到了良好作用，现有较为成熟的生态护坡技术包括三维植被网护坡、土工格室植草护坡、铺草皮护坡、浆砌片石骨架植草护坡、植生带护坡、液压喷薄植草护坡、香根草篱护坡、藤蔓植物护坡等。

在生态边坡工程中，固坡植物一般分为乔木、灌木及草本植物3种，为了对边坡土体起到有效的加固效果，往往采用乔灌草相结合的方法进行加固，草本植物生长迅速且须根系发达，可以采用移植草皮的方式迅速对极不稳定的表层土进行有效加固，适合在护坡工程初期进行;乔木根系的生长速度比灌木快，主根系发达，可以对深层土体产生锚固作用，适合在护坡工程中期进行栽种;灌木根系生长速度缓慢，但主根一般都比草本植物根系更加粗壮且长，适合对中层土体进行加固，在护坡工程的最后阶段进行栽种。植物自身的锚固、加筋作用以及水文、生态效应相互影响，并且不同的植物类型对土体的增强效果也各有不同，多种类型植物相结合，才能展现出最好的护坡效果，共同为边坡的稳定性起到增强作用。

参考文献

[1]Richard T.T. Forman， Lauren E. Alexander. Roads and their major ecological effects[J].Annual Review of Ecology and Systematics，1998，（0）：207-231.

[2]莫海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：241-242.

[3]N Bello， S W Rees， S A Salisu. Influence of tree type to suction development and the stability of slope[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019，527（1）：11-12.

[4]周德培，张俊云.植被护坡工程技术[M].北京：人民交通出版社，2003：32-33.

作者简介：葛拓（1995.10.19），男，汉族，籍贯：河南省许昌市，学历：硕士，专业：建筑与土木工程