植被根系河堤岸坡加固效果的评价研究

李 辉

(葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

近年来，经济的迅速发展在一定程度上推动了水利事业的不断进步，工程投资规模和建设数量逐年增多，岸坡防护工程的实施有利于系统治理江河及其支流，有效解决防洪体系中存在的突出问题，进一步完善江河防洪系统，大大减小洪涝灾害损失及增强区域经济可持续发展的防洪安全保障。然而，建设过程中导致的浅层边坡抗滑稳定性下降、水土流失和边坡裸露等问题日趋突出[1-3]。实践表明，对边坡采取植被加固措施能够有效防止水土流失，有利于增大边坡稳定性以及保护生态环境[4-6]。因此，河堤岸坡植被加固越来越成为现阶段的研究热点。

关于植被根系的土壤力学特性国内外学者开展了深入研究，如刘秀萍等[7]揭示了根系分布及其大小，对黄土与植被根系复合体强度的影响特征，结果显示莫尔-库伦强度准则适用于复合体抗剪强度特征，复合体抗剪强度随含水率(试验范围内)的增大而增加；周云艳等[8]探究了根系总长、根长、根重、根表面积与土壤强度特性之间的关系；Mattie等[9-10]研究了根系生物量、土壤本身力学特征与根系加固土体强度特征之间的关系，结果发现根系生物量、土体的自身力学特性与根系加固土体强度特性之间存在正相关性。

植被护坡技术是一项融合了多门学科的新型防护技术，主要对浅表层边坡利用植被涵水固土原理实施加固。20世纪60年代，在护坡工程中日本最早应用了液压喷播技术，随后探讨了高次团粒SF和纤维土绿化工植被护坡法，在一定程度上推动了植被护坡的发展[11-12]。现阶段，我国对于植被护坡技术的研究尚处于初始时期，堤岸加固防护仍以铺草皮为主，对定量评估植被护坡效果的研究鲜有报道，缺乏能够有效指导植被护坡的技术体系。鉴于此，利用蒲草、狗牙根、白羊草和香根草4种植被根系，通过室内试验与数值模拟定量分析其对河堤边坡稳定性以及土体抗剪强度特性的影响，为河堤岸坡加固工程设计及其效果评价提供参考。

1 试验研究

1.1 试验过程

选择含蒲草、狗牙根、白羊草、香根草根系的土体和裸地为试验材料，试验区属于大陆性季风气候，年均降水量816.0mm，平均气温8.7℃，温室中育苗健壮后将其移至试验区，编号A1、A2、A3、A4、A5代表蒲草、狗牙根、白羊草、香根草的种植土和裸地。将各种植样区划分成尺寸为4.0m×4.0m的3个小区，每种植被以30cm×30cm的株行距重复种植三次，定期拔除培育期间试验区内的杂草以保证土体不受其它根系的影响。然后以株径为中心利用直径31.80mm×高20mm的环刀，每隔10cm自上而下将培育八个月的植被取出一个原状样，每个取样点以距离地表0-2cm、10-12cm、20-22cm取出三个样，采用环刀盒封装取好的试样以防止土地发生扰动。设直接剪切试验围压400kPa、300kPa、200kPa和100kPa，剪切停止位移5mm，剪切速率0.036mm/min，通过有关参数的设定开展试样直剪试验。

1.2 试验分析

土体破坏抗剪强度取应变值的15%，利用固结应力与抗剪强度拟合曲线确定黏聚力、内摩擦角等土体抗剪强度参数，不同植被根系的有关参数如表1。从表1可知，含植被根系土体的内摩擦角与黏聚力等抗剪强度参数，随土层深度的增大均呈现出减少的趋势，而裸地呈增大趋势。植被根系密度随地层深度的增大不断减少，所以其加固土体的效果也就越低，土体上覆土重随深度的增大而增大，故抗剪强度也就越高。裸地抗剪强度参数均小于各植被根系土体，由此表明植被根系具有增强土体抗剪强度的功能，其中狗牙根的增强效果较弱而香根草的增强作用最为明显。其原因为土体的咬合力受土体与植被根系结合作用明显增大，如颗粒与根系间的嵌入作用以及颗粒表面摩擦力等，这大大增强了土体的抗剪强度。

表1 土壤抗剪强度参数

2 分析评价

2.1 模拟分析

为进一步探究堤岸边坡加固效果受不同植被根系的影响，对堤岸边坡稳定性利用有限元软件加以模拟，模拟过程中固定堤岸底部与表层位移，并约束边坡两侧法向位移。植被加固土层20cm厚，河堤边坡高15m，统计单元节点数4180，计算单元数3316。

河堤岸坡加固整治工程大多选用强度折减法确定安全系数，其理论依据为：采用给定的折减系数R对岩土体材料的内摩擦角φ和黏聚力c等强度参数折减，由此确定新的内摩擦角φ′和c′，其表达式如下：

(1)

重新代入折减后的参数完成相应的计算，边坡破坏时确定的R就是所求的稳定系数，即Fs=R，合理的确定破坏判断标准将直接关系着强度折减法的结果合理性。目前，特征部位的位移产生突变、滑面上塑性区贯通、数值计算不收敛为强度折减法判断岩土体稳定性的三种常用标准。文章利用莫尔-库伦强度模型作为计算模型，破坏判据标准设为不平衡力是否发展平衡，并取表层20cm土体强度参数平均值作为植被根系加固土体强度参数，结果如表2。

表2 模型参数

2.2 计算结果

蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被根系和裸地加固边坡安全系数，如图1。从图1可知，裸地加固河堤边坡安全系数均小于各植被根系，从小到大排序为裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，采取蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被加固河堤，其安全系数较裸地提高了10.9%、7.8%、14.8%、23.4%，可见对加固河堤各植物根系发挥着积极作用。植被锚固坡体、增大土体抗剪强度为植被根系加固边坡的机理，有利于减少边坡崩塌和较好的抵抗浅层边坡滑动。此外，边坡抵抗径流破坏能力随土体抗剪切强度参数的增大而增强，即抗剪强度越高则边坡越难以发生土壤侵蚀。模拟过程中，由于未考虑植被根系保持水土的功能，因此模拟结果偏于安全。

图1 加固河堤边坡安全系数

3 结 论

文章利用直接剪切试验，模拟分析了土体抗剪强度参数受不同植被根系的影响，并对不同植被根系加固边坡安全系数利用强度折减法建议计算，从而揭示了河堤边坡加固效果与不同植被根系间的相互关系，得出的结论有：

含植被根系土层的内摩擦角、黏聚力等抗剪强度参数，随土层深度增大均呈减少趋势，而裸地呈增大趋势；裸地抗剪强度参数均小于各植被根系土体，可见植被有利于锚固坡体、增大土体抗剪强度，能够减少边坡崩塌和较好的抵抗浅层边坡滑动。模拟过程中，由于未考虑植被根系保持水土的功能，模拟结果偏于安全；裸地加固边坡安全系数均小于各植被，从小到大排序为裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，香根草的加固安全系数最高。