株下竖向植筋带联合植被护坡的水力特性土柱试验

范丽娟，杨文琦，周 成，陈 群，谭昌明

(1.四川大学 水利水电学院 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 四川 成都 610065；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610041)

土坡经历了季节性干湿循环后，坡面发育的裂隙会成为雨水入渗通道从而致使发生滑坡[1]。工程界常使用浆砌片石、喷射混凝土等传统工程措施，需费时费力对其进行定期维修和养护[2]。同时，传统的工程措施由于外观单一，与周边环境不兼容，不利于生态建设。因此工程界开始热衷于采用植被护坡的方法来解决边坡浅层失稳的问题。

大量研究表明，植被在抑制水土流失、抑制裂隙开展、维持边坡浅层稳定性方面发挥着较好的作用[3]，其护坡机理主要分为力学效应及水文效应两部分[4]。力学效应大多集中在植被根系对边坡土体的加固作用上，然而由植被引起的水文变化过程对于边坡稳定性的影响常常被低估，甚至被忽视[5]。植被根系吸水及蒸腾作用对边坡的稳定安全系数影响更明显[6]；植被能够吸收土中水分并释放到大气中，提高土体的基质吸力，这部分额外吸力又能够影响土体的抗剪强度[7]；所以植被能够通过影响边坡土体的水力特性从而达到提高边坡稳定性的效果。但是Wu等[8]发现，植物边坡的防护效果同植被的生长情况有密切联系，而植被的生长同土体的含水率息息相关，一旦植被边坡长时间没有水分输入，植被就会缺水凋萎，植被防护自然失去效果。植被对土体渗透性能的影响同样值得关注，部分学者认为当植被根系较细小且有较发达的水平须根时，根系能填充土体的孔隙，降低土体的渗透性[9-10]；而部分学者则认为植被生长过程中在土体中形成了大孔隙，促进了雨水的入渗，即形成优势流通道[11-13]，造成植物边坡的失稳。

为同时满足边坡的稳定性要求及植被的生长需求， 在株下设置竖向植筋带，可以弥补植物根系太短而不能有效加固土坡的不足，以便增强植物对边坡降雨破坏的容灾能力[14]；植筋带还具有较好的持水作用，可为植株生长提供水分。但是，又担心植筋带会成为新的入渗通道，威胁边坡稳定性，因此，为探究竖向植筋带联合植株加固土坡的可行性，本文以该方式加固的土坡为研究对象，利用一维土柱试验观测干湿循环条件下土柱表面裂隙的发育及土体内部体积含水率和吸力等水力特性的变化规律，并分析在降雨条件下，植筋带对雨水入渗的影响。

1 土柱试验

试验采用野外常用的空心莲子草，这种植物抗逆性强，生长迅速，既喜阳又耐阴，能适应湿地、旱地等多种生长环境，是野外边坡上常见的粗放型植被[15]。为了便于对比，统一选用根长约为10 cm～15 cm的植株，主根直径约为6 mm～8 mm。对试验所用土料进行了颗粒分析、界限含水率、比重、渗透及击实等基础试验，根据试验结果将其定名为含砾低液限黏土。试验用土控制压实度为85%，制模含水率取12%[16]。

土柱试验共分为3组：试验组1为裸土(对照组)，用于研究干湿循环条件下土层中的水分变化特征；试验组2种植了空心莲子草，用于研究植被蒸腾作用下土体内部的水分变化；试验组3种植了空心莲子草后植入竖向植筋带。植筋带为一种土工合成材料，具有较好的持水作用和抗拉强度，试验中可以是2 cm宽致密的尼龙编织带，长约20 cm。由于植筋带的纤维间具有众多细小的孔洞，植筋带一端入水时，由于毛细作用，水能沿着植筋带向上运移，并很快浸透整条植筋带。

3个试验组均由40 cm高的土层构成，土层以下都设置5 cm厚的砂层构建自由排水边界条件。为测量土体吸力和含水率的变化，在3个土柱内部的相同位置都布置三处测点，三个测点分别在表面以下10 cm、20 cm、30 cm处，各试验组测点位置示于图1。

图1 土柱试验模型示意图(单位：cm)

为避免制样击实对吸力和含水率传感器造成扰动损坏，制模时并没有直接预埋传感器，而是预埋保护传感器的开孔的塑料花管。制模完成之后，将试验组2和试验组3放置在室内养护半个月，满足植物生长恢复期的要求。养护完成后在开孔的塑料花管的土中植入传感器开始进行试验，持续监测整个干湿循环过程中土柱内部的土水特征变化情况。

干湿循环过程分为三个阶段：(1) 饱和阶段，对三个土柱进行浸水饱和，直到所有吸力传感器读数接近初始饱和读数，此时含水率传感器读数为土体的饱和体积含水率，使3个试验组保持相同的初始条件；(2) 干燥阶段，将三组试样暴露在相同的大气条件中，使其进行蒸发蒸腾，控制室温在20℃左右，同时辅以白炽灯模拟人工太阳辐射，来促进植被的蒸腾作用，加速干燥进程，干燥阶段约持续13 d左右；(3) 增湿阶段，采用水头浸泡来模拟降雨积雨入渗的影响，降雨量为2 cm，观察水头变化过程(即雨水入渗过程)中吸力和含水率的变化情况。降雨完成后，相当于完成一个干湿循环过程。之后再重复以上干湿循环过程1次。三个阶段均记录试验过程中吸力和含水率的变化情况。

2 试验数据整理与分析

2.1 裂隙发育情况分析

在干燥过程进行10 d后，3个土柱土表均产生了较明显的裂隙。无植被的试验组1与有植被的试验组2(试验组3与试验组2的土柱表面裂隙开展形式接近)土柱表面的裂隙发育情况如图2所示。

观察可见，试验组2中裂隙宽度和深度较试验组1中的裂隙更大。测量得试验组1中裂隙最大宽度约为1 mm，最大深度约为1 cm，深度最大处位于土柱边缘。在干燥过程中，试验组1首先沿管壁发生干缩现象，随着干燥过程的继续进行，裂隙由试样边缘向中心发展，越靠近土柱中心，裂隙越细小。试验组2中最大裂隙宽度约2 mm，深度最大处位于植株根茎周围。在干燥过程中，试验组2首先在植株茎部周围出现一条主裂隙，后以植株茎部为中心向四周扩展，在主裂隙中点或拐点处也逐渐发育出更细小的微裂隙，整体呈放射状，且裂隙联系较紧密。这是因为植被的存在促进了土体和大气中的水汽交换，使得土体含水率变化更加剧烈，从而促进了裂隙的发育[17]，所以植被的蒸腾作用进一步促进了土体表面裂隙的发展。

图2 第一阶段干燥10 d后裂隙开展情况

2.2 吸力测试结果分析

在干湿循环过程中，各测点(10 cm、20 cm、30 cm埋深)吸力值的变化曲线如图3所示。由于在整个干湿循环过程中，降雨量较少，入渗较快，导致降雨过程中的吸力变化在图3中显示出一条陡然下降的直线，不能清晰反映出降雨入渗过程中土体吸力变化，因此单独将两个阶段降雨过程中吸力变化图绘出，如图4所示(W1指第一阶段降雨过程，W2指第二阶段降雨过程，小窗口为试验组1中相同位置测点的相应曲线)；图5对比了两次干燥过程中吸力沿深度的分布情况。

图3 干湿循环过程中各测点吸力随时间变化曲线

图4 降雨过程中各试验组中各测点吸力随时间变化曲线

图5 两个阶段干燥过程吸力沿深度分布曲线

2.2.1 干湿循环下吸力变化规律

由图3可见，浸水饱和阶段后，各测点吸力值接近0 kPa；在干燥过程中，随着蒸发蒸腾作用的进行，吸力值升高；降雨后又迅速降为0 kPa。由图4可以看出，随着降雨过程的进行，沿坡土深度的各测点吸力值均降低，最后达到近饱和状态。

(1) 各试验组的吸力变化规律对比分析。由图3可见，在两次干燥过程中，试验组2和试验组3产生的吸力值均大于试验组1的吸力值。相较于试验组1，试验组2在两次干燥过程中的吸力最大值均提高了8%；而试验组3在两次干燥过程中吸力最大值分别提高了132%和198%。这是因为试验组1在干燥阶段仅发生土体水分的蒸发作用，而试验组2、试验组3中由于植被的存在，在干燥阶段不仅发生蒸发作用，还会因为植被蒸腾作用发生根系吸水现象，促进了裂隙发育，从而增加了试验组2和试验组3土体表面的蒸发通道。

在两次干燥过程中，试验组3产生的吸力最大值均约为试验组2的两倍。土体表层发育的裂隙将更深层的土体暴露在大气条件下，在蒸汽压差的营力下，深层土体中的水分会沿着持水加筋带的致密孔隙向上迁移，将水分运送至蒸发面，使得试验组3中的土体维持更高的吸力值。

(2) 吸力沿坡土深度的变化规律。由图5可见，在三组试验组中，位于根深15 cm范围以内的测点1测得的吸力均明显大于根深范围以外的测点2和测点3的吸力值，除了表层土体水分蒸发的影响，更重要的是由于植被根系的吸水作用。

在第一阶段干燥过程中，试验组3的测点1处土体的最大吸力比试验组1的测点1处土体的最大吸力为15 kPa左右，也远大于试验组2，且影响范围更深，这是因为持水加筋带的存在加速了土中水的蒸发，使根深范围以内和以外的土体之间形成了更大的水力梯度，水分的不断丧失和向上迁移使试验组3中根深范围内的土体也更加干燥，同时也加大了吸力变化范围。

2.2.2 降雨响应时间

(1) 各测点吸力的降雨响应时间。在图4中，对比试验组2和试验组3，由于测点1主要受到裂隙影响，而两个试验组的裂隙发育相似，故降雨开始反应的时间较接近，约在降雨开始10 min时。但雨水入渗至测点2的开始反应时间产生了差异，分别在降雨开始后24 min和13 min时。这是因为试验组3中植筋带的存在加速了雨水的入渗，使得雨水入渗至两个试验组测点2时产生了时间差。而测点3处受干湿循环次数影响较小，故两试验组差别不大。

(2) 各阶段吸力的降雨响应时间。在图4中，对于试验组2和试验组3，在第二阶段降雨过程中，各测点反应时间均比第一阶段降雨过程中的反应时间短。这是由于经历第二阶段干燥过程后出现了更多的微裂隙，裂隙网络更密集，缩短了雨水入渗的时间。随着干湿循环次数的增加，裂隙的深度和宽度会越来越大，在破坏土体整体性的同时也增加了雨水入渗通道[18]。

(3) 各试验组的降雨响应时间。雨水在裸土对照组1中入渗的时间明显长于有植被的试验组2和试验组3，测点1在两个阶段降雨过程中开始反应的时间均比试验组2和试验组3滞后了40 min左右，而底部测点3最终达到饱和所用的时间约为其他两个试验组的十倍。虽然在干燥阶段试验组1中裸土表面有裂隙发育，但裂隙微小，降雨初期黏土遇水膨胀后这些微小裂隙完全愈合，并没有提高土体整体的渗透性。同时因为没有植被的存在，裸土表面不如试验组土柱表面粗糙，影响了雨水入渗至土体内部。

2.3 含水率测试结果分析

两次干湿循环过程中各测点体积含水率随时间的变化如图6所示。由于降雨阶段时间较短，图6不能反映各测点体积含水率在降雨阶段的变化情况。三个试验组土柱表层测点1在降雨阶段体积含水率响应情况示于图7。

图6 干湿循环过程中各测点体积含水率随时间变化曲线

图7 各阶段降雨过程中测点1体积含水率随时间变化曲线

由图6可见，从总体趋势来看，各组表层土测点1的体积含水率变化最剧烈，且体积含水率变化幅度随传感器的埋深增加而递减，这与表层蒸发和植被蒸腾作用有关。由于植株根系具有持水作用，而试验组2中测点2位于植株根系影响范围内，故其体积含水率变化幅度比测点3平缓。此外，因为体积含水率传感器测得的数值波动较大，所以绘制的曲线并不光滑；且由于手工制样造成了试样不均匀，导致初始饱和时局部位置未达到完全饱和，所以测点2和测点3处的初始体积含水率偏低。

对比降雨段局部放大版的图4和图7的时间反应，三个试验组测点1的体积含水率在降雨后开始响应的时刻同吸力响应时刻接近。试验组1中测点1在两个阶段降雨过程中开始响应的时刻分别在降雨开始后52 min和44 min时；试验组2和试验组3在降雨过程中开始响应的时刻相同，这两个试验组中测点1开始响应的时刻在两个阶段中分别为降雨开始后10 min和5 min左右。说明在表层10 cm土体内，雨水均匀入渗。又由于吸力传感器存在滞后效应，因此吸力传感器从开始响应到达到饱和值所花费的时间比体积含水率传感器耗费的时间更长。

由以上分析可知，在干燥过程中植被的存在促进了土体表层的裂隙发育，连通了持水加筋带与大气环境，加速了土中水分的散失。虽然竖向植筋带相当于延长了根系的长度，可以增强植物边坡的降雨滑坡的容灾能力，但在降雨过程中，其又为雨水提供了新的入渗通道，增加滑坡风险。因此应该设法控制表层土开裂，特别是注意植筋带周围土体的压实和它顶部的封闭，以减少降雨工况下的大孔隙优势流，这样才能有效发挥竖向植筋带及其周围根系盘结形成的“辫子”作为延长根的力学加筋作用。

3 结 论

本文以株下竖向植筋带联合植物加固的土坡为研究对象，利用一维土柱试验观测了干湿循环条件下坡面裂隙的发育及土体内部体积含水率和吸力等水力特性的变化规律：

(1) 试验发现在干燥的过程中，蒸发作用会促进土体表面裂隙的发育，相对于裸土而言，植被的蒸腾作用促进了土体表面的裂隙发育，裂隙深度与宽度随干湿循环次数的增加而增加。

(2) 在干湿循环过程中，植被根系深度(本文为15 cm)范围以内体积含水率和吸力变化剧烈，且变化幅度随着深度的加深大致呈递减趋势，根深范围以外含水率和吸力几乎不发生太大的变化。

(3) 在干燥过程中，株下植筋带联合植株引起的吸力值大于只有植株的土柱产生的吸力值，约为其两倍，裸土蒸发引起的吸力值最小。

(4) 第二阶段干燥过程中土体的吸力大于第一阶段，同时第二阶段降雨过程中吸力响应时刻明显早于第一阶段，意味着更明显的裂隙发育。

(5) 在降雨过程中，由于表层裂隙的存在，竖向植筋带会加速雨水入渗，不利于边坡的稳定。因此必须在考虑植筋带作为延长根起到力学加筋作用的同时，设法控制表层土开裂，例如采用文献[19]介绍的通过控制表层坡土水分抑制坡土开裂的CBS或CCBE坡面防护系统。