植被防护岸坡加筋机理研究

谭瑞琪，谢亚军，李欣然，姜宝莹，张桂荣

（1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室、南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.淮安市水利工程建设管理服务中心，江苏 淮安 223021）

1 引言

河流土质岸坡抗冲性较差，在水流冲刷下易发生失稳破坏，破坏环境且威胁人民生命财产安全，严重影响社会的稳定。与之相比，植被防护岸坡既提高了坡面抵抗径流搬运泥沙的能力，又滞洪补枯、调节水位、提高河岸稳定性，极大保护了河岸带生态环境。

植被护岸技术能有效降低降雨对岸坡的侵蚀，提升岸坡抵御水流冲刷的能力，提高岸坡稳定性。本文较为系统地分析了植被防护岸坡加筋机理，指出复合生态护岸结构增强了植被根系加筋固土的作用，提升了生态防护岸坡的整体稳定性。

2 草本植被根系加筋护岸机理研究进展

草本植物根系直径一般小于1 mm，在0～30 cm的表层土体内呈三维随机分布状态（图1），具有三维加筋特性[1]，可通过网络、缠绕、黏结作用固土[2]。因富含纤维素，所以草本植物根系具有更高的强度和延展性[3]，可根据在土体中的受力情况将其视为柔性材料[4]。胡其志等[5]指出根系加筋土、格栅加筋土，根系与格栅复合加筋土的应力-应变关系均符合邓肯-张模型，即通过增加土体抗剪强度的方式来提高土体力学强度[6]（图2），根—土复合体具有弹塑性变形能力[7]。

图1 典型草本护坡植被根系分布图

图2 裸土、根—土复合体的三轴应力圆分析

草本植被根系加筋护岸机理主要体现在两个方面：一是植被根系加筋的生物、化学固土作用；二是植被根系加筋的力学加固作用，增强土体抗剪强度，从而增强岸坡的抗冲效应与抗滑稳定效应。

2.1 植被根系加筋的生物、化学作用固土机理

土体基本结构是有机质和无机物质胶结而成的水稳性团聚体，一般是指土粒通过各种自然作用形成的直径小于1 cm 的结构单位[9]。研究表明大于2.5 cm 的水稳性团聚体可明显增强土体的抗冲效应[10,11]。草本植被根系加筋护岸结构从两方面增加团聚体数量从而提高岸坡稳定性：一方面，根系的化学作用释放有机物和无机物[12]，并且根系的生物作用增强微生物活性，更提高了土中的具有粘性和吸附特性的有机大分子、无机物、胶体和粘粒含量，增加了土体团聚体数量[6]。根—土相互作用既增加了土体团聚体数量，又能通过根—土接触面的胶结作用加强吸附、防止团聚体消散，提高岸坡土体的整体性。另一方面，通过土体中根系的网络、缠绕、根土粘结和生物化学作用将较小土块胶结成较大土块，稳定土体结构，形成抗冲性强的土体构型[13]，增强土体抵抗风化吹蚀、流水冲刷和重力侵蚀的能力[9]，达到固土护坡的目的。

2.2 植被根系加筋的物理作用固土机理

目前，根系固土作用的力学特性主要是通过提高根—土复合体的抗剪强度和抗拉强度，来增加土体力学强度[14]，其次通过改善土体的理化性质[15]来提升土体的性能。

2.2.1 增加抗剪强度

抗剪强度是衡量根—土复合体力学性能及抗冲效应的重要指标，是土体抵抗剪切破坏的极限强度。土体抗剪强度的表征参数为粘聚力与内摩擦角，即土颗粒内部及颗粒间的粘聚力和摩擦力越大，固土能力越强[16]。如图2 所示，圆Ⅰ为裸土土体极限平衡状态下的摩尔应力圆；圆Ⅱ则是根—土复合体极限平衡状态下的摩尔应力圆；两者的最大主应力σ3相等。对于原状草根加筋土，根系经受并对抗土体运动产生的剪切力来提高土体抗剪强度，其粘聚力一般高于裸土，摩尔应力圆中表现为粘聚力增加了△c，但根系加筋作用对土体内摩擦角基本没有影响[17]。

2.2.2 增加抗拉强度

抗拉强度是衡量物体力学性质的重要指标，而土体抵抗拉伸的能力弱，其抗拉强度可忽略不计。植被根系的抗拉性能较高，因此，根系的加入可显著改善土体的抗拉性能。由于根系与土体之间的摩擦作用，当土体发生较大的剪切变形时，土体中的根系承担了部分拉应力[7]，显著提高了土体抵抗剪切破坏的能力、抑制土体膨胀，进而提高了土质岸坡所承担的极限荷载[18]，有效增加土质岸坡延展性。

2.2.3 改善理化性质

植被根系具有束缚和抑制土颗粒的性能，有助于改善土体的容重、渗透性和孔隙度。在草地覆盖率为30%～50%、50%～70%和70%～100%时，土体容重随覆盖率的增加呈现先减小后增大再减小的趋势[19,20]。通过植被根系的支撑拱起、破坏面上法向应力的增加与孔隙水压力的变化引起土体含水量变化等因素，共同对岸坡的整体稳定性产生积极影响。

2.3 植被根系加筋固土机理的影响因素

植被根系对土体的加筋效果主要取决于根—土复合体抗剪强度和抗拉强度。根-土复合体力学性能的主要影响因素按重要性排序如下：分布密度、根—土接触面积及根表面粗糙度[21]、根系倾角[22,23]、土体含水率、冻融循环作用等。分布密度由根系形态（须根系、垂直根系）、水平和垂直分布规律共同决定，即根—土复合体存在最佳含根量（图3），此时加筋土的抗剪强度最大[24]。当土体含根量小于最佳含量根时，加筋土的抗剪强度由根系数量决定，随含量根的增大而增大[25]；当根系含量大于最佳含根量时，抗剪强度与含根量呈负相关关系，并受根系实际提供的摩阻力影响较大[26]。在垂直方向上，根系密度和直径逐渐减小，抗拉强度、抗剪强度随土体深度而变化[27]（图4）。粘聚力随根—土接触面积及根表面粗糙程度的增加而增加[21]。根系倾角α 值对于土体强度的提高宏观上表现为提高粘聚力c，对内摩擦角略有提高可忽略不计[22]。其中，根系倾角135°时抗剪强度的提高效果最大，45°提高效果次之，90°时提高效果最小（图5）。

图3 毛穗赖草根-土复合体含根量与粘聚力关系[24]

图4 根-土复合体力学性能与土体深度变化规律[27]

图5 根系倾角与土体抗剪强度的关系[22]

土体含水率与抗剪强度关系和最佳含根量相似，即在最优含水率下，根—土复合体抗剪强度最大[14]。冻融循环、干湿循环也会影响植被根系加筋强度。在初次冻融作用后，粘聚力损失量最大。随着冻融次数的增加，粘聚力损失量逐渐趋于平稳[28]，土体抗蚀指数逐渐减小[29]。根—土复合体粘聚力随干湿循环次数的增加骤减，而内摩擦角并无明显变化[30]。

3 研究展望

植物护坡是一个长期的、复杂的、动态的过程，根系护坡效果与植物的生长有很大关系，有明显时空属性。为了探讨生态护坡的可持续能力，需要深入研究生态护坡中根—土复合体抗剪强度特性随植物生长周边的变化规律，揭示根系固土作用的时间尺度效应，提出根土复合体强度增长预测方法。

研发根系土原位直剪仪（图6），并通过CT 三轴仪和数字图像处理系统等技术，系统研究植被生长过程中典型草灌植被根系分布形态变化对根土复合体应力—应变过程的演变规律，量化分析岸坡植被根系抗拉、抗拔力学特性，揭示根系固土作用的时间效应。研究根土复合体微细观结构（形态、排列形式、孔隙性和接触关系等），探讨根土复合体破裂面形态及其固土护坡机理，构建与其微细观结构和植被生长周期相适应的根系—土耦合力学模型，在此基础上提出根系—土复合体强度计算及其增长过程预测方法，为准确评价浅层岸坡稳定性提供理论支撑。

图6 原位可移动式大型直剪仪示意图

4 研究结论

草本植被根系加筋护岸机理主要体现在两个方面：①植被根系的生物、化学作用。增加土体水稳性团聚体数量，通过植被根系的网络、缠绕、黏结固土作用使得土体形成抗冲形构型；②植被根系物理作用。根系增加了土体的延展性，减少了土体裂隙与土体变形。通过根系加筋作用提升抗拉性能和抗剪强度，提高土质岸坡所承担的极限荷载，提高土体的整体稳定性。