青藏公路五道梁-沱沱河段高寒草甸根系力学效应研究

张培豪, 卢海静, 胡夏嵩, 刘昌义, 朱海丽, 付江涛, 吕伟涛, 周 喆, 杨馥铖

(1.青海大学地质工程系, 青海 西宁 810016; 2,青海大学农牧学院, 青海 西宁 810016;3,青海大学青海省农林科学院, 青海 西宁 810016)

我国多年冻土分布面积约为2.15×106km2,占全国陆地总面积的22.4%,其中青藏高原多年冻土区面积为1.5×106km2,占全国多年冻土面积的69.8%[1]。近年来由于受到全球变暖的影响,青藏高原多年冻土发生不同程度退化现象,其中热融滑塌灾害则是多年冻土区边坡灾害的主要类型之一[2-6]。已有研究表明,热融滑塌会改变活动层的水热过程,使地表植被退化、加剧水土流失,进而导致多年冻土区发生生态系统退化现象[7],并对冻土工程的安全性造成一定程度的影响和危害。青藏高原多年冻土区因其特殊的地理位置和气候环境条件,形成了特殊的高寒生态系统,这种生态系统无论是在整个生态系统还是各子系统,均具有结构简单、生产力水平低、稳定性差、修复能力弱和易受外界因子干扰等特点[8-9]。根据青藏公路沿线不同时期野外冻土工程地质调查结果可知[10],将发生的斜坡失稳类型归纳为正冻土滑坡和正融土滑坡;其中正融土滑坡含融冻泥流、热融滑塌2种类型,正冻土滑坡为蠕变型滑坡、崩塌型滑坡;进一步研究表明,正融土滑坡与季节交替过程中,在土体中形成的冻融作用有关,故正融土滑坡属浅层滑坡,且热融滑塌也属于浅层滑坡[10]。相关研究表明,植被对提高坡面稳定性和增强生态系统稳定性起着重要作用,故植被生态防护被视为边坡防护的一种重要生物措施,得到了广泛的推广和应用[11]。近年来,受全球气候变化和人类工程活动等因素影响,青藏高原多年冻土区高寒草地退化和热融滑塌灾害现象的发生,已对区域生态环境及畜牧业发展造成了不利影响[12]。因此,开展青藏高原冻土区高寒草地热融滑塌灾害的科学防治,对于有效保护区域生态环境以及主要交通基础设施的正常运行具有重要的现实意义。

植物根系除了可增强土壤抗冲性、防治层状面蚀和河岸侧蚀等作用外,还可起到稳定斜坡,控制重力侵蚀、浅层滑坡和崩塌等作用[13-16]。张玉等[17]通过开展单根拉伸试验和石蜡切片试验,定量分析华扁穗草(Blysmussinocompressus)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)和金露梅(Potentillafruticosa)3种植物单根力学特性及其与微观结构之间的关系,发现当根径为<0.5 mm、0.5～1.0 mm和>1.0 mm 3个根径级别时,3种植物单根抗拉力和延伸率均随根径增加而增大;且单根抗拉强度随根径增大而减小。徐文秀等[18]对狗牙根(Cynodondactylon)、苍耳(Xanthiumsibiricum)2种草本植物根系开展单根拉伸试验,结果表明2种草本单根抗拉力和单根抗拉强度随着根径增大,分别呈幂函数增长和幂函数降低关系。目前,有关植物根系抗拉力学特性方面的研究多集中于针对不同植物属种、不同根径条件下,单根抗拉力和抗拉强度的大小及变化规律开展的相关研究;但是,植物其群根抗拉力、群根抗拉强度随根系数量的不同而表现出的变化规律及其特征方面的研究则相对偏少。

综上,有关青藏公路(铁路)沿线发育的热融滑塌灾害及其地表水土侵蚀方面,主要的研究方法采用原位变形监测、温度场变化和土壤含水率等指标的监测等[19-20];相比较而言,通过原位测量植物株高、地径、覆盖度等生物量指标,开展植物单根力学性能、根-土复合体强度以及草甸层根-土复合体拉裂特性研究。因此,进一步探讨植物根系增强冻土强度和评价其有效防治热融滑塌灾害所起到的作用具有重要意义。本研究以青藏高原多年冻土区五道梁至沱沱河段高寒草地热融滑塌灾害为研究对象,通过开展野外原位草甸层拉裂试验、室内单根和群根拉伸试验,探讨单根和群根力学效应及增强冻融滑塌区土体抗拉强度贡献,以期为科学有效防治青藏公路(铁路)沿线冻土区热融滑塌现象,以及水土流失等灾害提供理论和实际指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取青藏公路五道梁至沱沱河段热融滑塌分布区为研究对象,位于92°53′40″ E,34°43′38″ N,海拔为4 760 m(图1)。区内属青藏高原可可西里多年冻土区,地处冲、洪积高平原,属高寒半干旱气候区,年平均气温为-5.3℃,年均最高气温和最低气温分别为4.5℃和-11.0℃,年均降水量为290.9 mm,其中93%的降水发生在植物生长季(5～9月),年均蒸发量为1 316.9 mm,冻结期为10月到翌年4月[21]。区内多年冻土活动层厚度一般可达2～3 m(最大厚度为3.4 m,最小厚度为1.7 m),地表生长植被属高寒草甸类型[22]。

本研究采用环刀法、烘干法对区内原生草甸层土体密度及含水率进行测定,采用LP-100D数显式土壤液塑限测定仪对土壤液塑限相关指标进行了测定,结果如表1所示。通过野外调查得到,研究区草本植物主要类型为矮嵩草(Kobresiahumilis)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)、紫花针茅(Stipapurpurea)等种类。

表1 研究区热融滑塌分布区草甸层土体密度和含水率试验测试结果

1.2 试验材料与方法

1.2.1取样方法 本研究选取研究区原生草甸发生热融滑塌灾害分布区域,制取根-土复合体试样。在制取试样过程中,小心挖取地表以下0～10 cm深度原生草甸层含根系土体,同时制取其密度试样和含水率试样;然后,将复合体试样使用保鲜膜包好后放入样品箱内,并做到及时带回实验室分别进行单根、群根拉伸试验。其中,在开展室内根系拉伸试验时,主要选取优势原生草本其根系为0.3～0.4 mm的主根系,做到确保在开展植物单根、群根拉伸试验时根径规格的一致性。如图2所示为试验区草甸层拉裂试验模具安置及制取土体物理性质指标试样。

图2 试验区草甸层拉裂试验模具安置及其制取土体物理性质试验样品

图3 草本植物根系试样以及单根和群根拉伸试验过程

1.2.2单根拉伸试验 本研究开展的单根拉伸试验,采用上海衡翼精密仪器有限公司制造的HY-0580电子万能材料试验仪。该试验仪主要由数据采集系统、工作系统两部分组成,单根抗拉力、伸长量及单根抗压强度等结果由数据采集系统自动记录并输出[23]。试验开始前,首先将试验区制取的草本根系上附着的土体用水清洗,并用干毛巾吸干水分,并剪取根长为4～10 cm、且表皮完好新鲜根段,每60根为一组进行单根拉伸试验,共计16组。试验前采用游标卡尺测量待进行拉伸试验的单根根径,然后将根段夹持在标距为20 cm的上、下两个拉伸夹具之间。在试验开始前将试验仪器清零处理后,点击“开始”按钮开始拉伸试验,待试样破坏后,试验自动结束并记录试验结果;在试验过程中,植物单根拉断时的力即为该根段所能承受的最大抗拉力[16]。本研究采用的单根拉伸试验草本植物以高山嵩草为主,单根最大抗拉力是由试验得到而抗拉强度则由公式(1)计算得出。

(1)

式中,P表示抗拉强度(MPa);F表示单根最大抗拉力(N);D表示平均单根直径(mm)。

1.2.3群根拉伸试验 本研究所选用的供试种以高山嵩草为主,由矮嵩草、藏嵩草、线叶嵩草、紫花针茅等原生草本植物组成。群根拉伸试验选取植物鲜根作为试验材料,在开始试验时,首先将根系上附着的土壤颗粒清洗干净,为方便开展试验,剪取根长为4～10 cm且根径为0.3～0.4 cm,表皮完好新鲜根段作为供试样品。在试验过程中,为探究群根效应与根数之间的关系,将鲜根系样品分别按照2n(n=1,2,3……;n≤6)和2n-1(n=1,2,3……;n≤8)的数量关系进行分组,其目的在于有效确定群根抗拉力与根数之间的函数关系。然后,将试样夹持在上、下两夹具间,采用HY-0580电子万能材料试验仪对每一组样品开展群根拉伸试验,标距设定为20 cm;待试验结束后将根系试样小心取下,记录断根数量,并导出试验结果。在群根拉伸试验中,做到每组样品重复3次,并计算出断根率(δ),试验过程如图5所示。其中断根率(δ)由每组试验结束时统计的断根数与试样根数之比得到,具体计算公式如下:

(2)

式中,δ表示断根率(%);N1表示群根拉伸试验结束时统计得到的断根数(根);N2表示群根拉伸试验开始前统计的根数(根)。

1.2.4草甸层拉裂试验 本研究草甸层拉裂试验装置结构和原位试验过程图4所示,将模具夹头的规格分为A和B 2个尺寸,其中,模具A夹头外形尺寸为长×宽×高(L×W×H)为26 cm×8 cm×12 cm,拉裂面尺寸长×高(L×H)为12 cm×12 cm;相应地,模具B夹头外形尺寸为长×宽×高(L×W×H)为12 cm×5 cm×12 cm,拉裂面尺寸长×高(L×H)为4 cm×12 cm。在区内原位开展草甸层拉裂试验过程中,按照A、B 2种尺寸规格选取合适位置将草甸拉裂试验模具夹头镶嵌至草甸层内;然后,将拉拔仪与模具连接,沿垂直模具的方向缓慢向外施加拉力,直至模具内草甸层沿拉裂面完全断裂为止,记录试验结果,并对拉裂面草本植物根系数量和分布特征进行描述。该试验由拉力传感器测得草甸层拉裂的极限抗拉力,试验结果由拉拔仪记录并处理。

图4 草甸层拉裂试验装置结构(A)以及原位试验过程(B)

2 结果与分析

2.1 单根抗拉力学性能及其特征

如图5所示为区内高山嵩草为主要类型的单根拉伸试验根径与平均伸长率、抗拉力以及抗拉强度之间的关系,试验供试种根径为0.3～0.4 mm时,其根径与平均伸长率之间呈指数函数关系,表现出根系伸长率随着根径的增加而增大。根径为0.2～0.8 mm时,其单根最大抗拉力表现为随根径增加表现出逐渐增大的变化趋势,且两者之间呈幂函数关系,草本植物单根抗拉力为1.3～12.3 N。草本单根抗拉强度表现出随着根径增大而呈逐渐减小,且二者之间呈幂函数关系,其单根抗拉强度为143.3～15.8 MPa。

图5 研究区草本单根拉伸试验根径与平均伸长率、抗拉力以及抗拉强度之间的关系

2.2 群根抗拉力学性能及其特征

本研究选取以高山嵩草为主要类型的草本根系进行室内群根拉伸试验。试验过程中设置拉伸速率为20 mm·min-1,标距为20 mm。选取根径为0.3～0.4 mm的根系作为试验对象,试验结果如表2所示。通过分析可知,随着根数的增加其群根断根率呈下降的变化趋势。

表2 试验区草本群根平均抗拉力、抗拉强度及其群根抗拉力理论计算结果

如图6所示为根系数量与抗拉力、抗拉强度之间的关系,由该图可知,以高山嵩草根系为主的群根抗拉力和根数间表现为呈线性关系;进一步分析可知,在群根拉伸试验过程中,由于根系伸长率不同,表现出伸长率相对较小的根系先被拉断,而伸长率较长的根系则未发生断裂,故当根系数量较多时,存在根系并未被全部拉断的现象。此外,区内草本群根抗拉强度随根数增加,表现出其群根抗拉强度亦呈相应的增大,且根数与群根抗拉强度之间符合线性函数关系。

试验区内2种不同分组由其群根拉伸试验得到的群根抗拉力试验值与抗拉力理论值之间呈线性关系,根系数量增加,群根抗拉力理论计算值大于试验值(图7)。其中,当根数大于4根和3根时,草本群根抗拉力理论值大于试验值,原因在于草本群根拉伸试验过程中,存在根系未被全部拉断的实际情况,而群根抗拉力理论值则是假定每组根系全部断裂计算得到的。

图7 试验区草本群根抗拉力试验值与抗拉力理论值之间的关系

2.3 草甸层根-土复合体拉裂力及其特征

由表3所示可知,拉裂力理论计算值高于草甸层原位拉裂试验测得的拉裂力,表现为小尺寸拉裂面含根量为70～80根时,其拉裂面产生的拉裂力为160～180 N,相应的拉裂强度为30～40 kPa;大尺寸拉裂面的含根量为150～180根,拉裂面产生的拉裂力为340～390 N,其相应的拉裂强度为20～30 kPa。通过进一步分析可知,拉裂面理论计算值显著高于试验值的原因在于,区内开展草甸层原位拉裂试验时,部分根系被整体拔出并未发生拉断现象,未能全部反映出草甸层根-土复合体自身所具有的拉裂力;其次室内群根拉伸试验选取根径为0.3～0.4 mm,而野外试验区草甸层原位拉裂试验根径分布范围则表现出相对较大,故室内开展的单根拉伸试验所得到的抗拉力与野外实际根系分布存在一定差异性。

表3 研究区草甸层根-土复合体原位拉裂试验与拉裂力理论计算结果

由表3可知,试验区草甸层根数与原位拉裂力试验值之间的关系表现在,区内随着草甸层根数的增多,草甸层拉裂面产生的拉裂强度则表现出呈减小的变化趋势。草本根系在草甸层拉裂过程中,通过草甸层的群根抗拉效应,起到抑制草甸层被拉裂和开裂的作用,并表现出草本根系愈密集,则其草甸层的群根效应相应愈强的特征。基于此,区内草本群根效应对提高草甸层热融滑塌区土体抗拉强度起到显著作用。

3 讨论

植物根系的固土护坡效果受到多方面的影响,主要是根系的抗拉承受力、抗剪力,同时受到根长、根径及根系分布等根系发育程度的直接影响[24]。由有关植物根系抗拉力的相关研究结果表明根系的直径与其抗拉力之间具有明显的正相关性,即随着根系直径的增大,结果表现为不易受外力作用下直接被拔出[25-26]。本研究通过开展的单根拉伸试验其结果与上述结论基本一致,表现为本研究所得到的草本单根抗拉力和抗拉强度随根径增加分别呈增大和减小的趋势,且二者之间均呈幂函数关系。

通过对已有相关研究结果的分析可知,采用群根拉伸试验开展对植物根系抗拉力和抗拉强度的研究还相对较少。植物根系固土发挥的是其群根效应,为了进一步探讨单根与群根作用之间的联系,本研究选取以高山嵩草为主、根径为0.3～0.4 mm的草本植物且将根系划分为指数递增和奇数递增2组,并对这2组试样进行室内群根拉伸试验。在此基础上,通过对比分析单根、群根拉伸试验结果可知,草草本单根抗拉力、抗拉强度随根径增加分别表现出增大和减小的变化规律,而群根抗拉力、抗拉强度则表现出随着根系数量增加而增大,且与根数之间呈线性函数关系。此外,诸多有关草本单根抗拉力学特性研究结论表明,草本根系可以有效增强土体强度、土壤受侵蚀等能力,且根系可以有效增强土壤表层持水能力以及通过根系的阻滞作用降低土壤水分下渗的能力,基于此,群根效应亦表现出此类作用[27-28]。

此外,有关青藏高原草甸层抗拉力学特性研究方面已有的相关研究成果还相对较少。李本峰等[29]采用现场挖空法,对黄河源区河南县曲流河河岸二元结构3个点位开展2种植被群落类型的根-土复合体抗拉特性原位试验,结果表明3个点位的根-土复合体的抗拉强度值分别为66.86 kPa,21.29 kPa,22.63 kPa。本研究草甸层根-土复合体原位拉裂试验得出大尺寸、小尺寸拉裂面产生的平均拉裂强度分别为25.36±1.19 kPa,34.61±1.32 kPa的研究结论,与上述学者的研究结论基本一致。与此同时,已有研究表明,高寒草甸作为青藏高原生态系统最主要的组成部分,不仅能固土护坡、改良边坡表层土壤,增加土壤有机质,为植物提供良好的生长环境,亦能减缓雨水对地表的直接冲刷,减少地表径流,从而起到保持水土、涵养水源、减轻自然灾害等作用[30-31]。

进一步分析得到,草本植物根系通过群根的牵拉作用起到增强土体强度的作用,由3.2部分试验结果可知,在群根拉伸试验过程中,随着每组实际断根数的增加,群根抗拉力与抗拉强度呈上升的变化趋势,且由于根系的伸长率不同,在草甸层拉裂过程中,一部分根系断裂,另一部分则被整体拔出,其结果造成断根率呈下降趋势,这一结论与本研究中的草甸层拉裂试验结果基本相一致。

本研究通过单根及群根拉伸试验和草甸层拉裂试验探讨植物根系增强土体强度的群根效应,发现当草甸层受拉力作用时,草本植物通过深扎在土壤中的根系与土壤之间的缠绕和摩擦作用提供抗拉力,其所具有的抗拉力与植物根系自身生长特性有关,表现为根径愈大、根长愈长,单根的抗拔力愈大[32-33]。此外,土壤中的根系数量愈多,在草甸层受拉力作用时,根系与土体之间的摩擦力亦愈大,相互缠绕的越紧密,根系增强土体强度其群根效应愈明显,进而起到显著增强草甸层抵抗拉拔的作用[34-35]。本研究通过开展植物单根力学性能、根-土复合体强度以及草甸层根-土复合体拉裂特性研究,得到区内以高山嵩草为主的草本根系,在群根拉伸试验过程中随着根系数量增多,群根抗拉力、群根抗拉强度随着根数的增加而增大,表现出群根抗拉力、群根抗拉强度与根数之间均符合线性函数关系,且断根率随根数的增加呈减小趋势。因此,区内开展草甸层根-土复合体原位拉裂试验过程中,随着拉裂面位置处草本根系数量的增加,表现出所产生的抗拉力亦呈增加的趋势。

4 结论

青藏公路沿线研究区内的草本植物根径为0.3～0.4 mm时,其根径与平均伸长率之间呈指数函数关系,且其单根抗拉力与根径、单根抗拉强度与根径间均呈幂函数关系;草本群根抗拉力、抗拉强度随着根数的增加而增大,且根数与群根抗拉力、根数与群根抗拉强度之间均符合线性函数关系;断根率表现为随着根数的增加呈逐渐减小的变化趋势;群根抗拉力、抗拉强度则随着根系数量的增加而显著增大,二者之间表现为呈线性函数关系;草甸层原位拉裂试验中不同尺寸拉裂面其所产生的拉裂强度不相同,表现在小尺寸拉裂面产生的平均拉裂强度为(25.36±1.19) kPa,大尺寸拉裂面产生的平均拉裂强度则为(34.61±1.32) kPa。因此,该区域内以高山嵩草为主要类型的草本根系起到显著抑制热融滑塌形成的作用。