李　杰, 姚明帥, 周彥章, 孫　銳

(1.山東省水利工程局有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量基礎(chǔ)設(shè)施工程正在我國(guó)西北、華北沙漠地區(qū)規(guī)劃和建設(shè)，如輸水渠道、輸氣管道、沙漠公路、水工建筑物和輸變電線路等，普遍存在大量砂性土邊坡、砂基或砂堤。植被護(hù)坡作為利用植被涵水固土原理保護(hù)邊坡，同時(shí)美化生態(tài)環(huán)境的一種新技術(shù)正得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1]，有關(guān)植被根系固土機(jī)理和植物根系對(duì)土體穩(wěn)定性影響的研究越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)重視[2]。植物固土-生物軟措施在一定程度上能夠替代工程措施，并與之互補(bǔ)，在經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面具有重要應(yīng)用意義[3]。

植物固土護(hù)坡技術(shù)利用植物根系與坡面土體的結(jié)合，改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加坡面表層土體土壤團(tuán)粒數(shù)量，靠淺根的加筋作用、深根的錨固作用以及根莖間纏繞加固邊坡、提高坡表抗沖刷的能力。通過(guò)植物固土護(hù)坡不僅可以涵養(yǎng)水源，減少水土流失，而且還可以保護(hù)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)景觀造景，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。狗尾巴草作為北方地區(qū)典型旱地常見草本植物，具有適生性強(qiáng)，耐旱、耐貧瘠，酸性或堿性土壤條件下均可生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，須狀根發(fā)達(dá)，是良好的固土護(hù)坡植被。通過(guò)含狗尾巴草的砂性土邊坡表層土體直剪試驗(yàn)，從“根系-土”相互作用的力學(xué)加筋特性、草本植物的水文效應(yīng)兩個(gè)方面分析典型草本植物對(duì)砂性土邊坡表層土體的防護(hù)作用，為類似工程實(shí)踐提供理論參考。

1　草本植被護(hù)坡作用類型劃分

2　典型草本植物加固砂性土直剪試驗(yàn)

狗尾巴草作為典型草本植物，其根系對(duì)土體強(qiáng)度的加強(qiáng)作用可分為深根的錨固作用以及淺根的加筋作用。對(duì)于淺根的加筋作用，可將含有植物淺根的土體視為加筋土，植物根系在土體中通過(guò)纏繞、穿插、擠壓等作用，增強(qiáng)了土體抵抗剪切破壞的能力。根據(jù)加筋土的強(qiáng)度理論[4]并結(jié)合剪切試驗(yàn)，能夠得到植物根系加筋土的抗剪強(qiáng)度，分析植物根系對(duì)于土體的加固防護(hù)作用。由于邊坡表面土層所受剪切力主要為水流剪力及土體自重下滑力，可針對(duì)植物根系加筋土開展直剪試驗(yàn)，得到其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[5-6]。

作為北方地區(qū)典型草本植物，狗尾巴草分布范圍廣，具有適生性強(qiáng)、須狀根發(fā)達(dá)等特點(diǎn)。為深入分析典型草本植物在天然狀態(tài)下對(duì)砂性土邊坡的防護(hù)作用，試驗(yàn)取樣均來(lái)自北方地區(qū)渠道砂性土人工邊坡，且黏粒含量較低，邊坡土中所含植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分也較少。在砂性土邊坡沿坡腳至坡頂選擇不同位置取樣5組，每組對(duì)無(wú)根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)各取樣4個(gè)、試樣面積30 cm2(圖1)，采用應(yīng)變控制儀進(jìn)行直剪試驗(yàn)，且每組試樣均進(jìn)行了物理性質(zhì)及顆分試驗(yàn)。

無(wú)根系砂土(素填土)和含根系砂土(含根系土)直剪試驗(yàn)結(jié)果及物理性質(zhì)如表1，由于砂性土邊坡表層土體在天然狀態(tài)下大多為非飽和狀態(tài)，在這種天然含水率較低的情況下，含根系土的黏聚力明顯大于素填土，但摩擦角變化不明顯，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加。

圖1　直剪試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)物圖

表1　直剪試驗(yàn)結(jié)果及物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

3　草本植物根系力學(xué)作用

對(duì)于砂性土邊坡而言，植物根系一般具有較強(qiáng)的抗剪及抗拉強(qiáng)度。在砂性邊坡土層中，植物根系主要通過(guò)淺層加筋、深層錨固的方式，增加土體強(qiáng)度、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。草本植物根系一般為直徑小于1 mm的須根，根系中90%的根數(shù)分布在深度0～30 cm的表層土體中。

根系提高土壤抗蝕性關(guān)鍵由根徑小于1 mm的須根決定[7-8]，直徑小于1 mm的須根根系能夠增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)體的數(shù)目，有助于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改進(jìn)和滲透性增強(qiáng)，間接強(qiáng)化土壤的抗侵蝕力[9-11]。草本植物根系在邊坡表面土層中盤結(jié)纏繞，形成厚約30 cm的根-土加筋復(fù)合體保護(hù)層[12]，纏繞于土中的根系與土組成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體。草本植物根系的加筋與錨固作用一方面表現(xiàn)為土層提供了附加的“黏聚力”，另一方面表現(xiàn)為對(duì)土顆粒的網(wǎng)兜包裹效應(yīng)[13]。

類似“黏聚力”的增加在一定程度上阻止了坡面水流的剪切力破壞和表土層張裂縫的形成，網(wǎng)兜效應(yīng)則減弱了水流對(duì)土粒的沖刷侵蝕作用。草本植物根系土層中交錯(cuò)縱橫、相互纏繞，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖2)，這種相互纏繞的結(jié)構(gòu)以網(wǎng)兜的作用方式將土顆粒包圍固定。此外，草本植物根系在土中生長(zhǎng)，為微生物的生長(zhǎng)提供了必要的生存環(huán)境，微生物分泌的黏液質(zhì)凝膠將土壤顆粒有效地團(tuán)聚起來(lái)，進(jìn)一步減弱了坡面水流對(duì)土層的解離侵蝕作用。

現(xiàn)代漢語(yǔ)動(dòng)態(tài)助詞“過(guò)1”和“過(guò)2”主要是附著在動(dòng)詞之后，表示“動(dòng)作的結(jié)束和完成”和“過(guò)去曾經(jīng)有過(guò)這樣的事情”。所以“過(guò)”表“經(jīng)過(guò)”“通過(guò)”義時(shí)與動(dòng)詞組合是“過(guò)”語(yǔ)法化的關(guān)鍵。以下是一些“動(dòng)詞+過(guò)”的情況，如：

圖2　草本植物根系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖

4　草本植物的水文效應(yīng)

草本植物莖葉生長(zhǎng)茂密，覆蓋度大，能夠有效截留降雨、削弱濺蝕，抑制地表徑流，控制土粒流失，降低孔隙水壓力，提升土體的黏聚力，增強(qiáng)砂性土邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度。降雨過(guò)程中，在沒有植被覆蓋的土層上，雨滴落下著地時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊力，擊打裸土邊坡表層土體，破壞土體結(jié)構(gòu)，使土顆粒濺起，土粒分散、破裂并遷移，侵蝕土體。當(dāng)邊坡表層土體被植物覆蓋時(shí)，雨滴下落至植被莖葉，雨滴的動(dòng)能被植被的緩沖作用消耗，使得雨滴停留在莖葉上，幾乎可以完全抵抗雨滴的濺蝕。另外，草本植物可以有效的疏散、削弱徑流，改變徑流路徑。在裸土坡面上直流的徑流受到植物影響，回旋流動(dòng)于草叢間，坡面覆蓋的草本植物能夠抑制坡面徑流，利于邊坡穩(wěn)定。

草本植物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系生長(zhǎng)疏松土體，留出了孔隙，使得根系與土體的接觸面、根系通道及土體本身孔隙成為徑流滲入土體的良好路徑，改善了土體的孔隙狀況，增加了土體滲透性，分散了水流及增加了入滲，有效地削減了坡面徑流量，減輕了水流對(duì)坡面表層土體的沖刷，減緩了坡面水土流失。另外，草本植物根系不斷地汲取土壤水分，降低孔隙水壓力，甚至使孔隙水壓力達(dá)到負(fù)值，從而提升了土體的黏聚力，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，促進(jìn)邊坡保持穩(wěn)定。

5　結(jié)　論

針對(duì)北方地區(qū)砂性土邊坡植被護(hù)坡技術(shù)，根據(jù)含狗尾巴草的砂性土邊坡表層土體直剪試驗(yàn)結(jié)果，從“根系-土”相互作用的力學(xué)加筋特性、草本植物的水文效應(yīng)兩個(gè)方面分析典型草本植物對(duì)砂性土邊坡表層土體的防護(hù)作用，得到主要結(jié)論如下：

(1)通過(guò)對(duì)北方地區(qū)渠道砂性土人工邊坡典型草本植物取樣并進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，相對(duì)于無(wú)根系砂土，生長(zhǎng)有狗尾巴草的邊坡表層含根系土的黏聚力明顯大于素填土，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著增加，植物根系在土體中通過(guò)纏繞、穿插、擠壓等作用，增強(qiáng)了土體抵抗剪切破壞的能力。

(2)草本植物根系主要通過(guò)淺層加筋、深層錨固的方式，增加土體強(qiáng)度、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，根系提高土壤抗蝕性關(guān)鍵由根徑小于1 mm的須根決定，有助于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改進(jìn)和滲透性增強(qiáng)，草本植物根系在土層中交錯(cuò)縱橫、相互纏繞，編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將土顆粒包圍固定，強(qiáng)化邊坡表層土體的抗侵蝕力。

(3)草本植物能夠有效截留降雨、削弱濺蝕，控制土粒流失，降低孔隙水壓力，提升土體的黏聚力，增強(qiáng)砂性土邊坡表層土體的抗剪強(qiáng)度，坡面覆蓋的草本植物能夠抑制坡面徑流，減輕了水流對(duì)坡面表層土體的沖刷，利于邊坡穩(wěn)定。

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