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壓實(shí)度對(duì)植被土持水能力及基質(zhì)吸力的影響

2020-04-17 10:10蔣希雁王皓宇董捷周占學(xué)
人民黃河 2020年1期
關(guān)鍵詞:壓實(shí)度

蔣希雁 王皓宇 董捷 周占學(xué)

摘要:目前國(guó)內(nèi)外對(duì)植被土的研究大都只考慮植物根系的加筋作用,而忽略了壓實(shí)度這一重要因素。為了給邊坡防護(hù)提供理論支持,按照張家口地區(qū)夏季最大降雨強(qiáng)度進(jìn)行人工模擬降雨,對(duì)種植高羊茅的植被土進(jìn)行不同壓實(shí)度的降雨滲透試驗(yàn),研究了壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響,結(jié)果表明:①隨著壓實(shí)度的提高,高羊茅根系長(zhǎng)度明顯減小,但高羊茅在較高壓實(shí)度土體中仍能夠正常生長(zhǎng);②當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí),草根的存在占據(jù)了土壤孔隙體積,從而增強(qiáng)了土體持水能力,在壓實(shí)度為80%和95%時(shí),在一定的基質(zhì)吸力條件下,植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的;③影響滲透率的主要因素是壓實(shí)度,隨著壓實(shí)度的提高滲透率明顯降低,根系的存在對(duì)滲透率影響較小;④隨著壓實(shí)度的提高,蘋(píng)根對(duì)基質(zhì)吸力的影響愈加明顯,壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力,因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí),為了使邊坡土體在降雨過(guò)程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性,土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

關(guān)鍵詞:植被土;壓實(shí)度;基質(zhì)吸力;持水能力;邊坡防護(hù);高羊茅

中圖分類(lèi)號(hào):S152.7;S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10. 3969/j .issn.1000-1379.2020.01.018

非飽和土中在毛細(xì)作用下形成的氣水彎曲曲面會(huì)降低土壤的相對(duì)濕度,曲面處的孔隙氣壓與孔隙水壓的差值稱(chēng)為基質(zhì)吸力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞土壤基質(zhì)吸力開(kāi)展了大量研究工作:李勇等[1]研究了黃土高原植物根系對(duì)土體滲透能力的影響,指出植物根系能顯著增強(qiáng)土壤的滲透力;沈英娃等[2]通過(guò)對(duì)覆蓋層合理厚度的研究,指出植物對(duì)減輕雨水侵蝕有重要作用;NG CWW等[3-5]通過(guò)測(cè)試法向應(yīng)力作用對(duì)土水特征曲線的影響,發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力的增大土體的進(jìn)氣壓力增大,并通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)對(duì)土體壓實(shí)度為70%、80%、95%的植被(百慕大草)土基質(zhì)吸力維持能力進(jìn)行了研究,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探究了植被(鴨腳木)種植密度對(duì)土體基質(zhì)吸力的影響;VAN G M T Hc6]經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析論證,提出了體積含水率與土體體積之間的關(guān)系方程;GALLIPOLI D等[7]提出了根系體積比函數(shù)方程;LEUNG A K等[8-9]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了根系體積比函數(shù)方程,試驗(yàn)表明根系的存在增大了土體的進(jìn)氣壓力值、提高了土體的持水能力。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)植被土的研究和工程實(shí)踐大都只考慮植物根系的加筋作用,而忽視了壓實(shí)度這一重要因素。土體壓實(shí)度不僅影響著土體水力特征,也影響著土體中基質(zhì)吸力的變化,對(duì)淺層邊坡穩(wěn)定、地表水力侵蝕也有重要的影響。筆者研究壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響,以期為邊坡防護(hù)提供理論支持。

1 模型的建立

1.1 土壤類(lèi)型和植被選擇

選取張家口某公路路堤邊坡的土體進(jìn)行模型試驗(yàn),土樣物理性質(zhì)指標(biāo):塑限為13.6%,液限為25.8%,塑性指數(shù)為12.2,含水率為12. 0%,最大干密度為1.90 g/cm3。

植被選擇高羊茅,其具有生長(zhǎng)周期短、耐高溫、耐半陰、耐酸、耐貧瘠、抗病性強(qiáng)等特性,屬禾本科植物,適合在張家口地區(qū)種植。

1.2 模型裝置和儀器

為了模擬不同強(qiáng)度的降雨,開(kāi)發(fā)了一套降雨模擬裝置,見(jiàn)圖1。該裝置由5根水平塑料管連接在一個(gè)固定高度的蓄水器上,每根塑料管有許多直徑為1 mm的小孔用于模擬降雨,降雨能均勻降落到測(cè)試箱中;在降雨期間,源源不斷向蓄水器供水,保持蓄水器中水位不變,通過(guò)調(diào)整水頭差值來(lái)調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。

為了防止降雨時(shí)土體表面下沉,在每個(gè)測(cè)試箱一側(cè)土體表面上方1 mm處鉆一個(gè)溢流孔,因此土壤表面多余的水可以通過(guò)溢流孔流到集水器,用電子秤測(cè)量收集的水量,可以確定地表水溢出率;在測(cè)試箱底部有9個(gè)直徑為5 mm的排水孔。測(cè)試箱中的水量保持平衡,水量平衡公式為R= Ro +B+E+S,其中:R為降雨量,Ro為土表面溢流量,B為基底滲流量,E為表面蒸發(fā)量.S為土中蓄水量。該裝置放在一個(gè)溫度和濕度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中(溫度控制在22 - 24℃,濕度控制在25%-30%),蒸發(fā)量極小,可忽略不計(jì)。

所有測(cè)試箱中的土體均沒(méi)有添加任何肥料,以防止產(chǎn)生溶質(zhì)吸力。在每個(gè)測(cè)試箱的中心安裝3個(gè)微型張力計(jì),型號(hào)為T(mén)EN - 15,用于測(cè)量深度分別為60、120、200 mm的土壤基質(zhì)吸力,用張力計(jì)測(cè)得的總吸力代替基質(zhì)吸力[10]。在120 mm深度的預(yù)留孔中埋置TDR時(shí)域反射計(jì)傳感器探頭,用來(lái)監(jiān)測(cè)該深度對(duì)應(yīng)的體積含水率。

1.3 測(cè)試箱前期準(zhǔn)備

把6個(gè)測(cè)試箱分成3組,對(duì)應(yīng)的土樣干密度分別為1.330、1.520、1.805 g/cm3,相當(dāng)于壓實(shí)度分別為70%、80%、95%.每一組2個(gè)測(cè)試箱中分別裝植被土與裸露土進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn),裝植被土的3個(gè)箱子編號(hào)分別G70、G80、G95(即壓實(shí)度分別為70%、80%、95%的植被土),裝裸露土的3個(gè)箱子編號(hào)分別為B70、B80、B95(即壓實(shí)度分別為70%、80%、95%的裸露土)。土樣裝箱后,在編號(hào)為G70、G80、G95的測(cè)試箱中以密度為16 g/m2均勻撒播高羊茅草籽,其生長(zhǎng)周期為1個(gè)月,在此期間每3d用同樣的水給6個(gè)測(cè)試箱澆水一次。

1.4 試驗(yàn)方案

草生長(zhǎng)周期完成后,對(duì)所有的測(cè)試箱進(jìn)行兩階段試驗(yàn):第一階段,通過(guò)人工模擬降雨,使每個(gè)測(cè)試箱3個(gè)深度處達(dá)到飽和.6個(gè)測(cè)試箱放在恒定的溫室環(huán)境中,測(cè)試箱底部9個(gè)孔自由排水,持續(xù)監(jiān)測(cè)不同深度基質(zhì)吸力的變化,直到3個(gè)深度基質(zhì)吸力有較大的變化;第二階段,對(duì)6個(gè)測(cè)試箱分別進(jìn)行人工模擬降雨,降雨強(qiáng)度為123 mm/12 h(相當(dāng)于大暴雨水平,即張家口地區(qū)近3a來(lái)夏季最大降雨強(qiáng)度),持續(xù)降雨時(shí)間為th。在降雨過(guò)程中記錄6個(gè)測(cè)試箱中3處深度基質(zhì)吸力、溢出量、基底滲透情況及深度為120 mm的土體體積含水率變化情況。每一組裸露土和植被土,制備和測(cè)試條件都是一樣的,所以吸力變化的差異歸因于草根的存在。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓實(shí)度對(duì)根系的影響

圖2為在兩階段試驗(yàn)后植被土中草根平均長(zhǎng)度與土體壓實(shí)度之間的關(guān)系,可以看出,隨著壓實(shí)度的提高根長(zhǎng)逐漸減小,壓實(shí)度從70%提高到95%時(shí)平均根長(zhǎng)從17.2 cm減小到12.9 cm,原因是較高的土體壓實(shí)度加大了根系生長(zhǎng)過(guò)程中的力學(xué)阻力[11]。此外,土壤的透氣性也影響著植物根系的生長(zhǎng)[12],土體壓實(shí)度的提高使空氣滲透性減小從而抑制了根的生長(zhǎng)。盡管壓實(shí)度為95%的土體中高羊茅根長(zhǎng)明顯減小,但是高羊茅仍能夠正常生長(zhǎng)。

2.2 根系對(duì)土體持水能力的影響

圖3為各測(cè)試箱深度為120 mm的土水特征曲線,由于降雨過(guò)程中土體由干燥到濕潤(rùn),因此該曲線是增濕曲線。土水特征曲線基本上可分為3段直線,分別為吸著段、薄膜段和毛細(xì)段,各段對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力大體上為104~ 106、102~ 104、0- 102kPa[10]。本試驗(yàn)的基質(zhì)吸力變化范圍為0-100 kPa.對(duì)應(yīng)著毛細(xì)段,即主要針對(duì)毛細(xì)段的持水能力進(jìn)行研究。

由圖3可以看出,隨著基質(zhì)吸力的增大,體積含水率逐漸減小,對(duì)于裸露土,基質(zhì)吸力為60 kPa左右時(shí),土體壓實(shí)度為95%和80%的體積含水率接近,均比70%的高,這與ROMERO E等[13-14]的研究結(jié)果一致,即當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí)對(duì)應(yīng)的持水能力相對(duì)較高;植物根系存在于壓實(shí)度為80%和95%的土體中時(shí),在相同的基質(zhì)吸力下測(cè)得的體積含水率高于與之對(duì)應(yīng)的裸露土的,然而當(dāng)土體壓實(shí)度為70%時(shí),卻出現(xiàn)了相反的結(jié)果,即G70測(cè)試箱中土體體積含水率始終低于B70的,原因可能是在相對(duì)疏松的土壤中根系的生長(zhǎng)會(huì)造成更大的根系通道,使土壤孔隙變得更大,導(dǎo)致持水能力比裸露土弱[15]。測(cè)試箱B95、G95深度為120mm的基質(zhì)吸力和體積含水率并沒(méi)有發(fā)生變化,原因主要是降雨過(guò)程中基質(zhì)吸力的影響深度小于120 mm。

2.3 滲透率隨時(shí)間變化曲線

圖4顯示了在th持續(xù)降雨過(guò)程中滲透率的變化情況,可以看出,壓實(shí)度為80%和95%的植被土滲透率始終低于裸露土的,而壓實(shí)度為70%的滲透率與此相反(植被土滲透率始終高于裸露土的),原因是相對(duì)密實(shí)土體中的根系占據(jù)了土體內(nèi)部b孔隙,從而導(dǎo)致土體孔隙減小、滲透率降低[12],然而相對(duì)疏松土體(壓實(shí)度為70%)中根系的存在會(huì)加大水分通道,導(dǎo)致植被土滲透率大于裸露土的,盡管如此,仍可以看出同一壓實(shí)度的植被土和裸露土滲透率并沒(méi)有很大差距。壓實(shí)度為70%的土體,降雨結(jié)束時(shí)滲透率高達(dá)81%.只有約1/5的雨水溢出;壓實(shí)度為80%和95%的土體,降雨結(jié)束時(shí)土體滲透率分別為45%、20%左右。滲透率是影響基質(zhì)吸力變化的直接因素.6個(gè)測(cè)試箱中G95的滲透率最低。

2.4 裸露土和植被土基質(zhì)吸力的對(duì)比

圖5為深度60 mm處基質(zhì)吸力變化情況。觀察深度為60 mm的基質(zhì)吸力變化情況,原因主要是該深度位于植被根部深度范圍內(nèi),可直接分析植物根系對(duì)基質(zhì)吸力的影響。

由圖5可以看出:降雨前各測(cè)試箱初始基質(zhì)吸力接近,均為82 kPa左右;壓實(shí)度為70%的土體,由于壓實(shí)度較低,降雨快速滲入土體中,植被土基質(zhì)吸力迅速降為0,而裸露土基質(zhì)吸力降至0的時(shí)間比植被土晚了5 min.這表明根系對(duì)壓實(shí)度為70%的土體并沒(méi)有起到基質(zhì)吸力維持的效果;然而,壓實(shí)度為80%和95%的土體中,基質(zhì)吸力的維持時(shí)間都有一定延長(zhǎng),相比于裸露土,植被土基質(zhì)吸力的維持時(shí)間更長(zhǎng)。壓實(shí)度為80%的土體,降雨30 min時(shí),植被土與裸露土基質(zhì)吸力差達(dá)到峰值38 kPa,然而在降雨結(jié)束時(shí)G80僅保留了4 kPa的吸力,這表明降雨期間草根在壓實(shí)度為80%的植被土中有顯著的基質(zhì)吸力維持能力,但在降雨結(jié)束后基質(zhì)吸力維持能力很弱;壓實(shí)度為95%的土體,隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng),裸露土與植被土基質(zhì)吸力的差值不斷增大,降雨結(jié)束時(shí)G95基質(zhì)吸力比B95基質(zhì)吸力大30 kPa.保留了降雨前初始基質(zhì)吸力的37%.表明壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力,因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí),為了使邊坡土體在降雨過(guò)程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性,土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

2.5 不同深度基質(zhì)吸力的分布情況

圖6為不同深度的基質(zhì)吸力分布情況。

B70和G70在降雨前初始基質(zhì)吸力分布相似,相差不到2 kPa。降雨10 min后B70在60 mm深處基質(zhì)吸力迅速下降,120 mm深處基質(zhì)吸力開(kāi)始有變化,然而200 mm深處基質(zhì)吸力沒(méi)變化,這說(shuō)明降雨對(duì)基質(zhì)吸力影響深度小于200 mm.在降雨30 min后所有深度處基質(zhì)吸力都變?yōu)?;G70在10 min降雨后所有深度處吸力均有變化,20 min后吸力都變?yōu)?.并且比B70更早出現(xiàn)了基底滲流,產(chǎn)生了更深的吸力影響區(qū),這意味著根系在壓實(shí)度為70%土體中的存在增強(qiáng)了土體滲透性、加大了降雨對(duì)基質(zhì)吸力的影響區(qū),不利于土體基質(zhì)吸力的維持。

與B70、G70相比.B80和G80由于土體壓實(shí)度提高,因此基質(zhì)吸力維持時(shí)間得到了大幅度延長(zhǎng)。B80和G80相比,更早出現(xiàn)了基底滲流,產(chǎn)生了更深的吸力影響區(qū),在40 min后所有深度處基質(zhì)吸力均降為0。G80在60 min后除60 mm深處吸力為4 kPa外其他深度吸力均為0.這表明草根在壓實(shí)度為80%的土體中維持基質(zhì)吸力的作用是非常弱的。

B95和G95從降雨開(kāi)始到結(jié)束,只有60 mm深度處的基質(zhì)吸力有變化,兩個(gè)測(cè)試箱均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)基底滲流,降雨對(duì)高壓實(shí)度土體基質(zhì)吸力的影響區(qū)很小;植被土基質(zhì)吸力的變化較裸露土的變化更慢,在降雨結(jié)束時(shí)二者基質(zhì)吸力差達(dá)到最大值30 kPa,表明植被土有更強(qiáng)的基質(zhì)吸力維持能力。

3 結(jié)論

按照張家口地區(qū)夏季最大降雨強(qiáng)度進(jìn)行人工模擬降雨,對(duì)種植高羊茅植被土進(jìn)行不同壓實(shí)度的降雨滲透試驗(yàn),研究壓實(shí)度對(duì)植被土吸力維持及持水能力的影響,結(jié)果表明:①隨著壓實(shí)度的提高,高羊茅根系長(zhǎng)度明顯減小,但高羊茅在較高壓實(shí)度土體中仍能夠正常生長(zhǎng);②當(dāng)土體壓實(shí)度較高時(shí),草根的存在占據(jù)了土壤孔隙體積,從而增強(qiáng)了土體持水能力,在壓實(shí)度為80%和95%時(shí),在一定的基質(zhì)吸力條件下,植被土含水量高于裸露土的、雨水滲透率小于裸露土的,而壓實(shí)度為70%的植被土與此相反;③影響滲透率的主要因素是壓實(shí)度,隨著壓實(shí)度的提高滲透率明顯降低,根系的存在對(duì)滲透率影響較小;④隨著壓實(shí)度的提高,草根對(duì)基質(zhì)吸力的影響愈加明顯,壓實(shí)度為95%的植被土有較大的基質(zhì)吸力維持能力,因此把高羊茅作為護(hù)坡植物時(shí),為了使邊坡土體在降雨過(guò)程中維持較高的基質(zhì)吸力、增強(qiáng)淺層邊坡穩(wěn)定性,土體壓實(shí)度應(yīng)選擇95%。

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【責(zé)任編輯張智民】

收稿日期:2019- 04- 09

基金項(xiàng)目:河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2017404013);河北省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目( ZD2017224);河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(SLRC2017033);河北建筑工程學(xué)院研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(XB201814)

作者簡(jiǎn)介:蔣希雁(1968-),女,河北張家口人,教授,博士,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)護(hù)坡

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