宋享樺，譚 勇，張生杰

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

植物邊坡,由于具有固土護(hù)坡、水土保持、美化環(huán)境、施工簡單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在公路、河堤等邊坡工程中被廣泛運(yùn)用.由于植物邊坡固土機(jī)理復(fù)雜，涉及植物學(xué)、水土保持學(xué)、工程學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個領(lǐng)域，一直以來許多國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了重點(diǎn)研究[1-6].

在植物根系的力學(xué)特性方面，Hengchaovanic[7]認(rèn)為草本植物單位須根密度的剪切強(qiáng)度增加值是樹木根系的2～3倍；Schwarz等[8]通過測試發(fā)現(xiàn)植被一整棵根系所能承受的最大荷載值要比單根抗拉強(qiáng)度相加之和小很多；李成凱[9]得出單根抗拉強(qiáng)度與根徑之間呈冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的關(guān)系.在根與土的相互作用中，周云艷[10]推導(dǎo)了植物根系錨固作用的力學(xué)模型，得出了根系極限抗拔力的計(jì)算公式；盧海靜等[11]通過原位剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在寒旱地區(qū)中根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度要比素土高47.61%～98.24%；宗全利等[12]發(fā)現(xiàn)根系能提高土體抗剪強(qiáng)度且主要是通過提高黏聚強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的，對內(nèi)摩擦角影響較小.基于根與邊坡的穩(wěn)定性，彭書生等[13]發(fā)現(xiàn)地表植被增加使得降雨入滲主要發(fā)生在根際區(qū)淺層土壤層中，對邊坡深層的影響并不明顯.此外，Leung等[14-17]對植被根系護(hù)坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬.

在以上的研究中，多是關(guān)于植物根系的抗拉能力、抗剪能力等力學(xué)性能，或者根與土之間相互作用的理論分析以及力學(xué)模型的推導(dǎo).將植被護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用到砂土邊坡增強(qiáng)其穩(wěn)定性的文章卻不多見.周翠英等[18]采用生態(tài)酯類納米水性黏合劑對砂土邊坡進(jìn)行改良，有效提高了砂土的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性以及坡面的抗沖刷能力，但是在砂土表面形成的“殼體”厚度不一，具有一定的脆性，且耗量較大、造價(jià)較高；王曉春等[19]采用土工織物與植草相結(jié)合的方法對粉砂土岸坡進(jìn)行護(hù)坡，效果較為明顯，但是文中僅僅針對單一的植被物種進(jìn)行試驗(yàn)，缺乏對多種不同植物的護(hù)坡性能展開進(jìn)一步對比分析.韓冰[20]對沙漠地區(qū)的邊坡加固方法進(jìn)行了探討，但對植物固坡機(jī)理缺乏深入的分析.

近年來，隨著厄爾尼諾現(xiàn)象越來越頻繁，在中國南方地區(qū)(如四川、貴州、湖南、廣西等地)，暴雨侵襲導(dǎo)致各種土質(zhì)邊坡工程發(fā)生滑塌的事故時有報(bào)道[21-23].因此，本文通過栽培預(yù)選試驗(yàn)，首先挑選了多種快速生長、固土能力較強(qiáng)的草本植物；然后，在對比分析相同暴雨作用下“裸露邊坡”和“植被邊坡”不同穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對3種不同植物根系形態(tài)的固土機(jī)理展開了探究，闡述了根-土復(fù)合體保護(hù)層的加固機(jī)理，其相關(guān)研究將有助于加深植被護(hù)坡對砂土邊坡穩(wěn)定性的認(rèn)識和理解.此外，從工程實(shí)踐的角度，此砂土邊坡植被防護(hù)技術(shù)，適用于“人工填土路基邊坡工程”、“放坡開挖的砂土基坑工程(在長時間施工擱置的情況下)”、“加筋填土路基工程[6]”以及“天然砂土邊坡的固坡治理(如毛烏素沙漠中的沙丘固定綠化治理)”等工程中.同時，相關(guān)研究結(jié)果對于利用植物根系固土機(jī)理嘗試開發(fā)新型仿生支護(hù)工藝具有一定的啟發(fā)性.

1 栽培預(yù)選試驗(yàn)

為了挑選一種能夠快速生長，固土能力較強(qiáng)的草本植物，首先進(jìn)行了栽培預(yù)選試驗(yàn).綜合考慮植物的地面高度、根的深度、以及生長季節(jié)等多種因素，初步確定了高羊茅、狗牙根、果嶺草、結(jié)縷草、四季青、剪股穎6種四季常青的草本植物，具體信息如表1所示.然后，在透明的花盆器皿(長32.5 cm×寬17.5 cm×高15 cm)中等量均勻播種，并置于室內(nèi)靠窗的陽臺進(jìn)行種植，室內(nèi)溫度保持在20 ℃左右，如圖1所示.

表1 不同草本植被的生長特點(diǎn)

圖1 栽培預(yù)選試驗(yàn)中草本植物的生長過程

在預(yù)栽培試驗(yàn)過程中，每天實(shí)時記錄每種草的地面高度、根的深度以及發(fā)芽率等數(shù)據(jù).其中，發(fā)芽率采用開源程序，利用某種顏色在所得照片圖中所占比例的原理進(jìn)行計(jì)算.經(jīng)過18 d的生長周期，6種草本植物的生長狀如圖6(黑色曲線)所示.可以看出，生長速度依次為：四季青>高羊茅>狗牙根>剪股穎≈結(jié)縷草≈果嶺草.在植被發(fā)芽率方面，最高的是四季青，其次是高羊茅和狗牙根；并且草本植物的生長曲線整體上均表現(xiàn)出“慢—快—慢”(S型)的基本規(guī)律，如圖6(b)所示.

同時，采用數(shù)顯式峰值拉力計(jì)，對每一種草的抗拔力進(jìn)行測試.多次測量得到的平均值(如圖2(a)所示)，依次為：四季青(29 N)>高羊茅(27.97 N)>結(jié)縷草(21.5 N)>剪股穎(21.33 N)>狗牙根(20.8 N)>果嶺草(11.5 N).同時，在研究植物根系固土?xí)r發(fā)現(xiàn)，狗牙根的抗拔能力小于四季青的，但是其固土能力要強(qiáng)于四季青，如圖2(b)所示.由此推斷，植被的固土能力不僅與根系的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，還可能與植物的根系結(jié)構(gòu)、抗剪能力等相關(guān).綜上，初步選定生長速度較快，根系較深的高羊茅、四季青和固土能力較強(qiáng)的狗牙根3種草，為進(jìn)一步開展暴雨條件下淺層植被護(hù)坡的穩(wěn)定性試驗(yàn)做準(zhǔn)備.

圖2 6種草本植物的抗拔力和固土能力的比較

2 暴雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

室內(nèi)暴雨植被護(hù)坡試驗(yàn)裝置，主要由模型箱、降雨控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及排水系統(tǒng)4部分組成，如圖3所示.

圖3 室內(nèi)降雨植被護(hù)坡試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 模型箱與排水系統(tǒng)

整個模型箱尺寸為 2.0 m×1.2 m×1 m (長×寬×高)，主要由擋墻、隔板以及鋼鐵框架組成.為了方便試驗(yàn)觀察，擋墻、隔板均采用透明的聚甲基丙烯酸甲酯有機(jī)玻璃板(PMMA).中間的兩塊隔板可以通過導(dǎo)軌和吊裝裝置實(shí)現(xiàn)前后上下自由移動，如圖4所示.

圖4 植物護(hù)坡模型箱示意

同時，在模型箱的兩側(cè)設(shè)有20 cm寬的水槽，水流通過中間擋墻預(yù)留的孔洞進(jìn)行流動，可以實(shí)時觀察邊坡內(nèi)部的水位.為了防止砂土流失，在擋墻內(nèi)側(cè)放置一層薄薄紗布.此模型箱可以同時模擬3種不同的草本植物，對比分析在同一暴雨強(qiáng)度下的護(hù)坡效果.此外，在水槽的底部設(shè)置了排水孔，通過調(diào)節(jié)開關(guān)大小實(shí)現(xiàn)自由排水.

2.1.2 降雨控制系統(tǒng)

降雨控制系統(tǒng)由高壓霧化水泵、供水箱、導(dǎo)水管、霧化噴頭組成.試驗(yàn)前，經(jīng)過雨量標(biāo)定，本降雨裝置的降雨強(qiáng)度范圍在0～132.6 mm/h，所噴出的雨水呈霧化狀，可以最大程度將雨水有效均勻地噴灑土體表面，避免水滴狀雨水對土體表面造成沖刷.

2.1.3 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)由高清數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、電腦以及兩臺攝影燈光組成，如圖3所示.在模型箱的正前方放置一臺高清數(shù)碼相機(jī)(EOS-800D)，斜上方放置一臺高速4K攝像機(jī)(FDR-AK45)，可以全程無死角地記錄整個試驗(yàn)過程，獲得高清圖像.

2.2 前期種植過程

2.2.1 邊坡設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，其顆粒粒徑范圍在0.08～2 mm.經(jīng)過測量，砂土的平均滲透系數(shù)為7.66×10-3cm/s，內(nèi)摩擦角為40.7°.同時，采用SLOPE/W專業(yè)軟件，考慮非飽和土基質(zhì)吸力的作用，得出當(dāng)邊坡高度為6 m時，若要保證邊坡安全系數(shù)為1.2，放坡角度可達(dá)50°.綜合考慮模型箱和邊坡模型的邊界尺寸效應(yīng)，最終確定邊坡模型的相似比為1∶10，如圖5(c)所示.

圖5 室內(nèi)植物護(hù)坡模型試驗(yàn)

2.2.2 草籽播種和種植養(yǎng)護(hù)

為了增強(qiáng)試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，采用定距定量的方式進(jìn)行播種，如圖5(a)所示.在邊坡表面，橫向距離和縱向距離每隔4.5，8 cm播種10粒草籽.待種植完畢，將邊坡表面撫平，最后3種植物(四季青、狗牙根、高羊茅)的護(hù)坡模型試驗(yàn)如圖5(b)所示.

2.2.3 生長數(shù)據(jù)

由于砂土介質(zhì)滲透系數(shù)較大，為了保證植物正常生長，采用霧化降雨方式，每日8點(diǎn)、13點(diǎn)和18點(diǎn)定時噴灌(每次噴灌量為30 L)，并采用加入植物通用型營養(yǎng)液的方式(每次5 mL)，及時補(bǔ)充植物生長所需的氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì).在草本植物的生長過程中，每日17點(diǎn)分別測量3種植被高度、根系深度以及發(fā)芽率.考慮到邊坡含水量分布不均可能會使得植物的生長速度略有差異，在測量時分別選取坡頂、坡肩、坡中、坡腳4個部位進(jìn)行測量，最終取平均值.

圖6中，紅色曲線代表模型箱中正式暴雨試驗(yàn)前期植被的生長狀態(tài).可以看出，高羊茅的生長速度最快，在第3天便開始發(fā)芽，并且根系最深，其次是四季青，狗牙根的生長速度最慢(圖6(a)).與前期透明器皿中的栽培預(yù)選試驗(yàn)相比，模型箱中的植物根系更深一些，約為植被地面高度的1.7～2.1倍，這主要是由于模型箱中有足夠的生長空間；在發(fā)芽率方面，二者均呈現(xiàn)出“慢—快—慢”(S型)的生長規(guī)律.

圖6 栽培預(yù)選試驗(yàn)和暴雨試驗(yàn)前期植被的生長狀態(tài)

3 暴雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

本次試驗(yàn)一共分為兩組，即裸露邊坡和植物護(hù)坡.根據(jù)中國氣象局的降雨等級，24 h內(nèi)降雨量在50.0～99.9 mm為暴雨，100.0～249.9 mm為大暴雨.本次試驗(yàn)選取大暴雨級別，并簡化降雨量為100～250 mm/d (即4.16～10.42 mm/h)，由于試驗(yàn)相似比為1∶10，轉(zhuǎn)化后試驗(yàn)中的降雨量為41.6～104.2 mm/h.考慮到近幾年厄爾尼諾現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，為了突出對比試驗(yàn)的效果，最終確定雨強(qiáng)為120 mm/h.由于本試驗(yàn)重點(diǎn)探究淺層植被對砂土邊坡穩(wěn)定性的影響，因而忽略不同雨型以及雨強(qiáng)因素，統(tǒng)一為均勻雨型.具體試驗(yàn)方案見表2.

表2 室內(nèi)暴雨氣候邊坡試驗(yàn)

3.1 暴雨作用下裸坡試驗(yàn)

暴雨作用下裸露邊坡的前期穩(wěn)定階段如圖7(a)所示；當(dāng)降雨至1 800 s時，整個邊坡直接突然發(fā)生整體直線型滑移破壞，并在坡頂區(qū)域引發(fā)塌陷，產(chǎn)生了2條橫向發(fā)展的裂縫，如圖7(b).在坡頂區(qū)域中，裂縫左側(cè)距離坡肩0.2Ha(Ha為裸露邊坡高度)，裂縫右側(cè)距離坡肩0.4Ha.此外，坡腳左側(cè)在雨水滲流的作用下出現(xiàn)輕微的流滑鼓肚變形.整體上，在120 mm/h的暴雨作用下，裸露邊坡并沒有發(fā)生太多的局部破壞，而是直接突然發(fā)生整體性破壞，時間僅用了30 min.

圖7 暴雨作用下裸露砂土邊坡試驗(yàn)過程

3.2 暴雨作用下植物護(hù)坡試驗(yàn)

為了探究植被的固土護(hù)坡機(jī)理，在進(jìn)行裸露邊坡降雨試驗(yàn)的同時，進(jìn)行了同等降雨強(qiáng)度下植被護(hù)坡試驗(yàn).兩個試驗(yàn)在土壤介質(zhì)、邊坡角度以及降雨強(qiáng)度等方面均保持了一致性.

3.2.1 從初始狀態(tài)至穩(wěn)定滲流階段

為了突出滲流場的變化路徑，僅在降雨階段加入有色顏料，顏料對植物根系不會產(chǎn)生影響.暴雨作用下整個植被護(hù)坡試驗(yàn)過程，如圖8,9所示.

圖8 暴雨作用下植物護(hù)坡試驗(yàn)正面圖

圖9 暴雨作用下植物護(hù)坡試驗(yàn)側(cè)面圖

在暴雨作用下，雨水從坡頂入滲，逐漸流向坡腳，整個邊坡的滲流線如圖9所示.當(dāng)降雨至61 min 43 s時，紅色的滲流線已達(dá)到坡底，此時高羊茅邊坡出現(xiàn)第一條“裂縫Ⅰ”(圖8(b))，裂縫的初始位置垂直距離坑底為 0.3Hb(Hb為植物邊坡高度，60 cm)；當(dāng)降雨至70 min時，位于中間位置的狗牙根邊坡開始出現(xiàn)“裂縫Ⅱ”(圖8(c))，裂縫垂直距離坑底為0.13Hb；當(dāng)降雨至80 min30 s時，在高羊茅邊坡“裂縫Ⅰ”的基礎(chǔ)上，垂直距離坑底為0.38Hb的邊坡部位出現(xiàn)“裂縫Ⅲ”(圖8(d)).此后，降雨又進(jìn)行了61 min，由于水位線一直控制在坑底以下10 cm左右，3條裂縫均一直保持原有狀態(tài)，未發(fā)生較大變化.可見此時整個邊坡已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定滲流階段.

3.2.2 坑內(nèi)積水階段

在暴雨天氣下，如果雨量較大，一旦排水不及時往往容易造成積水現(xiàn)象.因而，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將排水管關(guān)閉，模擬積水狀態(tài)下的植物護(hù)坡穩(wěn)定性試驗(yàn)，如圖10,11所示.

圖10 植物護(hù)坡“坑內(nèi)積水”試驗(yàn)正面圖

從圖10(a)可以看出：當(dāng)坑內(nèi)積水為0.15Hb時，高羊茅邊坡的“裂縫Ⅲ”逐漸開始變寬加深，并且由于坑底遭到浸泡，整個邊坡坡腳處的土體逐漸向坑底滑移；狗牙根邊坡中“裂縫Ⅱ”也開始逐漸變寬加深；四季青邊坡依舊保持整體的完整性，未出現(xiàn)任何裂縫等局部破壞.

當(dāng)坑內(nèi)積水為0.25Hb時，隨著水位的不斷上漲，在高羊茅邊坡上部出現(xiàn)更多的橫向裂縫；狗牙根邊坡暫時未出現(xiàn)較大的裂縫變化；同時，四季青邊坡仍舊保持邊坡的完整性(圖10(b))，即使坡腳砂土處于飽和狀態(tài)中卻未發(fā)生流塑性滑移破壞(圖11(b)).由此可見，草本植物的根系結(jié)構(gòu)對邊坡的穩(wěn)定性起到了明顯作用.

圖11 植物護(hù)坡“坑內(nèi)積水”試驗(yàn)側(cè)面圖(四季青邊坡)

隨著水位越來越高，當(dāng)坑內(nèi)積水達(dá)0.33Hb時，之前發(fā)生較多的局部裂縫破壞，最終導(dǎo)致高羊茅邊坡突然發(fā)生整體坍塌破壞；狗牙根邊坡，在原有坡面裂縫的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了整齊的橫截式斷裂，暴露出的根系清晰可見；四季青邊坡，依舊保持了邊坡的完整性，仍未發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn).同時，從邊坡的側(cè)面圖中也可以看到 (圖11(c)).

當(dāng)暴雨入滲導(dǎo)致坑內(nèi)積水達(dá)0.42Hb時，之前完整的四季青邊坡突然發(fā)生整體式滑移破壞，滑裂面幾乎呈直線型，邊坡整體滑移導(dǎo)致坡頂區(qū)域出現(xiàn)張拉裂縫，其縱向深度為0.27Hb，距離坡肩0.25Hb,如圖11(d)所示；而在狗牙根邊坡中，在滲流場和重力場的作用下，整齊的橫截面裂縫破壞形態(tài)進(jìn)一步加劇，但未發(fā)生整體性滑移破壞.而高羊茅邊坡，前一階段已經(jīng)發(fā)生整體破壞.

3.3 對比分析

3.3.1 植被護(hù)坡與裸露邊坡

相同暴雨強(qiáng)度下，裸露邊坡的穩(wěn)定時間僅維持了30 min，而植被邊坡持續(xù)了61 min 43 s(截止到高羊茅邊坡發(fā)生“裂縫Ⅰ”)，時間是同等條件下“裸露邊坡”的2倍多，可見植物邊坡具有明顯的護(hù)坡作用.在破壞形式上，裸露邊坡容易突然發(fā)生整體滑移破壞，而植被邊坡更傾向于先出現(xiàn)較多的局部坡面裂縫破壞，當(dāng)累積到一定程度時，最終引發(fā)整體破壞.

3.3.2 3種植被護(hù)坡對比分析

如圖12所示，在穩(wěn)定滲流階段時，高羊茅邊坡和狗牙根邊坡先后發(fā)生了局部的坡面裂縫破壞，而四季青邊坡保持了完整性；在模擬坑內(nèi)積水階段，四季青邊坡和高羊茅邊坡先后發(fā)生整體破壞，而狗牙根邊坡卻未發(fā)生.結(jié)合之前的根系生長曲線(圖6)，根系最長(24.25 cm)的高羊茅邊坡首先發(fā)生了局部破壞，根系較長(18.5 cm)的四季青邊坡首先發(fā)生了整體破壞，根系最短(12.25 cm)的狗牙根邊坡根系深度雖然發(fā)生了局部破壞，卻未發(fā)生整體性破壞.由此推斷，在植物邊坡的穩(wěn)定性中，除了根系深度，很可能還有其他因素起著十分重要的作用.因此，針對植物根系展開了進(jìn)一步探究.

圖12 “裸露邊坡”與“植被護(hù)坡”對比分析

4 植物根系與固土機(jī)理分析

4.1 根系形態(tài)與邊坡穩(wěn)定性

為了保證植物根系在土壤中的原有形態(tài)，將3種植物的根系進(jìn)行原位取出，如圖13(a)所示，從左向右依次為四季青、狗牙根、高羊茅.從根系附土形態(tài)的角度可以看出：四季青的根系整體上下比較均勻；狗牙根的根系，上端附土量較多，下端較少，整體上呈倒立的三角形；高羊茅的根系，從上往下逐漸減少，呈現(xiàn)出平滑的錐形結(jié)構(gòu).為了進(jìn)一步探究，在盡量保證根系原位形態(tài)的基礎(chǔ)上，將其附土慢慢清洗，得到干凈的根系結(jié)構(gòu)，如圖13(b)所示，可以看出：四季青根系結(jié)構(gòu)整體上呈均勻型；狗牙根的根系呈倒立的三角形態(tài)；高羊茅根系的根系結(jié)構(gòu)基本上呈錐形型態(tài).

圖13 根系結(jié)構(gòu)形態(tài)

暴雨作用下植被護(hù)坡的破壞形態(tài)如圖14所示.首先，在重力的作用下，四季青邊坡的根系豎向發(fā)展，根系較深，并且呈均勻形態(tài)，表現(xiàn)出淺層豎向加筋作用，明顯提高了邊坡淺層土體的抗剪強(qiáng)度.從而，在坑內(nèi)積水達(dá)到0.42Hb之前，使得邊坡一直保持著較好的完整性.

對于狗牙根邊坡，起初由于根系較淺，根系固土的抗剪能力未能充分體現(xiàn)，在試驗(yàn)前期發(fā)生“裂縫Ⅱ”；由于其根系呈倒立的三角形態(tài)，從俯視圖中可以看到根系的上半部分直徑較大(W2)，植株之間有重疊部分，從而在水平方向上有明顯的相互交織連接作用，所以，在后期當(dāng)坑內(nèi)積水達(dá)到0.33Hb時，發(fā)生了整齊的橫截面裂縫破壞(圖10(c))；同時，在暴雨試驗(yàn)相同時間內(nèi)，狗牙根邊坡未發(fā)生整體性破壞，由此推斷根系呈倒立三角形態(tài)的狗牙根植被整體穩(wěn)定性效果最好.

對于高羊茅邊坡，雖然根系深度較長，但是根系形態(tài)整體上呈錐形，在根系的末端，無法提供較強(qiáng)的抗剪能力；同時從俯視圖可以看到，每一株高羊茅的根系影響范圍相互之間沒有交集，無法相互交織連接，從而未能形成一個整體，因此，發(fā)生了較多的坡面局部裂縫破壞，并最終導(dǎo)致邊坡發(fā)生整體破壞.

此外，考慮到狗牙根植被生長速度較慢，18 d的短期培養(yǎng)未必能充分體現(xiàn)其護(hù)坡效果.因此，從邊坡的穩(wěn)定性出發(fā)，綜上可以得出：根系結(jié)構(gòu)呈倒三角形態(tài)的狗牙根植被護(hù)坡效果最好，其次是呈均勻型態(tài)的四季青植被，最后是呈錐形結(jié)構(gòu)的高羊茅植被.

4.2 根-土復(fù)合體保護(hù)層(固土機(jī)理)

在分析完植物根系與邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究根系與邊坡土顆粒之間的相互關(guān)系.如圖15所示，從邊坡的側(cè)面圖可以看到黃線外圍的土層顏色較深，而黃線以內(nèi)的土層顏色較淺.這主要是因?yàn)橹脖坏母烤哂兴帘３值墓δ?，長時間作用下導(dǎo)致根系區(qū)土壤含有較高的含水量，從而使坡體內(nèi)部的含水量分布出現(xiàn)變化.黃色曲線在一定程度上代表著土壤水分分界線，淺層土壤顏色越深，表明水分越高，反之亦然.

圖14 3種植物邊坡不同的根系形態(tài)和破壞形式對比分析

圖15 植物根-土復(fù)合體及發(fā)展過程示意

在植物生長初期，不斷生長的根系將周圍的砂土顆粒黏接起來，使得邊坡表面能夠抵抗風(fēng)雨的沖刷，起到了明顯的固土抗沖蝕效果.同時，每次霧化降雨形成的滲流作用不斷將土體中的細(xì)小顆粒涌向大顆粒之間，土層變得更加密實(shí)(圖16中，H2

隨著植物的不斷生長，根系不斷加深擴(kuò)展，眾多根系相互連接形成根網(wǎng)，將周圍越來越多的土顆粒緊緊套箍在一起，抗沖蝕性能進(jìn)一步加強(qiáng)；同時，植物的蒸騰作用，通過根系不斷吸水，在根系周圍產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力[24]，砂土顆粒進(jìn)一步變得密實(shí)(圖16中，H3

圖16 根-土復(fù)合體加固土體機(jī)理

因此，在長時間作用下，邊坡淺層的“根-土復(fù)合體”逐漸變得密實(shí)，而土體內(nèi)部(淺層之外)的土顆粒之間相對疏松，從而形成了外密內(nèi)疏的雙層結(jié)構(gòu).在“根-土復(fù)合體”結(jié)構(gòu)中，根與土相互纏繞，起到加筋作用，具備較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度和一定的整體性，而且又覆蓋在邊坡表面，減少了砂土顆粒的流失，提高了土壤抗沖蝕能力，大大增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性，起到了非常重要的保護(hù)層作用.

此外，“根-土復(fù)合體”保護(hù)層還可以降低砂土的滲透性，抵抗暴雨的沖刷，對于水土保持起到了積極作用.如圖17(a)所示，在前期培育過程中，根據(jù)滲流路徑，在每次霧化降雨噴灑前，首先記錄水槽內(nèi)的初始高度(H0)；當(dāng)降雨噴灑開始時，開始記錄水槽內(nèi)30 min后水位上升的變化高度(ΔH)，從而得到滲流速率，如圖17(b).可以看出，在草本植物的整個生長周期中，隨著植物的不斷生長，根-土復(fù)合體保護(hù)層逐漸生成，滲流速度逐漸降低，由此可見，植被邊坡可以降低砂土的滲透性，具有一定的水土保持功能.

圖17 植物邊坡滲流變化

與此同時，進(jìn)一步對植被根系展開微觀觀察時，可以看到每一根須根周圍均附著滿了細(xì)小的砂土顆粒(圖18).究其原因，主要是在植物根系生長發(fā)育過程中，能夠分泌大量黏膠物質(zhì)和多糖類物質(zhì)[10]，這些物質(zhì)能將周圍的土粒黏接起來，進(jìn)一步提高了土壤的黏聚力和整體性，在一定程度上起到了明顯的固土作用.

圖18 植物須根附著細(xì)小顆粒

5 結(jié) 論

1)在暴雨試驗(yàn)前期植被養(yǎng)護(hù)過程中，植物的生長速度和根系深度均為：高羊茅>四季青>狗牙根；并且，草本植物的生長曲線呈現(xiàn)出“慢—快—慢”(S型)的基本規(guī)律，根系深度為植被地面高度的1.7～2.1倍.

2)在相同暴雨強(qiáng)度作用下，裸露邊坡在第30分鐘時便突然發(fā)生整體破壞，而植被邊坡在61 min 43 s時才開始發(fā)生局部裂縫破壞.在時間上，后者是前者的2倍多，可見對于增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性具有明顯效果.此外，裸露的砂土邊坡發(fā)生整體破壞時，具有突發(fā)性、直線型的特點(diǎn).

3)在暴雨作用下植被護(hù)坡試驗(yàn)過程中，從降雨開始至穩(wěn)定滲流階段，四季青邊坡的均勻型根系有效防止了砂土邊坡發(fā)生流塑變形，這對于探索新型仿生支護(hù)工藝并應(yīng)用于沙漠邊坡中，具有一定的啟發(fā)性.總體而言，狗牙根(倒三角型根系)邊坡的整體穩(wěn)定性效果最好，其次是四季青(均勻型根系)邊坡，高羊茅(錐形根系)邊坡的穩(wěn)定性效果最弱.

4)在生長過程中，植物根系通過分泌大量黏膠物質(zhì)將周圍細(xì)小的砂土顆粒黏接起來，并且眾多根系互相連接形成根網(wǎng)，形成了緊密的根-土復(fù)合體加筋保護(hù)層結(jié)構(gòu)(厚度可達(dá)22 cm)，具有明顯的加筋作用和抗沖蝕性能，同時，降低了砂土的滲透性，具有一定的水土保持功效.

5)鑒于文章篇幅，本文主要體現(xiàn)了暴雨過程中淺層植被護(hù)坡與邊坡穩(wěn)定性之間的聯(lián)系.此外，還應(yīng)進(jìn)行根土復(fù)合體的抗剪試驗(yàn)，對不同根系形態(tài)的力學(xué)機(jī)理、邊坡的幾何形態(tài)展開更深層次的機(jī)理分析，并進(jìn)行理論公式的推導(dǎo)，從而成為一個較為完善的研究體系.