羅建杰 LUO Jian-jie

（昆明理工大學(xué)土木工程學(xué)院土木系，昆明 650500）

（Civil Engineering Department of College of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

0 引言

截至目前，植被護(hù)坡的應(yīng)用在工程中隨處可見，尤其是在復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的高等級公路、鐵路邊坡工程。植被護(hù)坡理論研究主要集中于植被對邊坡的力學(xué)加固機(jī)理、防止降水對坡面侵蝕及護(hù)坡植被種類的選擇方面，而對植被護(hù)坡的局限性和危害缺乏強(qiáng)有力的論證和分析。

植被根系的抗拉、抗剪強(qiáng)度一般都大于土體，根-土耦合作用可以提高土體的抗剪強(qiáng)度，從而改善斜坡穩(wěn)定環(huán)境[1]。呂晶等[2]報(bào)道，草本植物可以增加土體的內(nèi)摩擦角，提高土體的抗剪強(qiáng)度，灌木在生長初期與草本植被增加土體抗剪強(qiáng)度的機(jī)理相同，多年生灌木根系增加土體粘聚力。徐則民等[3]指出，植被護(hù)坡有其局限性，且植被在一定程度上會對滑坡的孕育產(chǎn)生促進(jìn)作用。因此，從相關(guān)領(lǐng)域?qū)χ脖蛔o(hù)坡的積極功效和副作用進(jìn)行系統(tǒng)的辨證分析是有必要的。

1 植被對斜坡穩(wěn)定的積極功效

植被護(hù)坡常作為一種保持斜坡穩(wěn)定的手段，究其原因，植被能夠很大程度上防止雨水對邊坡體侵蝕，且在理想情況下，植物根系能夠穿過潛在滑動面，從而通過根-土耦合作用來提高整個坡體的抗剪強(qiáng)度，使斜坡更加穩(wěn)定。

斜坡土體的抗剪強(qiáng)度是決定斜坡穩(wěn)定的一個重要因素。工程中常采用斜坡安全系數(shù)來評價斜坡穩(wěn)定性，安全系數(shù)是抗滑力與下滑力之比，而斜坡土體的抗滑力大小主要取決于土體的抗剪強(qiáng)度。

斜坡土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通常是由摩爾-庫倫強(qiáng)度理論得到的，具體見式（1）。

式中τ為抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，σ為法向有效應(yīng)力，φ表示內(nèi)摩擦角。

植物根系與土壤接觸后發(fā)生物理化學(xué)作用，兩者會膠結(jié)在一起，從而提高土體粘聚力[4]。植被護(hù)坡是通過植物的垂直深根穿過坡體淺層的強(qiáng)風(fēng)化層，錨固到較深處的較為穩(wěn)定的巖土層上，同時盤根錯節(jié)的植物淺根可看作帶預(yù)應(yīng)力的加筋材料，它使邊坡土體成為土與根的復(fù)合材料，從而提高土體強(qiáng)度[5-8]。Gray等[9]指出，根系如同復(fù)合材料中的纖維一樣與土壤緊密結(jié)合形成一個特殊復(fù)合材料。文獻(xiàn)[10]報(bào)道，含根系土的抗剪強(qiáng)度符合庫倫定律，其c、φ均高于無根系土的c、φ，變形模量也高于無根系土的變形模量。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，根和土應(yīng)當(dāng)視為一個整體，這一整體被稱為根-土復(fù)合體，且當(dāng)該復(fù)合體的體積和含水量一定時，其粘聚力c與含根量呈正相關(guān)，而內(nèi)摩擦角φ與含根量的關(guān)系不大，并認(rèn)為粘聚力c是由多種作用力組成的，具體見式（2）。

式中c1為土粒之間的粘聚力，c2為土粒與根系之間的粘聚力，c3代表由土的剪切應(yīng)力傳遞給根系而引起的根系抗拔力。

不同種類植被的護(hù)坡功效不同。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為草本植物和灌木植物的根系都是可以增加土體的抗剪強(qiáng)度，但兩類植物根系增加土體抗剪強(qiáng)度的機(jī)理稍有不同。草本植物是通過增加土體的內(nèi)摩擦角來提升土體抗剪強(qiáng)度，灌木在生長初期與草本植物增加土體抗剪強(qiáng)度的機(jī)理是一致的，但在多年之后，灌木根系增加了土體粘聚力，減小摩擦角。但總體來看，灌木的根系也是可以提高土體的抗剪強(qiáng)度。

由文獻(xiàn)[2,4-11]可知，植物根系增強(qiáng)斜坡穩(wěn)定性的機(jī)理在于植物根系提高了土的抗剪強(qiáng)度，但既有研究對植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的機(jī)制沒有達(dá)成一致。

大部分學(xué)者認(rèn)為植被護(hù)坡是由于根-土復(fù)合體的形成，使土體整體的抗剪強(qiáng)度增加，從而增加了斜坡的抗滑作用力，即是通過根-土之間的耦合作用來增強(qiáng)穩(wěn)定性差的土體的抗剪強(qiáng)度。通過對植被發(fā)育斜坡失穩(wěn)事件的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過根系的錨固作用將穩(wěn)定性較差的土體與穩(wěn)定性較好的土體整合成一個整體，從而提高坡體的整體抗剪強(qiáng)度也是存在的。當(dāng)植被根系長度不夠從穩(wěn)定性較差的土體深入到穩(wěn)定性較好的土體時，根-土耦合作用是主要的，而植物根系的錨固作用是次要的。

植物根系提高土體抗剪強(qiáng)度的作用已被絕大部分學(xué)者認(rèn)可，而土的抗剪強(qiáng)度增加程度與植物根系的哪些因素有關(guān)沒有定論。

土的抗剪強(qiáng)度都隨根系（或纖維）的數(shù)量增加而增大，并進(jìn)一步說明根的加強(qiáng)作用與根系的數(shù)量、根的剛度和根在土體中的方位等因素有關(guān)[9,12-13]。通過野外原位抗拔試驗(yàn)，測定4種植物（灌木鐵仔、黃荊、羊蹄甲和禾本科金發(fā)草）的植株的抗拔力、單根的力學(xué)特性和生物指標(biāo)，研究護(hù)坡植物根系與巖體相互作用的力學(xué)行為[14]。研究結(jié)果表明，植物類型不同，抗拔力的變化也不盡相同。江鋒等[15]利用摩爾-庫倫理論建立根-土力學(xué)模型，分析了狗牙根的根密度和方位對土體內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響。結(jié)果表明，根密度越大，抗剪強(qiáng)度越大，斜根對土體的抗剪強(qiáng)度增幅大于直根。

既有研究成果表明，植物根系對斜坡土體抗剪強(qiáng)度的提高程度主要由根的密度、植物種類、根的剛度以及根的方位等因素決定的.但研究結(jié)果大多來自室內(nèi)仿真模擬，與天然斜坡的實(shí)際情況的差距有待論證。

2 植被護(hù)坡的局限性和危害

植被護(hù)坡有正、反兩個方面的水文學(xué)效應(yīng)。降雨改變邊坡的應(yīng)力環(huán)境，是誘發(fā)植被發(fā)育斜坡失穩(wěn)的一個重要因素。從宏觀來看，當(dāng)降雨進(jìn)入土體未能及時通過地下水管網(wǎng)排泄，就會增加斜坡土體的下滑力，降低邊坡穩(wěn)定性.從微觀上來看，降雨入滲后增加土體的含水率，降低土體的抗剪強(qiáng)度，造成斜坡土體抗滑力下降，也會增加斜坡失穩(wěn)的可能性。

2.1 植被護(hù)坡的局限性 植被根系對邊坡穩(wěn)定性的影響程度與根的直徑、長度、密度、以及根的延伸方向密切相關(guān)。也就是說，植被護(hù)坡的效果受植物體根系自身、其生長環(huán)境以及邊坡條件等綜合因素的影響和制約，故植被護(hù)坡有其局限性[16]。

圖1 林木各類根生物量占總生物量的百分比[17]

對14～20年生的華北落葉松人工林的調(diào)查發(fā)現(xiàn)表明[17]，林木根系主要是骨骼根和毛根（圖1），骨骼根集中分布在0～40cm的土層中，40cm以下土層中骨骼根很少；直徑小于1mm的毛根有60%～90%分布在0～30cm的土層內(nèi).對甘肅民勤地區(qū)人工樟子松進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)[18]，根系在0～100cm土層范圍隨深度增加迅速減少；0～20cm土層范圍內(nèi)根系分布最為集中，根重和根長分別占其總量的58.6%和60.7%；60～100cm土層范圍的根系僅占總量的5%左右（圖2）。文獻(xiàn)[19]對多種木本植物的根系分布進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明，一般情況下，樹木根系的垂直分布是較淺的，大部分根系位于50cm土層以上，多集中在枯枝落葉層和10cm以上的礦質(zhì)土壤表層，60%的根系分布在表層（0～20cm）處，且最大根密度出現(xiàn)在10～20cm深度。

圖2 樟子松根系垂直分布統(tǒng)計(jì)[18]

草本植物的根系分布特征研究表明[20]，草本植物的根系一般均為直徑小于1mm的須根，根系密度隨土壤剖面深度的增加表現(xiàn)出3個顯著特點(diǎn)，即在0～30cm土層急劇減少，在30～70cm土層逐漸減少及在70～150cm土層保持最低水平，總根數(shù)的90%集中分布在0～30cm的土層內(nèi).30～70cm土層內(nèi)根數(shù)約占總根數(shù)的8%，70cm以下土層僅占總根數(shù)的2%左右。圖3表明草本植物根系主要分布在0～60cm的深度范圍內(nèi)，根量、根系密度隨土壤剖面深度的變化趨勢一致。

圖3 草本植物根量隨土層深度變化曲線[20]

植被護(hù)坡最理想的情況是植物根系能扎進(jìn)基巖的裂隙中，才可以起到類似于錨桿的作用，將土層的剪切變換成植物根系的拉伸作用。但以上分析表明，無論是木本還是草本植物，斜坡的植被根系主要分布一米以內(nèi)，即使是某些深根性植物，根系深度也僅為幾米，而且土中的根系密度隨土層深度的變深而逐漸減弱，對土體的抗剪強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性的提高作用也會逐漸變?nèi)?。對于深層滑坡，滑動面埋深往往在十幾米到幾十米之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了植物根系的影響范圍。因此，對于深層滑坡的防治，植被護(hù)坡有很明顯的局限性。在評價植被護(hù)坡是否有效時，需根據(jù)斜坡的地質(zhì)地形條件來預(yù)測邊坡潛在滑動面和調(diào)查植被根系的分布規(guī)模。當(dāng)潛在滑動面的深度不大時，可以種植不同種類的護(hù)坡植被來維持斜坡的穩(wěn)定。

表1 各土樣在不同含水量的下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果[14]

表2 各土樣在不同含水量的下抗剪強(qiáng)度理論結(jié)果[14]

圖4 染色-示蹤試驗(yàn)剖面圖

相對于裸坡來說，植被發(fā)育斜坡中的大孔隙要豐富得多。主要有以下兩個原因：①植物根系分泌的有機(jī)酸會對巖土體的結(jié)構(gòu)造成影響；②植被發(fā)育的地方土體表層會有很多的枯枝落葉層，有機(jī)質(zhì)含量高，為動植物生長提供營養(yǎng)物質(zhì)和保護(hù)了動物通道。動物活動增多，大孔隙會變多。大孔隙發(fā)育程度越高，雨水通過這個途徑滲入土體的雨水就會越多，加之植被發(fā)育斜坡的地表徑流量要小得多[22]，這樣會造成有植被的斜坡滲入量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裸坡。

同等條件下的降雨，大孔隙越發(fā)育的斜坡表土層，雨水通過大孔隙流進(jìn)入較深土層的量會越多，引起軟弱結(jié)構(gòu)面上增加的土體下滑力就越大，大孔隙的存在對滑坡的發(fā)生有促進(jìn)作用。

對南昆鐵路八渡車站滑坡機(jī)制的分析表明[23]，植被對斜坡穩(wěn)定存在著副作用以及對滑坡孕育作出貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[24]認(rèn)為，土體大孔隙對于斜坡失穩(wěn)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在降雨過程中，快速滲透下層土體中，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率增大。徐宗恒等[25]報(bào)道植被根系通道和動物通道在內(nèi)的大孔隙是斜坡土體優(yōu)先流的重要通道，植被對大孔隙的產(chǎn)生和維護(hù)起到了很重要的作用。

植被發(fā)育情況越好的土體中的大孔隙發(fā)育程度一般都越大，而大孔隙為降雨入滲提供更加便利的通道。強(qiáng)降雨發(fā)生時，雨水會通過大孔隙優(yōu)先滲入土層，很有可能會增加潛在滑動面上部的飽和層厚度，造成潛在滑動面上部重量增加，即斜坡軟弱面上的坡體下滑動力增加，從而使斜坡更容易失穩(wěn)。

3 結(jié)論

①植被根系在表土層形成了根-土復(fù)合體，增強(qiáng)了斜坡土體的抗剪強(qiáng)度，從而起到維持斜坡穩(wěn)定的作用；植被護(hù)坡能防止土表層受到水的侵蝕，在一定程度上降低滑坡發(fā)生的可能。

②無論是草本還是木本植物，根系主要分布深度在1米范圍以內(nèi)，大部分植被根系并不能扎根到潛在滑動面以下，對維持斜坡穩(wěn)定性的積極貢獻(xiàn)是有限的。植被具有蓄水作用，在同等降雨條件下，植被發(fā)育斜坡土體的抗剪強(qiáng)度可能比裸坡的小，植被護(hù)坡是有局限性的。

③植被發(fā)育斜坡有豐富的優(yōu)先流通道-大孔（空）隙，這些大孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大部分降雨快速入滲補(bǔ)給地下水，促使滑坡災(zāi)害發(fā)生。

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