黃少平，晏鄂川

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

近年來(lái)，關(guān)于斜坡防護(hù)措施方面的研究有了很大的進(jìn)展，各種新方法和新技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于斜坡防護(hù)中，其中由于植被護(hù)坡有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(防止水土流失和美化環(huán)境)，因此被大量應(yīng)用于土質(zhì)斜坡的防護(hù)中，并且實(shí)踐證明植被護(hù)坡措施在土質(zhì)斜坡防護(hù)中發(fā)揮著十分有效的作用。

針對(duì)植被對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響，目前很多學(xué)者從各個(gè)角度進(jìn)行了大量研究，在植被莖葉截留作用和蒸騰作用研究方面，何玉瓊[1]指出對(duì)植被的截留量起最重要作用的是植被郁閉度、覆蓋層、降水量和降雨強(qiáng)度；宋文龍等[2]通過對(duì)應(yīng)用耦合遙感數(shù)據(jù)的植被冠層截留模型進(jìn)行模擬與分析，得出地表植被變化是影響植被截留年際差異的主要因素的結(jié)論；Fan等[3]利用FEM等模擬方法分析了斜坡上植被不同分布情況下斜坡的穩(wěn)定性狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)斜坡上植被的空間分布可影響斜坡的穩(wěn)定性；湯川典子等[4]的研究表明，林下植被、枯落層與入滲量之間存在著某種程度的相關(guān)關(guān)系,土壤結(jié)皮的有無(wú)對(duì)裸露化林地入滲量的影響要比土壤的孔隙組成更明顯。在植被根系的研究方面，羅建杰[5]指出植物根系在表土層形成了根-土復(fù)合體，其增強(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。在降雨入滲研究方面，吳欽孝等[6]研究認(rèn)為林木影響土體的入滲;郭利娜等[7]應(yīng)用Geo-Slope分析了青蓮寺邊坡的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的治理方案。

但上述研究并未詳盡地分析植物各部位對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。鑒于此，本文采用分類研究的方法，從木本植物不同部位(莖葉、枯枝落葉、根系)、植被衍生物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響出發(fā)，總結(jié)與分析了木本植物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的作用模式，并利用Geostudio軟件模擬與分析了木本植物莖葉和根系兩個(gè)重點(diǎn)部位對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響程度。

1 木本植物不同部位對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響

由于木本植物不同部位對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的作用不同，因此會(huì)對(duì)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，本文主要分析了木本植物不同部位(莖葉、枯枝落葉、根系)以及植被衍生物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1.1 木本植物莖葉對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響

1.1.1 植物莖葉的截留作用

雨滴通過自身的重量和加速度對(duì)裸露坡面產(chǎn)生濺蝕作用，破壞裸露表土結(jié)構(gòu)，促進(jìn)雨水的滲透，提高地下水水位。陣雨情況下，若降雨強(qiáng)度大而降雨持續(xù)時(shí)間短，當(dāng)坡面裸露時(shí)部分雨水來(lái)不及入滲直接從坡面流走；而當(dāng)坡面植被發(fā)育時(shí)，部分雨水在植物截留作用下存留于莖葉上未直接到達(dá)坡面，這部分雨水慢慢到達(dá)地面，或者提供植被蒸騰作用，減少了坡體的水分流失。植被的覆蓋作用，可以減少地表土體水分的蒸發(fā)，大大降低表土開裂、干燥等現(xiàn)象的發(fā)生概率，進(jìn)而降低大暴雨或連續(xù)降雨時(shí)期雨水的入滲。木本植物通過莖葉的截留作用降低了雨水對(duì)坡面的濺蝕作用，并影響降雨入滲，有利于土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定。木本植物的分布特征和降雨情況是影響植物莖葉截留作用的主要因素，通常情況下木本植物枝葉越茂盛，截留作用越明顯，對(duì)土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定越有利。

Liu[8]提出的截留模型可以根據(jù)小時(shí)降雨量、日降雨量以及其他變化的氣象數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算植被的降雨截留量。Liu提出的截留模型為

(1)

式中：I為植被的降雨截留量(mm/d)；Cm為林冠飽和貯水量(mm)；D0為降雨前的林冠干燥指數(shù)；b0為自由穿透植被的降水系數(shù)；P為平均降雨量(mm)；e為平均蒸發(fā)率；T為降雨持續(xù)時(shí)間(d)。

利用Liu的截留模型計(jì)算某工點(diǎn)2014年6月25日、26日、27日植被的降雨截留量，其計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 植被的降雨截留量估算結(jié)果Table 1 Estimation of rainfall interception

本文利用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊對(duì)該土質(zhì)斜坡主剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算。該土質(zhì)斜坡表面滲透系數(shù)相同，選用的模型幾何參數(shù)為：該土質(zhì)斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潛在滑移面深2～7 m，土層的基本參數(shù)見表2。

表2 莖葉截留作用模擬土層的基本參數(shù)Table 2 Basic calculation parameters of soil for the simulation of interception effect of the vegetation stems and leaves

模擬計(jì)算得到該工點(diǎn)2014年6月25日、26日、27日3天在有無(wú)木本植物截留作用下土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，其模擬計(jì)算結(jié)果見表3、圖1和圖2。

圖1 植物莖葉的截留作用對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響模擬(2014年6月25日)Fig.1 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 25,2014

圖2 植物莖葉的截留作用對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響模擬(2014年6月27日)Fig.2 Simulation of the influence of stem leaf and root on soil slope stability in June 27,2014

表3 土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of the soil slope stability

由表3、圖1和圖2可以看出：

(1) 無(wú)論是否考慮植物莖葉的截留作用，連續(xù)降雨都會(huì)降低土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性，因此降雨是影響土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。

(2) 植物莖葉的截留作用可以提高土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性，植物枝葉越茂盛，其截留作用越明顯，越有利于提高土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。因此，選擇枝葉茂盛的植被品種進(jìn)行護(hù)坡，可以更好地提高土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。

此外，植被和枯枝落葉可以阻擋雪霜直接降到坡面對(duì)坡面土體進(jìn)行凍蝕，降低雪霜對(duì)坡面的破壞，提高土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。

1.1.2 植物莖葉的蒸騰作用

蒸騰作用主要是通過根系吸收土壤水分并經(jīng)過植物本身一系列的調(diào)節(jié)與控制過程進(jìn)行，并最終將水分蒸發(fā)到空氣中。蒸騰作用通過植物吸收土壤中的水分并將其蒸發(fā)到空氣中，這也是土質(zhì)斜坡排水的一種方式，該作用能夠降低土質(zhì)斜坡的地下水水位,減少土體含水量進(jìn)而減輕土體的重量,以降低斜坡的下滑力；土體總應(yīng)力是一定的，蒸騰作用通過植物吸收土壤中的水分使土體孔隙水壓力減小，作用在土體顆粒上的有效應(yīng)力增大，土體顆粒的黏聚力和內(nèi)摩擦力增大，從而增強(qiáng)了土體對(duì)滑動(dòng)應(yīng)力及變形的抵抗力，土體抵抗變形的能力得到了提高，即斜坡土體的抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，坡體變得更加穩(wěn)定。

蒸騰作用的效果在短時(shí)期內(nèi)并不明顯，加之該蒸騰作用是一個(gè)緩慢發(fā)展的過程，其速率很低，不能在短時(shí)期遏制大暴雨或連續(xù)降雨對(duì)斜坡地下水升降產(chǎn)生的大幅變化，因此其對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響不是很明顯。

1.1.3 植物莖葉在風(fēng)荷載作用下的加載作用

多數(shù)情況下由于自然環(huán)境中風(fēng)速較小，因此通常不考慮植物莖葉在風(fēng)荷載作用下對(duì)坡體的加載作用，但是在強(qiáng)降雨并伴有大風(fēng)的情況下，通過植物傳遞給坡體的風(fēng)荷載會(huì)使得斜坡土體松動(dòng)，破壞了土體結(jié)構(gòu)，增大了土體內(nèi)部孔隙，使得雨水入滲量增加，降低了土體抵抗剪切破壞的能力，可使土質(zhì)斜坡沿著潛在滑移面滑動(dòng)，從而降低土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。

植被在風(fēng)荷載作用下的簡(jiǎn)化受力模型[9]可表示為

P=μ·γv2/2g

(2)

式中：P為植被單位面積所受的風(fēng)壓(N/m2)；μ為林帶阻力系數(shù)；γ為重度(N/m3)；v為風(fēng)速(m/s)；g為重力加速度(m/s2)。

由公式(2)可知，植被單位面積所受的風(fēng)壓為動(dòng)能與林帶阻力系數(shù)的乘積，因此認(rèn)為風(fēng)荷載大小不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與林帶阻力系數(shù)有密切的關(guān)系。林帶阻力系數(shù)是評(píng)價(jià)植被疏密程度的一個(gè)重要指標(biāo)，植被的疏密程度直接影響樹木的風(fēng)荷載，間接影響斜坡的穩(wěn)定性。風(fēng)荷載還與植被的種類、樹葉的形狀、植被的高度、樹冠的形狀等有關(guān)，因此在頻發(fā)臺(tái)風(fēng)的地區(qū)應(yīng)盡量選擇合適的植被品種進(jìn)行種植。

1.2 木本植物枯枝落葉對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響

1.2.1 枯枝落葉的截留作用

枯枝落葉覆蓋在地表像一層保護(hù)膜一樣可以防止雨水直接落在地表，減弱雨水對(duì)地表的濺蝕作用，從而保護(hù)土體結(jié)構(gòu)，其作用比植物莖葉的截留作用更明顯。枯枝落葉也像一層海綿，可以吸收和儲(chǔ)存雨水，減少土壤表面水分的蒸發(fā)量。

枯枝落葉層對(duì)降雨的截留作用在降雨剛開始時(shí)最明顯，隨著時(shí)間的推移和降雨量的增加,枯枝落葉層可以吸收的水越來(lái)越少,達(dá)到飽和狀態(tài)，不再有截留作用或者截留作用很弱。影響枯枝落葉截留量大小的因素有：降雨量大小,降雨持續(xù)時(shí)間，枯枝落葉的類型、厚度、數(shù)量等。

1.2.2 枯枝落葉分解物對(duì)斜坡土體的侵蝕作用

枯枝落葉及植物死亡根系經(jīng)腐化后變?yōu)橹饕珊羲?HA)和富里酸(FA)組成的腐殖質(zhì)，其降解的最終產(chǎn)物也以草酸、醋酸及CO2等酸性物質(zhì)為主，因此枯枝落葉在為斜坡土體提供酸儲(chǔ)備的同時(shí)，也會(huì)對(duì)斜坡土體產(chǎn)生一定的侵蝕作用[10]。此外，枯枝落葉還為微生物和小動(dòng)物提供了天然的庇護(hù)所和充足的食物，促進(jìn)了微生物的活動(dòng)，而大量微生物和動(dòng)物的新陳代謝會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、有機(jī)酸及酸性有機(jī)殘余物，這些分解產(chǎn)物會(huì)隨入滲水進(jìn)入斜坡土體，從而對(duì)其產(chǎn)生侵蝕作用，將不利于斜坡的穩(wěn)定，但該其侵蝕作用很弱，對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響不明顯。

1. 3 木本植物根系對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響

1.3.1 植物根系的加固作用

植物根系分為主直根型、散生根型、水平根型，不同類型的植物根系對(duì)斜坡的作用機(jī)制不同[11-12]，因此對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響程度也有所區(qū)別。土壤與植物根系之間的相互作用可以分為3種類型[13-16]：①附著黏結(jié)型根土作用；②摩擦型根土作用；③剪切型根土作用。這三種作用所提供的阻力增強(qiáng)了根系土層的整體抗剪強(qiáng)度。Wu等[17]研究認(rèn)為植物根系增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度是由于其凝聚力作用的結(jié)果,并提出了量化植物根系增加土體剪切強(qiáng)度的簡(jiǎn)化垂直根模型:

Cr=tR(cosθtanφ+sinθ)

(3)

式中：Cr為植物根系加固增加的土體剪切強(qiáng)度(MPa)；tR為植物根系單位面積土壤平均抗拉強(qiáng)度(MPa)；θ為剪切旋轉(zhuǎn)角(°)；φ為內(nèi)摩擦角(°)。

植物根系在土體中的分布密度自地表向下逐漸減少，在根系盤結(jié)范圍內(nèi)，土體可以看作由土和根系組成的根-土復(fù)合體[18](見圖3)。在根-土復(fù)合體中，根系如同纖維一樣起到加固土體的作用。根系土所提供的附加黏聚力，一方面增加了土體的黏聚力，另一方面限制了土體的側(cè)向位移，兩者之間的共同作用提高了土體的抗剪強(qiáng)度。然而，植物根系對(duì)土體的影響是不均勻的，因此在考慮植物根系對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，需要選用平均抗剪強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算。

圖3 根-土復(fù)合體Fig.3 Root-soil composite

本文運(yùn)用Geostudio軟件中的Slope模塊通過對(duì)某一淺層土質(zhì)斜坡進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了植物根系對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響。計(jì)算原理采用極限平衡法，根據(jù)滑裂土體的靜力平衡條件和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算該土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并在許多可能的滑動(dòng)面中找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。選用的模型幾何參數(shù)為：該土質(zhì)斜坡模型水平投影65 m，垂直投影37 m，潛在滑移面深2～7 m，斜坡土層的基本參數(shù)見表4。

模擬計(jì)算得到在有無(wú)植物根系情況下該土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，其模擬計(jì)算結(jié)果見表5和圖4。

表4 植物根系加固作用模擬土層的基本參數(shù)Table 4 Basic calculation parameters of soil for the simulation of reinforcement action of vegetation root system

表5 土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)Table 5 Stability coefficient of the soil slope

圖4 植物根系對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性影響的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation of the influence of vegetation root system on the stability of the soil slope

由表5和圖4可見，植物根系可以提高土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。因此，合理選擇根系發(fā)育的植被可以更好地起到護(hù)坡作用。由于本模型并不能完全模擬植物根系的分布情況及其加固機(jī)制，同時(shí)模擬過程中選用的是平均抗剪強(qiáng)度參數(shù)，故模擬結(jié)果存在一定的誤差。

雖然植物根系對(duì)土體的加固黏結(jié)作用增加了土體本身的黏聚力，提高了土質(zhì)斜坡的抗滑能力，但植物根系的這種加固作用會(huì)受到植被種類、年齡及植地條件等多方面因素的影響，且隨著地表深度的增加植物根系的密度急劇減少，這種加固作用也會(huì)減弱。因此，植物根系對(duì)其延伸范圍內(nèi)的土體的力學(xué)加固效應(yīng)是顯著的，但這種效應(yīng)僅存在于地表以下很淺的范圍內(nèi)；盡管某些深根性植物的根系可以到達(dá)地下5 m甚至更大的深度，而在這一深度范圍，無(wú)論單根直徑，還是根系總密度都已大幅降低，其加固效應(yīng)已十分微弱。

1.3.2 植物根系的成孔作用

植物根系在土體內(nèi)發(fā)育時(shí)，活的根系向下或側(cè)向伸展，在根尖部呈圓柱體擴(kuò)大，使根系周圍的土壤變得疏松,其粗度、深度和分布取決于樹木的生長(zhǎng)狀況，隨著根系的生長(zhǎng)，在植物活根與土體之間，常形成一些大孔隙。植物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生軸向壓力與橫向壓力,由于土體頂面沒有約束，將導(dǎo)致根系范圍內(nèi)的土體膨脹，使土體頂面及根系外壁與土壤之間產(chǎn)生裂縫，由于土體與根系之間的不協(xié)調(diào)變形，將在它們之間形成平行于根系界面的下滲通道，增加了降雨時(shí)雨水的入滲量，改變了地下水水位深度。植物根系腐爛后會(huì)形成連通性很好的大孔隙，增加了土體滲透性，使得斜坡土體內(nèi)部入滲量增大，土體含水量發(fā)生變化。垂直、水平腐爛的植物根系相互交叉，共同構(gòu)成土體剖面上大部分自由水下滲的網(wǎng)絡(luò)通道，腐爛的植物根系通道不僅導(dǎo)水而且還能夠傳輸有機(jī)質(zhì)?；罡透ㄟ^增加孔洞數(shù)量來(lái)增加雨水入滲，在一定程度上破壞了斜坡土體的結(jié)構(gòu)，因此從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，植物根系的發(fā)育延伸降低了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。

1.3.3 植物根系的呼吸作用

植物根系在土壤中進(jìn)行呼吸作用會(huì)產(chǎn)出大量CO2，這為斜坡土體的水-土作用提供了必要的CO2，也提高了土體的酸度，從而增強(qiáng)了入滲水對(duì)斜坡土體的侵蝕性，使土質(zhì)斜坡整體的穩(wěn)定性減弱，但這種作用非常弱。

1. 4 植被衍生物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響

隨著植被的生長(zhǎng)發(fā)育，動(dòng)物和微生物的種類慢慢增加，活動(dòng)日趨頻繁，生物多樣化不斷形成，而大型動(dòng)物的日?；顒?dòng)和新陳代謝生長(zhǎng)過程所產(chǎn)生的CO2、糞便和尸體，一定程度上改變了土壤的成分，提高了土體酸度和入滲水酸度，有利于促進(jìn)水對(duì)斜坡土體的侵蝕作用；同時(shí)，動(dòng)物和微生物頻繁的活動(dòng)會(huì)促使土體空洞的形成，而孔洞的增加又使得雨水入滲量變大?？梢?，植物衍生物降低了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性，但這種作用也是非常微弱的。

2 木本植物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性影響的作用模式

木本植物對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，主要通過水文作用和機(jī)械作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。木本植物各部位通過各種不同的作用機(jī)制而引起土質(zhì)斜坡在水文方面和受力方面發(fā)生變化，從而影響土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。本文將木本植物各部位對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性影響的不同作用模式進(jìn)行了歸納，詳見圖5。

圖5 木本植物各部位對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性影響的作用模式Fig.5 Action mode of different parts of woody plants act on the stability of soil slope

3 結(jié) 論

(1) 植物莖葉提高了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性，這是由于植物莖葉具有截留作用，可以減小降雨對(duì)地表土的濺蝕作用，還可減弱雪霜對(duì)土壤的直接凍蝕，保護(hù)地表土；植物莖葉的蒸騰作用改變了地下水水位，降低了斜坡土體的自重和孔隙水壓力。但在大風(fēng)及臺(tái)風(fēng)情況下，植物莖葉會(huì)將風(fēng)荷載傳遞給斜坡，降低其穩(wěn)定性，因此在頻發(fā)臺(tái)風(fēng)的地區(qū)應(yīng)選擇合適的植被品種進(jìn)行種植。

(2) 植物枯枝落葉為一些動(dòng)物和微生物提供了場(chǎng)所和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，改變了土壤的酸堿度，提高了入滲

水的酸度，增強(qiáng)了入滲水對(duì)斜坡土體的侵蝕作用，對(duì)土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性有一定的破壞作用。

(3) 植物根系提高了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性，這是由于植物根系具有加固作用，增加了土體的抗剪強(qiáng)度，提高了土質(zhì)斜坡的抗滑能力，但這種加固作用有一定的限制范圍。此外，植物根系還具有成孔作用，可增加土體孔隙度，破壞土體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)降雨的入滲，一定程度上降低了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性。

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