植被護坡機理及其工程應用研究

符亦強

(湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

大規模公路建設產生了大量的邊坡。邊坡開挖帶來了兩方面的問題,一是對原有的植被產生破壞,導致嚴重的水土流失,加劇生態系統的退化,破壞了原有的景觀;二是工程開挖以及建成后的風蝕和雨蝕作用往往威脅到邊坡的穩定性。傳統的工程治理對于潛在的深層滑動面,常采用擋土墻、抗滑樁、錨索等支護措施,對于表層的不穩定問題,常常采取漿砌片石護坡、干砌片石護坡、噴射混凝土、灰漿抹面、錨噴護面等支護措施。隨著公眾環境保護意識的加強,在工程建設同時,如何既能保證邊坡穩定性,又能快速恢復因邊坡開挖而破壞的植被就成了亟待解決的問題[1]。植被護坡技術由于既能起到傳統支護措施的邊坡防護功能,又能恢復被破壞的生態環境,受到了廣泛的關注。

1 植被護坡介紹

開挖邊坡形成以后,在其上通過種植植物,利用植物與巖土體的相互作用對邊坡表層進行防護、加固,使之既能滿足設計對邊坡穩定性的要求,又能恢復因工程建設而破壞的自然生態環境,這種護坡方式為植被護坡。植被防護主要利用植物根系的加固作用提高土壤的抗剪強度,從而增加路基邊坡的穩定性,增強邊坡土壤抗侵蝕的能力,提高道路邊坡的景觀效果及提高道路的行車舒適性。

表1 植被護坡技術分類表

2 植被護坡的機理

草本植物與木本植物的水平根屬淺根類型,淺根與邊坡表層土中分布厚度一般為0～30 cm。木本植物的垂直根系為深根,其錨固深度可達3～5m[3]。在有植被的邊坡上,一方面,表層土體中植物根系互相纏繞,把土體顆粒集聚緊緊包裹在一起,可以有效防止坡面的沖刷破壞;另一方面,植物根系在地下盤繞交織成網狀結構,形成由根系和土體組成的復合材料,對其分布范圍內的邊坡淺層巖土體起到一定程度的增強與增韌效果,從而能有效防止淺層滑坡,增加邊坡的穩定性。植被護坡是通過其本身的機械力學作用和水文作用來實現的。如圖1[4]。

圖1 植被護坡機理框圖

2.1 植被根系與邊坡土體的力學作用機理

2.1.1 淺根的加筋作用

淺根在邊坡表層土中錯綜盤結,形成厚度約為30 cm厚的土與植物根的加筋復合材料,根據摩爾庫倫強度準則,淺根系的加筋作用提高了土體的內聚力;另一方面,根與土體間的摩擦力限制了土體的側向變形。因此,淺根的存在提高了土體的抗剪強度。見圖2。

圖2 加筋作用機理

由圖2可計算出粘聚力的增加量[5]為:

試驗研究發現,草本植物的根系能顯著提高土體的抗剪強度,但對其內摩擦角的影響不大[6]。因此根據摩爾庫倫強度準則,此時有:

2.1.2 深根的錨固作用(圖3)

要實現變電站各控制層局域網的管理功能，智能變電站技術中，引入光纖技術應用，實現在一次設備與二次設備再到控制中心之間的信息可以無障礙自由傳播。另外，還能實現各級之間的數據傳輸穩定化、可靠化。通過計算機數字技術的智能化，更加集成化了變電站的電能監測和管理，不僅能節約設備占地，進一步縮短工期，還能降低電網安裝成本并保證設備是在預定時間投入工作狀態。

植物的深粗根本身具備一定的強度和剛度,木本植物的垂直根系深入土層,能夠錨固到邊坡深處較穩定的巖土層上,起到了預應力錨固的作用[7]。另外,在植被覆蓋的斜坡上,植物間相互纏繞的側向根系將邊坡聯系成為一個整體,通過深根的錨固作用將淺層土體錨固在深處較穩定的土層處,增加了邊坡的整體穩定性。木本植物根系最大錨固力為[8]:

式中,T為木本植物根系的最大錨固力;μ為根土間的最大靜摩擦因數;γ為土體的天然容重;P(z)為根系的平均半徑沿深度z方向的分布函數;Q(z)為根系數目沿深度z方向的分布函數。

樹木根系的錨固力很大,例如,15 a生油松在1 000 cm2面積上分布的根系錨固力可達470 kN,同時根的直徑越細,則抗拉強度越高[9],試驗結果表明,對于直徑為2～5 mm的各種類型的樹根,其抗拉強度為8～80MPa。

圖3 深根錨固作用模型

2.2 植被護坡的水文效應機理

2.2.1 降雨截留,削弱濺蝕

裸露邊坡的表土在雨滴擊濺的力量打擊下,土壤結構即遭破壞,發生分離、破裂、位移并濺起。雨滴的動能是造成邊坡侵蝕的主要能量來源[9]。當有植被存在時,一部分降雨在到達坡面之前被截留,以后重新蒸發到大氣或下落到坡面。另外,植被的莖葉能攔截高速下落的雨滴,分散雨滴,使其以很小的速度落到坡面上,從而減少滴濺能量及飛濺的土粒。植物的截留雨量E同降雨量P有如下關系[10]:

式中:λ為截留系數,是降雨量P的函數。對于給定的植物類型及其葉面指數LAI,存在一個臨界降雨量P*,當P＜P*時,截留量隨降雨量線性增加;當P≥P*時,E保持在最大值E*不再變化。見圖4。

圖4 截留量與降雨量關系

在雨滴擊濺作用下,土粒能被濺至60 cm高、1.6 m遠。一場暴雨能將裸露地的土壤濺蝕達240 hm2之多[9]?？杉僭O一質量為m的雨滴從距地表H高度下落,忽略空氣阻力,直接到達地面時,雨滴動能為E1=mgH。若地表有植被,植被葉片距地表高度為h。則經過植物的緩沖作用,雨滴速度可認為減小到0,假定雨滴被分散為n個質量相等的小雨滴,則每個小雨滴達到地面時具有的動能為E2=mgh/n,對比發現E2要遠小于E1。植被的削弱濺蝕作用相當明顯。

2.2.2 抑制地表徑流,控制土粒流失

地表徑流帶走已被滴濺分離的土粒,進一步可引起片蝕、溝蝕。草本植物的根莖連接處形成天然的微型攔土柵,當水流夾帶的土顆粒粒徑大于攔土柵的孔隙時,土粒被擋住而形成一個薄的粗粒層;后來的土粒,若大于該粗粒層土的孔隙,則又會被擋住而沉積在該粗粒層的前面,從而形成另一個土粒較細的細粒層。依此規律,土粒在根莖連接處形成了微型土堆,攔阻徑流,減緩流速,使其土粒搬運能力減小,從而控制土粒流失,通常土體的流失量隨植被覆蓋率的增加而銳減。表2顯示了某高速公路邊坡在雨季植草邊坡和未植草邊坡在抑制地表徑流和土粒損失方面的差距[11]。

另外,植物蒸騰作用能夠起到排水效應,從而降低了邊坡巖土體中的孔隙水壓力。尤其是降雨之后,通過植被的吸收和蒸發邊坡內的水分,有效地降低了巖土體中孔隙水壓力,提高了土體的抗剪強度,避免了降水作用引發的滑坡災害。

表2 邊坡植草影響分析

3 工程應用

3.1 工程概況

某高速公路邊坡部分路段沖溝較發育,土質以低液限粉質粘土為主,粘聚力低,水穩性較差,最大坡腳為40°。該地區降雨集中,連續降雨量大,邊坡有沖刷,滑坍病害隱患,且局部有小滑坡,采用簡化Bishop法計算后,安全系數為1.1,需采取防護措施進行處治。

3.2 治理措施

采用錨桿+三維植被網進行支護。在坡面設置錨桿,錨桿間排距各為2.5m,錨桿長度為4～6m,采用梅花型布置,用鋼筋混凝土骨架將錨桿連接成整體,并對坡面進行加固。植被采用宿根黑麥草、百喜草、狗牙根、假儉草和勾葉畫眉草按比例配植?；钚誀I養土覆土厚度20～25 cm。坡頂設截水溝,坡面布排水盲溝進行排水。利用耐特龍高強土工網,采用U型釘固定于坡面上并覆土,然后覆蓋地膜保水?？紤]植被根系深度為0.5m左右,經重新計算安全系數為1.89。

3.3 施工步驟

施工工序為:坡面平整→選取植物種子→錨桿施工→安裝植生袋→安裝格網→種植植被→養護。

1)施工準備。測定土壤并改造不良土壤,對邊坡進行削坡整形,準備植物種子及材料。要盡量選取根系發達、枝葉繁茂、生長快的多年生植物,這樣才能夠起到長久有效地防護邊坡。

2)施工錨桿,安裝錨筋。根據錨筋時效性,安裝短效錨固的竹筋和長效錨固的錨桿,當竹筋腐蝕后,植被根系及錨桿可繼續提供錨固力。

3)安裝植生袋。將植生袋儲存于保水保肥等生長基材,并與鋼絲網或土工格柵等捆扎?；挠筛|有機物、混合肥、粗纖維、保水劑、本地土等組成。對基材要求要必須適合所選植物生長,有一定孔隙和強度,pH要適合植物的生長發育。

4)安裝格網并種植植被。采用土工格柵和三維生態網,網間搭接寬度不小于10 cm,每隔30 cm用鐵絲扎結。用U型釘固定格網。采用墊塊使網與坡面保持2/3覆土厚度的距離。然后開始播撒種子,創造草灌混合生態。

5)對植被進行養護。采用地膜保溫防雨,避免基材混合物在沒有一定勃聚力的情況下流失。用高壓噴霧器將養護水成霧狀濕潤坡面基材,杜絕高壓水頭直接噴射,發芽期濕潤深度控制在2～5 cm,出芽期早晚各養護1次,并注意防治植物病蟲害。

3.4 工程總結

通過現場觀測,狗牙根等草種6 d左右開始發芽,10 d后灌木種子開始發芽。由于基材土配比合理,植物生長快,長勢旺。播種35 d后坡面植被覆蓋率達75%以上,2個月后即達95%,高度平均可達23 cm,最大根深35 cm,施工3.5個月后,覆蓋率即達100%。長期觀測發現,由于植物根系淺根的加筋作用、深根以及錨桿的錨固作用,邊坡穩定性較好,起到了對邊坡的加固防護作用。邊坡雖然經過多次暴雨,仍然完好無損。

4 結論

傳統護坡支護方式只考慮了邊坡的力學穩定,植被護坡既能夠考慮到邊坡的安全穩定性,又能顧及邊坡的生態、環境及景觀功能。但是由于植物根系的深度有一定局限性,對于有潛在深層滑動面的邊坡可采用植被護坡和傳統護坡相結合的方式,保證邊坡的穩定性和生態性。另外,護坡植物應以本地生的灌木為主,草本植物為輔,兼顧短期和長期效果。

[1]蘇洪斌.噴混植生綠化防護技術在軟質巖路塹邊坡上的應用[J].湖南交通科技.2008(2):52-53.

[2]劉黎明,邱衛民,許文年,等.傳統護坡與生態護坡比較與分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2007(6):528-532.

[3]單 煒,孫玉英,王 強,等.高等級公路邊坡植物護坡機理與深根錨固作用[J].東北林業大學學報,2008(11):59-60.

[4]王文生,楊曉華,謝永利.公路邊坡植物的護坡機理[J].長安大學學報(自然科學版),2005(4):26-30.

[5]朱向會,張立杰,郭志勇,等.高陡復合邊坡植物護坡力學機理及模擬[J].礦業研究與開發,2009(5):34-36.

[6]朱 力,吳 展,袁鄭棋.生態植被護坡作用機理研究[J].土工基礎,2009(1):46-49.

[7]姜志強,孫樹林,程龍飛.根系固土作用及植物護坡穩定性分析[J].勘察科學技術,2005(4):12-14.

[8]戚國慶,胡利文.植被護坡機制及應用研究[J].巖石力學與工程學報.2006(11):2220-2225.

[9]周德培,張俊云.植被護坡工程技術[M].北京:人民交通出版社,2003.

[10]單 煒,王福亮.公路植物護坡水文與力學效應的理論研究[J].森林工程,2007(6):43-46.

[11]孫喬寶,甄曉云.高速公路建設對生態環境的影響及恢復[J].昆明理工大學學報(理工版),2000,25(2):68-71.

[12]賀紅亮,王 瓊,楊知建,等.高等級公路植被護坡現狀與展望[J].中南公路工程,2007,32(2):150-153.

[13]漆貴榮.植被混凝土坡面防護技術的應用[J].公路工程,2009,34(2):112-117.