生態(tài)護(hù)坡保水和抗沖刷能力分析

周 輝

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100045）

近年來，人們對邊坡植物恢復(fù)技術(shù)開展了較多的研究。如多種多樣的生態(tài)防護(hù)方法，對草、喬灌木等植物的合理配置、生態(tài)群落的合理布置、生態(tài)防護(hù)與邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)物的關(guān)系等都開展了一些有益的探索。植被護(hù)坡的應(yīng)用越來越廣泛，工程建設(shè)單位與設(shè)計單位也在大力推行“生態(tài)護(hù)坡”的新理念。鑒于此，本文在以有研究成果的基礎(chǔ)上，對植物根系護(hù)坡的保水能力和抗沖刷能力進(jìn)行了分析。

1 植被在防止邊坡地表沖蝕方面的功效

草本植物抵抗雨水沖蝕地表土有四大功效。

（1）攔阻：樹葉及地面殘枝腐質(zhì)層部分，可以吸收雨滴降下的能量，減少地表土壤飛濺損失。

（2）抑制：植物根系具有固結(jié)土壤顆粒的功能，同時植被位于地表的部分可過濾地表徑流中的沉淀物。

（3）延緩：植物的莖、葉部分將可增加地表粗糙度及延緩地表徑流的流速。

（4）入滲：植物及其殘余物將提高土壤的滲透性和孔隙率，增加降雨的入滲量，以涵養(yǎng)水源并且延緩徑流產(chǎn)生洪峰的時間。

2 植被抑制邊坡滑動的穩(wěn)定機(jī)制

植被對于抑制邊坡滑動的穩(wěn)定機(jī)制可分為水文及力學(xué)兩個機(jī)制加以討論。Greenway提供了植被對水文及力學(xué)機(jī)制的影響，這些機(jī)制包括有利的因素、有害的因素或是兼具利與害的因素。例如樹木的蒸散作用，會降低土壤的孔隙水壓力，提高土壤的剪力強(qiáng)度；土壤的水分過度蒸發(fā)會導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生張力裂縫，降雨時入滲水量增加，不利邊坡穩(wěn)定。整體而言，植被對邊坡的安全性提升有積極的作用。最有效的植被方式為木本植被，因為木本植物的根系強(qiáng)度及密度較高、主根錨定較深及產(chǎn)生拱效應(yīng)等，對于抑制淺層邊坡的滑動是相當(dāng)有效的方法之一。

3 生態(tài)防護(hù)抗?jié)B機(jī)理研究

通過已有的工程來看，生態(tài)防護(hù)的抗?jié)B效果較好。生態(tài)護(hù)坡的抗?jié)B能力與以下三個方面有關(guān)。

（1）有生態(tài)防護(hù)的邊坡，雨水下滲速度較沒有防護(hù)的邊坡慢；植物表面及根系較柔軟，能迅速吸收落地雨水，一定程度上阻礙著雨水下滲；植物葉面對水流有分割的效應(yīng)，將水滴分割變小，水滴經(jīng)過葉面后，其動能和體積都將減小，從而雨水落地時不會對地表有較大沖擊。

（2）裸露的邊坡，地表水容易形成徑流，流速較大。徑流會導(dǎo)致水土流失并引起水流下滲，影響邊坡的整體穩(wěn)定性，嚴(yán)重時改變邊坡土體宏觀結(jié)構(gòu)，造成邊坡土體力學(xué)性質(zhì)變化，可能導(dǎo)致坍塌或局部滑坡；而生態(tài)護(hù)坡后，由于植被的影響，顯然地表徑流流速、流量均會大幅減少，邊坡土體流失自然減小，土體結(jié)構(gòu)受擾動較小，地表水下滲也會減小。

（3）生態(tài)防護(hù)方式對邊坡土體表面起到一定的板結(jié)作用，使土體保持較穩(wěn)定的含水量，保證了其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的穩(wěn)定性。

4 生態(tài)防護(hù)抗沖刷機(jī)理研究

防沖刷設(shè)計是邊坡穩(wěn)定性及防護(hù)設(shè)計的重要組成部分，沖刷造成水土流失會污染環(huán)境，其帶走的大量泥沙會堆積在坡腳或行車道，阻礙路面排水，甚至影響行車安全；土邊坡土體的抗沖刷性可用抗沖性指數(shù)和水穩(wěn)性指數(shù)評定。

容易被水分散、懸浮的土壤，其抗蝕性較差，水穩(wěn)性指數(shù)較小。植物的根系腐爛后，不僅能提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，并且植物根系與根系結(jié)合在一起，能形成整體不易破碎和分散，可增強(qiáng)土壤的抗蝕性。代全厚等人的研究表明：植物根系與土壤抗蝕性具有相關(guān)性，但土壤有機(jī)質(zhì)與土壤抗蝕性能的相關(guān)性則更好。

增加有機(jī)質(zhì)含量，有利于植被生長，也有利于土的穩(wěn)定。邊坡進(jìn)行植物防護(hù)后，植被能減少水土的流失，減輕雨水沖蝕的強(qiáng)度，并且提高了土體內(nèi)部顆粒間的結(jié)合作用，從而對坡面穩(wěn)定有利。

5 地下水潛水的滲流對生態(tài)護(hù)坡的影響

植被的生長需要水分，設(shè)計者在考慮坡度、坡高、坡體材料結(jié)構(gòu)的同時應(yīng)考慮植被水分的供給。

生長在邊坡下部一定高度范圍內(nèi)的植被能夠受到較遠(yuǎn)的潛水滲流的補(bǔ)給，耐旱的時間較長，容易成活。當(dāng)坡高超過一定高度時，坡面距地下水浸潤線的厚度將增大，由于植被根系的生長深度有限，不能有效地得到水分補(bǔ)給，當(dāng)降雨間隔較長時，就會出現(xiàn)植被因缺水衰退的現(xiàn)象，這也是植被在邊坡下部不易成活的原因之一。所以，生態(tài)防護(hù)要求邊坡單級高度不宜過高，應(yīng)對邊坡進(jìn)行分級，修建臺階，使坡面植被更容易接受較遠(yuǎn)處潛水的滲流補(bǔ)給。

6 植物根系補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)的評估假設(shè)案例分析

6.1 考慮植被的邊坡穩(wěn)定分析模式

就不飽和土壤邊坡而言，其破壞形式大都為淺層破壞或地下水位較深的非圓弧破壞，在考慮了不飽和土壤基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定的影響后，F(xiàn)redlund等人于1981年提出了一般極限平衡法（General Limit Equilibium Method），使得基質(zhì)吸力提供剪力強(qiáng)度分布能列入邊坡破壞分析模式中，同時，GLE分析模式的提出使以往傳統(tǒng)的極限平衡法均可視為本方法的特例。

切片土體底部的驅(qū)動剪應(yīng)力Sm可寫成：

式中：F為安全系數(shù)；β為切片底部的長度。位于邊坡頂部的張力裂縫，假設(shè)沒有剪力強(qiáng)度存在，當(dāng)其充滿水時，則可視為外加載重。若基質(zhì)吸力視為土壤黏聚力的一部份，則Sm可改寫成：

上式可以考慮基質(zhì)吸力對于邊坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)，一般稱此法為總黏聚力法，其優(yōu)點為抗剪強(qiáng)度公式仍保持傳統(tǒng)的形式，因而可沿用傳統(tǒng)飽和土壤的邊坡穩(wěn)定分析計算程序求解不飽和土壤的問題。

同時考慮基質(zhì)吸力及土壤根黏聚力ΔS的影響，總黏聚力C由不飽和土壤含根總黏聚力取代，土壤的強(qiáng)度較飽和土壤增加了基質(zhì)吸力及土壤根黏聚力的貢獻(xiàn)，再進(jìn)行考慮植被的邊坡穩(wěn)定分析。

針對一個高10m、邊坡坡度為1∶1的不飽和土壤邊坡植被建立模型（見圖1）。用邊坡分析程序進(jìn)行不同植被強(qiáng)度及厚度的邊坡穩(wěn)定分析，以了解植被對邊坡的安全系數(shù)的影響。邊坡穩(wěn)定分析時采用不飽和土壤的三維抗剪強(qiáng)度模式，選用的土壤參數(shù)為： rsat=20.4kN/m3； c′=20kPa； φ′=30°；φb=20°。根據(jù)蔡光榮教授（1994）進(jìn)行的一系列的現(xiàn)地土壤含根剪力試驗結(jié)果，土壤的黏聚力將會增加20%～140%不等，故假設(shè)根總黏聚力分別為0、10kPa、20kPa、30kPa及40KPa時，邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 假設(shè)案例示意圖

圖2 不同地下水位下根黏聚力與安全系數(shù)的關(guān)系

6.2 植被加筋強(qiáng)度的影響

假設(shè)根的黏聚力為0～40kPa時（圖2的x軸），地下水位分別距地表不同深度，邊坡的安全系數(shù)如圖2所示。從圖中可以看出，邊坡的安全系數(shù)均隨著根的黏聚力的提高而提高。

6.3 植被厚度的影響

植被厚度為2m的邊坡安全系數(shù)（見圖2（a）），在相同地下水條件下，比植被厚度為1m的邊坡安全系數(shù)（見圖2（b））增加約3%。植被越厚，邊坡整體穩(wěn)定性越高，這是因為植被越厚，其提供給邊坡表面的整體加筋能力越高；植被越厚，則加筋強(qiáng)度增加對邊坡穩(wěn)定性提高的趨勢越明顯。植被越厚，代表現(xiàn)地的邊坡植被種類較接近木本植物。但值得注意的是，安全系數(shù)增加的趨勢并不明顯，詳細(xì)的量化分析，仍有待后續(xù)的研究加以理清。另外，不論黏聚力及植被厚度怎樣改變，地下水位升高對邊坡穩(wěn)定都有不利影響。

7 結(jié)論

（1）生態(tài)防護(hù)對邊坡穩(wěn)定性有有利的影響，也有不利的影響。

（2）植被對于防止邊坡地表沖蝕、抗?jié)B的功效是相當(dāng)顯著的；而草本或是禾本科植物較木本植物防止邊坡地表沖蝕能力更好。

（3）地下水位升高對邊坡穩(wěn)定均有不利影響，但根的黏聚力及植被厚度對邊坡穩(wěn)定性都有利。

（4）采取生態(tài)防護(hù)時要求單級邊坡高度不宜過高。

（5）植被厚度的增加引起的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的增加趨勢并不明顯，需要后續(xù)詳細(xì)地量化分析加以理清。

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