減少生態(tài)護坡過密種植對淺層邊坡穩(wěn)定性的影響

羅皓鵬 （合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 242000）

隨著經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)保意識的增強，城市建設(shè)過程中的邊坡治理逐漸走向生態(tài)化，工程建設(shè)的同時保護環(huán)境是現(xiàn)階段的發(fā)展趨勢。在邊坡的治理上調(diào)整原有的高耗能、環(huán)境不友好材料使用為環(huán)保節(jié)約材料是必不可少的。生態(tài)邊坡工程即利用植物的優(yōu)良性質(zhì)對邊坡產(chǎn)生較好治理效果而具有良好的前景，目前正被廣泛研究并使用。但是，就現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)在園林的植物種植上會產(chǎn)生過密種植情況，導致了對環(huán)境、資源、經(jīng)濟的不利影響[1]。當過密種植發(fā)生在生態(tài)邊坡這類功能性工程中時，不僅會帶來嚴重的經(jīng)濟損失，更會導致人員的傷亡。因此，研究過密種植對于生態(tài)邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

1 試驗過程

實驗材料選取豬屎豆、胡枝子、多花月季等植物，種植地點為臨湖邊坡，為多腐殖質(zhì)土壤，其平均坡度為36°，全年平均氣溫15.6℃，年平均降水1350mm，試驗選取坡度均勻，每塊1m×1m的場地，種植密度如表1所示。

實驗布置 表1

其中預布置500株/m2為相對高密度組，300株/m2為相對低密度組。植株同時種下，培育1年，其間定期除草防止雜草對實驗影響，配置防沖刷裝置防止降雨對表層土壤沖刷，定時定量于裝置上高密泡沫施水使水穩(wěn)定下滲，使土壤保持水分合適。培育期到后用剪刀剪去地面枝干部分，用6.18cm內(nèi)徑、20mm高環(huán)刀在實驗區(qū)域距地表15～25cm范圍內(nèi)取樣，在實驗地區(qū)隨機取樣各20塊，取好后用環(huán)刀盒封裝，并做保水處理，未擾動情況下帶至實驗室進行直剪試驗，由于土壤抗剪強度直接決定淺層邊坡的穩(wěn)定性，測定試樣的抗剪強度。

2 實驗結(jié)果

圖1 各參量試樣性能曲線

在100kPa、200kPa、300kPa作用壓強下利用直剪實驗讀出量力環(huán)量表讀數(shù)，可得到對應(yīng)于定壓力條件下的剪切應(yīng)力，得如圖1曲線。土壤剪切力采用庫倫公式：

τ：剪切力（kPa）

R：量力環(huán)量表讀數(shù)（0.01mm）

k：測力計率定系數(shù)（kPa/0.01mm）

σ：垂直壓力（kPa）

φ：內(nèi)摩擦角（。）

c：粘聚力（kPa）

實驗結(jié)果如表2所示。

由結(jié)果可知，對于以上植物種類，在實驗范圍內(nèi)，種植密度越大會導致內(nèi)摩擦角越小，而粘聚力則相應(yīng)增大，對于豬屎豆組，可見其粘聚力增加較大，對于胡枝子和多花月季組可見其粘聚力增加較少；就內(nèi)摩擦角減少程度來看，豬屎豆的內(nèi)摩擦角減少較大，而多花月季和胡枝子減少較少。

各組摩擦角及粘聚力 表2

分析可知：種植密度各類之間平均相差2.77%，最大相差3.6%，并且通過隨機采樣方式，由于植株密度帶來的誤差可忽略不計。植物根系對于土壤的力學作用主要表現(xiàn)在泥土與植物根系的摩擦力上，與其比表面積有關(guān)[2]。經(jīng)實驗測得：豬屎豆組植株主根平均長度32.7cm，平均直徑2.4mm，須根平均長度12.7cm，平均直徑1.1mm，平均主根∶須根=1∶60豬屎豆組平均比表面積：

同理測量得多花月季組平均比表面積：

上式：

α1：豬屎豆組平均比表面積

α2：多花月季組平均比表面積

S1：平均主根表面積（mm2）

S2：平均須根表面積（mm2）

l1：平均主根長度（mm）

l2：平均須根長度（mm）

d1：平均主根直徑（mm）

d2：平均須根直徑（mm）

3 結(jié)果分析

經(jīng)觀察，種植豬屎豆組屬明顯直根系植物，有明顯主根，較少側(cè)方須根，作為主根單獨布置組，主根長度在20～40cm范圍。多花月季有明顯主根，并有較多側(cè)根和須根，側(cè)根和須根散射裝分布，主要分布與主根生長方向呈45。～70。，屬混合布置組。胡枝子組為明顯散生根系，無主根，須根在與豎直方向呈0。～60。分布，屬須根單獨布置組。此處根據(jù)實驗結(jié)果，可看出主根密度與須根密度變化相關(guān)性較低，意味著可將主根密度與須根密度作為2個變量，因此將根系的作用分為主根加筋[3]，須根網(wǎng)結(jié)作用。

從粘聚力方面來看，種植以上植物都能夠提升土壤的粘聚力。由實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就主根而言,增加種植密度可以明顯提高土壤的粘聚力；但對于須根而言，粘聚力的大小對于密度改變并不是很敏感，胡枝子組粘聚力在相對低密度布置時便達到素土的3倍左右并隨密度變大保持穩(wěn)定；在須根與主根同時存在時，對土壤粘聚力提升的效果要優(yōu)于兩者單獨作用。

從摩擦角方面看，適量的根都能夠少量提升土的內(nèi)摩擦角，過量的根都導致內(nèi)摩擦角下降，但對于側(cè)根和主根共存條件下，摩擦角下降效應(yīng)被大大減弱。

主根過量引起的摩擦角下降可解釋為過密的豎直根會導致土的整體性不好類似鋼筋混凝土的超筋效應(yīng)，根系與土壤之間存在摩擦力，摩擦力與根表面積的大小有關(guān)[4]。實驗發(fā)現(xiàn)給予須根定義的網(wǎng)結(jié)作用體現(xiàn)在過量須根不會引起摩擦角的大量下降，并且可以改善主根的超量效應(yīng)，即比表面積α的增大會緩解由于過量主根引起的粘聚力下降的現(xiàn)象。

分析認為：一方面單株植株的須根包絡(luò)植株下方土壤，通過須根的摩擦力使其整體性增強，成為須根、土塊絡(luò)合體；另一方面輻射狀生長的須根在較密情況下可交接生長，在離土壤表層20～30cm形成網(wǎng)絡(luò)體系，增加種植地區(qū)的整體性以保證穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過實驗及分析，確定在生態(tài)護坡的邊坡治理中，單純種植須根系系列植物并不能達到最好穩(wěn)固效果，其效果對種植密度不敏感，單純種植直根系系列植物不僅在少量時難以起到穩(wěn)固作用，在超量時則對摩擦角下降過大，反而與預想效果背道而馳，因此需要控制適宜種植密度，間隔種植適量須根系系列植物可以緩解其摩擦角的下降，并且其效果保留了對種植密度的不敏感性，并且對于粘聚力也比單類種植要高，是理想的種植形式，對配置技術(shù)要求較低，治理效果較好。因此，對于未種植植物的邊坡，選擇同時具有主根和側(cè)根的植物效果會更好，對于種植的技術(shù)要求更低，因此可適用范圍更廣；對于已發(fā)生過量種植的邊坡，則可以選擇在原有種植植物的基礎(chǔ)上選擇其空隙部分種植須根系類植物以改善過密種植的影響。