暴雨氣候下砂土邊坡植被護坡模型試驗研究

宋享樺，譚 勇，張生杰

(1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092)

植物邊坡,由于具有固土護坡、水土保持、美化環境、施工簡單、性價比高等特點，在公路、河堤等邊坡工程中被廣泛運用.由于植物邊坡固土機理復雜，涉及植物學、水土保持學、工程學、生態學等多個領域，一直以來許多國內外學者對此進行了重點研究[1-6].

在植物根系的力學特性方面，Hengchaovanic[7]認為草本植物單位須根密度的剪切強度增加值是樹木根系的2～3倍；Schwarz等[8]通過測試發現植被一整棵根系所能承受的最大荷載值要比單根抗拉強度相加之和小很多；李成凱[9]得出單根抗拉強度與根徑之間呈冪函數或指數函數的關系.在根與土的相互作用中，周云艷[10]推導了植物根系錨固作用的力學模型，得出了根系極限抗拔力的計算公式；盧海靜等[11]通過原位剪切試驗發現，在寒旱地區中根-土復合體的抗剪強度要比素土高47.61%～98.24%；宗全利等[12]發現根系能提高土體抗剪強度且主要是通過提高黏聚強度來實現的，對內摩擦角影響較小.基于根與邊坡的穩定性，彭書生等[13]發現地表植被增加使得降雨入滲主要發生在根際區淺層土壤層中，對邊坡深層的影響并不明顯.此外，Leung等[14-17]對植被根系護坡穩定性進行了數值模擬.

在以上的研究中，多是關于植物根系的抗拉能力、抗剪能力等力學性能，或者根與土之間相互作用的理論分析以及力學模型的推導.將植被護坡技術應用到砂土邊坡增強其穩定性的文章卻不多見.周翠英等[18]采用生態酯類納米水性黏合劑對砂土邊坡進行改良，有效提高了砂土的強度、水穩定性以及坡面的抗沖刷能力，但是在砂土表面形成的“殼體”厚度不一，具有一定的脆性，且耗量較大、造價較高；王曉春等[19]采用土工織物與植草相結合的方法對粉砂土岸坡進行護坡，效果較為明顯，但是文中僅僅針對單一的植被物種進行試驗，缺乏對多種不同植物的護坡性能展開進一步對比分析.韓冰[20]對沙漠地區的邊坡加固方法進行了探討，但對植物固坡機理缺乏深入的分析.

近年來，隨著厄爾尼諾現象越來越頻繁，在中國南方地區(如四川、貴州、湖南、廣西等地)，暴雨侵襲導致各種土質邊坡工程發生滑塌的事故時有報道[21-23].因此，本文通過栽培預選試驗，首先挑選了多種快速生長、固土能力較強的草本植物；然后，在對比分析相同暴雨作用下“裸露邊坡”和“植被邊坡”不同穩定性的基礎上，進一步對3種不同植物根系形態的固土機理展開了探究，闡述了根-土復合體保護層的加固機理，其相關研究將有助于加深植被護坡對砂土邊坡穩定性的認識和理解.此外，從工程實踐的角度，此砂土邊坡植被防護技術，適用于“人工填土路基邊坡工程”、“放坡開挖的砂土基坑工程(在長時間施工擱置的情況下)”、“加筋填土路基工程[6]”以及“天然砂土邊坡的固坡治理(如毛烏素沙漠中的沙丘固定綠化治理)”等工程中.同時，相關研究結果對于利用植物根系固土機理嘗試開發新型仿生支護工藝具有一定的啟發性.

1 栽培預選試驗

為了挑選一種能夠快速生長，固土能力較強的草本植物，首先進行了栽培預選試驗.綜合考慮植物的地面高度、根的深度、以及生長季節等多種因素，初步確定了高羊茅、狗牙根、果嶺草、結縷草、四季青、剪股穎6種四季常青的草本植物，具體信息如表1所示.然后，在透明的花盆器皿(長32.5 cm×寬17.5 cm×高15 cm)中等量均勻播種，并置于室內靠窗的陽臺進行種植，室內溫度保持在20 ℃左右，如圖1所示.

表1 不同草本植被的生長特點

圖1 栽培預選試驗中草本植物的生長過程

在預栽培試驗過程中，每天實時記錄每種草的地面高度、根的深度以及發芽率等數據.其中，發芽率采用開源程序，利用某種顏色在所得照片圖中所占比例的原理進行計算.經過18 d的生長周期，6種草本植物的生長狀如圖6(黑色曲線)所示.可以看出，生長速度依次為：四季青>高羊茅>狗牙根>剪股穎≈結縷草≈果嶺草.在植被發芽率方面，最高的是四季青，其次是高羊茅和狗牙根；并且草本植物的生長曲線整體上均表現出“慢—快—慢”(S型)的基本規律，如圖6(b)所示.

同時，采用數顯式峰值拉力計，對每一種草的抗拔力進行測試.多次測量得到的平均值(如圖2(a)所示)，依次為：四季青(29 N)>高羊茅(27.97 N)>結縷草(21.5 N)>剪股穎(21.33 N)>狗牙根(20.8 N)>果嶺草(11.5 N).同時，在研究植物根系固土時發現，狗牙根的抗拔能力小于四季青的，但是其固土能力要強于四季青，如圖2(b)所示.由此推斷，植被的固土能力不僅與根系的抗拉強度有關，還可能與植物的根系結構、抗剪能力等相關.綜上，初步選定生長速度較快，根系較深的高羊茅、四季青和固土能力較強的狗牙根3種草，為進一步開展暴雨條件下淺層植被護坡的穩定性試驗做準備.

圖2 6種草本植物的抗拔力和固土能力的比較

2 暴雨試驗設計及方案

室內暴雨植被護坡試驗裝置，主要由模型箱、降雨控制系統、圖像采集系統以及排水系統4部分組成，如圖3所示.

圖3 室內降雨植被護坡試驗

2.1 試驗設備

2.1.1 模型箱與排水系統

整個模型箱尺寸為 2.0 m×1.2 m×1 m (長×寬×高)，主要由擋墻、隔板以及鋼鐵框架組成.為了方便試驗觀察，擋墻、隔板均采用透明的聚甲基丙烯酸甲酯有機玻璃板(PMMA).中間的兩塊隔板可以通過導軌和吊裝裝置實現前后上下自由移動，如圖4所示.

圖4 植物護坡模型箱示意

同時，在模型箱的兩側設有20 cm寬的水槽，水流通過中間擋墻預留的孔洞進行流動，可以實時觀察邊坡內部的水位.為了防止砂土流失，在擋墻內側放置一層薄薄紗布.此模型箱可以同時模擬3種不同的草本植物，對比分析在同一暴雨強度下的護坡效果.此外，在水槽的底部設置了排水孔，通過調節開關大小實現自由排水.

2.1.2 降雨控制系統

降雨控制系統由高壓霧化水泵、供水箱、導水管、霧化噴頭組成.試驗前，經過雨量標定，本降雨裝置的降雨強度范圍在0～132.6 mm/h，所噴出的雨水呈霧化狀，可以最大程度將雨水有效均勻地噴灑土體表面，避免水滴狀雨水對土體表面造成沖刷.

2.1.3 圖像采集系統

圖像采集系統由高清數碼相機、攝像機、電腦以及兩臺攝影燈光組成，如圖3所示.在模型箱的正前方放置一臺高清數碼相機(EOS-800D)，斜上方放置一臺高速4K攝像機(FDR-AK45)，可以全程無死角地記錄整個試驗過程，獲得高清圖像.

2.2 前期種植過程

2.2.1 邊坡設計

本試驗采用福建標準砂，其顆粒粒徑范圍在0.08～2 mm.經過測量，砂土的平均滲透系數為7.66×10-3cm/s，內摩擦角為40.7°.同時，采用SLOPE/W專業軟件，考慮非飽和土基質吸力的作用，得出當邊坡高度為6 m時，若要保證邊坡安全系數為1.2，放坡角度可達50°.綜合考慮模型箱和邊坡模型的邊界尺寸效應，最終確定邊坡模型的相似比為1∶10，如圖5(c)所示.

圖5 室內植物護坡模型試驗

2.2.2 草籽播種和種植養護

為了增強試驗的嚴謹性，采用定距定量的方式進行播種，如圖5(a)所示.在邊坡表面，橫向距離和縱向距離每隔4.5，8 cm播種10粒草籽.待種植完畢，將邊坡表面撫平，最后3種植物(四季青、狗牙根、高羊茅)的護坡模型試驗如圖5(b)所示.

2.2.3 生長數據

由于砂土介質滲透系數較大，為了保證植物正常生長，采用霧化降雨方式，每日8點、13點和18點定時噴灌(每次噴灌量為30 L)，并采用加入植物通用型營養液的方式(每次5 mL)，及時補充植物生長所需的氮磷鉀等營養物質.在草本植物的生長過程中，每日17點分別測量3種植被高度、根系深度以及發芽率.考慮到邊坡含水量分布不均可能會使得植物的生長速度略有差異，在測量時分別選取坡頂、坡肩、坡中、坡腳4個部位進行測量，最終取平均值.

圖6中，紅色曲線代表模型箱中正式暴雨試驗前期植被的生長狀態.可以看出，高羊茅的生長速度最快，在第3天便開始發芽，并且根系最深，其次是四季青，狗牙根的生長速度最慢(圖6(a)).與前期透明器皿中的栽培預選試驗相比，模型箱中的植物根系更深一些，約為植被地面高度的1.7～2.1倍，這主要是由于模型箱中有足夠的生長空間；在發芽率方面，二者均呈現出“慢—快—慢”(S型)的生長規律.

圖6 栽培預選試驗和暴雨試驗前期植被的生長狀態

3 暴雨試驗設計及方案

本次試驗一共分為兩組，即裸露邊坡和植物護坡.根據中國氣象局的降雨等級，24 h內降雨量在50.0～99.9 mm為暴雨，100.0～249.9 mm為大暴雨.本次試驗選取大暴雨級別，并簡化降雨量為100～250 mm/d (即4.16～10.42 mm/h)，由于試驗相似比為1∶10，轉化后試驗中的降雨量為41.6～104.2 mm/h.考慮到近幾年厄爾尼諾現象愈發嚴重，為了突出對比試驗的效果，最終確定雨強為120 mm/h.由于本試驗重點探究淺層植被對砂土邊坡穩定性的影響，因而忽略不同雨型以及雨強因素，統一為均勻雨型.具體試驗方案見表2.

表2 室內暴雨氣候邊坡試驗

3.1 暴雨作用下裸坡試驗

暴雨作用下裸露邊坡的前期穩定階段如圖7(a)所示；當降雨至1 800 s時，整個邊坡直接突然發生整體直線型滑移破壞，并在坡頂區域引發塌陷，產生了2條橫向發展的裂縫，如圖7(b).在坡頂區域中，裂縫左側距離坡肩0.2Ha(Ha為裸露邊坡高度)，裂縫右側距離坡肩0.4Ha.此外，坡腳左側在雨水滲流的作用下出現輕微的流滑鼓肚變形.整體上，在120 mm/h的暴雨作用下，裸露邊坡并沒有發生太多的局部破壞，而是直接突然發生整體性破壞，時間僅用了30 min.

圖7 暴雨作用下裸露砂土邊坡試驗過程

3.2 暴雨作用下植物護坡試驗

為了探究植被的固土護坡機理，在進行裸露邊坡降雨試驗的同時，進行了同等降雨強度下植被護坡試驗.兩個試驗在土壤介質、邊坡角度以及降雨強度等方面均保持了一致性.

3.2.1 從初始狀態至穩定滲流階段

為了突出滲流場的變化路徑，僅在降雨階段加入有色顏料，顏料對植物根系不會產生影響.暴雨作用下整個植被護坡試驗過程，如圖8,9所示.

圖8 暴雨作用下植物護坡試驗正面圖

圖9 暴雨作用下植物護坡試驗側面圖

在暴雨作用下，雨水從坡頂入滲，逐漸流向坡腳，整個邊坡的滲流線如圖9所示.當降雨至61 min 43 s時，紅色的滲流線已達到坡底，此時高羊茅邊坡出現第一條“裂縫Ⅰ”(圖8(b))，裂縫的初始位置垂直距離坑底為 0.3Hb(Hb為植物邊坡高度，60 cm)；當降雨至70 min時，位于中間位置的狗牙根邊坡開始出現“裂縫Ⅱ”(圖8(c))，裂縫垂直距離坑底為0.13Hb；當降雨至80 min30 s時，在高羊茅邊坡“裂縫Ⅰ”的基礎上，垂直距離坑底為0.38Hb的邊坡部位出現“裂縫Ⅲ”(圖8(d)).此后，降雨又進行了61 min，由于水位線一直控制在坑底以下10 cm左右，3條裂縫均一直保持原有狀態，未發生較大變化.可見此時整個邊坡已經達到了穩定滲流階段.

3.2.2 坑內積水階段

在暴雨天氣下，如果雨量較大，一旦排水不及時往往容易造成積水現象.因而，在前期試驗的基礎上，將排水管關閉，模擬積水狀態下的植物護坡穩定性試驗，如圖10,11所示.

圖10 植物護坡“坑內積水”試驗正面圖

從圖10(a)可以看出：當坑內積水為0.15Hb時，高羊茅邊坡的“裂縫Ⅲ”逐漸開始變寬加深，并且由于坑底遭到浸泡，整個邊坡坡腳處的土體逐漸向坑底滑移；狗牙根邊坡中“裂縫Ⅱ”也開始逐漸變寬加深；四季青邊坡依舊保持整體的完整性，未出現任何裂縫等局部破壞.

當坑內積水為0.25Hb時，隨著水位的不斷上漲，在高羊茅邊坡上部出現更多的橫向裂縫；狗牙根邊坡暫時未出現較大的裂縫變化；同時，四季青邊坡仍舊保持邊坡的完整性(圖10(b))，即使坡腳砂土處于飽和狀態中卻未發生流塑性滑移破壞(圖11(b)).由此可見，草本植物的根系結構對邊坡的穩定性起到了明顯作用.

圖11 植物護坡“坑內積水”試驗側面圖(四季青邊坡)

隨著水位越來越高，當坑內積水達0.33Hb時，之前發生較多的局部裂縫破壞，最終導致高羊茅邊坡突然發生整體坍塌破壞；狗牙根邊坡，在原有坡面裂縫的基礎上出現了整齊的橫截式斷裂，暴露出的根系清晰可見；四季青邊坡，依舊保持了邊坡的完整性，仍未發現有裂縫出現.同時，從邊坡的側面圖中也可以看到 (圖11(c)).

當暴雨入滲導致坑內積水達0.42Hb時，之前完整的四季青邊坡突然發生整體式滑移破壞，滑裂面幾乎呈直線型，邊坡整體滑移導致坡頂區域出現張拉裂縫，其縱向深度為0.27Hb，距離坡肩0.25Hb,如圖11(d)所示；而在狗牙根邊坡中，在滲流場和重力場的作用下，整齊的橫截面裂縫破壞形態進一步加劇，但未發生整體性滑移破壞.而高羊茅邊坡，前一階段已經發生整體破壞.

3.3 對比分析

3.3.1 植被護坡與裸露邊坡

相同暴雨強度下，裸露邊坡的穩定時間僅維持了30 min，而植被邊坡持續了61 min 43 s(截止到高羊茅邊坡發生“裂縫Ⅰ”)，時間是同等條件下“裸露邊坡”的2倍多，可見植物邊坡具有明顯的護坡作用.在破壞形式上，裸露邊坡容易突然發生整體滑移破壞，而植被邊坡更傾向于先出現較多的局部坡面裂縫破壞，當累積到一定程度時，最終引發整體破壞.

3.3.2 3種植被護坡對比分析

如圖12所示，在穩定滲流階段時，高羊茅邊坡和狗牙根邊坡先后發生了局部的坡面裂縫破壞，而四季青邊坡保持了完整性；在模擬坑內積水階段，四季青邊坡和高羊茅邊坡先后發生整體破壞，而狗牙根邊坡卻未發生.結合之前的根系生長曲線(圖6)，根系最長(24.25 cm)的高羊茅邊坡首先發生了局部破壞，根系較長(18.5 cm)的四季青邊坡首先發生了整體破壞，根系最短(12.25 cm)的狗牙根邊坡根系深度雖然發生了局部破壞，卻未發生整體性破壞.由此推斷，在植物邊坡的穩定性中，除了根系深度，很可能還有其他因素起著十分重要的作用.因此，針對植物根系展開了進一步探究.

圖12 “裸露邊坡”與“植被護坡”對比分析

4 植物根系與固土機理分析

4.1 根系形態與邊坡穩定性

為了保證植物根系在土壤中的原有形態，將3種植物的根系進行原位取出，如圖13(a)所示，從左向右依次為四季青、狗牙根、高羊茅.從根系附土形態的角度可以看出：四季青的根系整體上下比較均勻；狗牙根的根系，上端附土量較多，下端較少，整體上呈倒立的三角形；高羊茅的根系，從上往下逐漸減少，呈現出平滑的錐形結構.為了進一步探究，在盡量保證根系原位形態的基礎上，將其附土慢慢清洗，得到干凈的根系結構，如圖13(b)所示，可以看出：四季青根系結構整體上呈均勻型；狗牙根的根系呈倒立的三角形態；高羊茅根系的根系結構基本上呈錐形型態.

圖13 根系結構形態

暴雨作用下植被護坡的破壞形態如圖14所示.首先，在重力的作用下，四季青邊坡的根系豎向發展，根系較深，并且呈均勻形態，表現出淺層豎向加筋作用，明顯提高了邊坡淺層土體的抗剪強度.從而，在坑內積水達到0.42Hb之前，使得邊坡一直保持著較好的完整性.

對于狗牙根邊坡，起初由于根系較淺，根系固土的抗剪能力未能充分體現，在試驗前期發生“裂縫Ⅱ”；由于其根系呈倒立的三角形態，從俯視圖中可以看到根系的上半部分直徑較大(W2)，植株之間有重疊部分，從而在水平方向上有明顯的相互交織連接作用，所以，在后期當坑內積水達到0.33Hb時，發生了整齊的橫截面裂縫破壞(圖10(c))；同時，在暴雨試驗相同時間內，狗牙根邊坡未發生整體性破壞，由此推斷根系呈倒立三角形態的狗牙根植被整體穩定性效果最好.

對于高羊茅邊坡，雖然根系深度較長，但是根系形態整體上呈錐形，在根系的末端，無法提供較強的抗剪能力；同時從俯視圖可以看到，每一株高羊茅的根系影響范圍相互之間沒有交集，無法相互交織連接，從而未能形成一個整體，因此，發生了較多的坡面局部裂縫破壞，并最終導致邊坡發生整體破壞.

此外，考慮到狗牙根植被生長速度較慢，18 d的短期培養未必能充分體現其護坡效果.因此，從邊坡的穩定性出發，綜上可以得出：根系結構呈倒三角形態的狗牙根植被護坡效果最好，其次是呈均勻型態的四季青植被，最后是呈錐形結構的高羊茅植被.

4.2 根-土復合體保護層(固土機理)

在分析完植物根系與邊坡穩定性的基礎上，進一步探究根系與邊坡土顆粒之間的相互關系.如圖15所示，從邊坡的側面圖可以看到黃線外圍的土層顏色較深，而黃線以內的土層顏色較淺.這主要是因為植被的根部具有水土保持的功能，長時間作用下導致根系區土壤含有較高的含水量，從而使坡體內部的含水量分布出現變化.黃色曲線在一定程度上代表著土壤水分分界線，淺層土壤顏色越深，表明水分越高，反之亦然.

圖14 3種植物邊坡不同的根系形態和破壞形式對比分析

圖15 植物根-土復合體及發展過程示意

在植物生長初期，不斷生長的根系將周圍的砂土顆粒黏接起來，使得邊坡表面能夠抵抗風雨的沖刷，起到了明顯的固土抗沖蝕效果.同時，每次霧化降雨形成的滲流作用不斷將土體中的細小顆粒涌向大顆粒之間，土層變得更加密實(圖16中，H2

隨著植物的不斷生長，根系不斷加深擴展，眾多根系相互連接形成根網，將周圍越來越多的土顆粒緊緊套箍在一起，抗沖蝕性能進一步加強；同時，植物的蒸騰作用，通過根系不斷吸水，在根系周圍產生負孔隙水壓力[24]，砂土顆粒進一步變得密實(圖16中，H3

圖16 根-土復合體加固土體機理

因此，在長時間作用下，邊坡淺層的“根-土復合體”逐漸變得密實，而土體內部(淺層之外)的土顆粒之間相對疏松，從而形成了外密內疏的雙層結構.在“根-土復合體”結構中，根與土相互纏繞，起到加筋作用，具備較強的抗剪強度和一定的整體性，而且又覆蓋在邊坡表面，減少了砂土顆粒的流失，提高了土壤抗沖蝕能力，大大增強了邊坡的穩定性，起到了非常重要的保護層作用.

此外，“根-土復合體”保護層還可以降低砂土的滲透性，抵抗暴雨的沖刷，對于水土保持起到了積極作用.如圖17(a)所示，在前期培育過程中，根據滲流路徑，在每次霧化降雨噴灑前，首先記錄水槽內的初始高度(H0)；當降雨噴灑開始時，開始記錄水槽內30 min后水位上升的變化高度(ΔH)，從而得到滲流速率，如圖17(b).可以看出，在草本植物的整個生長周期中，隨著植物的不斷生長，根-土復合體保護層逐漸生成，滲流速度逐漸降低，由此可見，植被邊坡可以降低砂土的滲透性，具有一定的水土保持功能.

圖17 植物邊坡滲流變化

與此同時，進一步對植被根系展開微觀觀察時，可以看到每一根須根周圍均附著滿了細小的砂土顆粒(圖18).究其原因，主要是在植物根系生長發育過程中，能夠分泌大量黏膠物質和多糖類物質[10]，這些物質能將周圍的土粒黏接起來，進一步提高了土壤的黏聚力和整體性，在一定程度上起到了明顯的固土作用.

圖18 植物須根附著細小顆粒

5 結 論

1)在暴雨試驗前期植被養護過程中，植物的生長速度和根系深度均為：高羊茅>四季青>狗牙根；并且，草本植物的生長曲線呈現出“慢—快—慢”(S型)的基本規律，根系深度為植被地面高度的1.7～2.1倍.

2)在相同暴雨強度作用下，裸露邊坡在第30分鐘時便突然發生整體破壞，而植被邊坡在61 min 43 s時才開始發生局部裂縫破壞.在時間上，后者是前者的2倍多，可見對于增強邊坡的穩定性具有明顯效果.此外，裸露的砂土邊坡發生整體破壞時，具有突發性、直線型的特點.

3)在暴雨作用下植被護坡試驗過程中，從降雨開始至穩定滲流階段，四季青邊坡的均勻型根系有效防止了砂土邊坡發生流塑變形，這對于探索新型仿生支護工藝并應用于沙漠邊坡中，具有一定的啟發性.總體而言，狗牙根(倒三角型根系)邊坡的整體穩定性效果最好，其次是四季青(均勻型根系)邊坡，高羊茅(錐形根系)邊坡的穩定性效果最弱.

4)在生長過程中，植物根系通過分泌大量黏膠物質將周圍細小的砂土顆粒黏接起來，并且眾多根系互相連接形成根網，形成了緊密的根-土復合體加筋保護層結構(厚度可達22 cm)，具有明顯的加筋作用和抗沖蝕性能，同時，降低了砂土的滲透性，具有一定的水土保持功效.

5)鑒于文章篇幅，本文主要體現了暴雨過程中淺層植被護坡與邊坡穩定性之間的聯系.此外，還應進行根土復合體的抗剪試驗，對不同根系形態的力學機理、邊坡的幾何形態展開更深層次的機理分析，并進行理論公式的推導，從而成為一個較為完善的研究體系.