植被防護岸坡加筋機理研究

譚瑞琪，謝亞軍，李欣然，姜寶瑩，張桂榮

（1.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室、南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；2.淮安市水利工程建設管理服務中心，江蘇 淮安 223021）

1 引言

河流土質岸坡抗沖性較差，在水流沖刷下易發生失穩破壞，破壞環境且威脅人民生命財產安全，嚴重影響社會的穩定。與之相比，植被防護岸坡既提高了坡面抵抗徑流搬運泥沙的能力，又滯洪補枯、調節水位、提高河岸穩定性，極大保護了河岸帶生態環境。

植被護岸技術能有效降低降雨對岸坡的侵蝕，提升岸坡抵御水流沖刷的能力，提高岸坡穩定性。本文較為系統地分析了植被防護岸坡加筋機理，指出復合生態護岸結構增強了植被根系加筋固土的作用，提升了生態防護岸坡的整體穩定性。

2 草本植被根系加筋護岸機理研究進展

草本植物根系直徑一般小于1 mm，在0～30 cm的表層土體內呈三維隨機分布狀態（圖1），具有三維加筋特性[1]，可通過網絡、纏繞、黏結作用固土[2]。因富含纖維素，所以草本植物根系具有更高的強度和延展性[3]，可根據在土體中的受力情況將其視為柔性材料[4]。胡其志等[5]指出根系加筋土、格柵加筋土，根系與格柵復合加筋土的應力-應變關系均符合鄧肯-張模型，即通過增加土體抗剪強度的方式來提高土體力學強度[6]（圖2），根—土復合體具有彈塑性變形能力[7]。

圖1 典型草本護坡植被根系分布圖

圖2 裸土、根—土復合體的三軸應力圓分析

草本植被根系加筋護岸機理主要體現在兩個方面：一是植被根系加筋的生物、化學固土作用；二是植被根系加筋的力學加固作用，增強土體抗剪強度，從而增強岸坡的抗沖效應與抗滑穩定效應。

2.1 植被根系加筋的生物、化學作用固土機理

土體基本結構是有機質和無機物質膠結而成的水穩性團聚體，一般是指土粒通過各種自然作用形成的直徑小于1 cm 的結構單位[9]。研究表明大于2.5 cm 的水穩性團聚體可明顯增強土體的抗沖效應[10,11]。草本植被根系加筋護岸結構從兩方面增加團聚體數量從而提高岸坡穩定性：一方面，根系的化學作用釋放有機物和無機物[12]，并且根系的生物作用增強微生物活性，更提高了土中的具有粘性和吸附特性的有機大分子、無機物、膠體和粘粒含量，增加了土體團聚體數量[6]。根—土相互作用既增加了土體團聚體數量，又能通過根—土接觸面的膠結作用加強吸附、防止團聚體消散，提高岸坡土體的整體性。另一方面，通過土體中根系的網絡、纏繞、根土粘結和生物化學作用將較小土塊膠結成較大土塊，穩定土體結構，形成抗沖性強的土體構型[13]，增強土體抵抗風化吹蝕、流水沖刷和重力侵蝕的能力[9]，達到固土護坡的目的。

2.2 植被根系加筋的物理作用固土機理

目前，根系固土作用的力學特性主要是通過提高根—土復合體的抗剪強度和抗拉強度，來增加土體力學強度[14]，其次通過改善土體的理化性質[15]來提升土體的性能。

2.2.1 增加抗剪強度

抗剪強度是衡量根—土復合體力學性能及抗沖效應的重要指標，是土體抵抗剪切破壞的極限強度。土體抗剪強度的表征參數為粘聚力與內摩擦角，即土顆粒內部及顆粒間的粘聚力和摩擦力越大，固土能力越強[16]。如圖2 所示，圓Ⅰ為裸土土體極限平衡狀態下的摩爾應力圓；圓Ⅱ則是根—土復合體極限平衡狀態下的摩爾應力圓；兩者的最大主應力σ3相等。對于原狀草根加筋土，根系經受并對抗土體運動產生的剪切力來提高土體抗剪強度，其粘聚力一般高于裸土，摩爾應力圓中表現為粘聚力增加了△c，但根系加筋作用對土體內摩擦角基本沒有影響[17]。

2.2.2 增加抗拉強度

抗拉強度是衡量物體力學性質的重要指標，而土體抵抗拉伸的能力弱，其抗拉強度可忽略不計。植被根系的抗拉性能較高，因此，根系的加入可顯著改善土體的抗拉性能。由于根系與土體之間的摩擦作用，當土體發生較大的剪切變形時，土體中的根系承擔了部分拉應力[7]，顯著提高了土體抵抗剪切破壞的能力、抑制土體膨脹，進而提高了土質岸坡所承擔的極限荷載[18]，有效增加土質岸坡延展性。

2.2.3 改善理化性質

植被根系具有束縛和抑制土顆粒的性能，有助于改善土體的容重、滲透性和孔隙度。在草地覆蓋率為30%～50%、50%～70%和70%～100%時，土體容重隨覆蓋率的增加呈現先減小后增大再減小的趨勢[19,20]。通過植被根系的支撐拱起、破壞面上法向應力的增加與孔隙水壓力的變化引起土體含水量變化等因素，共同對岸坡的整體穩定性產生積極影響。

2.3 植被根系加筋固土機理的影響因素

植被根系對土體的加筋效果主要取決于根—土復合體抗剪強度和抗拉強度。根-土復合體力學性能的主要影響因素按重要性排序如下：分布密度、根—土接觸面積及根表面粗糙度[21]、根系傾角[22,23]、土體含水率、凍融循環作用等。分布密度由根系形態（須根系、垂直根系）、水平和垂直分布規律共同決定，即根—土復合體存在最佳含根量（圖3），此時加筋土的抗剪強度最大[24]。當土體含根量小于最佳含量根時，加筋土的抗剪強度由根系數量決定，隨含量根的增大而增大[25]；當根系含量大于最佳含根量時，抗剪強度與含根量呈負相關關系，并受根系實際提供的摩阻力影響較大[26]。在垂直方向上，根系密度和直徑逐漸減小，抗拉強度、抗剪強度隨土體深度而變化[27]（圖4）。粘聚力隨根—土接觸面積及根表面粗糙程度的增加而增加[21]。根系傾角α 值對于土體強度的提高宏觀上表現為提高粘聚力c，對內摩擦角略有提高可忽略不計[22]。其中，根系傾角135°時抗剪強度的提高效果最大，45°提高效果次之，90°時提高效果最小（圖5）。

圖3 毛穗賴草根-土復合體含根量與粘聚力關系[24]

圖4 根-土復合體力學性能與土體深度變化規律[27]

圖5 根系傾角與土體抗剪強度的關系[22]

土體含水率與抗剪強度關系和最佳含根量相似，即在最優含水率下，根—土復合體抗剪強度最大[14]。凍融循環、干濕循環也會影響植被根系加筋強度。在初次凍融作用后，粘聚力損失量最大。隨著凍融次數的增加，粘聚力損失量逐漸趨于平穩[28]，土體抗蝕指數逐漸減小[29]。根—土復合體粘聚力隨干濕循環次數的增加驟減，而內摩擦角并無明顯變化[30]。

3 研究展望

植物護坡是一個長期的、復雜的、動態的過程，根系護坡效果與植物的生長有很大關系，有明顯時空屬性。為了探討生態護坡的可持續能力，需要深入研究生態護坡中根—土復合體抗剪強度特性隨植物生長周邊的變化規律，揭示根系固土作用的時間尺度效應，提出根土復合體強度增長預測方法。

研發根系土原位直剪儀（圖6），并通過CT 三軸儀和數字圖像處理系統等技術，系統研究植被生長過程中典型草灌植被根系分布形態變化對根土復合體應力—應變過程的演變規律，量化分析岸坡植被根系抗拉、抗拔力學特性，揭示根系固土作用的時間效應。研究根土復合體微細觀結構（形態、排列形式、孔隙性和接觸關系等），探討根土復合體破裂面形態及其固土護坡機理，構建與其微細觀結構和植被生長周期相適應的根系—土耦合力學模型，在此基礎上提出根系—土復合體強度計算及其增長過程預測方法，為準確評價淺層岸坡穩定性提供理論支撐。

圖6 原位可移動式大型直剪儀示意圖

4 研究結論

草本植被根系加筋護岸機理主要體現在兩個方面：①植被根系的生物、化學作用。增加土體水穩性團聚體數量，通過植被根系的網絡、纏繞、黏結固土作用使得土體形成抗沖形構型；②植被根系物理作用。根系增加了土體的延展性，減少了土體裂隙與土體變形。通過根系加筋作用提升抗拉性能和抗剪強度，提高土質岸坡所承擔的極限荷載，提高土體的整體穩定性。