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摘要：對(duì)一般土質(zhì)路基邊坡沖刷過(guò)程和草本植物的護(hù)坡機(jī)理進(jìn)行分析，得出草本植物能有效地防止降雨對(duì)坡面表層土體侵蝕的結(jié)論，為草本植物護(hù)坡的大面積工程應(yīng)用提供了理論支持。提出在邊坡防護(hù)中應(yīng)重視草本植物的應(yīng)用，與灌木和工程防護(hù)相結(jié)合，達(dá)到最佳的防護(hù)效果。...

草本植物護(hù)坡機(jī)理及工程應(yīng)用分析

蔣少欽1，王  亮2

(1．合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥230051；2．西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

    近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，而我國(guó)有三分之二的國(guó)土地處山區(qū)或丘陵地區(qū)，并且修建的標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高，這必然會(huì)產(chǎn)生大量的邊坡。以往的邊坡防護(hù)方式以工程防護(hù)為主，這對(duì)減輕坡面修建初期的不穩(wěn)定性和侵蝕作用非常顯著。但隨著時(shí)間的推移，工程防護(hù)材料逐漸老化，效果越來(lái)越差。而且工程防護(hù)的另一個(gè)突出缺點(diǎn)就是對(duì)自然環(huán)境的影響很大，破壞了生態(tài)平衡。同工程防護(hù)相反，植被護(hù)坡在初期的護(hù)坡作用小，但隨著植物的生長(zhǎng)，對(duì)減輕坡面不穩(wěn)定性和侵蝕方面的作用會(huì)越來(lái)越大。根據(jù)不同的工程條件，通過(guò)喬、灌、草的有機(jī)結(jié)合，能夠在很大程度上降低了由于工程建設(shè)對(duì)自然環(huán)境造成的影響，使人感覺(jué)到人與自然和諧相處的美感。國(guó)外一般把植被護(hù)坡定義為：“用活的植物，單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合，以減輕坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕…”。同植被護(hù)坡在工程上的廣泛應(yīng)用相比，對(duì)其護(hù)坡機(jī)理的研究相對(duì)較少，很多時(shí)候僅將其作為邊坡綠化的一種方式，在工程應(yīng)用上帶有很大的盲目性和隨意性，這就在一定程度上影響了植被護(hù)坡的進(jìn)一步發(fā)展。本文針對(duì)工程護(hù)坡中常采用的草本植物，分析其護(hù)坡機(jī)理，為工程應(yīng)用提供參考。

1.邊坡沖刷過(guò)程分析

    降雨沖刷是一般土質(zhì)路基邊坡最常見(jiàn)的破壞形式。對(duì)邊坡沖刷過(guò)程的認(rèn)識(shí)是進(jìn)行邊坡防護(hù)的前提條件，只有在此基礎(chǔ)上才可能提出有針對(duì)性的合理的邊坡防護(hù)方案。目前對(duì)邊坡沖刷類型尚無(wú)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文以土質(zhì)邊坡為例，按照邊坡沖刷發(fā)展階段進(jìn)行分析。

    1.1濺蝕階段

    在降雨強(qiáng)度較大時(shí)，雨滴約以7～9 m／s的速度直接擊打坡面，破壞土顆粒的結(jié)構(gòu)，使土顆粒產(chǎn)生分散和飛濺。它是在一次降雨中最先發(fā)生的侵蝕，通常出現(xiàn)在整個(gè)坡面，破壞了坡面表層土體的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量泥漿填塞土孔隙，阻止雨水下滲。降雨強(qiáng)度越大、雨滴越大，則濺蝕作用越強(qiáng)烈，為坡面后續(xù)的侵蝕階段創(chuàng)造條件。

    1.2薄層水流侵蝕階段

    從雨滴擊濺起，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)坡面入滲強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成坡面徑流。在裸露平整的坡面上，坡面徑流呈薄而均勻的層流，薄層水流有一定的侵蝕作用，將坡面表層松散土沖刷帶走。

    1.3溝蝕階段

    雨滴擊濺及坡面薄層水流的共同作用，使坡面土體分散、飛濺，并向下移動(dòng)，坡面開始出現(xiàn)細(xì)小的坑洞及溝槽。坡面徑流從這些輪廓清晰的坑洼和小溝槽中流過(guò)，時(shí)分時(shí)合，沖刷力不一致，坡面土層的抗沖性也出現(xiàn)差異。暴雨徑流在分散和兼并過(guò)程中出現(xiàn)不均勻的股流，與薄層水流侵蝕相比，這些不均勻股流的侵蝕性增強(qiáng)，并隨徑流匯集而增大，沿股流流動(dòng)的軌跡產(chǎn)生細(xì)溝沖刷。同時(shí)，單條細(xì)溝也不斷發(fā)展而形成細(xì)溝侵蝕系統(tǒng)，并隨著徑流流量的增大，細(xì)溝不斷向邊坡上部和深部擴(kuò)展。在此基礎(chǔ)上徑流繼續(xù)侵蝕，淺溝不斷加深、加寬和加長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)展為淺溝沖蝕和沖溝沖蝕。

    1.4沖刷坍塌階段

    主要是指沖溝兩側(cè)和上游溝壁物質(zhì)由于強(qiáng)烈沖刷作用在自重力作用下失去平衡，產(chǎn)生掉塊、瀉溜和塌落。坍塌土體松散，抗沖性很差，很快就會(huì)被坡面水流沖走，這種水力沖刷作用與重力坍塌作用交互進(jìn)行，加劇坡面沖刷程度，是沖溝發(fā)展到后期的一種高強(qiáng)度沖刷形式。

2.草本植物護(hù)坡機(jī)理

    草本植物護(hù)坡機(jī)理涉及巖土工程、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、水土保持學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，目前對(duì)其尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。總體來(lái)說(shuō)草本植物主要依靠其地上部分的莖葉和地下部分的根系進(jìn)行護(hù)坡。

    2.1草本植物莖葉的護(hù)坡作用、

    2.1.1消弱濺蝕作用

    降雨濺蝕是邊坡侵蝕的最初階段，同時(shí)也是薄層水流侵蝕階段的主要物質(zhì)來(lái)源，根據(jù)吳普特、周佩華對(duì)黃土坡面薄層水流侵蝕的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雨滴擊濺可占薄層水流侵蝕物質(zhì)總量的70％以上，最高可達(dá)95％，雨滴的動(dòng)能是造成邊坡侵蝕的主要能量來(lái)源。在有植被護(hù)坡的情況下，高速下落的雨滴首先擊打在植被的莖葉上，被分散成較小的顆粒，以很小甚至接近于零的速度落到坡面上，極大程度的減弱甚至消除雨滴擊濺對(duì)坡面的侵蝕，同時(shí)推遲或避免了邊坡其它侵蝕階段的進(jìn)行。

    2.1.2控制坡面土體流失作用

    草本植被的根莖連接處形成天然的微型攔土柵，當(dāng)水流夾帶的土顆粒粒徑大于攔土柵的孔隙時(shí)土粒被擋住而形成一個(gè)薄的粗粒層；后來(lái)的土粒，若大于該粗粒層土的孔隙，則又會(huì)被擋住而沉積在該粗粒層的前面，從而形成另一個(gè)土粒較細(xì)的細(xì)粒層。依此規(guī)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(yùn)能力減小。

    2.2土壤一草本植物根系復(fù)合體的護(hù)坡作用

    草本植物的根系主要分布在0～30地層范圍內(nèi)，對(duì)提高該層次土體穩(wěn)定性和坡面的抗侵蝕能力非常顯著。國(guó)內(nèi)外早期對(duì)草本植物根系護(hù)坡機(jī)理的研究主要通過(guò)原位剪切和根系抗拉等試驗(yàn)獲得根系的力學(xué)特性，通過(guò)研究目前比較一致的看法是認(rèn)為其根系產(chǎn)生顯著的“加筋作用”，并且是三維加筋的狀態(tài)。楊亞川l4]等人在1996年提出了“土一根復(fù)合體”的概念，將土壤與根系視為一個(gè)整體考慮，對(duì)復(fù)合體的抗水蝕強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。草本植物根系護(hù)坡機(jī)理涉及多門學(xué)科的知識(shí)，僅從力學(xué)單一的角度并不能完全揭示根系護(hù)坡的本質(zhì)，根一土微觀層面的研究是必不可少的。下面從草本植物根系的“加筋作用”和對(duì)土壤性能的改善兩方面分析其固坡機(jī)理。

    2.2.1草本植物根系的“加筋作用”

    草本植物的根系在土中相當(dāng)于三維加筋材料，為了分析方便，常把三維加筋的情況簡(jiǎn)化為二維狀態(tài)來(lái)分析，不考慮土體的孔隙水壓力的大小及土體對(duì)根的側(cè)向作用力，從而得到因加筋作用而增加的土體抗剪強(qiáng)度值。植物根系的加筋效果與根的極限抗拉強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的發(fā)揮程度有關(guān)。多數(shù)情況下，植物根遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，草本植物的根系能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，但對(duì)其內(nèi)摩擦角的影響不大。

    2.2.2草本植物根系對(duì)土壤抗沖蝕性能的改善

    土的抗沖性是指土抵抗徑流對(duì)其機(jī)械破壞和推動(dòng)下移的能力。它主要取決于土粒和微結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)力和土結(jié)構(gòu)體間抵抗離散的能力。早在20世紀(jì)60年代，朱顯謨先生就指出，生物措施是水土保持中最有效和最根本的方法，他認(rèn)為土壤抗沖性能的增強(qiáng)，主要取決于根系的纏繞和固結(jié)作用，這種作用使土體有較高的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)和抗蝕強(qiáng)度，從而不易被徑流帶走。劉定輝、李勇等人對(duì)植物根系與土壤的抗沖性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，指出土壤的抗沖強(qiáng)度取決于根系的分布、纏繞、固結(jié)作用。又指出土壤抗沖性能的提高與小于1mm徑級(jí)的須根關(guān)系最為密切，所以以草本植物的根系為研究對(duì)象，可能會(huì)更好地反映根系固土的實(shí)質(zhì)，并且用草本植物根系做實(shí)驗(yàn)也相對(duì)較容易。程洪提出植物根系固土機(jī)制模式具有4個(gè)層次，即根系材料力學(xué)、根系網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用、根系一土壤有機(jī)復(fù)合體的黏結(jié)作用及根系一土壤間生物化學(xué)作用。認(rèn)為植物根系與土粒接觸面上產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)，通過(guò)土體中多價(jià)陽(yáng)離子ca、Fe、Al形成的陽(yáng)離子橋、多糖一0H、H鍵及范德華力等有機(jī)膠體、無(wú)機(jī)膠體作用共同構(gòu)成根系一土壤有機(jī)復(fù)合體系，從分子層面上明確了根系的固土機(jī)理。

    近年來(lái)對(duì)植物根系，特別是草本植物根系國(guó)土機(jī)理的研究，已經(jīng)開始向微觀方向發(fā)展。在這個(gè)嶄新的領(lǐng)域，想要取得突破性的進(jìn)展，只有通過(guò)多門相關(guān)領(lǐng)域的聯(lián)合攻關(guān)、通力合作才有可能實(shí)現(xiàn)。以上研究表明，植物防護(hù)能有效防止降雨沖刷等對(duì)坡面土體侵蝕，為草本植物護(hù)坡的大面積工程應(yīng)用提供了理論支持。

3.草本植物的工程應(yīng)用

    我國(guó)幅員遼闊，植物資源豐富，在進(jìn)行邊坡防護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的氣候類型和邊坡特性，選擇適宜的護(hù)坡植物，以達(dá)到良好的護(hù)坡效果。草本植物生長(zhǎng)迅速，可以作為先鋒植物，在短時(shí)間內(nèi)即對(duì)邊坡起到一定的防護(hù)作用，并且草本植物在防止邊坡表層土體流失方面比灌木更具有優(yōu)勢(shì)；草本植物的不足主要體現(xiàn)在對(duì)邊坡土體的作用深度有限，并且草本植物容易衰退，單獨(dú)布置很難形成穩(wěn)定的植物群落從而長(zhǎng)久的發(fā)揮護(hù)坡作用。所以在工程應(yīng)用上除單獨(dú)植草護(hù)坡外，更多的是采用草灌混播結(jié)合工程防護(hù)的形式護(hù)坡，既穩(wěn)定了邊坡，又美化了環(huán)境。

    3.1撒草籽、鋪草皮護(hù)坡

    直接撒播草籽護(hù)坡施工簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但撒草籽護(hù)坡對(duì)于播種季節(jié)和溫度都有嚴(yán)格的限制，并且從播種到能夠發(fā)揮護(hù)坡作用所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要l～2個(gè)月的時(shí)間，使撒草籽護(hù)坡的應(yīng)用受到限制。同撒草籽護(hù)坡相比，鋪草皮護(hù)坡受到的限制就少得多，除了寒冷的冬季外，其它時(shí)間均可以施工，并且草皮覆蓋到邊坡上便能起到有效的護(hù)坡效果。該方法常用于邊坡高度較低，坡率較緩的土質(zhì)路堤邊坡。

    3.2漿砌片石骨架植草護(hù)坡

    漿砌片石骨架植草護(hù)坡是指用漿砌片石在坡面形成框架，結(jié)合鋪草皮、噴播植草、栽植灌木等方法的一種邊坡防護(hù)措施。漿砌片石骨架根據(jù)形狀可分為拱形、人字形等，并常采用截水骨架的形式以減輕水流對(duì)坡面的沖刷。該方法護(hù)坡和綠化效果較好，常用于土質(zhì)及強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡。

    3.3液壓噴播植草護(hù)坡

    液壓噴播植草是將草種、木纖維、保水劑、粘合劑、肥料、染色劑等與水的混合物通過(guò)專用噴播機(jī)噴射到預(yù)定區(qū)域建植草坪的高效綠化技術(shù)。同傳統(tǒng)的鋪草皮護(hù)坡相比，具有機(jī)械化程度高、施工速度快、草坪質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，并且其工程造價(jià)同鋪草皮相近，常用于土質(zhì)邊坡的防護(hù)。

    3.4土工合成材料結(jié)合植草護(hù)坡

    土工合成材料結(jié)合植草防護(hù)是利用土工合成材料對(duì)路基邊坡進(jìn)行加筋補(bǔ)強(qiáng)和防護(hù)，并結(jié)合植草護(hù)坡的一種綜合防護(hù)技術(shù)。目前常用的是土工網(wǎng)墊結(jié)合植草護(hù)坡。土工網(wǎng)墊不僅對(duì)邊坡起到加固作用，在播種初期還起到防止降雨沖刷、保持土壤以利草籽發(fā)芽、生長(zhǎng)的作用。

    隨著植物的生長(zhǎng)，坡面逐漸被植物覆蓋，對(duì)邊坡起到很好的防護(hù)及綠化效果，該方法主要適用于土質(zhì)及強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)邊坡。

4.結(jié)論與建議

    (1)降雨是邊坡沖刷的最主要能量來(lái)源，只有設(shè)法減弱或消除雨滴和坡面水流對(duì)邊坡土體的侵蝕，并改善邊坡土體本身的抗沖蝕性能，才能有效防止邊坡土體的侵蝕，保持邊坡的穩(wěn)定。

    (2)草本植物從莖葉到根系，都有顯著的護(hù)坡作用，植物防護(hù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在它可以從根源上防止降雨對(duì)坡面表層土體的侵蝕，彌補(bǔ)了工程防護(hù)只能被動(dòng)防護(hù)的不足。

    (3)由于草本植物對(duì)邊坡土體的防護(hù)深度有限，所以邊坡防護(hù)中僅采用草本植物往往達(dá)不到良好的護(hù)坡效果，應(yīng)將工程護(hù)坡與植被護(hù)坡有機(jī)結(jié)合，既保持了邊坡的穩(wěn)定，又與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)。種植的草本植物及灌木最終形成穩(wěn)定的植物群落，長(zhǎng)久地發(fā)揮護(hù)坡效果。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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