公路边坡植物的护坡机理

收稿日期 :2004205214 基金项目 :国家西部交通建设科技项目 (2001 318 000 19) 作者简介 :王文生 (19682) ,男 ,山西运城人 ,长安大学博士研究生. 第 25 卷 　第 4 期 2005 年 7 月 长安大学学报 (自然科学版) 　Journal of Changpian U niversity (Nat ural Science Edition) Vol. 25 　No. 4J uly 2005 文章编号 :167128879 (2005) 0420026205 公路边坡植物的护坡机理 王文生 , 杨晓华 , 谢永利 (长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室 ,陕西 西安 710064) 摘　要 :从植物根系的力学作用、植物的蒸腾排水效应、茎叶及枯枝落叶的水文效应 3 个方面 ,分析 了公路边坡植物的护坡机理。通过对植物根系的力学作用分析 ,建立了草本植物根系的加筋力学 模型及木本深根植物的锚固力学模型。三轴剪切试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,沙棘、沙柳须根的加筋作用使沙土 的粘聚力 c 值提高了 2. 5～4. 0 倍 ,使粘性土的粘聚力 c 值及内摩擦角φ值均增加 0. 25～0. 40 倍。 应用非饱和土理论 ,定量分析了植物蒸腾排水效应对边坡的稳定贡献 ,现场监测试验表明 ,即使在 雨季 ,柳树植物根系范围内土中的孔隙水压力仍为负值。依据植物边坡稳固机理 ,将植物护坡总结 为坡面冲刷防护与边坡加固两种 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 类型。坡面冲刷防护可根据浅根表土加筋与茎叶水文效应机 理进行设计 ;边坡加固可根据深根锚固作用与蒸腾排水效应机理设计。 关键词 :道路工程 ;公路边坡 ;植物护坡 ;浅根表土加筋 ;深根锚固 ;模型 ;水文效应 ;蒸腾排水效应 中图分类号 :U418. 9 　　　文献标识码 :A Mechanism of biotechnichal protection for highway slope WAN G Wen2sheng , YAN G Xiao2hua , XIE Yong2li ( Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Minist ry of Education , Chang’an University , Xi’an 710064 , China) Abstract : The mechanism of biotechnical slope protection was st udied f rom three aspect of root s mechanical f unction , hydrologic effect of stem and leaf (includes dead branches and fallen leav2 es) , and t ranspiration effect of plant . To t he root s mechanical f unction , 2 calculation formula models , t he shearing st rengt h and anti2split ting st rengt h model ,were developed in t he condition of surface soil reinforced with herb2root and slope anchored wit h tap root model . The t riaxial shearing test showed that t he cohesion of sand reinforced wit h t he fibre of sand t horn or sand wil2 low was increased by 2. 5～4 times ; the cohesion and t he angle of internal f riction were increased by 0. 25～0. 40 times for the reinforced clay soil . The cont ribution of plant t ranspiration effect to slope stabilization were analyzed quantitativly. The latest field t rial data , which was collected f rom international , showed that t he soil pore p ressure commonly was negative in t he scope where willow root s extended. In terms of mechanism of f unction , t he biotechnical slope p rotection de2 sign was divided into 2 types : t he slope erosion cont rolling and t he slope stabilization. The slope erosion controlling design can be based on the function of the surface soil reinforced with herb2root and the hydrologic effect of stems and leaves ; the slope stabilization design can be based on the function of the slope anchored with taproot and the plant transpiration effect . 2 tabs , 3 figs , 10 refs. Key words : road engineering ; highway slope ;biotechnical slope protection ;surface soil reinforced wit h herb2root ; slope anchored wit h tap root ; model ;hydrologic effect ;t ranspiration effect 0 　引　言 公路边坡上的绿化植物不仅能美化道路景观、恢 复被破坏了的生态 ,还具有护坡功能。关于植物护坡 机理的基础研究 ,目前在国内外仍处于探索阶 段[1～4 ] 。农林、水利、水土保持、铁道与道路工程等学 科从各自专业特点出发 ,曾作过一些零星的研究与探 讨。但系统性的研究工作尚未开展过 ,且研究内容也 有待进一步深化。 直到 1994 年 9 月首次专门以植物护坡为主体的 国际会议[1 ]在英国牛津大学举行 ,标志着植物护坡开 始受到学术界重视。近年来 ,因植被破坏而引发滑坡 和泥石流的灾害事件屡见报端 ,又以反证了植物护坡 的重要性与作用。系统深入地研究植物护坡机理 ,对 人们利用植物稳定公路边坡具有极为重要的意义。 本文拟从根系的力学加筋与锚固作用、茎叶及 枯枝落叶的水文效应、植物的蒸腾排水效应 3 个方 面来系统地分析植物稳定边坡的作用机理 ,以便为 进一步的研究工作提供一个全面与全新的思路。 1 　植物边坡作用类型划分 植物保护边坡的技术适用于土质边坡及强风化 边坡。植物护坡作用机理可概括为根系的力学作 用、茎叶及枯枝落叶的水文效应、植物的蒸腾排水效 应 3 个方面。植物护坡的机理如图 1 所示。 图 1 　植物护坡机理框图 植物根系分为草本类植物根系和木本类植物的 水平根系、垂直根系 3 种类型 ,其力学作用机理有所 不同 ,可划分为浅根坡面加筋与深根边坡锚固两种 类型 ;植被的水文效应包括消弱溅蚀和抑制径流冲 刷。在图 1 中 ,浅根加筋作用与茎叶水文效应的主 要功能是坡面防护 ,深根锚固作用与蒸腾排水效应 的主要功能是加固边坡。 2 　根系的力学作用机理与力学模型 相对于松散的土层 ,植物根系具有较强的抗拉 强度。在土层中 ,植物根系以加筋、锚固的方式 ,增 强土体的强度与边坡的稳定性。部分常见植物根系 的抗拉强度见表 1[2 ] 。 表 1 　部分植物根系的平均抗拉强度 学名 俗名 抗拉强度/ MPa Salix 柳树 9～36 Populus 杨树 5～38 Aluns 桤木 4～74 Pseudosuge 黄衫 19～61 Acer sachainum 银槭 15～30 Tsuga heterophlia 西铁衫 27 Vaccinum 越桔 16 Hordeum volgre 禾本、非禾本草 2～20 Vetivera zizanioides 香根草 40～120 大麦 15～31 地衣 0. 002～0. 007 　　草本植物的根系一般为直径小于 1 mm 的须 根 ,向下生长深度一般为 0. 75～1. 5 m。其根系在 土中的分布特征是 90 %的根数在 0～30 cm 的土层 内。木本植物的根系按其形态特征 ,可分为 3 个类 型 :主直根型 ( Taproot) 、散生根型 ( Heart root ) 和水 平根型 ( Flat root) 。主直根型由近乎垂直的主根和 许多侧根所构成 ,主根发达 ,垂直向下生长 ,深入土 层 ,可达 3～5 m。水平根型根系的主根不发达 ,侧 根或不定根发达 ,根系一般分布在 20～30 cm 的土 壤表层中。散生根型没有明显的主根 ,根系向下生 长深度一般介于主直根型和水平根型之间。 草本植物与木本植物的水平根系属浅根类型 , 其与边坡表土组成的加筋层厚度一般为坡面 0～30 cm。木本植物的垂直根系为深根 ,其锚固端深一般 为 3～5 m。 2 . 1 　浅根的边坡表土加筋作用力学分析 浅根类型植物根系在边坡表土层中盘结缠绕 , 形成厚约 30 cm 的加筋复合体保护层。盘结于土中 的植物根系与土组成三维网状结构体。根系的加筋 作用一方面表现为增加了土层的“粘聚力”Δc ,另一 72第 4 期　　　　　　　　　　　　　　王文生 ,等 :公路边坡植物的护坡机理 方面表现为对土粒的网兜包裹效应。“粘聚力”的增 加在一定程度上阻止了坡面水流的剪切力破坏和表 土层张裂缝的形成。网兜效应减弱了水流对土粒的 解离作用。 坡面土层所受剪切力主要为水流剪力。植物单 根对土体的加筋力学模型见图 2。 图 2 　植物单根加筋力学模型 若在面积为 A 的土体内有 n 个根 ,则因加筋作 用而增加的抗剪强度值τR 为 τR = ∑ n j = 1 T j co sψf A + ∑ n j = 1 T j sinψf A tanφ ψf = arctg 1k j + (arctg i f ) - 1 　( j = 1 ,2 , ⋯, n) 式中 : T j 为单根的抗拉力 (N) ; A 为单根作用的土体 面积 (cm2 ) ;φ为土体与植物根系之间的内摩擦角 ; i j 为根的延伸方向与剪切面的初始夹角 ; k j 为剪切变 形比 , k j = x/ H , H 为剪切区的厚度 , x 为剪切变形 位移。 边坡顶部的张裂缝 ,由边坡顶部向临空面的水 平位移与表层土体失水收缩共同作用而形成。若在 面积为 B (cm2 ) 的土体内有 m 个根 ,植物单根抗拉 力为 T (N) ,与裂缝面的锐夹角为θi ( i = 1 , 2 , ⋯, m) ,则由植物根系加筋作用而增加的抗张裂强度值 TR (kPa)为 TR = 1B ∑ m i = 1 T i sinθi 　　植物根系的加筋效果与根的极限抗拉强度及抗 拉强度的发挥程度有关。多数情况下 ,植物根远没 有达到极限抗拉强度。植物单根抗拉强度的发挥程 度与根在土层中的延伸方向及拉应变有关。就增加 土体的抗剪强度而言 ,植物根与剪切面的夹角为 ψ= 45°+φ/ 2时 ,才能最大限度地增强土层的等效 抗剪强度。若要增加土层的抗张裂强度 ,植物根与 裂缝面的夹角θ= 0°时 ,才能产生最大拉应变 ,并最 大限度地增加土层的抗裂强度。 植物根系土层中穿插盘结 ,相互缠绕 ,编织成网 状结构。根系的这种结构以网兜作用方式将土颗粒 固定起来。植物根系的网兜效应在阻止坡面土颗粒 被水流解离方面发挥着主要的功能。植物根系在土 层中越稠密 ,网兜作用效果越好。从这个角度来讲 , 草本植物的须根效果最好。此外 ,植物根系在土中 生长 ,为微生物的生长提供了必要的生存环境。微 生物可分泌出一种多糖化合物的粘液质凝胶。这种 多糖化合物分子将土壤颗粒有效地团聚起来 ,减弱 了坡面水流对土层的解离侵蚀作用。 通过对有根与无根沙土、粘性土的三轴剪切对 比试验 ,证实了植物根系加筋的力学效应。试验土 样中的植物根系主要为沙柳、沙棘的须根。试验结 果显示 ,对于沙性土 ,φ值变化不大 ,粘聚力 c 值急 剧增大 ,为 2. 5～4. 0 倍 ;对于粘性土 ,c、φ值均有所 增加 ,为 0. 25～0. 40 倍。具体数值见表 2。 表 2 　三轴剪切试验数值对比表 式样 沙土 粘性土 c . kPa φ . (°) c/ kPa φ . (°) 无根 6 24. 5 20 12. 0 沙柳 30 25. 0 28 19. 5 沙棘 21 31. 0 25 15. 0 2 . 2 　垂直深根的锚固作用力学分析 木本植物的垂直根系的主根粗壮 ,扎入土层较 深。垂直深根穿过边坡的软弱层或滑动面 ,以锚固与 桩侧阻的方式对边坡起到加固作用 ,其作用类似于锚 杆或抗滑桩。本文提出垂直根系的抗拔力计算方法。 对垂直深根进行抗拔力计算时 ,可以把根系简 化为以主根为轴向、侧根为分支的全长粘接型锚杆 来分析。假设土体的自然容重为γ,根 土间的静摩 擦系数为μ,地表下 h1 ～ h2 深度处所有直径大于 1 mm 的根段参与抗拔力计算 ,则可以推导出 h1 ～ h2 深度区间的根系提供的最大抗拔力为 T = 2πμγ∫ h2 h1 P( z) Q( z) zd z 其中 ,函数 P( z) 和 Q( z) 的确定可采用现场量测 ,并 拟合数据而获得 , 具体方法如下 :在根系延伸范围 内 ,沿水平方向把垂直根系分为 n 个区段。对于任意 区段[ i , i + 1 ] (1 ≤i ≤n - 1) ,通过统计测量 ,可以 得到该区段根的个数 N i 及根的平均半径 r i 。对 ri 拟 合可得到 P( z) ,对 N i 拟合可得 到 Q ( z) 。根系的受 力分析如图 3 所示。d z 指沿主根拉拔方向划分的任 意区段 ,θ、d l、d f 、d f z 分别指该区段上侧根与拉拔 方向的夹角、侧根的长度、侧根受到的拉力、侧根提 82 长安大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　2005 年 图 3 　垂直根系的力学分析模型 供的抗拔力 ,其中 d f z = d f cosθ。 事实上 ,植物深根对边坡的加固作用机理复杂 得多 ,它涉及到植物根系的分形结构、单根的抗剪性 能。树根或树干的侧阻力作用方式等。 3 　植物根系的蒸腾排水效应 植物通过光合作用与蒸腾作用 ,对孔隙水施加张 力。大部分植物在到达凋萎点之前 ,能够对孔隙水施 加 1～2 MPa 的张力[4 ] 。植物根系源源不断地吸取土 壤中的水分 ,使得土壤中的水分减少 ,孔隙水压力降 低 ,甚至为负值。孔隙水压力的降低增强了土体的抗 剪强度 ,对保持边坡的稳定性有利。根据 Fredlund D G等人[4 ]的非饱和土抗剪强度表达式 ,可以定量计算 出抗剪强度的增加值。其表达式为 τ= c′+ (σ- ua) t gφ′+ ( ua - uw ) tgφb 式中 : ua 、uw 分别为孔隙压力与孔隙水压力 ; (σ- ua) 为净法向应力 ; ( ua - uw ) 为基质吸力 ; c′、φ′为饱和 土抗剪强度有效应力指标 ;φb 为基质吸力内摩擦 角 ,φb ≤φ′。 象柳树这样的木本植物 ,它的根扎入土层很深 , 可以吸取边坡较深部位的孔隙水 ,达到加固边坡的 目的。此外 ,植物的根系具有向水源丰富的部位生 长的特性。植物的这种向水性 ,特别是深根植物的 向水性 ,还具有智能化、动态排水与加固效果。从这 个角度来讲 ,植物深根在阻止边坡的渐进破坏方面 具有一定的预防意义。 英国专家曾对植物的排水效果作了长达 5 a 的 现场验证试验[5～8 ] 。该试验由 1993 年 10 月开始 , 直到 1998 年 9 月。现场试验使用了流体力学监测 系统。取得实验资料如下 : ①从排水效果看 ,柳树 > 灌木 > 草及非禾木草本植物 ; ②草及非禾木草本植 物排水深度小于 80 cm ; ③随着柳树的生长 ,其排水 深度可达 120 cm ; ④在整个冬天的雨季 ,植物根系 深度内的孔隙水压力维持负值 ; ⑤柳树与草及非禾 木草本植物、灌木相比较 ,其根系在较深部位吸水效 果最好 ,而由于柳树树冠的存在 ,坡面向下 50 cm 深 处孔隙水出现增加现象。 4 　植物茎叶及枯枝落叶的水文效应 植物茎叶及枯枝落叶 ,通过消弱雨滴溅蚀、抑制 坡面径流冲刷的两种方式 ,减弱坡面水流的侵蚀作 用 ,或者保护坡面不受侵蚀防水冲刷模拟试验证实 了植物的这种坡面防护作用。试验结果显示 ,随着 植被覆盖率的增加 ,坡面径流与侵蚀产沙量明显减 少[9 ,10 ] 。当降雨强度为 0. 81 mm ·min - 1 ,降雨历时 为 30 min ,对于覆盖率为 60 %和 100 %边坡 ,降雨的 径流减少 68 %和 98 %左右 ,而侵蚀产生的泥沙量减 少分别达 95 %和 98 %左右。 4 . 1 　削弱雨滴溅蚀 裸露边坡的表土在雨滴击溅的力量打击下 ,土 壤结构即遭破坏 ,发生分离、破裂、位移、并溅起。雨 滴击溅作用下 ,土粒能被溅至 60 cm 高、1. 6 m 远。 一场暴雨能将裸露地的土壤溅蚀达 2400 kg ·km - 2 之多[3 ] 。溅蚀对坡面土颗粒的分散作用是径流冲刷 的重要基础。 坡面上植物的茎叶或枯枝落叶能够拦截高速落 下的雨滴 ,通过缓冲作用 ,消耗掉雨滴大量的动能 ,从 而明显削弱甚至消除雨滴的溅蚀。若草本植物的覆 盖度为 100 % ,或者乔木林、灌木丛下的枯枝落叶层达 到一定厚度后 ,均可以完全消除雨滴的溅蚀作用。 4 . 2 　抑制坡面径流冲刷 植物茎叶及枯枝落叶主要通过截留吸附雨水、 叶面分流与茎叶的篱笆作用 ,实现对坡面径流及冲 刷作用的抑制与消弱。 4. 2. 1 　截留吸附雨水 雨滴到达地面前 ,先接触植物的茎叶。在降雨初 始阶段 ,植物茎叶能最大限度地吸收降雨直至饱和。 植物所吸附的雨水大部分以蒸发方式消失 ,不会流到 地面。此外 ,枯枝落叶层也具有很强的吸水性。对甘 肃天巉国道主干线施工点的调查表明 ,每公斤枯枝落 叶的吸水量可达 3 kg(植物组成为柠条 +紫穗槐 + 沙 棘 +草本植物) 。植被通过茎叶截留作用 ,减少了到 达坡面的有效雨量 ,对坡面保护有利。 4. 2. 2 　叶面分流与机械阻挡作用 当坡面植物覆盖率相当高时 (大于 70 %) ,在较 92第 4 期　　　　　　　　　　　　　　王文生 ,等 :公路边坡植物的护坡机理 大的雨滴打击和叶片吸水后重力作用下 ,植被茎叶 逐渐倒向下坡方向 ,茎叶相互重叠形成 1 个鳞片状 水床 ,使得部分雨水经过水床直接流出坡面外。这 种叶面水床分流作用 ,减少了直接冲刷坡面土体的 水流量。降雨强度越大 ,植被覆盖率越高 ,雨水被叶 面分流的水量就越大。 草本植物分蘖多 ,丛状生长 ,象一排排小木栅一 样 ,能够有效地阻截、分散水流 ,使径流减慢 ,且沿横 向均匀分布。茎叶的篱笆作用 ,一方面直接阻截径 流 ,使径流减速 ;另一方面 ,改变径流形态 ,使径流由 直流变为绕流 ,增加了径流 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ,减小了水力坡降。 从而 ,冲刷动能降低 ,土体冲蚀减弱。此外 ,枯枝落 叶层加大了坡表面的粗糙度 ,也具有机械阻挡并分 散水流的作用。 5 　结　语 (1)公路边坡植物不仅具有美化道路景观、恢复 生态环境的功能 ,而且还具有护坡功能。这种护坡 功能包括坡面冲刷防护与坡体加固。植物护坡作用 机理可概括为根系的力学效应、茎叶及枯枝落叶的 水文效应、及植物的蒸腾排水效应 3 个方面。 (2)草本植物根系的加筋力学分析包括抗剪与 抗裂两种力学模型分析 ,对垂直深根进行抗拔力计 算时 ,可以把根系简化为以主根为轴向、侧根为分支 的全长粘接型锚杆来分析。 (3)三轴剪切试验结果表明 :由于沙棘、沙柳须 根的加筋作用使沙土的粘聚力 c 值提高了 2 . 5～ 4 . 0倍 ,使粘性土的粘聚力 c 值及内摩擦角φ值均增 加 0 . 25～0 . 40 倍。 (4)现场监测试验表明 :在柳树植物根系的范围 内 ,土中孔隙水压力通常为负值。应用非饱和土理论 可以定量分析植物蒸腾排水效应对边坡的稳定贡献。 (5)依据植物稳固边坡的机理 ,可将植物护坡总 结为坡面冲刷防护与边坡加固两种设计类型。坡面 冲刷防护可根据浅根表土加筋与茎叶水文效应机理 进行设计 ;边坡加固可根据深根锚固作用与蒸腾排 水效应机理设计。 参考文献 : References : [ 1 ] 　Barker D H. 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