植被根系河堤岸坡加固效果的評價研究

李 輝

(葫蘆島平山供水有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

近年來，經(jīng)濟的迅速發(fā)展在一定程度上推動了水利事業(yè)的不斷進步，工程投資規(guī)模和建設數(shù)量逐年增多，岸坡防護工程的實施有利于系統(tǒng)治理江河及其支流，有效解決防洪體系中存在的突出問題，進一步完善江河防洪系統(tǒng)，大大減小洪澇災害損失及增強區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的防洪安全保障。然而，建設過程中導致的淺層邊坡抗滑穩(wěn)定性下降、水土流失和邊坡裸露等問題日趨突出[1-3]。實踐表明，對邊坡采取植被加固措施能夠有效防止水土流失，有利于增大邊坡穩(wěn)定性以及保護生態(tài)環(huán)境[4-6]。因此，河堤岸坡植被加固越來越成為現(xiàn)階段的研究熱點。

關(guān)于植被根系的土壤力學特性國內(nèi)外學者開展了深入研究，如劉秀萍等[7]揭示了根系分布及其大小，對黃土與植被根系復合體強度的影響特征，結(jié)果顯示莫爾-庫倫強度準則適用于復合體抗剪強度特征，復合體抗剪強度隨含水率(試驗范圍內(nèi))的增大而增加；周云艷等[8]探究了根系總長、根長、根重、根表面積與土壤強度特性之間的關(guān)系；Mattie等[9-10]研究了根系生物量、土壤本身力學特征與根系加固土體強度特征之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)根系生物量、土體的自身力學特性與根系加固土體強度特性之間存在正相關(guān)性。

植被護坡技術(shù)是一項融合了多門學科的新型防護技術(shù)，主要對淺表層邊坡利用植被涵水固土原理實施加固。20世紀60年代，在護坡工程中日本最早應用了液壓噴播技術(shù)，隨后探討了高次團粒SF和纖維土綠化工植被護坡法，在一定程度上推動了植被護坡的發(fā)展[11-12]?，F(xiàn)階段，我國對于植被護坡技術(shù)的研究尚處于初始時期，堤岸加固防護仍以鋪草皮為主，對定量評估植被護坡效果的研究鮮有報道，缺乏能夠有效指導植被護坡的技術(shù)體系。鑒于此，利用蒲草、狗牙根、白羊草和香根草4種植被根系，通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬定量分析其對河堤邊坡穩(wěn)定性以及土體抗剪強度特性的影響，為河堤岸坡加固工程設計及其效果評價提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗過程

選擇含蒲草、狗牙根、白羊草、香根草根系的土體和裸地為試驗材料，試驗區(qū)屬于大陸性季風氣候，年均降水量816.0mm，平均氣溫8.7℃，溫室中育苗健壯后將其移至試驗區(qū)，編號A1、A2、A3、A4、A5代表蒲草、狗牙根、白羊草、香根草的種植土和裸地。將各種植樣區(qū)劃分成尺寸為4.0m×4.0m的3個小區(qū)，每種植被以30cm×30cm的株行距重復種植三次，定期拔除培育期間試驗區(qū)內(nèi)的雜草以保證土體不受其它根系的影響。然后以株徑為中心利用直徑31.80mm×高20mm的環(huán)刀，每隔10cm自上而下將培育八個月的植被取出一個原狀樣，每個取樣點以距離地表0-2cm、10-12cm、20-22cm取出三個樣，采用環(huán)刀盒封裝取好的試樣以防止土地發(fā)生擾動。設直接剪切試驗圍壓400kPa、300kPa、200kPa和100kPa，剪切停止位移5mm，剪切速率0.036mm/min，通過有關(guān)參數(shù)的設定開展試樣直剪試驗。

1.2 試驗分析

土體破壞抗剪強度取應變值的15%，利用固結(jié)應力與抗剪強度擬合曲線確定黏聚力、內(nèi)摩擦角等土體抗剪強度參數(shù)，不同植被根系的有關(guān)參數(shù)如表1。從表1可知，含植被根系土體的內(nèi)摩擦角與黏聚力等抗剪強度參數(shù)，隨土層深度的增大均呈現(xiàn)出減少的趨勢，而裸地呈增大趨勢。植被根系密度隨地層深度的增大不斷減少，所以其加固土體的效果也就越低，土體上覆土重隨深度的增大而增大，故抗剪強度也就越高。裸地抗剪強度參數(shù)均小于各植被根系土體，由此表明植被根系具有增強土體抗剪強度的功能，其中狗牙根的增強效果較弱而香根草的增強作用最為明顯。其原因為土體的咬合力受土體與植被根系結(jié)合作用明顯增大，如顆粒與根系間的嵌入作用以及顆粒表面摩擦力等，這大大增強了土體的抗剪強度。

表1 土壤抗剪強度參數(shù)

2 分析評價

2.1 模擬分析

為進一步探究堤岸邊坡加固效果受不同植被根系的影響，對堤岸邊坡穩(wěn)定性利用有限元軟件加以模擬，模擬過程中固定堤岸底部與表層位移，并約束邊坡兩側(cè)法向位移。植被加固土層20cm厚，河堤邊坡高15m，統(tǒng)計單元節(jié)點數(shù)4180，計算單元數(shù)3316。

河堤岸坡加固整治工程大多選用強度折減法確定安全系數(shù)，其理論依據(jù)為：采用給定的折減系數(shù)R對巖土體材料的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c等強度參數(shù)折減，由此確定新的內(nèi)摩擦角φ′和c′，其表達式如下：

(1)

重新代入折減后的參數(shù)完成相應的計算，邊坡破壞時確定的R就是所求的穩(wěn)定系數(shù)，即Fs=R，合理的確定破壞判斷標準將直接關(guān)系著強度折減法的結(jié)果合理性。目前，特征部位的位移產(chǎn)生突變、滑面上塑性區(qū)貫通、數(shù)值計算不收斂為強度折減法判斷巖土體穩(wěn)定性的三種常用標準。文章利用莫爾-庫倫強度模型作為計算模型，破壞判據(jù)標準設為不平衡力是否發(fā)展平衡，并取表層20cm土體強度參數(shù)平均值作為植被根系加固土體強度參數(shù)，結(jié)果如表2。

表2 模型參數(shù)

2.2 計算結(jié)果

蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被根系和裸地加固邊坡安全系數(shù)，如圖1。從圖1可知，裸地加固河堤邊坡安全系數(shù)均小于各植被根系，從小到大排序為裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，采取蒲草、狗牙根、白羊草、香根草植被加固河堤，其安全系數(shù)較裸地提高了10.9%、7.8%、14.8%、23.4%，可見對加固河堤各植物根系發(fā)揮著積極作用。植被錨固坡體、增大土體抗剪強度為植被根系加固邊坡的機理，有利于減少邊坡崩塌和較好的抵抗淺層邊坡滑動。此外，邊坡抵抗徑流破壞能力隨土體抗剪切強度參數(shù)的增大而增強，即抗剪強度越高則邊坡越難以發(fā)生土壤侵蝕。模擬過程中，由于未考慮植被根系保持水土的功能，因此模擬結(jié)果偏于安全。

圖1 加固河堤邊坡安全系數(shù)

3 結(jié) 論

文章利用直接剪切試驗，模擬分析了土體抗剪強度參數(shù)受不同植被根系的影響，并對不同植被根系加固邊坡安全系數(shù)利用強度折減法建議計算，從而揭示了河堤邊坡加固效果與不同植被根系間的相互關(guān)系，得出的結(jié)論有：

含植被根系土層的內(nèi)摩擦角、黏聚力等抗剪強度參數(shù)，隨土層深度增大均呈減少趨勢，而裸地呈增大趨勢；裸地抗剪強度參數(shù)均小于各植被根系土體，可見植被有利于錨固坡體、增大土體抗剪強度，能夠減少邊坡崩塌和較好的抵抗淺層邊坡滑動。模擬過程中，由于未考慮植被根系保持水土的功能，模擬結(jié)果偏于安全；裸地加固邊坡安全系數(shù)均小于各植被，從小到大排序為裸地<狗牙根<蒲草<白羊草<香根草，香根草的加固安全系數(shù)最高。