株下豎向植筋帶聯(lián)合植被護坡的水力特性土柱試驗

范麗娟，楊文琦，周 成，陳 群，譚昌明

(1.四川大學 水利水電學院 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610041)

土坡經(jīng)歷了季節(jié)性干濕循環(huán)后，坡面發(fā)育的裂隙會成為雨水入滲通道從而致使發(fā)生滑坡[1]。工程界常使用漿砌片石、噴射混凝土等傳統(tǒng)工程措施，需費時費力對其進行定期維修和養(yǎng)護[2]。同時，傳統(tǒng)的工程措施由于外觀單一，與周邊環(huán)境不兼容，不利于生態(tài)建設(shè)。因此工程界開始熱衷于采用植被護坡的方法來解決邊坡淺層失穩(wěn)的問題。

大量研究表明，植被在抑制水土流失、抑制裂隙開展、維持邊坡淺層穩(wěn)定性方面發(fā)揮著較好的作用[3]，其護坡機理主要分為力學效應(yīng)及水文效應(yīng)兩部分[4]。力學效應(yīng)大多集中在植被根系對邊坡土體的加固作用上，然而由植被引起的水文變化過程對于邊坡穩(wěn)定性的影響常常被低估，甚至被忽視[5]。植被根系吸水及蒸騰作用對邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)影響更明顯[6]；植被能夠吸收土中水分并釋放到大氣中，提高土體的基質(zhì)吸力，這部分額外吸力又能夠影響土體的抗剪強度[7]；所以植被能夠通過影響邊坡土體的水力特性從而達到提高邊坡穩(wěn)定性的效果。但是Wu等[8]發(fā)現(xiàn)，植物邊坡的防護效果同植被的生長情況有密切聯(lián)系，而植被的生長同土體的含水率息息相關(guān)，一旦植被邊坡長時間沒有水分輸入，植被就會缺水凋萎，植被防護自然失去效果。植被對土體滲透性能的影響同樣值得關(guān)注，部分學者認為當植被根系較細小且有較發(fā)達的水平須根時，根系能填充土體的孔隙，降低土體的滲透性[9-10]；而部分學者則認為植被生長過程中在土體中形成了大孔隙，促進了雨水的入滲，即形成優(yōu)勢流通道[11-13]，造成植物邊坡的失穩(wěn)。

為同時滿足邊坡的穩(wěn)定性要求及植被的生長需求， 在株下設(shè)置豎向植筋帶，可以彌補植物根系太短而不能有效加固土坡的不足，以便增強植物對邊坡降雨破壞的容災(zāi)能力[14]；植筋帶還具有較好的持水作用，可為植株生長提供水分。但是，又擔心植筋帶會成為新的入滲通道，威脅邊坡穩(wěn)定性，因此，為探究豎向植筋帶聯(lián)合植株加固土坡的可行性，本文以該方式加固的土坡為研究對象，利用一維土柱試驗觀測干濕循環(huán)條件下土柱表面裂隙的發(fā)育及土體內(nèi)部體積含水率和吸力等水力特性的變化規(guī)律，并分析在降雨條件下，植筋帶對雨水入滲的影響。

1 土柱試驗

試驗采用野外常用的空心蓮子草，這種植物抗逆性強，生長迅速，既喜陽又耐陰，能適應(yīng)濕地、旱地等多種生長環(huán)境，是野外邊坡上常見的粗放型植被[15]。為了便于對比，統(tǒng)一選用根長約為10 cm～15 cm的植株，主根直徑約為6 mm～8 mm。對試驗所用土料進行了顆粒分析、界限含水率、比重、滲透及擊實等基礎(chǔ)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果將其定名為含礫低液限黏土。試驗用土控制壓實度為85%，制模含水率取12%[16]。

土柱試驗共分為3組：試驗組1為裸土(對照組)，用于研究干濕循環(huán)條件下土層中的水分變化特征；試驗組2種植了空心蓮子草，用于研究植被蒸騰作用下土體內(nèi)部的水分變化；試驗組3種植了空心蓮子草后植入豎向植筋帶。植筋帶為一種土工合成材料，具有較好的持水作用和抗拉強度，試驗中可以是2 cm寬致密的尼龍編織帶，長約20 cm。由于植筋帶的纖維間具有眾多細小的孔洞，植筋帶一端入水時，由于毛細作用，水能沿著植筋帶向上運移，并很快浸透整條植筋帶。

3個試驗組均由40 cm高的土層構(gòu)成，土層以下都設(shè)置5 cm厚的砂層構(gòu)建自由排水邊界條件。為測量土體吸力和含水率的變化，在3個土柱內(nèi)部的相同位置都布置三處測點，三個測點分別在表面以下10 cm、20 cm、30 cm處，各試驗組測點位置示于圖1。

圖1 土柱試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位：cm)

為避免制樣擊實對吸力和含水率傳感器造成擾動損壞，制模時并沒有直接預(yù)埋傳感器，而是預(yù)埋保護傳感器的開孔的塑料花管。制模完成之后，將試驗組2和試驗組3放置在室內(nèi)養(yǎng)護半個月，滿足植物生長恢復(fù)期的要求。養(yǎng)護完成后在開孔的塑料花管的土中植入傳感器開始進行試驗，持續(xù)監(jiān)測整個干濕循環(huán)過程中土柱內(nèi)部的土水特征變化情況。

干濕循環(huán)過程分為三個階段：(1) 飽和階段，對三個土柱進行浸水飽和，直到所有吸力傳感器讀數(shù)接近初始飽和讀數(shù)，此時含水率傳感器讀數(shù)為土體的飽和體積含水率，使3個試驗組保持相同的初始條件；(2) 干燥階段，將三組試樣暴露在相同的大氣條件中，使其進行蒸發(fā)蒸騰，控制室溫在20℃左右，同時輔以白熾燈模擬人工太陽輻射，來促進植被的蒸騰作用，加速干燥進程，干燥階段約持續(xù)13 d左右；(3) 增濕階段，采用水頭浸泡來模擬降雨積雨入滲的影響，降雨量為2 cm，觀察水頭變化過程(即雨水入滲過程)中吸力和含水率的變化情況。降雨完成后，相當于完成一個干濕循環(huán)過程。之后再重復(fù)以上干濕循環(huán)過程1次。三個階段均記錄試驗過程中吸力和含水率的變化情況。

2 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 裂隙發(fā)育情況分析

在干燥過程進行10 d后，3個土柱土表均產(chǎn)生了較明顯的裂隙。無植被的試驗組1與有植被的試驗組2(試驗組3與試驗組2的土柱表面裂隙開展形式接近)土柱表面的裂隙發(fā)育情況如圖2所示。

觀察可見，試驗組2中裂隙寬度和深度較試驗組1中的裂隙更大。測量得試驗組1中裂隙最大寬度約為1 mm，最大深度約為1 cm，深度最大處位于土柱邊緣。在干燥過程中，試驗組1首先沿管壁發(fā)生干縮現(xiàn)象，隨著干燥過程的繼續(xù)進行，裂隙由試樣邊緣向中心發(fā)展，越靠近土柱中心，裂隙越細小。試驗組2中最大裂隙寬度約2 mm，深度最大處位于植株根莖周圍。在干燥過程中，試驗組2首先在植株莖部周圍出現(xiàn)一條主裂隙，后以植株莖部為中心向四周擴展，在主裂隙中點或拐點處也逐漸發(fā)育出更細小的微裂隙，整體呈放射狀，且裂隙聯(lián)系較緊密。這是因為植被的存在促進了土體和大氣中的水汽交換，使得土體含水率變化更加劇烈，從而促進了裂隙的發(fā)育[17]，所以植被的蒸騰作用進一步促進了土體表面裂隙的發(fā)展。

圖2 第一階段干燥10 d后裂隙開展情況

2.2 吸力測試結(jié)果分析

在干濕循環(huán)過程中，各測點(10 cm、20 cm、30 cm埋深)吸力值的變化曲線如圖3所示。由于在整個干濕循環(huán)過程中，降雨量較少，入滲較快，導致降雨過程中的吸力變化在圖3中顯示出一條陡然下降的直線，不能清晰反映出降雨入滲過程中土體吸力變化，因此單獨將兩個階段降雨過程中吸力變化圖繪出，如圖4所示(W1指第一階段降雨過程，W2指第二階段降雨過程，小窗口為試驗組1中相同位置測點的相應(yīng)曲線)；圖5對比了兩次干燥過程中吸力沿深度的分布情況。

圖3 干濕循環(huán)過程中各測點吸力隨時間變化曲線

圖4 降雨過程中各試驗組中各測點吸力隨時間變化曲線

圖5 兩個階段干燥過程吸力沿深度分布曲線

2.2.1 干濕循環(huán)下吸力變化規(guī)律

由圖3可見，浸水飽和階段后，各測點吸力值接近0 kPa；在干燥過程中，隨著蒸發(fā)蒸騰作用的進行，吸力值升高；降雨后又迅速降為0 kPa。由圖4可以看出，隨著降雨過程的進行，沿坡土深度的各測點吸力值均降低，最后達到近飽和狀態(tài)。

(1) 各試驗組的吸力變化規(guī)律對比分析。由圖3可見，在兩次干燥過程中，試驗組2和試驗組3產(chǎn)生的吸力值均大于試驗組1的吸力值。相較于試驗組1，試驗組2在兩次干燥過程中的吸力最大值均提高了8%；而試驗組3在兩次干燥過程中吸力最大值分別提高了132%和198%。這是因為試驗組1在干燥階段僅發(fā)生土體水分的蒸發(fā)作用，而試驗組2、試驗組3中由于植被的存在，在干燥階段不僅發(fā)生蒸發(fā)作用，還會因為植被蒸騰作用發(fā)生根系吸水現(xiàn)象，促進了裂隙發(fā)育，從而增加了試驗組2和試驗組3土體表面的蒸發(fā)通道。

在兩次干燥過程中，試驗組3產(chǎn)生的吸力最大值均約為試驗組2的兩倍。土體表層發(fā)育的裂隙將更深層的土體暴露在大氣條件下，在蒸汽壓差的營力下，深層土體中的水分會沿著持水加筋帶的致密孔隙向上遷移，將水分運送至蒸發(fā)面，使得試驗組3中的土體維持更高的吸力值。

(2) 吸力沿坡土深度的變化規(guī)律。由圖5可見，在三組試驗組中，位于根深15 cm范圍以內(nèi)的測點1測得的吸力均明顯大于根深范圍以外的測點2和測點3的吸力值，除了表層土體水分蒸發(fā)的影響，更重要的是由于植被根系的吸水作用。

在第一階段干燥過程中，試驗組3的測點1處土體的最大吸力比試驗組1的測點1處土體的最大吸力為15 kPa左右，也遠大于試驗組2，且影響范圍更深，這是因為持水加筋帶的存在加速了土中水的蒸發(fā)，使根深范圍以內(nèi)和以外的土體之間形成了更大的水力梯度，水分的不斷喪失和向上遷移使試驗組3中根深范圍內(nèi)的土體也更加干燥，同時也加大了吸力變化范圍。

2.2.2 降雨響應(yīng)時間

(1) 各測點吸力的降雨響應(yīng)時間。在圖4中，對比試驗組2和試驗組3，由于測點1主要受到裂隙影響，而兩個試驗組的裂隙發(fā)育相似，故降雨開始反應(yīng)的時間較接近，約在降雨開始10 min時。但雨水入滲至測點2的開始反應(yīng)時間產(chǎn)生了差異，分別在降雨開始后24 min和13 min時。這是因為試驗組3中植筋帶的存在加速了雨水的入滲，使得雨水入滲至兩個試驗組測點2時產(chǎn)生了時間差。而測點3處受干濕循環(huán)次數(shù)影響較小，故兩試驗組差別不大。

(2) 各階段吸力的降雨響應(yīng)時間。在圖4中，對于試驗組2和試驗組3，在第二階段降雨過程中，各測點反應(yīng)時間均比第一階段降雨過程中的反應(yīng)時間短。這是由于經(jīng)歷第二階段干燥過程后出現(xiàn)了更多的微裂隙，裂隙網(wǎng)絡(luò)更密集，縮短了雨水入滲的時間。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙的深度和寬度會越來越大，在破壞土體整體性的同時也增加了雨水入滲通道[18]。

(3) 各試驗組的降雨響應(yīng)時間。雨水在裸土對照組1中入滲的時間明顯長于有植被的試驗組2和試驗組3，測點1在兩個階段降雨過程中開始反應(yīng)的時間均比試驗組2和試驗組3滯后了40 min左右，而底部測點3最終達到飽和所用的時間約為其他兩個試驗組的十倍。雖然在干燥階段試驗組1中裸土表面有裂隙發(fā)育，但裂隙微小，降雨初期黏土遇水膨脹后這些微小裂隙完全愈合，并沒有提高土體整體的滲透性。同時因為沒有植被的存在，裸土表面不如試驗組土柱表面粗糙，影響了雨水入滲至土體內(nèi)部。

2.3 含水率測試結(jié)果分析

兩次干濕循環(huán)過程中各測點體積含水率隨時間的變化如圖6所示。由于降雨階段時間較短，圖6不能反映各測點體積含水率在降雨階段的變化情況。三個試驗組土柱表層測點1在降雨階段體積含水率響應(yīng)情況示于圖7。

圖6 干濕循環(huán)過程中各測點體積含水率隨時間變化曲線

圖7 各階段降雨過程中測點1體積含水率隨時間變化曲線

由圖6可見，從總體趨勢來看，各組表層土測點1的體積含水率變化最劇烈，且體積含水率變化幅度隨傳感器的埋深增加而遞減，這與表層蒸發(fā)和植被蒸騰作用有關(guān)。由于植株根系具有持水作用，而試驗組2中測點2位于植株根系影響范圍內(nèi)，故其體積含水率變化幅度比測點3平緩。此外，因為體積含水率傳感器測得的數(shù)值波動較大，所以繪制的曲線并不光滑；且由于手工制樣造成了試樣不均勻，導致初始飽和時局部位置未達到完全飽和，所以測點2和測點3處的初始體積含水率偏低。

對比降雨段局部放大版的圖4和圖7的時間反應(yīng)，三個試驗組測點1的體積含水率在降雨后開始響應(yīng)的時刻同吸力響應(yīng)時刻接近。試驗組1中測點1在兩個階段降雨過程中開始響應(yīng)的時刻分別在降雨開始后52 min和44 min時；試驗組2和試驗組3在降雨過程中開始響應(yīng)的時刻相同，這兩個試驗組中測點1開始響應(yīng)的時刻在兩個階段中分別為降雨開始后10 min和5 min左右。說明在表層10 cm土體內(nèi)，雨水均勻入滲。又由于吸力傳感器存在滯后效應(yīng)，因此吸力傳感器從開始響應(yīng)到達到飽和值所花費的時間比體積含水率傳感器耗費的時間更長。

由以上分析可知，在干燥過程中植被的存在促進了土體表層的裂隙發(fā)育，連通了持水加筋帶與大氣環(huán)境，加速了土中水分的散失。雖然豎向植筋帶相當于延長了根系的長度，可以增強植物邊坡的降雨滑坡的容災(zāi)能力，但在降雨過程中，其又為雨水提供了新的入滲通道，增加滑坡風險。因此應(yīng)該設(shè)法控制表層土開裂，特別是注意植筋帶周圍土體的壓實和它頂部的封閉，以減少降雨工況下的大孔隙優(yōu)勢流，這樣才能有效發(fā)揮豎向植筋帶及其周圍根系盤結(jié)形成的“辮子”作為延長根的力學加筋作用。

3 結(jié) 論

本文以株下豎向植筋帶聯(lián)合植物加固的土坡為研究對象，利用一維土柱試驗觀測了干濕循環(huán)條件下坡面裂隙的發(fā)育及土體內(nèi)部體積含水率和吸力等水力特性的變化規(guī)律：

(1) 試驗發(fā)現(xiàn)在干燥的過程中，蒸發(fā)作用會促進土體表面裂隙的發(fā)育，相對于裸土而言，植被的蒸騰作用促進了土體表面的裂隙發(fā)育，裂隙深度與寬度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

(2) 在干濕循環(huán)過程中，植被根系深度(本文為15 cm)范圍以內(nèi)體積含水率和吸力變化劇烈，且變化幅度隨著深度的加深大致呈遞減趨勢，根深范圍以外含水率和吸力幾乎不發(fā)生太大的變化。

(3) 在干燥過程中，株下植筋帶聯(lián)合植株引起的吸力值大于只有植株的土柱產(chǎn)生的吸力值，約為其兩倍，裸土蒸發(fā)引起的吸力值最小。

(4) 第二階段干燥過程中土體的吸力大于第一階段，同時第二階段降雨過程中吸力響應(yīng)時刻明顯早于第一階段，意味著更明顯的裂隙發(fā)育。

(5) 在降雨過程中，由于表層裂隙的存在，豎向植筋帶會加速雨水入滲，不利于邊坡的穩(wěn)定。因此必須在考慮植筋帶作為延長根起到力學加筋作用的同時，設(shè)法控制表層土開裂，例如采用文獻[19]介紹的通過控制表層坡土水分抑制坡土開裂的CBS或CCBE坡面防護系統(tǒng)。