植被聯(lián)合植筋帶護(hù)坡水力特性模型試驗(yàn)

張勱捷，楊文琦，周 成，陳 群，李登華

(1. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川成都 610065；3. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

邊坡的穩(wěn)定性是工程界所關(guān)注的問題之一。傳統(tǒng)的護(hù)坡措施多采用噴射混凝土、漿砌片石護(hù)墻等方式，雖然能滿足安全需要，但混凝土材料透水性及透氣性較差，植被難以在坡面上生長，生態(tài)恢復(fù)效果并不理想[1]。植被護(hù)坡的方法既可以有效對邊坡進(jìn)行防護(hù)，又能促進(jìn)工程影響范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，研究植被護(hù)坡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的護(hù)坡措施，有利于減小工程對周圍環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者一般將植被的護(hù)坡機(jī)理分為力學(xué)效應(yīng)和水文效應(yīng)兩部分[2]。目前關(guān)于植被護(hù)坡機(jī)理的研究大多集中在植被根系的力學(xué)效應(yīng)上，由植被引起的水文變化過程對邊坡穩(wěn)定性的影響常常被低估。針對植被護(hù)坡水文效應(yīng)，文獻(xiàn)[3]開展的數(shù)值模擬結(jié)果表明，植被的根系吸水及蒸騰作用是影響邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的重要因素。植被能通過蒸騰作用提高坡土的基質(zhì)吸力，有效影響土體的抗剪強(qiáng)度[4]。植被的蒸騰作用受到多方面因素共同作用的影響。陳建斌等[5]通過建立大氣-非飽和土相互作用模型，發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)是控制土體吸力變化的主要因素；Zhu 等[6]利用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)植被根系形態(tài)對吸力影響較小，而降雨前的干燥時(shí)間越長，植被在降雨過程中維持的吸力范圍越大，邊坡降雨過程中的穩(wěn)定性越高。以上研究表明植被根系的水文效應(yīng)同其力學(xué)效應(yīng)一樣，對增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性有著積極作用。

另一方面，吳宏偉[7]和Devitt 等[8]認(rèn)為植被生長過程中土體會形成大孔隙，促進(jìn)了雨水入滲，即形成優(yōu)勢流通道，不利于邊坡的穩(wěn)定。在將植被運(yùn)用于邊坡防護(hù)時(shí)，對植被可能導(dǎo)致的優(yōu)勢流現(xiàn)象應(yīng)引起重視并謹(jǐn)慎處理。周成等[9-11]認(rèn)為設(shè)置豎向植筋帶相當(dāng)于延長了根系長度和提高了加筋作用，可以增強(qiáng)植物的護(hù)坡能力，但必須避免植筋帶成為入滲通道。楊文琦等[12]開展的植物土柱試驗(yàn)考慮了有無植筋帶的對比分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，在干燥過程中，植被聯(lián)合植筋帶后蒸發(fā)蒸騰引起的吸力增量約為僅由植被蒸發(fā)蒸騰產(chǎn)生的吸力增量的2 倍，但在降雨作用下，植筋帶也會成為優(yōu)勢流入滲通道加速雨水入滲，致使土體產(chǎn)生更多的吸力損失值。

目前的研究大多針對單個(gè)植株的蒸騰作用，聚焦于多植株的研究相對較少。本文的模型試驗(yàn)側(cè)重分析植株間距對植被聯(lián)合植筋帶護(hù)坡水力特性的影響。設(shè)置3 組不同植株間距（20、30、40 cm）的模型試驗(yàn)，在每株兩側(cè)各布置1根植筋帶，對土體在干燥階段和降雨過程中的吸力、體積含水率進(jìn)行監(jiān)測，并分析其變化規(guī)律，研究成果可為植被護(hù)坡技術(shù)的研究和應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土與植被參數(shù)

試驗(yàn)用土料為低液限粉質(zhì)黏土，含少量礫石，土體物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。為保證后續(xù)試驗(yàn)中植物能夠順利生長，模型填筑時(shí)黏土的壓實(shí)度不宜過高[12]。參考程鵬等[13]的研究，本文取壓實(shí)度為85%，填筑干密度為1.48 g/cm3，制模含水率則取為12%。

試驗(yàn)采用空心蓮子草，這種植物抗逆性強(qiáng)，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[14]。其莖呈圓桶形，多分枝，光滑中空，髓腔較大，有較強(qiáng)的吸水能力，對于研究植被蒸騰作用十分有利。為了便于對比，試驗(yàn)用植株統(tǒng)一選用根長約為10～15 cm 的植株，主根直徑約為6～8 mm。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab. 1 Physical and hydraulic parameters of the soil

1.2 試驗(yàn)方案與裝置

模型試驗(yàn)在長75.5 cm、寬53.0 cm、高50.0 cm 的塑料箱中進(jìn)行。斜坡與平地的持水能力存在一定的差異，因?yàn)槠碌亟涤暌话惴譃槠旅鎻搅骱推旅嫒霛B兩部分，而平地幾乎只有垂直入滲。因此，本文采用地面等效入滲的原則，即平地的模型試驗(yàn)通過調(diào)整水頭的高低使得模型箱內(nèi)土體在一定時(shí)間范圍內(nèi)的入滲量與一定降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)下的斜坡模型的入滲量相等，從而近似地認(rèn)為兩者的入滲情況相同。試驗(yàn)分為3 組，分別設(shè)置植株種植間距為20 cm（試驗(yàn)組S20）、30 cm（試驗(yàn)組S30）和40 cm（試驗(yàn)組S40）。模型中填筑40 cm 厚的黏土層，底部鋪5 cm 厚的砂土層構(gòu)建自由排水邊界，模型箱側(cè)壁底部位置開小孔，并插上排水管以及時(shí)排出砂土層中的積水。排水管端口覆蓋無紡布，起到反濾作用，防止排水過程中砂土流失，堵塞排水管。砂土與黏土層間用土工布隔開，防止入滲過程中土層界面發(fā)生顆粒遷移現(xiàn)象[12]。

柔性持水加筋帶采用土工合成材料尼龍編織帶，單條編織帶寬約2 cm，長約20 cm。該材料條帶致密，纖維間形成細(xì)小孔洞。將其一端放入水中時(shí)，由于毛細(xì)作用，水能沿著一端向上延伸，并很快浸透整條尼龍帶，有著較好的持水作用。為使其效果更明顯，每束持水加筋帶由3 條尼龍帶組成。

因模型箱尺寸所限，無法模擬分析更多不同布置方式下植株群體效應(yīng)的影響，只側(cè)重分析了3 株或6 株空心蓮子草3 種株距對于土體水力特性的影響。每株植物兩側(cè)均豎向植筋長約30 cm 的柔性持水加筋帶。傳感器分兩列布置，其中一列布置在兩植株連線中點(diǎn)位置，該處用字母A 表示；另一列布置在等邊三角形中心點(diǎn)位置，用字母B 表示，以便監(jiān)測三植株綜合影響下黏土的水力特性變化情況。傳感器埋設(shè)點(diǎn)位的表示方法以S20-A-10 為例說明，其中S20 代表植株間距為20 cm，A 代表測量點(diǎn)的位置，10 代表測點(diǎn)距離地表10 cm，其余以此類推。傳感器埋設(shè)點(diǎn)位用紅色標(biāo)記標(biāo)出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 模型試驗(yàn)示意圖（單位：cm）Fig. 1 Schematic diagram of the model test (unit: cm)

采用美國Decagon 公司的EC5 小型土壤水分傳感器測量土體含水率，通過電壓值的變化來反映土壤內(nèi)部水分的變化。試驗(yàn)前先對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，模型填筑過程中，在需要埋設(shè)傳感器的位置（即預(yù)留孔處）插入直徑為2.5 cm 的開有細(xì)密小孔的PVC 塑料圓管到預(yù)留傳感器的埋設(shè)空間，待填土完成之后，再將小型土壤水分傳感器埋設(shè)至設(shè)計(jì)測量點(diǎn)位置。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 2 Test model

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪簩?shí)度取為85%，含水率控制在12%。為保證壓實(shí)度，采用分層壓實(shí)法進(jìn)行填筑，每層填筑5 cm。每層填筑完成后對表層土體進(jìn)行刮毛，以利于上下兩層之間的緊密接觸。模型箱內(nèi)壁需要涂抹凡士林，防止降雨過程中雨水沿箱壁產(chǎn)生優(yōu)勢流。豎向柔性持水加筋帶植入土體后在其周圍封閉壓實(shí)土體使植筋帶與土體密切接觸。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌鐖D2 所示。其中，植株間距為20 與30 cm 的試樣制備在同一個(gè)模型箱中。兩試樣中間用不透水的塑料膜隔開，防止試驗(yàn)過程中出現(xiàn)兩部分之間的水分遷移相互影響或根系纏繞的現(xiàn)象。由于植株莖部過長，為防止植株在植被養(yǎng)護(hù)過程中莖部折斷對后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，制模完成之后將直徑為20 cm的白色PVC 塑料管套在植株周圍，對植株莖葉部分起到支撐作用。制模完成之后，對植被進(jìn)行半個(gè)月的養(yǎng)護(hù)生長，養(yǎng)護(hù)完成后，將支撐植株莖葉部分的白色PVC 管取掉，正式進(jìn)行試驗(yàn)。

該模型試驗(yàn)在室溫為20 ℃的室內(nèi)進(jìn)行。正式試驗(yàn)前先將各試驗(yàn)組土體進(jìn)行飽和浸泡，以構(gòu)建各試驗(yàn)組的相同初始條件，之后經(jīng)歷干燥階段，干燥時(shí)長為26 d；干燥后進(jìn)行降雨試驗(yàn)，降雨在模型箱中積水4 cm 深，觀測結(jié)束后結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干燥階段裂隙發(fā)展分析

干燥階段末期，試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅韺油馏w裂隙發(fā)育如圖3 所示。模型試驗(yàn)中首先由植被根莖邊緣向外開裂，形成幾條主裂隙，隨后主裂隙周圍發(fā)育出多條微裂紋，最終在土體表面形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，模型箱邊緣土體發(fā)生干縮現(xiàn)象。對表層裂隙進(jìn)行了簡單測量，最大裂隙寬度約1 cm，模型箱的土體中部裂隙最大深度約3 cm，而模型箱邊緣干縮裂縫最大深度達(dá)5 cm。由于擔(dān)心在降雨過程中模型箱與土體之間的干縮裂縫過大，雨水會大量沿著模型箱側(cè)壁入滲，繼而從埋設(shè)傳感器的管道中漏出，影響土體吸力和體積含水率測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，在干燥過程結(jié)束后，將流動狀態(tài)的泥漿灌入模型箱邊緣的干縮裂縫中進(jìn)行填充，待泥漿干燥后再進(jìn)行下一階段的降雨試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅韺恿严堕_展情況Fig. 3 Development of surface cracks in the model test

2.2 干燥階段的測量結(jié)果分析

圖4 對比了干燥26 d 過程中3 種植株間距模型試驗(yàn)中表土以下10 cm 深處的測點(diǎn)1 的吸力變化情況。對比圖4（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，在兩植株連線位置和三植株中心點(diǎn)位置處，植株間距為20 cm 的模型中產(chǎn)生的吸力最大，最大值為31.8 kPa；其次是植株間距30 cm 的模型，吸力最大值為30.2 kPa；而植株間距為40 cm 的模型中的吸力值最小，僅22.2 kPa。由此可見，植株間距為20 cm 的試驗(yàn)組中能達(dá)到的最大吸力值高出其他兩組5.3%～43.3%。在干燥前10 d，3 條曲線僅有微小的差別，10 d 后，吸力差開始變大。由圖4 可知，植株間距最小的模型中水分蒸發(fā)最多，隨著植株間距的增大，水分蒸發(fā)減弱。這可能是因?yàn)橹仓觊g距小時(shí)，兩植株的水力影響范圍有部分重疊，存在水分競爭的關(guān)系，間距越小，這種水分競爭越激烈，因此兩植株間距越小的模型在干燥過程中產(chǎn)生的吸力反而越大。

圖4 干燥階段不同株距測點(diǎn)1（10 cm 埋深）處吸力的變化Fig. 4 Change of suction force at plant distance measurement point 1 (10 cm buried depth) in the drying stage

此外，在兩植株連線中點(diǎn)位置測點(diǎn)上的吸力值要大于三植株中心位置測點(diǎn)上的。在兩植株連線中點(diǎn)位置，植株間距20、30 和40 cm 試樣中的吸力最大值分別為31.8、30.2 和22.2 kPa；在三植株中心點(diǎn)處，植株間距20、30 和40 cm 的模型中的吸力最大值分別為28.8、23.5 和20.5 kPa。這是由于在三植株形成的等邊三角形中，兩植株連線中點(diǎn)處傳感器到植株的距離比三植株中心點(diǎn)處傳感器到植株的距離更小，受到植株水分競爭影響更大。因此雖然中心點(diǎn)處的傳感器能受到周邊三棵植株的影響，但距離遠(yuǎn)影響微弱，產(chǎn)生的吸力值也更小。

在圖4 中約在第3 天和第13 天時(shí)呈現(xiàn)出水平的階梯狀線段，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中室內(nèi)空調(diào)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致室溫低于試驗(yàn)條件需要的20 ℃，從而使蒸發(fā)蒸騰速率減慢，吸力增加速率減緩。

圖5 對比了3 種植株間距的模型在表面以下20 cm 處測點(diǎn)2 的吸力變化情況。由圖5 可見，測點(diǎn)2 處的吸力變化規(guī)律與測點(diǎn)1 處的相同，但在數(shù)值上明顯小于淺層的測點(diǎn)1。這是因?yàn)闇y點(diǎn)深度越大，受到大氣影響越小，土中水的蒸發(fā)越弱；其次，20 cm 深處位于植被根深范圍之外，植被蒸騰作用發(fā)生時(shí)受到根系吸水作用的影響越小，水分變化幅度小，引起的吸力值也就小于表層測點(diǎn)1 的值。而測點(diǎn)3 的深度約在表面以下30 cm 處，受到蒸發(fā)蒸騰作用影響微弱，吸力值變化不明顯，因此不單獨(dú)分析。

圖5 干燥階段不同株距測點(diǎn)2 處（20 cm 埋深）吸力的變化Fig. 5 Changes of suction at plant distance measurement point 2 (20 cm buried depth) during the drying stage

圖6 對比了不同植株間距下干燥試驗(yàn)前后吸力沿深度的分布情況。由圖6 可見，根深范圍以內(nèi)測點(diǎn)的吸力值總是大于根深范圍以下測點(diǎn)處的吸力值，這是由于根深范圍以內(nèi)測點(diǎn)不僅受到較強(qiáng)的大氣影響，蒸發(fā)活動劇烈，同時(shí)受到植被根系吸水作用的影響，水分變化較下部土體而言更強(qiáng)烈，因此吸力值更大。

圖6 干燥試驗(yàn)前后不同株距的吸力沿深度的變化Fig. 6 Variation of suction of different plant spacings along depth before and after drying test

干燥過程中不同種植間距的模型中，兩植株連線中點(diǎn)處A 列測點(diǎn)體積含水率變化如圖7 所示。由圖7 可見，無論在何種種植間距下，埋深10 cm 的測點(diǎn)1 處體積含水率變化幅度最大。在植株間距為20 cm和30 cm 的試驗(yàn)組中，測點(diǎn)1 處體積含水率接近，約從0.30 降至0.19；而植株間距為40 cm 的試驗(yàn)組中體積含水率變化幅度略小于其他兩組，約為0.30 至0.21。說明隨著植株間距的增大，兩植株間的水分競爭越弱，這與上文吸力變化規(guī)律一致。

綜合2.2 節(jié)數(shù)據(jù)分析可得，在一定范圍內(nèi)，植株間距越小，植株根系間的水分競爭越激烈，土體中的吸力值就越大，此時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度也就越高。故在實(shí)際工程中采用株下植筋帶聯(lián)合植被護(hù)坡時(shí)，植株間距不宜過大，應(yīng)按照冠幅大小和覆蓋度的要求進(jìn)行植株的布置。

圖7 干燥過程中不同株距的株間A 點(diǎn)處不同埋深測點(diǎn)的體積含水率變化曲線Fig. 7 Variation curve of volumetric water content at different burial depth measuring points at the middle point A of different plant distances during the drying process

2.3 降雨階段測量結(jié)果分析

圖8 反映了4 cm 的降雨水頭作用下3 組模型中株間A 點(diǎn)各深度吸力傳感器的響應(yīng)情況。降雨階段0 min 代表干燥階段末期，由于不同植株間距的模型在干燥階段蒸發(fā)蒸騰不一致，因此3 組試樣降雨階段的初始吸力值不一樣。

圖8 降雨過程中不同株距的株間A 點(diǎn)處不同埋深測點(diǎn)的吸力變化情況Fig. 8 Changes of suction at different buried depth measuring points at the midpoint A of different plant distances during wetting process

對比圖8（a）、（b）、（c）可見，降雨階段末期各測點(diǎn)吸力均接近0。試驗(yàn)組S20 與試驗(yàn)組S40 中各測點(diǎn)吸力響應(yīng)時(shí)刻幾乎相同，最淺層的測點(diǎn)1 處的吸力在降雨開始后約10 min 時(shí)開始顯著降低。由于雨水從土體表面自上而下入滲，深度越深的測點(diǎn)處吸力開始響應(yīng)時(shí)刻越遲。測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 處吸力開始響應(yīng)的時(shí)刻分別在降雨開始后16 和35 min。但試驗(yàn)組S30 中的3 個(gè)測點(diǎn)處吸力響應(yīng)時(shí)間明顯大于其他兩組，分別為30、80 和98 min。這可能是因?yàn)橹颇r(shí)，試驗(yàn)組S30 的土體表面略微向模型箱中間傾斜，導(dǎo)致土體表面邊緣高，中間低。降雨浸水時(shí)，由于土體表面的高度差，雨水會向模型箱中部匯集，導(dǎo)致表面積水高度不均勻。同時(shí)，土體表面裂隙發(fā)育的差別也會影響雨水入滲速率。

由于傳感器數(shù)量有限，降雨過程中在模型的三植株中心點(diǎn)B 處僅對埋深10 cm 測點(diǎn)1 的吸力變化進(jìn)行監(jiān)測，繪出試驗(yàn)組S20 和試驗(yàn)組S40 中的變化曲線如圖9 所示。對比圖9 與圖8 可知，試驗(yàn)組S20 和試驗(yàn)組S40 中三植株中心點(diǎn)B 的相同埋深10 cm 處測點(diǎn)1 響應(yīng)時(shí)間為5 min，比A 處測點(diǎn)1 的響應(yīng)時(shí)間縮短了一半左右，這可能是因?yàn)楦稍镫A段后期，裂隙在三植株之間的土體表面構(gòu)成交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為雨水提供了入滲通道。降雨時(shí)，雨水優(yōu)先沿著中間的裂隙入滲到土體內(nèi)部，因此三植株中心點(diǎn)B 處測點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間更短。

圖9 降雨過程中三植株中心點(diǎn)B 處測點(diǎn)吸力的變化情況Fig. 9 Changes in suction at the measuring point at center B of three plants during wetting process

3 結(jié) 語

本文主要完成了植株間距分別為20、30 和40 cm 的模型試驗(yàn)，經(jīng)歷26 d 的干燥階段和4 cm 水頭的降雨階段后，得到結(jié)論如下：

（1）在干燥過程中，裂隙從植株根莖向外側(cè)發(fā)育，最終在土體表面形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)伴隨著模型箱邊緣土體的干縮現(xiàn)象。

（2）在干燥過程中，模型受到蒸發(fā)蒸騰作用，體積含水率減小，吸力值增加。其中，植株間距為20 cm 的試驗(yàn)組中的最大吸力值比植株間距為30 和40 cm 試驗(yàn)組中達(dá)到的最大吸力值分別高出5.3%和43.3%。說明植株間距越小，植株間水分競爭越激烈，植株從土中吸水越多，導(dǎo)致的吸力值越大。兩植株連線中點(diǎn)處測點(diǎn)的吸力值大于三植株中心點(diǎn)處測點(diǎn)的吸力值。

（3）在模型的垂直剖面上，植被的根深范圍以內(nèi)土體的吸力和體積含水率變化劇烈，隨著深度的增加，吸力和體積含水率變化幅度逐漸減小。

（4）在降雨過程中，埋深10～30 cm 的測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 的吸力值在響應(yīng)時(shí)長上呈遞增趨勢，在20和40 cm 株距的模型中各測點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間幾乎相同，證明雨水均勻入滲；在30 cm 株距的模型中響應(yīng)時(shí)長明顯大于其他兩組，可能是制模和裂隙發(fā)育不同的影響所致。同時(shí)，三植株中點(diǎn)B 處測點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間比兩植株連線中點(diǎn)A 處響應(yīng)時(shí)間更短。

（5）在干燥過程中，設(shè)置于地表下的豎向植筋帶不僅能通過土表面的裂隙與大氣連通，加速土中水分的散失，還能促進(jìn)植被根系吸水及蒸騰作用，進(jìn)一步增加土體的基質(zhì)吸力，提高土體強(qiáng)度。但植筋帶護(hù)坡更強(qiáng)調(diào)其作為“延長根”的加筋作用，應(yīng)封閉坡土避免開裂，避免植筋帶直接接觸坡面降雨成為優(yōu)勢流入滲通道而加速雨水的入滲。由于植筋帶埋設(shè)于植株根系兩側(cè)（實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以一株一帶），那么株距實(shí)際上就是豎向植筋帶的埋設(shè)間距。在采用植筋帶進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計(jì)時(shí)，植筋帶間距不宜過大，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和灌木的株距，按照“細(xì)而密”的原則進(jìn)行布置。