特殊土边坡的植被防护工程及景观研究

2020-11-18黎凤林杨超炜

公路工程 2020年5期

郑硕，黎凤林，杨超炜

(1.长沙环境保护职业技术学院，湖南长沙 410004；2.湖南科技职业学院，湖南长沙 410004；3.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082)

近些年，伴随着我国经济的飞速增长，我国的交通设施建设得到了长足发展。交通路线不断建设和发展的同时必将会造成道路沿线生态环境的改变和破坏，进而会产生如：原有土体结构破坏导致边坡失稳、植被砍伐造成水土流失等一系列隐患，这将会对沿线居民的生产和生活造成一定影响和威胁。解决该问题的传统方法是采用喷射混凝土、浆砌片石块石等。这些方法在工程建设初期起到了立竿见影的效果，但是随着时间的推移，自然界的风化作用将会导致这些传统方法的防护效果逐步降低[1-3]。而对于特殊土沿线的工程，如黄土、膨胀土等，由于特殊土自身具有独特的物理力学性质将会导致上述问题更加严重[4-6]。为解决特殊土边坡引起的工程问题，同时为了响应国家的“生态文明”建设方针，合理的采用植被护坡技术不仅可以在一定程度上解决生态环境问题，同时还可以解决相应的工程隐患[5-7]。基于此，本文针对特殊土边坡植被防护应用问题作相应的介绍。首先，详细介绍了黄土和膨胀土边坡的特点及相应的工程问题；然后，指出植被护坡对特殊土边坡的适应性，并详细探讨了其内在防护机理；最后，提出黄土边坡和膨胀土边坡植被防护种类的选取及建议，并介绍了植被护坡的景观效应。

1 特殊土边坡的特点

1.1 黄土边坡

我国黄土分布较广，且各地区的黄土有着不同的厚度及颗粒成分，因此其物理力学性质不尽相同，有着明显的地区性特点。深入了解黄土地质特点，对边坡治理方案的制定有着重要意义。

黄土在干燥气候下形成，初期受少量水分的影响形成松散粉粒，随着长时间的干旱会造成其内部水分蒸发，形成以粗颗粒为主要骨架且具有柱状节理的多孔结构。因此黄土在干燥环境下强度较高；但在大量浸水后土中的可溶盐溶解，致使土粒间的胶结作用降低，土体原有结构破坏，承载力降低。因而大部分黄土具有受水浸湿后产生较大沉陷的湿陷性。

黄土边坡失稳是工程中经常遇到的问题，其失稳破坏主要有以下两种情况。一是，在黄土边坡滑动之前，由于张拉应力等作用，坡顶或坡面通常会产生一些张拉裂缝，为水分的进入提供了通道，对边坡稳定性十分不利[1]。另外一种常见情况是，冲刷、剥落、坡面泥石流等边坡坡面破坏造成的失稳[2]。

1.2 膨胀土边坡

天然状态下的膨胀土强度较高，压缩性好。但由于膨胀土中含有蒙脱石，从而导致了但该类土的工程性质极不稳定，在浸水之后，体积会发生较大膨胀，失水之后，体积明显收缩。因此，地处膨胀土区域的边坡，在季节性干湿循环的条件下，较易发生失稳破坏。因此，气候变化是造成膨胀土地区边坡失稳的主要外在因素之一[3,4]。膨胀土本身裂隙的发展程度、软化以及蠕变特性是影响边坡失稳的主要内在因素，而这些内在因素发展的快慢，主要取决于膨胀土自身蒙脱石含量的多少。

同时由于膨胀土本身对水较为敏感，因此考虑膨胀土的非饱和性，即考虑基质吸力对膨胀土强度的影响很有必要[4]。影响膨胀土边坡内部含水量和基质吸力变化的主要原因是降雨入渗，因此可将影响膨胀土边坡稳定性分析简单归纳如图1所示。

图1 膨胀土边坡稳定性分析Figure 1 Stability analysis of expansive soil slope

2 特殊土边坡植被防护机理研究

由于膨胀土本身的特殊性质，采用传统的护坡方法难以起到长期、可持续的效果。而合理的采用植被护坡技术，同时可起到生态防护和力学加固的作用[5]。为便于植被的工程设计及确保在工程应用中良好的效果，下面将对植被护坡的内在机理作详细介绍。

2.1 浅层根系的加筋防护机理

在表层土以下20～40 cm范围内的植被根系称为浅层根系。在边坡上种植了植被之后，浅层植被根系对土体的盘结，可看作一种三维加筋作用[5]，即视为土体的粘聚力和侧向约束力分别增加了Δc和Δσ3。这种三维加筋作用原理可等效为图2所示的原理图。

由图2可知，由于植物根系加筋作用使膨胀土的粘聚力增加了Δc，使得土体的抗剪强度包络线沿着τ轴向上平移了Δc，这意味着植被根系的存在增大了土体的极限抗剪强度。另一方面，植被根系的存在会使土体侧向约束力增大Δσ3。如果σ1不变，土体的应力状态将会由莫尔圆A变成莫尔圆B，从而使得土体更不易达到极限抗剪强度，边坡的稳定性得到提高。

图2 植被根系加筋作用等效原理图Figure 2 Equivalent schematic diagram of vegetation root reinforcement

2.2 深层根系的锚固防护机理

对于灌木类植被等，其根系可深入到表层土下1.5 m左右，甚至可以扎入到岩层中去。对于锚固型根系可简化为粘接型锚杆来进行受力分析，在根系受拔时，主根和沿主根分布的侧根与周围的土体相互作用，同时提供根与土体之间的摩擦力以及等效粘聚力[6]，从而得到根系锚固力T为：

(1)

式中:C为等效粘聚力；z为扎根深度；Q(z)和P(z)分别为根的密度和平均半径分布函数；P(z)为根平均半径分布函数；μ为摩擦系数；r为根半径。

2.3 植被防护的水文效应

a.缓解表层土体溅蚀。

从高处落下的雨滴因具有一定的势能和动能，落到土体表面，会造成表层土体的溅蚀，从而破坏土体结构。当边坡有植被覆盖，雨滴将会被植被的茎叶阻截，使雨滴分散，减少重量，减缓流速，从而缓解雨水的溅蚀。

近年以来，用于处理低浓度甲烷的热力型或催化型蓄热氧化装置(Regenerative Thermal Oxidizer，简称为RTO)的研究取得了显著进展，这为乏风瓦斯及低浓度瓦斯的利用带来曙光[4]。这种蓄热氧化装置实质是一种内置多孔介质蓄热填料(或带有催化剂层)的蓄热换向流反应器，它工作于流动方向周期性切换的非稳定状态下，依靠燃料气流速度与反应热前锋移动速度差异，通过合理控制周期循环时间，使得反应器内蓄热填料储存足够的热量以维持系统的自热平衡，并将多余的热量以高温烟气形式抽出利用[5]，一般处理甲烷体积分数在1.2%以下。

b.抑制坡面冲刷破坏。

地表径流加剧了坡面冲刷破坏，植被护坡可有效减少地表径流，主要是由于植被茎叶的多重作用：①分散拦截作用。雨滴降落后，首先会受到茎叶的缓冲和阻截，被分散成小雨滴后，以较低的重力势能继续下落。也有部分雨滴也会暂时残留在枝叶上，不会降落到坡面，后期以蒸发的形式消失。②根系及茎叶的吸收作用。初期降雨，植物茎叶和根系能最大限度的吸收水分，减少坡面雨水的流动，进而减少冲刷。③篱笆作用[7]。植物的茎叶类似于各个方向的小篱笆，即使雨滴已经降落到坡面上，茎叶仍可以有效的分散水流，减缓流速，降低水力梯度，从而减小冲刷破坏。

2.4 黄土边坡的植被防护机理

关于湿陷性黄土的湿陷作用，从黄土的组分来说，可溶盐类的胶结作用是影响湿陷性的关键因素；从土的物理性质指标来说，许多文献都表明，黄土的孔隙比、干密度及含水量等与黄土湿陷性有密切关系。

根据文献[8]中资料可得：①由于架空孔隙为变形提供了更多的空间，因此土中有足够的孔隙是黄土产生湿陷变形的必要条件。②非湿陷性土的饱和度一般大于80%(或含水量大于25%)，强湿陷性土的饱和度一般小于50%(或含水量小于20%)。

张苏民[9]等对同一土样进行增湿和减湿处理，然后测试不同压力下土样压缩变形和浸水湿陷变形。结果显示：土样饱和度越低(即含水量越低)，湿陷量随着基质吸力的增大而增大[10]。

通过以上植被护坡机理的分析，对于黄土边坡：①植被可在一定程度上增加土壤含水量，维持土壤水分，从而减少一定湿陷量。②植物根系可起到抗滑移的作用，且根系互相缠绕，可视为带有预应力的加筋材料[11]，一方面可使土体的粘聚力增加，另一方面改变了土体结构，可使土的结构性增强。③浅层根延伸范围内，由于根系的三维加筋作用，有效地限制了浅层土体的变形，可减少表层土体的张拉裂缝。④在植物的生长过程中，植物根系会分泌大量的胶结物，可提高土壤的结构稳定性，以及抗冲击分散能力。

2.5 膨胀土边坡的植被防护机理

除了植被根系对边坡的加筋作用和锚固作用外，植被的蒸腾作用以及水土保持作用可有效调节膨胀土内部的水分迁移、含水率等，这将对膨胀土内部的基质吸力影响较大[5,12,13]。而膨胀土的非饱和性较为显著，因此对于植被防护的膨胀土强度需同时考虑植被根系的加筋作用和基质吸力的变化对土体强度的影响[5]，得到植被防护膨胀土的强度为：

τf=c'+cT+(σT+σ-ua)tanφ'+

(ua-uw)tanφb

(2)

式中:cT为植被根系加筋作用所提供的粘聚力；(σT+σ-ua)为同时考虑植被根系加筋作用和基质吸力的净应力；(ua-uw)为土体非饱和状态下的毛细吸力；φb为基质吸力摩擦角。

通过以上植被护坡机理的分析，对于膨胀土边坡：①采用根系较深的灌木类植被，可将大范围的土体根系盘绕在一起，形成“根-土复合体”，植被根系良好的抗拉性能可以限制土体的变形，使复合体具有一定的强度和刚度。②深层根可穿越较深的稳定土层，将表层土与深层土连接成一个整体，起到预应力的作用，且根系错综复杂，类似于三维加筋，改善了膨胀土体的力学性能。③植被的存在可改善土体的渗透性，从而可起到调节土壤中空隙水压力的作用，进而增加土体抗剪强度。

3 特殊土边坡植被防护种类及方法

3.1 黄土边坡植被防护

由于黄土地区降水时空变化大，季节性降水特点明显，黄土边坡时常出现地质灾害，因此可采用植被护坡缓解水土流失的状况，并且选用适宜此气候生长的植物尤为重要。

目前黄土边坡常用植被护坡技术见表1，由于人工播撒草籽不均匀，前期草皮养护管理复杂等原因，前两种护坡技术已较少使用[2，14]。依据当地常见的植物及生长特点[11]，总结可适宜黄土边坡护坡的植被见表2。

表1 黄土边坡常用植被护坡技术Table 1 Commonly used vegetation protection techniques for loess slopes植被护坡技术适宜地质施工难易程度效果养护人工种草护坡土质,砂土边坡耗费人工量大草籽播撒易不均匀前期养护困难平铺草皮护坡土质,砂土边坡耗费人工量大前期草皮衔接处明显前期养护困难液压喷播植草护坡土质,土石边坡较复杂,液压喷播,挂网,但覆盖速度快植物单一,不易形成自然植物群落加盖无纺布,前期需人工浇水网格生态护坡土质,砂土边坡较复杂,但覆盖速度快以草本为主,草种易退化需坡面草种补裁土工格室植草护坡土质,砂岩边坡较复杂,铺土工网,但覆盖速度快前期效果好,但不易形成自然植物群落加盖土工膜,定期浇水养护

表2 黄土地区植被护坡可供选择的植物种类及特点Table 2 Species and characteristics of available plants for vegetation slope protection in the loess area植被种类分布区生长习性及特点多变小冠花西北区适应干旱、寒冷、高温气候及贫瘠土壤,水土保持性能极好草无芒雀麦西北,东北,华北地区根系生长速度快,且扎根较深,适应高温、寒冷及干旱气候紫花苜蓿西北区该植被具备良好排水性,宜种植于温暖,较湿润气候迎春中国大部分省区宜种植于阳面,根系萌发力强,适应干旱气候,但不耐涝。灌枸杞西北区适应于寒冷、干旱气候,且根系发达。紫穗槐西北区宜种植于阳面,适应于寒冷、干旱气候,较耐涝,对土壤适应能力强乔火炬树华北区,西北区适应干旱、寒冷气候及贫瘠、盐碱类土壤,且耐水湿,生长速度快,但寿命较短栾树中国大部分省区适应性强,宜种植于阳面,可有效阻挡烟尘,适应于寒冷、干旱气候及贫瘠土壤

3.2 膨胀土边坡植被防护

膨胀土本身较为疏松，比较适合草本植物生长，同时疏松性会导致土壤易坍塌。因此，膨胀土边坡的植被防护要形成一个科学的生态体系，不仅能起到良好的生态体系防护，还可对边坡起到较好的力学加固作用。

研究表明，对于一个边坡植被防护体系，需要草本、灌木及乔木类等植被混合种植，同时还要考虑到区域性以及季节性的变化对植被生长情况的影响[15]。总之，不论是植被种类的选择，还是种植施工顺序及方法都要围绕“因地制宜”的原则。经过详细调查，本文根据不同地区，选择了几种典型的植被列于表3，以供参考。

表3 膨胀土地区植被护坡可供选择的植物种类及特点Table 3 Species and characteristics of available plants for vegetation slope protection in the area of expansive soils植被种类分布区生长习性及特点节节草西南区多年生,土生,喜近水生草本类冰草华北区多年生旱生禾草,可与苔草、禾本科草、及灌木类植被混合种植,种植区域的气候当处于干旱到半潮湿为宜白羊草西北区多年生草本,可种植与干旱贫瘠地区黄刺玫西北区宜种植于阳面,且对于寒冷及干旱气候适应能力强灌木类清香木西南区宜种植于阳面,耐水性不好,其根系需扎根于较厚土层,生命力强胡枝子华北区生命力顽强,适应干旱及寒冷气候,且可种植于酸性及盐碱性土壤刺槐西北区适合种植于土壤条件较好的地区,且适应干旱气候,不宜种植于冲风口乔木类山杏华北区根系可深入地下,耐瘠薄,适应于寒冷、干旱地区银合欢西南区耐旱能力强,适应土壤条件范围很广,但不宜种植于水分较多地区