蒋希雁,杨尚青,冯 峰,陈宇宏,许梦然

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,河北 张家口 075031; 2.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心,河北 张家口 075031; 3.河北建筑工程学院 土木工程学院,河北 张家口 075031)

目前生态护坡技术在越来越多的工程中得到应用，护坡的植被具有特殊的水文效应,在浅层边坡防护中具有截留降雨、减缓雨水入渗等效果。其中,植被根系的作用不可忽视。国内外学者对根系的作用做了大量研究。文献[1]对丹江口库区不同植被类型样地做了渗透试验,发现根长密度和根表面积密度大小与土壤入渗能力相关;文献[2]结合不同恢复模式下植物根系特征及其对土壤渗透特性的影响,得出随着根平均直径的增大,稳渗率增大;文献[3]研究根系构型对土壤渗透性能的影响,表明植物根系的存在可改善土壤的入渗性能;文献[4]探究植被作用下膨胀土的渗透特性,得出根系的作用会增强土体的渗透能力;文献[5]采用不同根系分布方式研究根系土的渗透性,发现竖直根系对土体渗透性能的改善最大,可以提高土壤的通透性;文献[6]探究植被土在不同压实度下的持水能力,研究表明草根的存在降低了土体的渗透率;文献[7]研究慕大草与鸭脚木根系对土壤入渗速率的影响,发现植物根系的存在对减少水的渗入量有显著作用;文献[8]提出一种新型根系渗透水土保持模型,并通过室内试验进行验证,研究发现植被根系的存在降低了土中孔隙的有效直径,减少了水分入渗。

综上所述,植被根系一方面会产生优先渗流,另一方面,其固土作用又会减少土体的水分入渗。因此,根系的存在对土体渗透特性的影响程度有待进一步研究,且大部分的试验是在室内进行的,室外原状土试验与室内试验的对比相对较少。本文通过现场双环入渗试验与室内渗透试验相结合的方式研究植被根系对土体渗透特性的影响。

1 试 验

1.1 土体性质和植被特征

本试验的现场部分在河北建筑工程学院生态园进行。为了确定试验场地土体的特性,依据文献[9]对现场所取土样进行室内土工试验,对土样各项物理指标进行了分析。通过室内击实试验、液塑限联合测定试验和颗粒筛析试验得到土样各项物理性质指标如下：粉土的最大干密度为1.90 g/cm3;实际干密度为1.806 g/cm3;最优含水率为12.0%;液限为23.2;塑限为14.6。土样颗粒分析结果见表1所列。

表1 土样颗粒分析

本试验选用高羊茅和小叶黄杨2种不同类型的植被,植被的根系特征见表2所列。高羊茅属于禾本科植物,性喜寒冷的气候,喜光,具有耐半阴、抗病性强等特点。小叶黄杨属于灌木科植物,喜光,具有耐寒、耐旱等特点,其根系发达、生长迅速。在阳光充足和半阴环境下均能正常生长。这2种植被在中国的许多地区都很常见,适用于很多生态修复工程。

表2 试验所用植被的根系特征

1.2 试验装置

现场原位试验采用标准的双环入渗法。双环入渗法是野外测定非饱和土体渗透系数的常用方法。双环入渗装置包括外环、内环和2个马氏瓶。内环直径25 cm,外环直径50 cm,内环和外环高30 cm。试验时,将液面保持在一个恒定的水平。外环的作用有助于减少内环下方横向流动的任何水流,从而保证试验是一维的垂直渗流。由于水流一般为三维流向的,双环入渗试验的一维渗流条件是对自然入渗条件的理想化。2个马氏瓶具有不同的作用。连接外环的大马氏瓶用于给内环提供水压,连接内环的小马氏瓶用于给内环的土体供水。大马氏瓶的容积是小马氏瓶的容积3倍,这是由于2个环之间的环形空间面积大约是内环面积的3倍。2个马氏瓶的顶部都有一个漏斗,通过漏斗给瓶内注水。侧壁都有一个玻璃管,玻璃管上有刻度尺,用于测读水位的变化,马氏瓶的底部有流量阀,用于控制流量。

室内变水头渗透试验使用TST-55型渗透仪。为了探究含根量对植被土渗透特性的影响,进行重塑土和原状土的渗透试验。

2 试验步骤

2.1 双环入渗试验

试验在相同的气候条件下进行,双环入渗试验分为裸土、高羊茅植被土(稀疏)、高羊茅植被土(密集)和小叶黄杨植被土4种土体。试验前,在原状土体实地取样,计算每组试验土体中根系质量与干土质量的比值,确定含根量大小。经过计算,高羊茅植被土(稀疏)的含根量为0.28%,记为高羊茅植被土(C0.28%),高羊茅植被土(密集)的含根量为0.82%,记为高羊茅植被土(C0.82%),小叶黄杨植被土的含根量为0.73%。试验前,高羊茅与小叶黄杨植被均在试验场地生长3个月,每3天浇水1次,生长期间经历了多次的干湿循环。3个月的生长期足以使植被根系与原位土体结合。试验开始前,所有试验场地经历了一次自然降雨。降雨结束后,所有土体都在室外相同的大气条件下进行蒸发。在经历7 d的蒸发后,用TDR-350土壤水分测量仪测得每种试验土体的初始体积含水率十分接近,均在10.2%～13.8%之间。另外,每种试验土体都测定了压实度大小,4种土体的压实度均为95%。室外温度保持在27 ℃不变。此时所有试验土体都具有相似的初始水文条件,室外温度以及土体的初始体积含水率对土体渗透性能的影响可以忽略不计。清除场地周边的杂草,平整场地,开始双环入渗试验,试验装置如图1所示。

图1 双环入渗试验装置

试验时,用夯实工具将内环和外环垂直打入地面15 cm,2个环与地面之间的缝隙用水泥膏密封,以确保试验过程中没有漏水。在双环底部铺一层砾,厚度为3 cm。铺砾的目的是防止供水时水流将环底的土层冲起。将2个马氏瓶注满水,向内环与外环供水,试验期间,通过调节马氏瓶底部的流量阀,始终控制内环与外环水层厚度保持为10 cm,避免相互渗透。试验在相同的气候条件下进行,为了防止环内的水分蒸发,在每次注水后及时用金属盖板盖住双环入渗仪。金属盖板中间留有长孔,以排除大气压力对试验的影响。按一定的时间间隔记录,试验初始阶段,由于入渗水量大,因此观测时间间隔尽量短。试验开始的前3次记录,每5 min测读入渗水量,入渗水量可以通过内环马氏瓶上的刻度读出。之后延长每3次测读的时间,分别为10、15、20 min测读。当连续2次观测流量之差不大于5%,即可结束试验,取最后一次注入流量作为计算值。

2.2 室内变水头渗透试验

通过室内变水头渗透试验,探究不同含根量植被土的渗透特性。室内变水头渗透试验分为2个部分。

第1部分为重塑土变水头渗透试验,试验所用根系为高羊茅的草根,选取长势良好的高羊茅植被,截取根系,并将草根均匀地与土体混合。试验按照文献[9]进行土样的制备。含根量定义为根系质量与干土质量的比值。分别制备含根量为0、0.10%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.60%、0.80%的根土复合体。所有试样中的干土质量相同,区别仅是含根量不同。为了使其与原状土试验结果具有可比性,试样制备严格以压实度为控制标准,所有试样均采用95%的压实度,与原状土样的压实度一致。试样制备完成后依次进行变水头渗透试验[10]。

第2部分为原状土变水头渗透试验。对于带有根系的原状土样,是在室外试验场地通过TST-55型的专用环刀选取与双环试验相同的位置取样,进行室内试验。因此,室内原状土样的压实度与现场试验土体一致,均为95%。

3 计算方法

在双环入渗试验中,当入渗的水量达到稳定值时,利用达西定律的原理求出裸土和3种植被土的渗透系数,相关表达式如下:

Κ=QL/(FJ)

(1)

J=(Hk+Z+L)/L

(2)

其中:J为水力坡度;Hk为毛细压力水头,取1.0 m;F为内环面积,取0.049 m2;Z为环内水层厚度,取0.1 m;L为试验结束时的渗透深度;Q为稳定流量。

室内变水头渗透试验完成后,按照文献[9]计算饱和渗透系数。

4 结果与分析

4.1 双环入渗试验结果分析

在对每种土体的入渗过程进行研究时,采用初始入渗率、平均渗透速率、饱和渗透系数和总入渗体积4种常用渗透性指标[11],具体见表3所列。

表3 不同土体的渗透性相关参数

从表3可以看出,初始入渗率从大到小依次为小叶黄扬植被土、高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、高羊茅植被土(C0.82%);在初始阶段,小叶黄杨和含根量为0.28%的高羊茅植被土的初始入渗率反而高于裸土,这是由于在饱和度较低的土体中,根系在初始阶段有一个吸水的过程,使根系与土体的接触面之间形成了一个较好的渗流通道,从而促使水分更快地渗入土体中。而随着时间的延长,根系吸水过程逐渐完成,这条渗流通道的横断面积逐渐减小,使得入渗速率逐渐减小,这在平均渗透速率的渗透性指标中有较好的体现,平均渗透速率从大到小依次为高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、小叶黄扬植被土、高羊茅植被土(C0.82%)。因为每种土体的压实度相同,所以压实度引起的土体密度变化对渗透特性的影响可以忽略。

4种土体的累积入渗体积随时间的变化如图2所示。

图2 累计入渗体积随时间的变化情况

从图2可以看出,4种土体的入渗体积随时间基本呈线性增加。试验中,裸土达到稳态渗流状态经历的时间最长。小叶黄杨植被土与含根量为0.28%的高羊茅植被土达到稳态渗流状态的时间相同,比含根量为0.82%的高羊茅植被土快20 min。试验1 h后,4种土体的入渗逐渐达到稳态渗流状态。含根量为0.82%的高羊茅植被土与小叶黄杨植被土的入渗体积变化趋势相似。对比2种不同含根量的高羊茅植被土可以发现,根系密集的高羊茅植被土的入渗体积远远小于根系稀疏的高羊茅植被土，在达到稳态渗流状态时,前者的入渗体积比后者减少了56%。这说明根系密集的植被对减少水的入渗量有着更好的效果。在试验前130 min内,含根量为0.28%的高羊茅植被土的入渗体积始终比裸土多。在达到稳态渗流状态时,它们的入渗体积相差很小,裸土的入渗体积仅比含根量为0.28%的高羊茅植被土多了337.5 mL。这说明根系稀疏的植被不但没有减弱入渗过程,反而增大了土体的渗流路径,使得水更快地渗入土体。尽管裸土、高羊茅植被土和小叶黄杨植被土的初始条件基本相同,但在达到稳定状态下,小叶黄杨植被土和含根量为0.82%的高羊茅植被土的入渗体积比裸土的入渗体积减少了50%。这说明植被根系的存在对减少水的入渗量有着显著的作用。

4种土体的饱和渗透系数随时间的变化如图3所示。土体的饱和渗透系数是降雨过程中影响边坡浅层稳定性的重要因素。由图3可知，在1 h的浸水试验后,随着时间的推移,渗透系数最终趋于稳定,这时渗透系数为饱和渗透系数,即土体达到稳态渗流状态。

图3 渗透系数随时间的变化

在达到稳态渗流状态时,4种土体的饱和渗透系数从大到小依次为高羊茅植被土(C0.28%)、裸土、小叶黄扬植被土、高羊茅植被土(C0.82%)。含根量为0.82%的高羊茅植被土和小叶黄杨植被土的饱和渗透系数均低于裸土。而含根量为0.28%的高羊茅植被土和裸土的渗透系数几乎相同,两者仅仅相差0.035 cm/min。含根量为0.82%的高羊茅植被土的饱和渗透系数最小,比含根量为0.28%的高羊茅植被土减少了60%,仅仅为裸土的30%。这是由于含根量为0.82%的高羊茅植被土比其他植被土根系最为发达,比裸土和其他植被土占据了更多的土体内部孔隙,改变了土体原来的孔隙大小及其分布,从而减少了入渗过程中更多渗流通道,对土体渗透性减弱最为显著。进一步说明根系的存在明显降低了水的入渗速率,达到稳态渗流状态时的饱和渗透系数也减小。

4.2 室内渗透试验结果分析

不同含根量重塑土的饱和渗透系数、其减量和减幅见表4所列。将裸土与含有高羊茅根系的重塑土的饱和渗透系数值相减得到饱和渗透系数减量。该减量与裸土的饱和渗透系数值之比为饱和渗透系数减幅。

从表4可以看出，掺入高羊茅根系的根土复合体的饱和渗透系数均小于裸土的饱和渗透系数，并且随着含根量的增加,重塑土的饱和渗透系数减幅增大;当含根量为0.80%时,饱和渗透系数的减幅达到了73.03%,这说明在含根量为0～0.80%的范围内,高羊茅根系的存在明显抑制了水的渗流作用;8种不同含根量的根土复合体随着含根量的增加,饱和渗透系数逐渐减小。由于高羊茅根系占据了土体内部的孔隙[12],减小了土体的孔隙率,从而减弱了土体的通透性,使饱和渗透系数减小。

表4 不同含根量重塑土的饱和渗透系数

通过实地取样,得到了裸土与6种不同含根量的植被土,含根量分别为0.12%、0.13%、0.28%、0.46%、0.73%、0.82%。同样,每组土体的压实度均为95%,因此压实度引起的土体密度变化对渗透特性的影响也可以忽略。不同含根量原状土的饱和渗透系数、其减量和减幅,见表5所列。

表5 不同含根量原状土的饱和渗透系数

从表5可以看出，带有高羊茅根系的根土复合体的饱和渗透系数均小于裸土的饱和渗透系数，并且随着含根量的增加,原状土的饱和渗透系数减幅增大,但其减幅小于重塑土，当原状土含根量为0.82%时,饱和渗透系数减幅达到了39.06%。含根量为0.30%～0.80%时,重塑土的饱和渗透系数约为原状土的3倍。这是由于虽然在重塑土制备中均匀掺入高羊茅根系,并使压实度与原状土保持一致,但相对于原状土,高羊茅根系与土体之间的孔隙更大,重塑土样无法完全还原高羊茅根系在土体中的状态，并且原状土在室外的自然环境下已经经历了长时间的固结过程,土体强度高于重塑土样。这也是导致原状土饱和渗透系数小于重塑土的饱和渗透系数的原因。

从表5还可以看出,6种不同含根量的根土复合体随着含根量的增加,饱和渗透系数也逐渐减小。在原状土含根量达到0.73%以上时,饱和渗透系数减小的幅度最大,这说明在原状土体中,较高的含根量对水的渗流抑制更明显。此结果与双环入渗试验得到的结果类似,含根量越高的植被土体对减少水分入渗土体有着更显著的效果。

将现场双环入渗试验中的高羊茅植被土(C0.82%)与室内试验中含根量为0.82%的原状土的饱和渗透系数进行比较,经过单位换算发现，在土体压实度相同的条件下,双环入渗试验得到的饱和渗透系数约为室内试验的5倍。这是由于在双环入渗试验中,土体有更大的渗流面积,虽然外环限制了水分的横向渗流,但并不能完全抑制。原状土的取样面积很小,因此其渗流路径远小于现场双环入渗试验的渗流路径[13]。

针对现场试验与室内试验所得饱和渗透系数的关系,在实际工程应用中,若因现场条件的限制,操作繁琐,无法进行原位试验,则可以取样通过室内试验测得的饱和渗透系数适当评价现场原位根土复合体的渗透特性。

5 结 论

本文通过现场双环入渗试验对不同类型植被土和裸土的入渗体积、饱和渗透系数进行比较,发现小叶黄杨植被土和含根量为0.82%的高羊茅植被土的入渗体积比裸土减少了50%。这说明植被根系的存在对减少水的入渗量有着显著的作用。含根量为0.82%的高羊茅植被土由于相对发达的根系占据了更多的土中孔隙,从而减少了入渗过程中更多渗流通道,使得入渗速率明显减小,达到稳态渗流状态时的饱和渗透系数也最小。

通过室内变水头渗透试验研究含根量对土体渗透特性的影响,发现无论是重塑土还是原状土,掺入高羊茅根系的根土复合体的饱和渗透系数均小于裸土的饱和渗透系数。根土复合体随着含根量的增加,饱和渗透系数均逐渐减小。含根量越高的植被土对减少水分入渗的效果更显著。因此,在生态护坡工程中,在降雨的情况下护坡植被可以有效减少雨水的入渗,使浅层边坡具有更高的稳定性。

通过室内变水头渗透试验对比重塑土和原状土的饱和渗透系数,并与现场双环入渗试验的结果进行对比,发现含根量为0.30%～0.80%的重塑土的饱和渗透系数约为原状土的3倍,现场双环入渗试验得到的含根量为0.82%的高羊茅植被土的饱和渗透系数约为室内试验的5倍。因此，实际工程中,可以通过室内试验测得的饱和渗透系数适当评价现场原位根土复合体的渗透特性。