植被护坡稳定性研究分析

熊杰 李照金 张红率 罗加敏 资雯婷 吴新春

(昆明学院城乡建设与工程管理学院,云南昆明 650214)

植被护坡稳定性研究分析

熊杰 李照金 张红率 罗加敏 资雯婷 吴新春

(昆明学院城乡建设与工程管理学院,云南昆明 650214)

随着我国公路、铁路、水库等的兴建,对边坡的稳定与生态环境保护有机结合的要求也越来越高。传统的护坡方式虽有较好的护坡能力,但对生态环境的破坏是非常严重的,已经不能与现在对生态坏境保护的需求相适应。随之被广泛应用的是植被护坡,它既有较好的护坡能力,又能使工程对生态坏境的破坏达到最小。本文将从植被对地表土颗粒流失的约束作用、植被根系对土体的加筋效应、植被枝叶对降雨的导流减冲作用等几方面对植被护坡的稳定性进行研究分析。

生态护坡 传统护坡 稳定性分析 植被

1 引言

在强降雨条件下,降雨对边坡影响是非常大的。由强降雨对边坡土壤侵蚀而引起的破坏主要有两大类：第一是由于雨水对地表土壤的冲刷,导致一些地表土壤伴随着水流流失;另一类是在雨水侵蚀作用下土壤内部结构受到破坏,土坡直接失稳,发生滑坡、泥石流等地质灾害。水土流失将破坏地面完整,冲走肥沃的浅层土壤,降低土壤肥力,造成土地硬石化及沙化等,将严重影响农业生产。而滑坡、泥石流等地质灾害则更是严重威胁着人类的生产生活安全,严重破坏生态环境。为增大边坡稳定性,传统的护坡方法一般以水泥、石料、混凝土等硬性材料为主要建材,在设计上主要以力学的角度进行思考设计。传统护坡大致可分为浅层抹面捶面护坡、砌石护坡,钢筋混凝土网格护坡、喷混类护坡等。

传统型护坡虽然护坡能力强,但是一次性投资大,难以恢复自然植被,使大量土坡岩石裸露在外面,不利于生态环境的保护和水土保持,在外观上较为单调生硬,多数情况下与周边的景观不协调,与目前注重保护生态环境的发展趋势相违背[1]。到29世纪,日本、美国等一些欧洲发达国家及地区他们基本上摒弃了传统的护坡方式,他们开始广泛应用植被护坡技术进行边坡防护[2]。为适应时代潮流,保护生态环境,走可持续发展道路,响应国家出台的《全国生态保护“十一五”规划》,国家环保总局下发的《关于进一步加强生态保护工作的意见》号召,植被护坡在我国也得到了广泛的应用。植被护坡之所以能被广泛采用,是因为其具有造价低、施工简单、工期较短、有利于较好的保护生态环境,减少水土流失,美化环境等众多优点[3]。

表1 无植被边坡各坡度相应时间内土的流失量

表2 植被护坡边坡各坡度相应时间内土的流失量

图1 水土流失试验装置

2 植被对地表土颗粒流失的约束作用

当高速的雨滴降落至地面时,会对坡面产生较大的冲击作用,会使地表土颗粒与母体分离,伴随着降雨形成的水流一起流走,造成较大的水土流失。但在植被护坡的作用下,植被的枝叶能够有效缓冲雨滴对地表的冲击力,减少对地表土颗粒的冲刷。植被的枝干及根系还能有效阻挡被分离出来的土颗粒的流失。以有植被和无植被的人工边坡进行模拟降雨冲刷试验,试验装置通过参照卢坤林抬起实验模型优化改进而成(如图1所示),通过调节升降调节器螺栓来改变边坡坡度,坡度可调节为15°、30°、45°、60°,通过流量调节开关控制降雨量的大小。25min内无植被护坡的边坡在各坡度下土的流失量如表1所示,有植被护坡的边坡在各坡度下土的流失量如表2所示。有无植被护坡边坡水土流失量对照图如图2所示。

图2 有无植被护坡边坡水土流失对照图

图3 抗剪强度-根系关系图

由实验结果可知,在25min内无植被的边坡水土流失量远远大于有植被边坡的水土流失量,即植被护坡对水土流失有较好的的防治作用。

3 植被根系对土体的加筋效应

为了确定植被的根系在土壤中的作用及根土混合体强度与根系空间分布的关系,笔者利用水土流失试验所用土体及植被根系进行直剪实验,实验制取的土样为没根、根在土体中分布的数量逐级增加。实验结果如图3所示。

分析可知,植物的根一般都具有较大的强度,植物根的粘聚力远远超过土壤的粘聚力。植物根在土壤中的分布,就好比在混凝土中布置了一些钢筋,能够较好的提高边坡土体的强度和边坡土体的抗变形能力等[4]。但其真正强度提高大小与根的强度及根在土体中分布密度有关,植物根系分布密度越大,土的抗剪强度越高,植被根系对提高土体抗剪强度有较大作用。

4 植被枝叶对降雨的导流减冲作用

胡其志、程明生通过对孔隙水压力对滑动面土体应力状态的影响进行分析发现,随着空隙水压力的增大,土体的强度指标随之降低。而用基于刚体极限平衡理论的传递系数法计算滑动面的稳定系数,虽稳定系数随孔隙水压力的增大呈现先减小后增大的趋势[5]。但初期稳定系数的降低对边坡的安全是非常不利的,许多灾害也就是发生在这个时期,所以我们要严格控制边坡土体孔隙水压力的增大。

随着降雨时间的增长,雨水就会逐渐渗透到土层中,使土层中的孔隙水压力随之增大。但在植被护坡中植被的枝叶对雨水有较好的的导流防渗作用,它能够使部分雨水沿着叶面逐级流向坡脚。从而有效的减小了水流的下渗,降低土体中的空隙水压力,这对边坡的抗滑稳定是非常有利的。

5 结语

植被护坡具有施工简单、造价低、固坡性能好、美化环境、有效保护生态环境等优点,常被运用于现代护坡工程中。但要使其发挥较好的护坡性能,提高边坡的抗滑能力,我们还应更深入的研究。在植被的选择及布置时我们应注意遵循以下几个原则：(1)所选植被根系应较为发达,能够伸入较深土层中,并且不易老化有较强的抗剪能力;(2)枝叶面积较大,在被雨水淋湿后倒伏,叶面能呈较好的流线型对降雨有较好的导流及缓冲作用;(3)所选植被自重不能太重,以减少作用于边坡上的不利于边坡稳定的荷载。

[1]刘黎明,邱卫民等.传统护坡与生态护坡比较与分析[J].三峡大学学报(自然科学版),2007-12,29(6).528-530．

[2]戚国庆,胡利文.植被护坡机制及应用研究[J].岩石力学与工程学报,2006-11,25(11).2221-2224．

[3]李辉,桂勇等.生态边坡稳定性模型试验研究综述[J]．有色金属科学与工程,2003-04,4(2).67-69．

[4]鄢朝勇,叶建军等.植被对边坡浅层稳定的影响[J].水土保持研究,2007-02,14(1).24-27．

[5]胡其至,程明生等.考虑孔隙水压力的土质边坡稳定性分析[J]．长沙大学学报,2010-03,24(2).44-46．

With the construction of roads, railways, reservoirs, etc., ecological environment protection requirements for slope stability and organic collection is also increasing. Although the traditional way of a good slope revetment ability, but the destruction of the ecological environment is very large, and now has been unable to adapt to the needs of a bad environment for ecological protection. Is widely used along with vegetation slope, it has both good slope capability, but also make the project a bad environment ecological damage to a minimum. This article from the binding effect of vegetation on the surface of soil particles are lost, the effect of vegetation roots on reinforced soil, vegetation leaves less diversion of rainfall and other aspects of the role of the red slope vegetation on the slope stability undertaking research and analysis.

Traditional slope protection Ecological slope protection Stability analysis Vegetation

国家级本科教学工程,项目编号：201311393003。

熊杰(1992-),云南文山人,主要从事水利水电工程等方面的学习和研究。