生态防护加固岩质边坡的机理分析及应用

第３２卷，第１期　２　０　０　７年２月　中　南　公　路　工　程　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０Ｉ．３２．Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．，２　０　０　７　生态防护加固岩质边坡的机理分析及应用　杨焕辉　，赵明华　，刘小平　（１．湖南大学土木工程学院，湖南长沙４１００８２；２．湖南省长沙市环线建设开发总公司，湖南长沙４１００００）　［摘　要］生态防护是目前城市道路和高速公路岩质边坡生态加固的一项主要措施。生态防护对边坡的防护　方面是多方面的，分析了植物根系与边坡的力学效应，探讨植物根系加固边坡作用机理，提出根系一土复合层增加　抗剪强度公式。此外，本文研究了植物根系对边坡降雨截留、径流延滞、土壤防渗、土层固结等效应，初步探讨了生　态防护对边坡的抗冲刷机理。工程实践表明生态防护边坡具有较好的生态效应和社会效应。　［关键词］生态防护；岩质边坡；植物根系防渗；边坡抗冲刷　［中图分类号］Ｕ　４１７．１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００２—１２０５（２００７）Ｏ１—００４７—０４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　Ｂｉｏ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｓｌｏｐｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＹＡＮＧ　Ｈｕａｎｈｕｉ　一，ＺＨＡＯ　Ｍｉｎｇｈｕａ　，ＬＩＵ　Ｘｉａｏｐｉｎｇ　（１．ｔｈｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００８２　Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈａｎｇ　Ｓｈａ　Ｒｏｕｎｄｉｎｇ—ｒｏａｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐａｒｅｎｔ—ｃｏｍｐａｎｙ　ｉｎ　Ｈｕｎｎａｎ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００００　Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｔｒｅａｔ　ｕｒｂａｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｏｃｋ　ｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｏ　ｒｏｃｋ　ｓｌｏｐｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃ　ｏｆ　ｒｏｏｔｓ　ｏｆ　ｐｌａｎｔ　ｔｏ　ｒｏｃｋ　ｓｌｏｐｅ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａ—　ｔｅｄ，ｐｕｔｔｉｎｇ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ａ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｎｔｉ—ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｒｏｏｔ—ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ｉｎｔｅｒｃｅｐｔｉｏｎ，ｒｕｎｏｆｆ　ｐｕｔ—ｏｆｆ，ａｎｔｉ—ｓｅｅｐａｇｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ，ｅｔｃ．ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｄｉｓ—　ｃｕｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃ　ｏｆ　ａｎｔｉ—ｗａｓｈｏｕｔ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ｏｆ　ｂｅｔｔｅｒ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｅｆｆｅｃｔ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｂｉｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；Ｒｏｃｋ　Ｓｌｏｐｅ；Ａｎｔｉ—ｓｅｅｐａｇｅ　ｏｆ　Ｐｌａｎｔ　ｒｏｏｔ；Ａｎｔｉ—ｗａｓｈｏｕｔ　ｏｆ　Ｓｌｏｐｅ　０　引言　随着城市的发展以及城市道路的建设，将不可　避免地产生各种类型的边坡，从土质上分为土质边　坡和岩质边坡。早在上个世纪３０年代，美国和日本　就采用了生态护坡处理边坡，其设计方法及各种试　验也同时在展开¨’　。在我国，采用生态绿化护坡　处理高速公路边坡及城市道路各类型边坡仅是近　２０　ａ内的事情　。植物防护能够减少岩质边坡地表　水下渗，防止水土流失和岩石风化，保证边坡稳定持　久性，提高边坡表层土抗剪强度，同时由于植物根系　有效地阻止了地表水下渗，使得富水条件下边坡土　体的含水量变化不大，从而能有效防止边坡土体因　［收稿日期］２００６—１２—２０　含水量增大而导致抗剪强度降低；此外，边坡植物防　护能够美化环境，吸附扬尘和有害气体，调节小气候　等生态功能。但是，由于边坡的绿化设计与各地气　候条件、降雨情况、边坡的土质和边坡的类型等因素　密切相关，因此具有很强的区域性。　１　植物根系防护的力学效应分析　植物根系分三种：侧根、竖向（垂直）根和须根　（见图１）。植物根的形态决定了它对边坡稳定所起　的作用。一般来说，含有较多的竖向且穿过潜在剪　切滑动面的强劲根系，能较大地提高抗浅层滑坡的　能力。根系对边坡土层的加固作用与根的分布形　态、根在土中的含量和根的强度等因素有关。　［作者简介］杨焕辉（１９７１一），男，湖南长沙人，工程师，主要从事道路建设和边坡稳定性治理工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

中南公路工程　３２卷　植物的竖向根系穿过坡体浅层松散风化带，锚　固到深处较稳定岩土层上；起到预应力锚杆的作用；　植物的侧向根系在土壤表层形成网状构造物，将其　周围土壤缚紧，使土壤成一个加筋的整体，与竖向根　级的根的数量；ａ　直径为第ｉ级的根的平均截面积。　考虑根的抗拉强度是随直径变化的，所以根的　平均抗拉强度可以由下式决定：　一∑　：　系一起形成一种立体防护结构，在土壤的结构上起　到网结和桩固作用，增加了土壤的抗拉强度和抗剪　强度，从而提高边坡的安全性　。　。　（３）　式中：　是直径为第ｉ级的根强度，于是　Ａｓ＝ＴＲ・（ＡＲ／Ａ）（ｓｉｎ　０　Ｃ０８　０　ｔａｎ　）　（４）　故土的抗剪强度增量△ｓ完全依赖于根的平均抗拉　木本植物　强度　和根的面积比（Ａ　／Ａ）。　可能滑动面　②侧向根系与土壤相互作用的力学原理。　植物根系在土中错综盘结，使边坡土体在其延　伸范围内成为土与草根的复合材料，草根可视为预　应力的三维加筋材料。植被在地下广布的根系纵横　交织，大大增加了土体的固着和结持力。禾草、豆科　植物和小灌木在地下０．７５～１．５　Ｉｎ处有明显的土壤　加固作用，而乔木根系的这种作用可影响到３　Ｉｎ的　图１植物根系与边坡作用图　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｌａｎｔｇ　ｒｏｏｔｓ　ａｎｄ　ｓｌｏｐｅ　土层。植被这种作用在近地表土层十分重要，表现　为根密度最大而土壤最疏松，密集的根系可以加固　①竖向根系与土壤相互作用的力学模型。　疏松的土壤，保护深层的土壤，从而提高了坡体抗滑　根土作用模型有Ｗａｌｄｒｏｎ等提出的受力平衡模　移的能力，更提高了土体的稳定性。，　型和Ｓｈｅｗｂｒｉｄｇｅ等基于变形特征提出的加筋复合土　根据摩尔一库仑准则，草根加筋增加土体的粘　体模型及Ｗｕｅｔａｉ考虑根的分布和分形而提出的随　机性统计模型　。根纤维提高土的抗剪强度主要　聚力ｃ值，使其破坏线向上平移Ａｃ；另外，草根的张　拉限制了土体侧向变形，使ｃｔ，增大到ｃｔ，＋Ａｃｔ，，从　是通过根土接触面的摩擦力把土中剪应力转换成根　而使摩尔圆向右平移Ａｃｔ　，如图３所示。Ａｃ、ｃｔ，的　的拉应力来实现的，如图２所示。　大小与草根密度、强度及土体性质有关　。　二：　假设根表面受到足够的摩擦力和约束力使根不　图３根系对土体的加筋作用　至于被拉出，则当土中有剪应力发生时，根的错动位　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉａｎｔｇ　ｒｏｏｓ　ｔｏ　ｓｏｉｌ　移使根伸长从而使根内产生拉力　，　沿剪切面切　蔡强国　利用十字板剪切仪测量了雨后晋西　线方向的分力可直接抵抗剪切变形，　沿法线方向　王家沟流域的土壤抗剪力，结果表明，抗剪强度大于　的分力可增加剪切面上的正应力，于是，根土复合体　１０　ｋＰａ土质，基本为作物根系作用。长安大学等…　抗剪强度的增长为：　用环刀在河南省１０９国道上进行有根土和无根土取　＝ｔＲ（ｓｉｎ　０＋ＣＯＳ　０　ｔａｎ　）　（１）　样，在四种压应力下进行三轴剪切试验，结果见图　式中：Ａｓ为抗剪强度增量；　为土的内摩擦角；０为　４。可以看出，有根土的抗剪强度明显大于无根土的　剪切区的剪切变形的角度；ＴＲ为单位面积土中根产　抗剪强度。　生的拉力。　兴宁石马河流域水土流失综合治理研究认　ｔ　＝ＴＲ・（Ａ　／Ａ）　（２）　为　，土体的抗剪强度由土壤粘结力ｃ、内摩擦角　式中：（Ａ　／Ａ）：∑ｎｉａ　／Ａ，其中，，ｌ　为直径为第ｉ　及植物根系系统所产生的粘结力△ｃ决定。通过采　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　杨焕辉，等：生态防护加固岩质边坡的机理分析及应用　４９　式中：ａ为叶面上平均最大持水深度，变化范围约　为０．１～０．２　ｍｍ。　２００　②削弱溅蚀。下落的雨滴在打击坡面时，把动　量传递给土体，产生的分裂力使土体颗粒分离飞溅，　在滴溅过程中，雨滴动量越大，撞击分裂力越大，被　溅出的土粒数量也越多，植被能拦截高速下落的雨　压应力Ｐ／ｋＰａ　（ａ）砂性土　匪瞳如Ｐ　ｋＰａ　（ｂ）粘性土　馨　１００　滴，减少雨滴数量、滴溅能量及飞溅的土粒。雨滴的　溅蚀是雨滴对地面的击溅作用，它是水蚀的一种重　图４有根和无根砂性土与粘性土抗剪强度比较　Ｆｉｇｕｒｅ　４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓａｎｄｙ　ｓｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｒｏｏｔｓ　ａｎｄ　ｓａｎｄｙ　ｒｏｏｔｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｏｏｔｓ　集草根及灌木根系进行力度实验分析，　Ａｃ＝０．０７６　Ｍｒ＋０．９５　（５）　式中：△ｃ为植物根系粘结力，ｋｇ／ｃｍ　；Ｍｒ为植物根　系生物量，ｇ。　式（５）表明，植物的地下生物量越大，根系粘结　力也越大。　２植物防护的水文效应分析　植被在坡面生态工程中防治坡面侵蚀作用，决　定于地面径流强度，而径流强度却受地面状况、降雨　分布和土壤上层的覆盖情况及土层内部水分物理化　学性质等因素，后者又常为原岩风化程度、土壤发　育、团粒及植被生长所决定，其中降雨超渗径流是形　成土壤绞蚀的主要动力　。植被覆盖的坡地抗侵　蚀性得到强化，并且改善了坡面小气候，使坡面生态　趋向稳定和良性循坏。植被地上部分可减少或防止　降雨对地面的直接撞击溅蚀，这对控制侵蚀和保防　护面有重要意义。草本植物通过降雨截留、径流延　滞、土壤增渗、土层固结等作用控制土壤侵蚀，减缓　土表侵蚀■　。　①降雨截留。部分降雨在到达坡面之前就被　植被截留，以后重新蒸发到大气或下落到坡面。部　分降雨在到达坡面之前就被植被茎叶截留并暂时贮　存在其中，以后再重新蒸发到大气中或落到坡面。　植被通过截留作用降低了到达坡面的有效雨量，减　弱雨水对坡面土体侵蚀。植被截留降雨量的大小可　采用下面的推导得到。假设植被截留降雨量　同　降雨量Ｐ满足如下函数关系。　Ｅ（Ｐ）＝Ａ（Ｐ）×Ｐ　（６）　式中：Ａ（Ｐ）为截留系数，是降雨量Ｐ的函数。　对于确定的植被，植被覆盖度ｖｅｇ及其叶面积　指数　，和最大截留降雨量Ｅ　是一个常数，由如　下关系确定：　Ｅ　＝ＯＬ・ｖｅｇ・ＬＡ，　（７）　要形式。降雨时雨滴从高空落下，因雨滴具有一定　的重量和速度，落地时产生一定的打击力量，裸露表　土在这种力量打击下，土壤结构即遭破坏，发生分　离、破裂、位移并溅起　。溅起土粒落在坡面时，土　粒总是向坡下方移动的多。植被能够拦截高速落下　的雨滴，通过地上茎叶缓冲作用，消耗掉雨滴大量的　动能，并且能使大雨滴分散为小雨滴，从而把雨滴动　能大大降低，当植被相当旺盛时，可以明显削弱甚至　消除溅蚀。　③降低坡体深层孔隙水压力。降雨是诱发滑　坡的重要因素之一，边坡失稳与坡体水压力的大小　有着密切关系。排水是防治土体坍塌、滑坡的有效　工程措施之一。植物根系使土层相对疏松，下渗雨　水易于在此层内流动。植物蒸腾作用使它们从下层　土壤中吸取水分，从而降低土壤的含水量。植物根　系能延伸到地下几米，甚至十几米，分布在具有不同　含水状态的土壤中，把渗进土体很深的有效渗水吸　出来。植物通过吸收和蒸腾坡体内水分，降低土体　的孔隙水压力，增加土体吸力，提高土体抗剪强度，有　利于边坡体的稳定。下渗的雨水虽软化了土体，但此　层土体因有植物根系的力学作用，总体强度较高。　④抑制坡面径流。地表径流带走己被滴溅分　离的土粒，进一步可引起片蚀、沟蚀。植被能够抑制　地表径流并削弱雨滴溅蚀，从而能控制土粒流失，通　常情况下，土体流失量随植被覆盖率的增加呈指数　关系降低。地表径流集中是坡面土体冲蚀的主要动　力，土体冲蚀的强弱取决于径流流速的大小、径流所　具有的能量。草本植物分雍多，从状生长，能够有效　地分散、减弱径流，而且还阻截径流改变径流形态，　径流在草丛间迂回流动，使径流由直流变为绕流。　设径流流程为Ｌ，流速为　，则径流历时可计算为：　Ｔ＝Ｌ／Ｖ　（８）　由于径流在草丛间迂回流动，从而增大了流程　（即　＋　），流程增大，水力坡降减小，加上径流被　分散和阻截，又减慢了流速（即　一　），因而式（７）　变为：　维普资讯 http://www.cqvip.com

５０　中南公路工程　３２卷　ｒ　＝（￡一￡　）／（　一　）　（９）　扎入边坡土体和岩石缝隙，形成浅层致密的坡面复　由此，依靠覆盖草本植物延长了地表径流，增加　合保护层，具有较好的整体性和较强的抗冲蚀能力，　了雨水入渗。径流减小，流速减缓，冲刷能量降低，　对岩质坡面起到了较好的保护作用。　从而土体冲蚀减弱。　４　结论　３　工程实例　①研究了竖根系和侧根系对边坡加固效应，表　①工程概况及施工方案。　明草根对边坡的加固效果是草根与土体组成了复合　长沙市环线道路的岩质边坡岩土体变化较大，　层，增强了边坡土体的抗剪强度，并推导抗剪强度的　边坡形态及其工程地质条件差异亦大。岩质边坡的　增长公式。　形式有反倾向岩质边坡、顺倾向岩质边坡、顺倾向层　②生态防护对边坡的抗冲刷作用就是植物能　状岩质边坡、反倾向岩质边坡（上覆土层）、顺倾向　够对边坡进行降雨截留、径流延滞、土壤增渗、土层　岩质边坡（上覆土层）及顺倾向层状岩质边坡（上覆　固结等作用，从而降低了边坡土体的孔隙水压力，加　土层）共六大类。岩性为红砂岩和强风化至中风化　强了边坡的稳定性。　的泥岩。　¨　；纠　　ｆ　ｆ引　　结合长沙地区的气候条件，主要选择狗牙根、百　［参考文献］　喜草、黑麦草、高羊茅草、弯叶画眉草等草种。土壤　李旭光，毛文碧，徐福有．日本的公路边坡绿化与防护［Ｊ］．公　路交通科技，１９９５（２）：５６～５９．　采用植物营养土，要预先配置好含有丰富有机质及　仓田益二郎，绿化工程技术［Ｍ］．顾宝衡，译．成都：四川科学　氧、磷、钾等肥料的土壤，干容重约为０．８～０．９　ｋＮ／　技术出版社，１９８９：２５～２８．　ｍ　，固土方式采用菱形铁丝网。　安保昭．坡面绿化施工法［Ｍ］．周庆桐，译．北京：人民交通出　版社１９８８：１０—３．　②效果评价。　封金财，王建华．乔木根系固坡作用机理的研究进展［Ｊ］．铁道　从现场调查结果可知，环路岩质坡面绿化植草　建筑．２００４，（３）：２９～３１．　茂盛，长势良好（图５（ａ，ｂ））所示，根系发达，草根　周跃，徐强，络华松，等．乔木侧根对土体的斜向牵引效应　原理和数学模型［Ｊ］．山地学报．１９９９，１７（１）：４～９．　蔡强国．坡面细沟发生临界条件研究［Ｊ］．泥沙研究，１９９８，４２　（１）：５２—５９．　长安大学，等．高等级公路边坡综合防护技术研究技术报告　［Ｒ］．西安：长安大学，２００２：５９—６０．　《华南坡地研究》编写组．华南坡地研究［Ｍ］．北京：科学出版　社，１９９６：２９５．　周德培，张俊云．植被防护工程技术［Ｍ］．北京：人民交通出版　（ｂ）　社．２００３：７６—７８．　蒲智．植物措施在公路工程护坡中的应用［Ｊ］．水利水电技　圈５坡面绿化实景　术．２００３，３９（４）：３３，７—３３．　Ｆｉｇｕｒｅ　５　Ｐｈｏｔｏ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｖｉｒｅｓｃｅｎｃｅ　陈昌富．草根加筋土的护坡机理及强度准则试验研究［Ｊ］．中　南公路工程，２００６，（２）．　（上接第４６页）　工神经网络和人工神经系统［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　２００２．　算结果都与其相应的目标值基本一致，相应的回归　袁曾任．人工神经元网络及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出版　曲线系数很高。从实测的弯沉值与计算的弯沉值比　社，１９９９．　较来看，两者差别很小，完全符合实际工程精度的要　飞思科技产品研发中心．神经网络理论与ＭＡＴＬＡＢ　７实现　［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．　求。这说明对于复杂多变的土基状况，只要选取合　飞思科技产品研发中心．ＭＡＴＬＡＢ　６．５辅助神经网络分析与设　适的训练模式，构建合理的神经网络拓扑结构，就可　计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３．　李国勇．智能控制及其ＭＡＴＬＡＢ实现［Ｍ］．北京：电子工业出　以建立合理的土基回弹模量反算模型，为研究、预测　版社．２００５．　和评估土基的状况提供了一种有效的途径。　ＪＴＪ　０１４—９７，公路沥青路面设计规范［ｓ］．　邓学钧，张登良．路基路面工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　２０００．　［参考文献］　郑宏兴，姚纪欢，张成．ＭＡＴＬＡＢ　５．Ｘ工具箱使用技巧与实例　［１］靳藩．神经计算智能基础一原理・方法［Ｍ］．成都：西南交通　［Ｍ］．武昌：华中科技大学出版社，２００１．　大学出版社，２０００．　黎霞，李闯民．基于神经网络理论的公路工程质量评定方法　［２］韩力群．人工神经网络理论、设计及应用一人工设计细胞、人　研究［Ｊ］．中南公路工程，２０００，２５（２）：７２—７３．　［　。ｌ．