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摘要：對一般土質路基邊坡沖刷過程和草本植物的護坡機理進行分析，得出草本植物能有效地防止降雨對坡面表層土體侵蝕的結論，為草本植物護坡的大面積工程應用提供了理論支持。提出在邊坡防護中應重視草本植物的應用，與灌木和工程防護相結合，達到最佳的防護效果。...

草本植物護坡機理及工程應用分析

蔣少欽1，王  亮2

(1．合肥水泥研究設計院，安徽合肥230051；2．西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

    近年來，隨著我國經濟的持續快速發展，鐵路、公路等基礎設施進入大規模建設階段，而我國有三分之二的國土地處山區或丘陵地區，并且修建的標準也越來越高，這必然會產生大量的邊坡。以往的邊坡防護方式以工程防護為主，這對減輕坡面修建初期的不穩定性和侵蝕作用非常顯著。但隨著時間的推移，工程防護材料逐漸老化，效果越來越差。而且工程防護的另一個突出缺點就是對自然環境的影響很大，破壞了生態平衡。同工程防護相反，植被護坡在初期的護坡作用小，但隨著植物的生長，對減輕坡面不穩定性和侵蝕方面的作用會越來越大。根據不同的工程條件，通過喬、灌、草的有機結合，能夠在很大程度上降低了由于工程建設對自然環境造成的影響，使人感覺到人與自然和諧相處的美感。國外一般把植被護坡定義為：“用活的植物，單獨用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結合，以減輕坡面的不穩定性和侵蝕…”。同植被護坡在工程上的廣泛應用相比，對其護坡機理的研究相對較少，很多時候僅將其作為邊坡綠化的一種方式，在工程應用上帶有很大的盲目性和隨意性，這就在一定程度上影響了植被護坡的進一步發展。本文針對工程護坡中常采用的草本植物，分析其護坡機理，為工程應用提供參考。

1.邊坡沖刷過程分析

    降雨沖刷是一般土質路基邊坡最常見的破壞形式。對邊坡沖刷過程的認識是進行邊坡防護的前提條件，只有在此基礎上才可能提出有針對性的合理的邊坡防護方案。目前對邊坡沖刷類型尚無統一的劃分標準，本文以土質邊坡為例，按照邊坡沖刷發展階段進行分析。

    1.1濺蝕階段

    在降雨強度較大時，雨滴約以7～9 m／s的速度直接擊打坡面，破壞土顆粒的結構，使土顆粒產生分散和飛濺。它是在一次降雨中最先發生的侵蝕，通常出現在整個坡面，破壞了坡面表層土體的結構，產生大量泥漿填塞土孔隙，阻止雨水下滲。降雨強度越大、雨滴越大，則濺蝕作用越強烈，為坡面后續的侵蝕階段創造條件。

    1.2薄層水流侵蝕階段

    從雨滴擊濺起，當降雨強度超過坡面入滲強度時，就會形成坡面徑流。在裸露平整的坡面上，坡面徑流呈薄而均勻的層流，薄層水流有一定的侵蝕作用，將坡面表層松散土沖刷帶走。

    1.3溝蝕階段

    雨滴擊濺及坡面薄層水流的共同作用，使坡面土體分散、飛濺，并向下移動，坡面開始出現細小的坑洞及溝槽。坡面徑流從這些輪廓清晰的坑洼和小溝槽中流過，時分時合，沖刷力不一致，坡面土層的抗沖性也出現差異。暴雨徑流在分散和兼并過程中出現不均勻的股流，與薄層水流侵蝕相比，這些不均勻股流的侵蝕性增強，并隨徑流匯集而增大，沿股流流動的軌跡產生細溝沖刷。同時，單條細溝也不斷發展而形成細溝侵蝕系統，并隨著徑流流量的增大，細溝不斷向邊坡上部和深部擴展。在此基礎上徑流繼續侵蝕，淺溝不斷加深、加寬和加長，就會發展為淺溝沖蝕和沖溝沖蝕。

    1.4沖刷坍塌階段

    主要是指沖溝兩側和上游溝壁物質由于強烈沖刷作用在自重力作用下失去平衡，產生掉塊、瀉溜和塌落。坍塌土體松散，抗沖性很差，很快就會被坡面水流沖走，這種水力沖刷作用與重力坍塌作用交互進行，加劇坡面沖刷程度，是沖溝發展到后期的一種高強度沖刷形式。

2.草本植物護坡機理

    草本植物護坡機理涉及巖土工程、生態學、植物學、水土保持學等多學科的知識，目前對其尚無統一的認識。總體來說草本植物主要依靠其地上部分的莖葉和地下部分的根系進行護坡。

    2.1草本植物莖葉的護坡作用、

    2.1.1消弱濺蝕作用

    降雨濺蝕是邊坡侵蝕的最初階段，同時也是薄層水流侵蝕階段的主要物質來源，根據吳普特、周佩華對黃土坡面薄層水流侵蝕的試驗研究發現，雨滴擊濺可占薄層水流侵蝕物質總量的70％以上，最高可達95％，雨滴的動能是造成邊坡侵蝕的主要能量來源。在有植被護坡的情況下，高速下落的雨滴首先擊打在植被的莖葉上，被分散成較小的顆粒，以很小甚至接近于零的速度落到坡面上，極大程度的減弱甚至消除雨滴擊濺對坡面的侵蝕，同時推遲或避免了邊坡其它侵蝕階段的進行。

    2.1.2控制坡面土體流失作用

    草本植被的根莖連接處形成天然的微型攔土柵，當水流夾帶的土顆粒粒徑大于攔土柵的孔隙時土粒被擋住而形成一個薄的粗粒層；后來的土粒，若大于該粗粒層土的孔隙，則又會被擋住而沉積在該粗粒層的前面，從而形成另一個土粒較細的細粒層。依此規律，土粒在根莖連接處形成了微型土堆，攔阻徑流，減緩流速，使其土粒搬運能力減小。

    2.2土壤一草本植物根系復合體的護坡作用

    草本植物的根系主要分布在0～30地層范圍內，對提高該層次土體穩定性和坡面的抗侵蝕能力非常顯著。國內外早期對草本植物根系護坡機理的研究主要通過原位剪切和根系抗拉等試驗獲得根系的力學特性，通過研究目前比較一致的看法是認為其根系產生顯著的“加筋作用”，并且是三維加筋的狀態。楊亞川l4]等人在1996年提出了“土一根復合體”的概念，將土壤與根系視為一個整體考慮，對復合體的抗水蝕強度和抗剪強度進行了研究。草本植物根系護坡機理涉及多門學科的知識，僅從力學單一的角度并不能完全揭示根系護坡的本質，根一土微觀層面的研究是必不可少的。下面從草本植物根系的“加筋作用”和對土壤性能的改善兩方面分析其固坡機理。

    2.2.1草本植物根系的“加筋作用”

    草本植物的根系在土中相當于三維加筋材料，為了分析方便，常把三維加筋的情況簡化為二維狀態來分析，不考慮土體的孔隙水壓力的大小及土體對根的側向作用力，從而得到因加筋作用而增加的土體抗剪強度值。植物根系的加筋效果與根的極限抗拉強度及抗拉強度的發揮程度有關。多數情況下，植物根遠沒有達到極限抗拉強度。通過試驗研究發現，草本植物的根系能顯著提高土體的抗剪強度，但對其內摩擦角的影響不大。

    2.2.2草本植物根系對土壤抗沖蝕性能的改善

    土的抗沖性是指土抵抗徑流對其機械破壞和推動下移的能力。它主要取決于土粒和微結構間的膠結力和土結構體間抵抗離散的能力。早在20世紀60年代，朱顯謨先生就指出，生物措施是水土保持中最有效和最根本的方法，他認為土壤抗沖性能的增強，主要取決于根系的纏繞和固結作用，這種作用使土體有較高的水穩結構和抗蝕強度，從而不易被徑流帶走。劉定輝、李勇等人對植物根系與土壤的抗沖性進行了系統的研究，指出土壤的抗沖強度取決于根系的分布、纏繞、固結作用。又指出土壤抗沖性能的提高與小于1mm徑級的須根關系最為密切，所以以草本植物的根系為研究對象，可能會更好地反映根系固土的實質，并且用草本植物根系做實驗也相對較容易。程洪提出植物根系固土機制模式具有4個層次，即根系材料力學、根系網絡串聯作用、根系一土壤有機復合體的黏結作用及根系一土壤間生物化學作用。認為植物根系與土粒接觸面上產生的膠結物質，通過土體中多價陽離子ca、Fe、Al形成的陽離子橋、多糖一0H、H鍵及范德華力等有機膠體、無機膠體作用共同構成根系一土壤有機復合體系，從分子層面上明確了根系的固土機理。

    近年來對植物根系，特別是草本植物根系國土機理的研究，已經開始向微觀方向發展。在這個嶄新的領域，想要取得突破性的進展，只有通過多門相關領域的聯合攻關、通力合作才有可能實現。以上研究表明，植物防護能有效防止降雨沖刷等對坡面土體侵蝕，為草本植物護坡的大面積工程應用提供了理論支持。

3.草本植物的工程應用

    我國幅員遼闊，植物資源豐富，在進行邊坡防護時，應根據當地具體的氣候類型和邊坡特性，選擇適宜的護坡植物，以達到良好的護坡效果。草本植物生長迅速，可以作為先鋒植物，在短時間內即對邊坡起到一定的防護作用，并且草本植物在防止邊坡表層土體流失方面比灌木更具有優勢；草本植物的不足主要體現在對邊坡土體的作用深度有限，并且草本植物容易衰退，單獨布置很難形成穩定的植物群落從而長久的發揮護坡作用。所以在工程應用上除單獨植草護坡外，更多的是采用草灌混播結合工程防護的形式護坡，既穩定了邊坡，又美化了環境。

    3.1撒草籽、鋪草皮護坡

    直接撒播草籽護坡施工簡單，造價較低，但撒草籽護坡對于播種季節和溫度都有嚴格的限制，并且從播種到能夠發揮護坡作用所需時間較長，一般需要l～2個月的時間，使撒草籽護坡的應用受到限制。同撒草籽護坡相比，鋪草皮護坡受到的限制就少得多，除了寒冷的冬季外，其它時間均可以施工，并且草皮覆蓋到邊坡上便能起到有效的護坡效果。該方法常用于邊坡高度較低，坡率較緩的土質路堤邊坡。

    3.2漿砌片石骨架植草護坡

    漿砌片石骨架植草護坡是指用漿砌片石在坡面形成框架，結合鋪草皮、噴播植草、栽植灌木等方法的一種邊坡防護措施。漿砌片石骨架根據形狀可分為拱形、人字形等，并常采用截水骨架的形式以減輕水流對坡面的沖刷。該方法護坡和綠化效果較好，常用于土質及強風化巖質邊坡。

    3.3液壓噴播植草護坡

    液壓噴播植草是將草種、木纖維、保水劑、粘合劑、肥料、染色劑等與水的混合物通過專用噴播機噴射到預定區域建植草坪的高效綠化技術。同傳統的鋪草皮護坡相比，具有機械化程度高、施工速度快、草坪質量高等優點，并且其工程造價同鋪草皮相近，常用于土質邊坡的防護。

    3.4土工合成材料結合植草護坡

    土工合成材料結合植草防護是利用土工合成材料對路基邊坡進行加筋補強和防護，并結合植草護坡的一種綜合防護技術。目前常用的是土工網墊結合植草護坡。土工網墊不僅對邊坡起到加固作用，在播種初期還起到防止降雨沖刷、保持土壤以利草籽發芽、生長的作用。

    隨著植物的生長，坡面逐漸被植物覆蓋，對邊坡起到很好的防護及綠化效果，該方法主要適用于土質及強風化巖質邊坡。

4.結論與建議

    (1)降雨是邊坡沖刷的最主要能量來源，只有設法減弱或消除雨滴和坡面水流對邊坡土體的侵蝕，并改善邊坡土體本身的抗沖蝕性能，才能有效防止邊坡土體的侵蝕，保持邊坡的穩定。

    (2)草本植物從莖葉到根系，都有顯著的護坡作用，植物防護的優越性主要體現在它可以從根源上防止降雨對坡面表層土體的侵蝕，彌補了工程防護只能被動防護的不足。

    (3)由于草本植物對邊坡土體的防護深度有限，所以邊坡防護中僅采用草本植物往往達不到良好的護坡效果，應將工程護坡與植被護坡有機結合，既保持了邊坡的穩定，又與周圍的環境相協調。種植的草本植物及灌木最終形成穩定的植物群落，長久地發揮護坡效果。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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