（岩土工程专业论文）植被根系固土机理及护坡稳定性研究.pdf

摘要 摘要 本文从植被护坡的岩土工程学视角出发，围绕植物根系的固土机理及植被护 坡稳定性评价进行了全面深入的研究具体来说，本文完成了如下的工作： ( 1 ) 对植物根系的基本特征进行了详细的分析与总结，从工程视角出发重 点阐述了根系的几何、力学特征。介于根系几何拓朴结构的复杂性，在进行根土 复合介质相关力学特征的描述中将产生很大的困难，提出了将根系几何拓朴结构 与根土复合介质力学特征相关联的分形研究观点，通过对三种根系单元的二级分 枝模式的定体积分数维的测求及其竖直抗拔锚固力数值模拟，定性的指出了即便 对于相同的含根量土体，由于根系形态的差异，其根土复合介质的力学性态也存 在差异，而根系的分数维是刻画这种差异的一个重要指标。 ( 2 ) 从剪切过程中根土相互作用、根土复合介质的剪切强度、根系的锚固 作用来对根土相互作用性状进行了详细研究。推导并建立了无限坡模型下的根系 统锚固力估算公式，公式全面考虑了边坡的立地条件、根系的几何分布以及根系 的锚固杌理，在根系锚固机理中同时考虑了根土问的静摩擦力和根系的法向阻抗 力。本文所建立的估算公式提升了对根系锚固力机理的理论认识，从而增加了根 系锚固力估算的精度，具有一定的实用性。 ( 3 ) 全面分析了植被对边坡稳定的影响因素，采用垂直根固土强度理论推 导了考虑渗流作用的无限坡模型。视根土复合介质为一种复合材料，该复合介质 的破坏是一个非连续的损伤过程。通过复合材料中的纤维束理论建立根土复合介 质的强度模型，从根土破坏机制上描述了根系固土效应。采用m o n t e - - c a r l o 法 建立了考虑植被固坡机制的无限坡可靠度模型。将浅细草根分布范围内的土体看 成是连续的根土复合介质，其强度和刚度参数为根土复合介质的等效参数，深粗 根系视为具有一定刚度和强度的桩体，建立数值分析模型，采用强度折减法进行 边坡稳定性分析，得到了一些有益的结论。 ( 4 ) 边坡一植被一大气是一个统一的水分循环系统，本文分别从植被冠层 的水分截留、植被对坡面侵蚀的削弱、植物根系吸水分析、坡面植被的蒸腾蒸发 作用深入的研究了植被的水文效应。地下水的分布与运移是影响边坡整体稳定性 的重要因素，为探求植被水文效应对边坡整体稳定性的影响，分析了考虑气候一 植被因素( 气温、降雨、蒸发、蒸腾) 作用下的坡体水分动态变化规律以及对边 坡长期稳定性的影响，获得了一些对工程实践具有指导性意义的结论。 关键词：植被护坡、根系固土、分形、根系锚固力、纤维束模型、可靠度，强度 折减、蒸腾蒸发 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h ev i e wo f g c o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h e m e c h a n i s mo fr o o t s r e i n f o r c e m e n tt os o i la n ds l o p es t a b i l i t yi ns l o p ec o o - e n g i n e e r i n gh a v eb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r t h em a i nw o r ka l ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f p l a n tr o o ta r cs u m m a r i z e da n dt h eg e o m e t r i c a l a n dm e c h a n i c a le n o sa r ee m p h a s i z e d t h ep o i n to fv i e wt h a tt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i co fr o o t - s o i lc o m p o s i t ei sa s s o c i a t e dw i t hg e o m e t r i c a ls t r u c t u r ei s p r o p o s e dd u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ed i s t r i b u t i o no f r o o t s f r a c t a ld i m e n s i o no ft h e s e c o n d a r yr a m i f i c a t i o nm o d eo ft h r e eg r o u po fr o o tp a t t e r nt y p eh a sb e e nm e a s u r e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f v e r f c a la n c h o r a g eh a sb e e nc a r r i e do u t w e 伽c o n c l u d et h a tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o o t - s o i lc o m p o s i t ew o u l d h a v ed i f f e r e n c e sb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c e so f r o o tm o r p h o l o g yo v e ni f t h es o i lh a st h e s a m ea m o u n to f r o o t s t h ef i - a c t a ld i m e n s i o no f r o o t si sai m p o r t a n tf a c t o rt od e s c r i b e s u c hd i f f e r e n c e s ( 2 ) c h a r a c t e r i s t i c s o f i n t e r a c t i o n o f r o o t - s o i la t es t u d i e d f r o m t h e i n t e r a c t i o n o f r o o t - s o i ld u r i n gs h e a r i n g 、s h e a rs t r e n g t ho f r o o t - s o i lc o m p o s i t ea n da n c h o r a g eo f t h e r o o t s af o r m u l a t i o nt oe s t i m a t et h ea n c h o r a g eo f r o o t sb a s e do ni n f i n i t es l o p em o d e l i sp r o p o s e dw h i c hc a nc o n s i d e rt h es i t ec o n d i t i o no fs l o p e 、r o o t sd i s t r i b u t i o na n d m e c h a n i s mo f r o o t sa n c h o r a g e n o to n l yt h es t a t i cf r i c t i o nb e t w e e nt h es o f ta n dr o o t s b u ta l s ot h en o r m a lr e s i s t a n c eo fr o o t s 撇c o n s i d e r e di nt h ef o r m u l a t i o t lt h e f o r m u l a t i o nc o u l dd l h a n e et h et h e o r e t i c a lu n d e r s t a n d i n ga n da c c u r a c yo fr o o t s a n c h o r a g ea n di t sp r a c t i c a b i l i t yi so b v i o n s e ( 3 ) t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es l o p es t a b i l i t ya l ed i s c u s s e d ai n f i n i t es l o p e m o d e lc o n s i d e r i n gs e e p a g ea r ed e d u c e db a s e do nv e r t i c a lr o o t sm o d e l a so n ek i n do f c o m p o s i t em a t e r i a l t h ef a i l u r eo fs o i l - r o o tc o m p o s i t ec o u l db es 嘲a sad i s c o n t i n u e d a m a g ep r o c e s s s t r e n g t hm o d e lo fs o i l - r o o tc o m p o s i t eh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do n f i b e rb u n d l et h e o r yi nc o m p o s i t em a t e r i a ls c i e n c e t h er e l i a b i l i t yo fi n f i n i t es l o p ei s c a l c u l a t e dw i t hm o n t e - - c a r l om e t h o d t h es o i lm i x e dw i t hh e r b a g ea r es e e na s s o i l - r o o tc o m p o s i t ea n dt h ed e e p l yd i s t r i b u t e dw o o d yr o o t sa 坤翱渤a sp i l e , a n dt h e c o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h es t a b i l i t yo fs l o p ei sa n a l y z e dw i t h s 行e n g t hr e d u c t i o nm e t h o da n ds o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa a c q u i r e d ( 4 ) s l o p e - v e g e t a t i o n - a t m o s p h e r ec o u l d b e s e e l la s o n e i n t e g r a t e d w a t e r c i r c u l a r s y s t e m i n t h i sd i s s e r t a t i o n , t h eh y d r o l o g ye f f e c t so fs l o p e0 c o e n g i n e e r i n g 撇 a b s t r a c t d i s c u s s e df , o mp r e c i p i t a t i o ni n t e r c e p t i o no f p l e n tc a n o p y 、s l o p ee r o d i n gw e a k e n e db y p l a n t 、w a t e ra b s o r b i n gw i t h # a n tr o o t s 、a n de v a p o ( z a n s p i r a t i o no f # a n t s o r ls l o p e t h e d i s t r i b u t i o na n dm o v e m e n to fg r o u n d w a t e ri sai m p o r t a n tf a c t o rw h i c hh a sg r e a t i n f l u m c eo i lt h es l o l 弛s t a b i l i t y t os t u d yt h eh y d r o l o g ye f f e c t so fp l a n t st os l o p e s t a b i l i t y , t h ed y n a m i cc h a n g i n go fg r o u n d w a t e ru n d e rs l o p ed u et oa t m o s p h e r ea n d p l a n ta n di t se f f e c t st os l o p es t a b i l i t ya r cd i s c u s s e d , s o m ec o n c l u s i o n sw h i c ha l e v a l u a b l et op r a c t i c ea r ea c q u i r e d k e y w o r d s ：s l o p ee o o e n g i n e e r i n g , r o o tr e i n f o r c e m e n t , f r a c t a l ，r o o t sa n c h o r a g e , f i b e r b u n d l em o d e l , r e l i a b i l i t y ，蜘g i l lr e d u c t i o n ，e v a p o w m s p i m t i o n 前言 刖吾 植被护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡同时美化生态环境的一 种新技术，是缓解乃至改观工程建设和生态环境之间矛盾的有力措旌，大量的工 程实践表明了其强大的功效和广阔的应用前景。同时，作为一门涉及多学科的综 合工程技术，其理论研究远远落后于工程实践的水平，理论研究的瓶颈制约了这 门工程技术的进一步发展。本文从植被护坡的岩土工程学视角出发，对植物根系 的几何力学特征、根土相互作用机理、植被护坡稳定性评价以及植被护坡的水文 效应等方面进行了系统深入的研究，力求为建立完整的植被护坡岩土力学体系而 奠定理论基础。 论文的主要创新之处有： ( 1 ) 针对植物根系复杂的几何形态特征，提出了将根系几何拓朴结构与根土复合介 质力学特征相关联的分形研究观点，通过三种典型根系单元模式的定体积分敷维的测求及相 应的竖直抗拔锚目力的数值模拟，定性的指出了即便对于相同含根量土壤介质，由于根系形 态的差异，其根土复合介质的力学性态也存在差异，而根系的分数维是刻画这种差异的一个 重要抬标 ( 2 ) 推导并建立了无限坡模型下的根系统锚田力估算模型公式，模型全面考虑了边 坡的立地条件，根系的几何分布以及根系的锚固机理，在根系锚固机理中同时考虑了根土间 的静摩擦力和裉系的法向阻抗力，不仅进一步完善了对根系锚目力机理的理论认识，而且增 加了根系锚田力估算的精度 ( 3 ) 视根土复合介质为一种复合材料，其破坏是一个非连续的损伤过程通过复合 材料中的纤维束理论建立根土复合介质的强度模型，在此基础上采用m o n t e c a r l o 法建立 了考虑植被根系固土效应的无限坡可靠度模型 ( 4 ) 将边坡一植被一天气视为一个统一的水分循环系统，进行了考虐气候一植被因 素( 气温降雨，蒸发蒸腾) 综合作用下的坡体水分动态变化l 搜律及其对边坡长期稳定性 影响的研究 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 印7 年口月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者c 签孙乌臣拇一如7 年f o 月“日 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 我国是个多山的国家，山地、丘陵和高原总面积约占国土面积的三分之二， 而我国的森林覆盖率只有1 6 5 5 ( 据国家林业局森林资源清查结果，2 0 0 4 年 1 0 月) ，同时我国是越质灾害严重且发生频繁的国家：水土流失面积占国土面积 的5 1 ，其中水力侵蚀面积1 8 2 6 x1 0 4 k 一 1 1 ，处于高原和山地的西部1 1 个省区 市的森林覆盖率仅为9 0 6 洪涝、旱灾、土地沙漠化、沙尘暴、温室效应、水 质变化等大多来源于植被的减少、森林的破坏。随着我国的基础建设浪潮的不断 推进，伴随而来的负面效应也应运而生；对山林地带的树木滥砍滥伐，铁路、公 路、水电等工程设施建设中经常要大量填方、挖方，形成了大量的裸露边坡。裸 露边坡的形成使地表植被遭到破坏，原有生态平衡失调，裸露的土层或岩层表面 的抗蚀能力减弱，在雨蚀、风蚀等外营力作用下水土极易流失，严重时造成滑坡、 泥石流等危害，而且还会造成局部小气候的恶化以及生物链的破坏等。由于植被 的破坏而导致的生态环境负面效应是显著的，需要引起警戒和关注。 。 国家十分重视工程建设中的生态建设和环境保护，工程建设中的生态建设、 环境保护已被提上议程，这对整个工程建设的可持续发展战略的实施起到了推动 作用。在我国，大量的政策与法规的出台，为环境治理和生态恢复的规程化提供 了保证和指明了方向，其中建设绿色通道是我国从总体上构建以重点林业生态工 程为骨架，以城镇、村屯绿化为依托，以公路、铁路、河渠、堤坝等沿线绿化为 网络的国土绿化战略。2 0 0 0 年国务院颁布了国务院关于迸一步推进全国绿色 通道建设的通知，规定绿色通道建设要在保障公路、铁路视野开阔，无安全隐 患的前提下迸行，要和公路、铁路、水利建设统筹规划并与工程建设同步设计、 同步施工、同步验收。要优先抓好高速公路、铁路、国道、省道、重要堤坝沿线 以及重点水库周边的绿化。新建、改建、扩建的道路、堤坝等沿线的绿化要和工 程项目统筹规划，统一纳入工程项目统筹规划，统一纳入工程预算，同步建设。 恢复道路沿线植被、保护生态环境，道路绿化越来越受到建设部门的重视。从整 体上讲，环境保护、生态恢复以及绿化建设目前虽然取得了一定的成绩，但是发 展还很不平衡，在植被重建方面还有大量的工作等待我们去做。 植被护坡工程技术是缓解乃至改观工程建设和生态环境之间矛盾的有力措 河海大学博士学位论文 施。采用植被护坡工程技术，绿化植被覆盖公路、铁路两旁的边坡，不仅美化环 境，而且对边坡的整体稳定性产生积极的影响，此外还可以阻止水土流失、净化 大气、调节气候以及降低噪声、光污染，提供一个优美、清爽、洁净的环境，从 而有力的调节了工程建设与生态环境的矛盾。 1 1 2 研究意义和目的 植被护坡是一种全新理念并具有广阔应用前景的先进工程技术，大量的工程 实践表明了其强大的功效。作为- r l 涉及多学科的边缘学科，其工作机制非常复 杂，无论是从生态学、水土保持学还是岩土工程学，对植被护坡的理论研究和所 取得的成果都需向纵深层面发展。相对于植被护坡的水土保持学，其岩土工程学 的研究处于落后的阶段。植被根系对其所其赋存岩土介质具有力学层面上的加固 效应，这已经是一个广为学术界和工程界认可的观点 2 h l ，但关于植被护坡的 岩土力学效应的理论研究远远落后于其工程实践的水平，理论研究的瓶颈制约了 实践水平的进一步发展。植被护坡的岩土力学机理研究是理论与实践良好衔接和 循环发展的一个不可忽视的环节，具有重要的实际意义。 关于植物根系对边坡的加固作用，岩土工作者着力于将根系视为一种具有生 物性能的特殊筋材来研究其对根土复合介质强度性状的作用。一些室内、室外试 验和对根一土相互作用机理的研究成果建立了对这个课题的初步认识，并取得了 一些工程实践上的成果。但由于根一土相互作用机理的复杂性以及受限于现有测 试手段，当前的研究水平还不足以建立较完善的植被护坡岩土力学理论框架。植 被根系的固土机制及其护坡稳定性评价是关于植被护坡的岩力学效应的两个 核心课题，对其深入研究不仅有助于植被护坡理论进一步完善，还将进一步提高 植被护坡的实践水平。本文从植被护坡的岩土力学效应出发，对根土相互作用机 理、植被护坡稳定性评价以及植被护坡的水文效应等方面进行了系统深入的研 究，力求为建立完整的植被护坡岩土力学体系而奠定理论基础 1 2 植被护坡简介 1 2 1 植被护坡的功能与特点1 1 2 】 植被护坡是- f 边缘学科，它涉及岩土工程、植被恢复、生态学、环境学、 土壤学、肥料学、植物学、高分子化学等学科。坡面过程受不同形态的能量驱动， 其结果是以侵蚀形式发生的坡面物质的移迁。植被作为地表的保护层，能够以不 同方式影响坡面侵蚀过程【1 3 】( 见表1 1 ) 。决定土壤侵蚀过程的重要因素有气候、 土壤、水文和地形，其中前面三个受植被的影响，其作用是在一定程度上削弱侵 蚀因子和增加土壤的抗蚀性。 2 第一章绪论 常用工程护坡措施有灰浆或三合土等抹面、喷浆、喷混凝土、浆砌片石护墙、 锚喷护坡、锚喷网护坡等。此类措旅主要以防护开挖边坡坡面的岩石风化剥落、 碎落以及少量落石掉块等现象。采用工程措施护坡，往往过分追求强度功效，破 坏了多样性自然生态的和谐，使工程所到之处，绿色清溪一去不复返，取而代之 的是坚硬呆板的水泥通道，毫无生气不说，而且随着时间的推移，混凝土面、浆 砌片石面都会风化、老化，甚至造成破坏，后期整治费用高。这些防护结构看似 坚固，但生态环境效果极差。边坡坡面采用工程防护措施后，由于缺乏植物生长 的环境，被破坏了的植被很难迅速恢复。 植被护坡与传统土木工程措施相比，虽然材料及其强度不同，但在功能方面 仍有许多相似之处。表1 2 是二者在功能方面的比较 表1 0 植被护坡与土木工程防护主要功能的对比 功能 土木工程护坡 植被护坡 坡面保护片石护面，喷混凝等 植被的完全覆盖 加筋加筋土 草、小灌木根系 锚周锚杆 木本植物的深根 排永 圬工渠垂直或倾斜的捧水活枝捆垛 采用工程加固措施，对减轻坡面修建初期的不稳定性和侵蚀方面效果很好， 作用非常显著。然而，随着时间的推移，岩石的风化，混凝土的老化，钢筋的腐 蚀，强度降低，效果也愈来愈差而采用植被护坡则与此相反，开始作用非常虚 弱，但随着植物的生长，植被的繁殖。强度增加，对减轻坡面不稳定性和侵蚀方 面的作用会越来越大。与传统工程护坡手段的单一功能性相比，植被护坡除了具 备相当程度的工程稳固性能，还具备以下两个特有的功能f 1 2 j ： 1 改善环境功能 ( 1 ) 恢复被破坏的生态环境 边坡植物的存在为各种小动物、微生物的生存繁殖提供了有利的环境，完整 的生物链又逐渐形成，被破坏的环境也慢慢地恢复到原始的自然环境 ( 2 ) 降低噪声、光污染，保证行车安全 交通工程中应用植被护坡，因植被能吸收刺耳的声音，多方位反射太阳光线及车 辆光线，降低噪声和强光对行人及驾驶员的辐射干扰，减轻和消除大脑及眼睛的 疲劳，提高路标、警示牌的可见度，让驾驶员轻松愉快的驾车，保汪行车安全。 ( 3 ) 促进有一机污染物的降解、净化大气、调节小气候 x xx 霹匿札譬 厦橙医幂特陋群幂* 孵匠瓤 一娃 匿罪旧群纛双足在、肾轼霉供匿孥匠母嚼最骅 蟮掣母刊 辫器求* 群州匠擎塞糕 求* 群刊 嘣鳝恒群* 钽噬群爿婀璐眷卅醒堪僻簧蜒糍窿世舞鞋霹罨 砖葵能* 恒群 描啦厂匝一轴匿癌、是辫毯嘿警嚣鼷嚣群叫 俘酸嶂群 栅 罴半蝌廿 毯艇罂 巡船骅 世鞋驿越幂帐言螂魁箨帮古辫 越龆古撼 越举霸吉 瑙恒 髓楣群 餐掣鞯颦 蜃舔 髓凝辎霉 (6蛊【塔匿鞲一双糖鞯取基辗域隧锰掣习瞅雹铎霸辎粤【i群 戗搿掣扑剞鞋扑k姥察 第一章绪论 植被主要通过三种机制去除环境中的有机污染物。印植物直接吸收有机污染 物、植物释放分泌物和酶刺激根区微生物的活性和生物转化作用、植物增强根区 的矿化作用；植物光合作用能吸收大气中的c o , ，放出晚，能稀释分解、吸收和固 定大气中的有害物质，并为植物生长所利用。另外，植物也能吸收大气中的n i t , 、 h 书、s 国、n o h f 、c i 。和瞻、p b 蒸汽等，能吸收大气中的金属和非金属粉尘， 达到净化空气的作用；应用植被护坡，则能调节小环境的温度和湿度，创造一个 温暖适宜、湿润舒适的行车环境。 2 景观功能 绿色植物给予人们的美感效应，是通过植物固有的色彩、形态、风韵等个性 特色和群体景观效应所体现出来黔，边坡植物豹组合配置，据不同的地质情况、 环境、气候条件，优化乔、灌、藤、花、草相结合，有机地融入高速公路、铁路 工程边坡中，车辆穿行在郁郁葱葱、生机盎然的绿色环境中，在我们的视野内更 显示出立体的绿色画面，让我们体验到绿色、洁净、和谐、安定的美感。 1 2 2 植被护坡的常用技术 植被的侵蚀控制和坡面保护技术主要包含如下方面【： 土壤保持技术 它通过对坡面的有效覆盖及时地保护表土，使其免受表面侵蚀和土壤退化。 主要技术包括草皮培植( t u r f i n g ) ，草子播种( g r a s ss e e d i n g ) 、乔灌直播 ( d i r e c ts e e d i n go fs h r u b sa n dt r e e s ) 、抗蚀网格( e r o s i o nc o n t r o ln e t s ) 和灌丛条带( 1i v eb r u s hm a t s ) 地表加固技术 它通过植物根系固持土壤，降低土壤空隙水压来加固土层和提高抗滑力。主 要技术包括：活枝扦插( 1 i v ec u t t i n g ) 、篱墙( w a t t l ef e n c e s ) 、活枝笼 ( f a s c i n e ) 、排水式枝笼( f a s c i n ed r a i n s ) 、沟垄篱带( f u r r o wp l a n t i n g ) 、压磊 ( i a y i n g ) 、枝干篱墙( s t a k ef e n c e s ) 、活树桩( 1 i v es t a k i n g ) 等。 生物一工程综合保护技术 通过植物与石块、水泥、钢筋、塑料和木材等相互搭配，稳固和加强海岸、 河岸、地基、边坡，提高它们的防护使用年限。主要技术包括：绿化石墙石堑 ( v e g e t a t e dd r ys t o n eb l o c km a l l s ，s t o n ep i t c h i n ga n dr e v e t m e n t s ) 、渗透 式植被边坡( f i l t e r 鬻e d g e ) 、绿化羽箱( v e g e t a t e dg a b i o n s ) 、绿化加筋护坡 ( v e g e t a t e dg e o t e x t i l ee a r t hs t r u c t u r e s ) 、绿化垂向覆土木架( v e g e t a t e dc r i b w a l l s ) 、绿化斜向覆土木架( 1 i v eg r a t i n g ) 等。 岩石边坡绿化技术【1 5 1 岩石边坡坡面没有植被可以生长存活的土壤环境，在这类边坡上进行绿化护 河海大学博士学位论文 坡的关键在于植被客土环境的研发，这也成了当前植被护坡中的一个热点研究课 题。自上个世纪7 0 年代以来，相继出现了不少岩石边坡植被护坡技术：纤维土 绿化工法( f i b e r - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) 、高次团粒s f 绿化工法( s o i lf l o c k g r e e n i n gm e t h o d ) 、连续纤维绿化工法( t 6 绿化工法) 、厚层基材喷射植被护坡 技术、植被混凝土边坡防护绿化技术。 1 3 研究现状及进展 采用植被进行坡面防护的实践源远流长，最早可以追溯到1 6 世纪。但植被 护坡形成一门具有成型理论框架的学科，还是近十几年的事，直至现今甚至连一 个统一的术语都还没有形成，英文有称b i o t e c h n i q u e ，s o i lb i o e n g i n e e r i n g ， v e g e t a t i i o n ，r e v e g e t a t i o n ，s l o p ee c o - e n g i n e e r i n g ( 简称s e e ) 等，国内有 植被护坡、植物固坡、坡面生态工程、生态护坡等术语之称【幢】。在国际上专门以 植被护坡为主题的首次国际会议于1 9 9 4 年9 月在英国的牛津举行【l 硼通常，植 物护坡定义为；“使用活的植物或者其与土木工程和非生命的植物材料相结合， 以减轻坡面的不稳定性和侵蚀”，其途径与手段是利用植被进行坡面保护和侵蚀 控制。植被护坡作为一项工程技术，人们从护坡理论及技术应用两方面做了大量 的研究。对于植物护坡机理的研究，不同学科的研究者各有其侧重点，但都限于 本学科的研究，侧重点各有差异，其中又尤以水土保持领域的研究成果为多。其 中水土保持学科的研究更侧重于植被对坡面侵蚀及水土流失的控制。岩土工程学 科的研究者着重探讨了植被根系与边坡稳定性的关系。从现场原位测试、实验室 测试、理论分析等方面研究植物根系对边坡的加固作用。 1 3 1 植被护坡实践与研究的发展简史【住1 据研究，最早有记载采用植被进行工程应用出现在中国，早在1 5 9 1 年的明代， 就有记载通过栽植柳树进行河岸边坡的加固与保护。在1 7 世纪，中国人使用植被 护坡技术保护黄河河岸。到了2 0 世纪3 0 年代，这种生物途径才首先引入中欧， 包括德国，阿尔卑斯山地区，尤其是奥地利。从那以后，这门生物技术得到迅速发 展并形成了欧洲传统，主导着世界植被护坡的研究和应用从本世纪6 0 年代以 后，植被护坡技术已推广到世界许多国家在北美，植被护坡技术运用的历史可 以追到1 9 2 6 年，而且承袭了中欧的经验，主要致力于与农林业活动和道路建筑有 关的侵蚀控制。在英国，这个方法始于4 0 年代末，用于陆地景观的稳定、堤岸 和交通线路边坡的保护等。 植被护坡技术在现代中国历史上开始于5 0 年代初，主要用于水土保持和防 风固沙。尽管中国的应用目的与中欧的( 主要是雪崩和山体滑坡等) 不完全一样， 但中国采取了类似的生态工程原理和方法，建立植被防护体系。从7 0 年代开始， 6 第一章绪论 这个生物方法在中国得到了迸一步发展。在研究方面，不少学者对植被的水文效 应进行了深入研究，取得了丰硕成果。我国学者还对建立植被水文效应信息系统 进行了有益的尝试【i 】。但我国对植被的岩土力学效能的研究较少。在实际工作中， 植被护坡方法已被广泛运用于水土保持，恢复植被和混农林业措旆被用来控制侵 蚀和防治泥石流。但总的看来，与在自然环境保护方面的应用相比，这个生物学 途径在土木工程和人为坡面保护方面发展相对缓慢，认识较粗浅。 近3 0 年来，有关植被在斜坡保护中的应用和研究综述越来越多0 3 1 ： 土地开 发与保护的生物工程是世界上有关植被护坡的第一部专著，成为欧洲该研究领 域代表作；斜坡保护的生物技术与侵蚀控制是另一部有关美国应用方法的专 著；植物在土木和景观工程中的应用一书标志着英国在该领域更新的发展。 9 0 年代以后， 生物地貌学、植被与侵蚀、植物在土体工程中的应用、斜 坡加固和侵蚀控制生物工程途径、斜坡保护和侵蚀控制的坡面生物工程技术、 河岸和海岸稳定的抗水蚀生物技术、坡面加固的生物技术和土壤生物工程 等专著又相继问世，我国学者也出版了中国森林生态系统水文生态功能规律、 水土保持林体系效益与评价、山地防护林水土保持水文生态效益。这些是 对有关植被利用研究及实践的最新发展的总结。 1 3 2 植被护坡的水土保持工程学研究进展 植被是防治水土流失的积极因素，植被地上部分和地下根系在防治土壤侵 蚀、控制水土流失方面均具有极其显著的功效，破坏植被，必将导致水土流失的 迸一步加强。1 8 7 7 1 8 9 5 年，德国土壤学家w o l l n y 在他的实验小区进行了关于植 被和地面覆盖物对防止降雨侵蚀和防止冲刷和防止土壤结构恶化的影响的一般 界限及土壤类型和坡度对径流和冲刷影响的观察，1 9 世纪3 0 年代的b a y e r 、b o s t e r 、w o o d b u r n 、m u s g r a v e 等在侵蚀过程方面的先驱性的研究，促成了l a w s 于1 9 4 0 年完成了第一个关于自然降雨的详尽总结。1 9 4 4 年e l l i s o n 完成了雨滴对土壤 的机械作用的分析研究后，人们终于全面认识了壤侵蚀的所有方面。在此基础 上，美国农业部a g r i c u l t u r a lr e s e a r c hs e r v i c e 于6 0 年代早期，提出了用于估 计洛基山脉东部耕地的半经验性土壤流失方程式大量的实验和实践证明：植被 覆盖率是影响土壤流失的最为关键的因素。良好的植被覆盖是自然裸地土壤流失 的1 1 0 0 0 ( 美国农业部s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ，1 9 7 8 1 明) 其他因素如降雨、 土壤的可侵蚀性对土壤流失的影响只有一个数量级，面边坡因素可以很容易采取 工程手段( 如坡改梯) 减少到可以忽略的地步。 关于植被对水土流失的控制机理，c a r r o l l ( 1 9 9 7 ) 2 0 1 、g i l l y ( 2 0 0 0 ) 【2 1 】 等研究认为植被覆盖减小了雨滴对地面的打击，并由于增加地面粗糙率而减小了 流速，气流或者水流的作用力被分散在覆盖物之间，地表的覆盖因素完全承受了 7 河海大学博士学位论文 原来作用于地表土粒上的力，并且植被覆盖物腐烂后可以增加土壤中有机质的含 量，进一步改善土壤的理化性质c e r d a ( 1 9 9 7 ) p 2 1 通过对退化土地生态系统恢 复的研究指出，随着植被恢复阶段的发展，其对地表的防护功能、土壤的持水性 能和渗透性能得到不断加强c a r r o l l ( 1 9 9 7 ) 踟等人通过对矿区土壤与弃土上 的植被恢复过程的研究发现，在不同类型的土地上，植被对侵蚀的影响都是占主 导地位的，植被覆盖的存在可以保护土壤团聚体免遭降雨的破坏，减弱雨滴击溅 侵蚀，避免土壤大孔隙的堵塞，防止地表结皮的形成，减少地表径流形成造成的 水土流失。由于植被根系的存在，改变了土壤的理化性质，使得土壤容重减小， 孔隙度增加，团聚体含量提高，从而使土壤的渗透性能和抗冲蚀性能得到提高 ( b r o n w n 。1 9 9 4 m 1 ；c r e s s w e l l ，1 9 9 5 1 2 ；g i l l y ，2 0 0 0 【2 1 1 ) 进一步研究证明( 李 勇，1 9 9 2 2 5 l ；刘国彬，1 9 9 7 1 拍 ；m i k ek ，2 0 0 2 2 7 1 ) ，植物根系的盘绕固结作用 及植物本身对水流的抵抗作用，增加了水流运动的阻力，减缓了水流的流速，同 时阻止地表结皮的形成，增加了入渗，减弱了水流对地表的冲刷作用。g h i d e ye t a 1 ( 1 9 9 7 ) 【2 8 】研究了死根对土壤的影响，结论认为，死根可以明显的影响土壤流 失量和径流的含沙量，死根对于土壤剪切力、团聚体和分数率及径流等都有显著 影响。李勇等人 0 、m 0 。 关于根系的拉伸模量的研究比较少，在根系与土体滑移的破坏模式中，根系所发 挥的抗拔锚固力是根系的拉伸模量以及根系的拉伸应变的函数。h a l h 删a y 和p 锄y 【诣】 曾经测定了几种根系的杨氏模量，抗拉强度以及破坏时的应变( 如表2 3 ) 2 2 2 根土粘合键的作用机制 根系与所接触的土体通过根土之闻的粘合键来传递荷载，通过根系的抗拉强度的 发挥而产生固土效应。根土粘合键指根土系统产生相会位移趋势时，阻碍土壤与根之 间相互滑动的作用因素的总和。 通常情况下，根据不同的作用类型，根土粘合键可以分为三类【1 6 1 ：第一类是由土 第二章植物根系力学特性及其分形研究 表2 3 白杨和柳树的强度、刚度量测( 据h a t h a w a ya n dp e n n y ，1 9 7 5 ) 堕塑塑耋壁查垫垫堡壅! ! 堡!堑垦堡墨! 丝曼! 蔓堑壅壅! 堑! l4 5 6 1 6 41 7 。l 柳树 l 2 3 6 4 3 5 9 l o ，8 1 5 8 1 6 9 1 7 3 壤和根之间的有机胶质、粘液以及毛细作用产生的附着粘结型根土粘合键，这种类型 的根土粘合键比较弱，容易受根土相对移动破坏，对于一般植物根系，在模型计算时 可以省略；第二种类型是摩擦型根土粘合键，它是由根所受的土壤压力和两者之间的 相对运动引起的，这种类型的粘合键强度较大，存在最普遍，比较容易计算；第三种 类型是剪切型根土粘合键，当根土相对移动时，由于弯折，根会剪切、破坏周围土壤 而产生剪切作用，阻碍根土相对移动。可见，正是由于附着粘结型、摩擦型、剪切型 这三种根土粘合键所提供综合摩阻力，使得根系与土壤紧密结合，形成一种特殊的复 合材料。实际上，第三类型可近似简化为摩擦型根土粘合键或者近似简化为一种附加 外力，因此多数情况下的根土粘合键都可归结为摩擦型。按照现代摩擦理论，从力学 机制上来看，其实质是一种分子现象。根与土的接触面放大后观察都粗糙不平，接触 仅局限于一些点上。接触点的面积很小，应力很集中，往往超过材料的屈服应力，产 生塑性变形。当根土相对移动时，接触面积上的分子引力阻碍根土相对移动，这就是 摩擦型根土粘合键的微观实质 2 3 根系的分形特征 显然，植物根系的分布或者形态对其所赋存的土体环境将产生影响，这一点从植 物根系的生物学性能研究中得到了验证从工程力学的视角来看，根土复合介质可视 为一种特殊的质材，根系形态的差异将对复合介质的强度、刚度性能产生影响。根系 的这种特性可以直观的为人们所认识，比如含根量相同的土体由于根系的分布差异而 必然产生力学性能上的差异。但是由于根系的遗传特性与发育状况使其构成了一个复 杂的不规则几何形体深埋在地下，难以定量测量。迄今，如何定量描述根系的形态特 征一直是没有很好解决的问题。给出一个能真正反映根系客观形态特征的方法，无疑 对所有与根系相关的研究都具有积极的促进作用。 m a n d e l b r o t ”卅引入分形概念来描述那些在定尺度范围具有自相似结构特征的 不规整形体，用分形维定义形体的尺度特性。诸多研究表明“h 螂，植物根系是自然 船盯 m 以蛐 3 4 3记勰弘 2 3 4 杨白 河海大学博士学位论文 界存在的一种分形结构，将分形理论应用于根系研究，加深了对根系几何形态和性质的 认识，提高了定量描述根系系统形态的可靠性。 2 3 1 分形的概念和基本特征， 称之为分形的结构一般都有内在的几何规律性一比例自相似性，即大多数分形都 在一定的尺度范围内是不变的，在这个范围内，不断显微放大任何部分，其不规则程 度都是一样的，同时几乎所有的分形又是置换不变的，即将它的每一部分移位、旋转、 缩放等，在统计学的意义下与其他任意部分相似，这个性质表明，分形决不是完全的 混乱，在它的不规则性中存在着一定的规则性，它同时暗示了自然界中一切形状及现 象都能以较小或部分的细节反映出整体的不规则性。总之，分形结构具有的典型特征 是：具有无限精细的结构、比俪自耜似性、一般分形维大于它的拓朴维，可i ! l 由非常 简单的方法去定义并由迭代产生【1 0 8 1 。 维数是描写空间内的一个点所需的最小实参数的个数。分形集是复杂多变的，但 其本身存在着某种规则性的东西，即不论分形的起源或构造的方法如何，所有的分形 可用一个重要的特征数分形维数去测定其不平整度和复杂度，分形维数大多为非 整数维，故也称分维数。例如：云的分形维数为1 3 5 ，河流水系的分形维数维为1 1 1 8 5 ，植物根系的分形维数是1 o 1 9 分形维数的定义很多，至今已有十多种不同的 维数，如h 肌s d o 雠数、盒维数、关系维数、信息维、相关维、填充维等等。作为分 形集极其重要的特征数，分形维数是判断两个分形集是否一致的标准之一，在这个目 标之下，维数的计算已取得大量试验性研究成果。 2 3 2 根系分形理论模型 植物根系的结构极其复杂，它由成千上万的根尖以及不同级别的根组成。根与根 之间的发育、生理、形态各不相同但在这复杂的结构之中也有规律可循，一个典型 根系分枝模式可分解为这样一个过程：主根长到一定距离产生侧根，侧根伸长到一定 距离会产生二级侧根，二级侧根到一定距离再产生三级侧根每一分