第七章 加筋法

7.6植被护坡技术植被护坡（Biotechnical Slope Protection）是指用活的植物或者其与非生命的材料相结合，以减轻坡面的不稳定性与侵蚀，也称之为植物固坡、坡面生态工程，工程界更直观形象地称之为“边坡绿化”。

植被护坡技术是一项涉及环境学、土壤学、植物学、生态工程学、水力学、岩土力学、化学及机械等学科和综合性技术。

采用这一技术不仅能有效减少边坡坡面侵蚀、水土流失、防止坡体出现滑塌失稳等事故隐患，而且还能显著降低水、气污染，维持生态多样性及生态平衡，实现保障安全、改善环境、美化环境的目的。

植被护坡技术起源于中国，早在十二世纪，灌木就被用作边坡加固。

二十世纪早期，植被相关技术就被用于黄河沿岸的防洪和抗侵蚀作用。

在欧洲德国，植被护坡技术的利用已有150多年的历史了。

据文献记载，美国在二十世纪二、三十年代开始使用植被护坡技术。

但二战后，随着新型的护坡材料与技术的发展，植被护坡很少得到应用。

直到最近二十几年来，植被工程又重新用于抗侵蚀和边坡防护，并被证明有着广阔的使用前景。

由于传统的工程护坡方法的缺陷和人们环保意识的增强，植被护坡技术将得到更为广泛的应用，植被护坡方法将会更多、更完善。

植被护坡技术必将更多地取代传统的工程护坡技术，如浆砌片石护坡、喷射混凝土护坡等；或者与传统的工程护坡技术相结合，形成既能有效加固边坡又能快速恢复植被的新的复合型护坡技术。

植被护坡真正成为一门学科，制定规范并有程序地实施，还是近二十几年的事，至今还没有形成一个贴切的、统一的英文术语。

Biotechnique,Bioengineering,Vegetation和Revegetation在著作和论文中都有使用，1994年9月，在天津召开了以植被护坡为主题的首次国际会议。

植被护坡的一般定义为：用活的植物，单独用植物或者植物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。

目前，常用于植被护坡工程的植被主要包括乔木、灌木类与草本植物类两大类。

乔木、灌木类植被主要有红松（海松、果松）、马尾松（青松、松树）、油松（红皮松、短叶松）、金钱松（金松、水松）、柳杉（孔雀杉、大杉）、水杉、银杏（白果、公孙树）、迎春、枸杞、紫穗槐、紫叶小檗、连翘、大叶黄杨、夹竹桃、小叶女贞以及黄花刺槐等；草本类植被主要有多年生黑麦草、草地早熟禾、高羊茅、无芒雀麦、扁穗冰草、结缕草、狗牙根、巴哈雀稗、弯叶画眉草、白三叶、小冠花以及紫花苜蓿等。

在边坡防护中，采用工程防护与植被防护相结合的方法，根据气候与现场条件等选择适当的护坡植物和方法，可以达到坡面治理、保护公路、绿化再生、减少水土流失和美化环境、改造景观等综合目的，产生巨大的生态效益、社会效益和经济效益。

7.6.1植被影响边坡稳定性的方式边坡不稳定性受植被的影响可以分3种情况来解释：（1）坡面表层侵蚀作用：（2）浅层不稳定性，即浅层块体运动深度不超过地面以下2m；（3）深层不稳定性，即滑移面超过地面以下2m。

（一）坡面侵蚀作用及其受植被的影响坡面侵蚀或者土的侵蚀是指表层土在风、水和冰的作用下被剥蚀的过程，其常见的两种类型是雨水侵蚀和风蚀作用。

坡面侵蚀作用主要包括颗粒分离和迁移两个过程。

影响土体侵蚀的重要因素有气候、土体性质、水文条件和地形等。

关于土的流失量的估算，USDA农业研究服务部门在二十世纪60年代初提出了一个半经验的公式：A=R·K·LS·C·P （7-67）式中：A：一定时间内土的流失量，吨/英亩；R：气候（雨水）影响因子：K：土体的被侵蚀能力；L：坡长因素；S：坡的陡峭因素；C：植被影响因素；P：对侵蚀的实际控制因素。

从式（7-67）可以看出，其中R、K、C、P在一定程度上并以一定的方式受到植被的影响，可以通过调整坡面植被状况来控制坡面土体流失。

植被对坡面表层侵蚀的控制作用主要表现在：（1）降雨截留，树叶和草对降水能量的吸收，可以保护土体，减轻雨滴的飞溅侵蚀作用；（2）根系可以约束和阻止土体流失；（3）根茎和叶通过增加土体表面的粗糙程度来延滞因径流作用而产生的水土流失；（4）过滤作用，植被通过保持土体的多孔性和渗透性来延迟水土流失的发生。

（二）浅层块体运动及其受植被的影响浅层块体运动是指构成边坡物质——岩石、土、人工填充物或者其混合物的抬升与下沉运动。

浅层块体运动主要包含大块边坡物质在自然力的作用下的滑移、倾倒、崩塌、流动或者扩散等。

对于浅层块体运动，植被特别是木本植物，通过影响和改变边坡的水理性质和力学性质，具有一定控制能力。

植被浅层块体运动的有益的抑制作用主要包括：（1）根的加固作用，通过承担剪应力来达到对土体的加固作用；（2）蒸腾作用，植被通过蒸发作用和树叶的对雨水的阻截作用而减小土的含水量，从而减小土体的孔隙水压力，使土体得到加固；（3）支撑和拱架作用，拱状的和深埋的根茎能起到支撑桩和拱顶连接作用，从而抵消斜坡的下滑剪应力；（4）超载作用，植被自重在一定条件下可通过限制加载在有缺陷表面上的压力来增加斜坡的稳定性。

（三）植被对深层不稳定性的影响由于植被对氧气的需要，树根大多集中于地表，因而对深层不稳定性没有明显的和直接的影响。

如同一项粗略而实用的估计所显示的那样，根对边坡的机械加固作用大致局限于地表以下1.5m范围内。

但是，根的水分吸收作用使超过他们深度范围的土体水分能通过毛细管作用向上移动，有利于减轻土体孔隙水压力和土体重量，因而具有间接影响。

从以上分析可以看出，植被对边坡稳定性的防护作用是明显的，但植被对边坡稳定性也客观存在着一定的消极作用，主要表现在其外部加载作用和木本植物在较大风力和洪水作用下的翻转和连根拔起的潜在危险[9]。

通过水分蒸发而降低土体的含水量本身就是一把双刃剑，它在对斜坡起到积极加固作用的同时又导致土体开裂而加大了土体的渗透能力。

7.6.2植被护坡机理（一）植被的水文效应（1）降雨截留、削弱溅蚀一部分降雨被存储在树叶和树干上，以后再重新蒸发到大气中。

植被的降雨截留作用降低了到达坡面的降雨强度并减少了到达坡面的降雨量，植被对小雨的截留可达100%，对强暴风雨的截留达25%，在一年中大约可截留总降雨量的30%。

植被降雨截留作用对于控制坡面侵蚀作用和边坡稳定性具有重要意义。

下落的雨滴打击在坡面上，把动能传递给土体，产生分裂力使土体颗粒分离飞溅。

在滴溅过程中，雨滴速度越快、动量越大，撞击土体所产生的分裂力就越大，被溅出的土体颗粒数量就越多。

植被能拦截高速下落的雨滴，减少落到坡面的雨滴数量，降低滴溅能量，从而减小撞击土体时产生的土体分裂力，有效降低了滴溅对坡面的侵蚀作用。

（2）抑制坡面径流、控制土粒流失木本植物的根茎和草本植物的叶子，增加了地表的粗糙程度，减小了地表径流的速度，增加了雨水的入渗，有效减少径流量。

另外，根在生长过程中在土体中挤出通道，根衰老或死亡后收缩而留出空隙，使地表径流能顺着根土接触面和这些通道、空隙渗入土体。

植被通过增加地表粗糙度、促渗、截留以及蒸发蒸腾的联合作用，降低了地表径流的速度，减少了地表径流量。

地表径流带走已被滴溅分离的土粒，而且进一步可一起片蚀、沟蚀等。

这种能力随径流速度呈指数关系上升，是土体流失量也直接随径流速度和流量增加。

因此，降低径流速度和流量将能有效控制径流的侵蚀作用。

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。

与此同时，植被的存在，能加速被径流所带走的土粒在地表的沉积作用，减少了一定范围内土体的流失量。

（3）降低坡体孔隙水压力降雨是诱发边坡失稳的重要原因之一，边坡的失稳与土体的孔隙水压力大小有着密切关系。

植被通过吸收和蒸发蒸腾坡体内水分，使坡体内水分的减少。

这种作用将导致土体孔隙水压力的降低，增加土体颗粒间的接触程度，提高土体抗剪能力，有利于坡体的稳定。

另外，土体水分的散失，减轻了土体自重，减小了土体重力在滑动面上的滑动分量（剪切力），提高了坡体稳定性。

（二）植被的机械力学效应（1）根的加筋作用土层被认为是一种特殊的复合材料，它由强度相对较高的埋在土体中错综复杂的根系和强度相对较低的土体基质所组成。

根系可被视为具有预应力的三维加筋材料。

根的加筋作用根在根系（纤维）/土的复合材料中的约束作用来增加土体的侧限压力、延缓滑坡和增加土/根复合体抗剪强度，根的作用不改变土的摩擦角（见图7-76）。

图中：s ：抗剪强度；n σ：正压力；φ'：有效内摩擦角；S '∆：根的作用引起抗剪强度增加量； Rc '有效粘聚力增量。

从图7-76可以直观地看出，树根对土体的抗剪强度的增加作用是很明显的。

还可以看出，植被不会影响土体的摩擦角，它主要靠增加土体的粘聚力来增加土体抗剪强度的。

根系（纤维）/土复合材料的破坏主要包含根的拔出破坏，和根的强度破坏（开裂）。

根的加筋作用的另一种方式是通过相互交错的半连续的根系将加在软弱区（强度相对较差）的压力传递给强度相对较高的部位，增加了坡体的总体稳定性。

根的加筋作用主要取决于根的分布密度、抗拉强度、张拉系数、长度与直径的比率、表面粗糙程度、连接程度和其主要受力方向等因素。

根对土体抗剪强度的增加作用可用简化公式[2]来表达：(cos tan sin )R S t θφθ∆=+ （7-68）式中：S ∆：由于根或纤维作用而增加的抗剪强度，2/kN m ；θ：剪切旋转角；φ：摩擦角；R t ：单位土体面积上根或纤维的平均抗拉强度，2/kN m 。

研究表明，根的抗拉强度随根直径的增加而减小。

对于直径2~15mm 各种类型的树根，其抗拉强度的变化区间在8~80MPa 。

树根的直径从5mm 减小到2mm 将导致抗拉强度两倍甚至三倍的增长。

树根的抗拉强度与其直径的关系可用下面简化的对数方程来表示：m r T n D = （7-69） 式中：r T ：根的抗拉强度； D ：根的直径；n 与m 分别是给定树种类型经试验所得的经验系数。

单位土体面积上根的抗拉强度（R t ）由根在土体中的延伸长度与对土体的固定作用所决定。

R t 大小可通过以下三种不同的方法来确定：图7-76 根的加筋作用对土抗剪强度的影响①根的断裂模型土体抗剪强度的增加源于根的抗拉强度，R t 由根的平均抗拉强度R T 与土体截面上的根断面所占的比例（/R A A ）来确定：(/)R R R t T A A = （7-70）R A 可由土体截面积上各尺寸级别下的根系的数量i n 与其所属的尺寸级别的截面积i a 来确定：i i R R n a t T A =∑（7-71） 植物根的抗拉强度随其直径的大小而变化，因此上式可表示为： i i i R T n a t A=∑ （7-72） 其中i T 为尺寸级别i 的根的抗拉强度。