复合植被根系作用对生态岸坡稳定性的影响

复合植被根系作用对生态岸坡稳定性的影响

郝由之１，２，赵进勇１，路 明３，王 琦１，彭文启１，陈 卓１

（１．中国水利水电科学研究院，北京 １０００３６； ２．南京水利科学研究院，江苏 南京 ２１０００９；

３．河北工程大学，河北 邯郸 ０５６０３８）

摘要：生态护岸中植被根系的固土护岸效果缺乏可测性和可控性，为了确定植物根系存在对岸坡稳定性提升的量 化作用，以北京市永定河莲石湖段生态岸坡为试验区，测定生态岸坡上种植典型“草－ 灌－ 乔”植被根系的形态分布及特征参数，在根系参数测定结果的基础上分析生态岸坡稳定性。通过建立根系加筋作用的力学模型，并采用 基于加筋理论的极限平衡法，对岸坡浅层稳定性进行 分析计算，岸坡整体稳定性采用基于强度折减原理的ＡＢＡＱＵＳ有限元模型计算法。结果表明，草本和灌木根系的加筋作用有助于提升岸坡浅层土体的粘聚力、抗剪 强度和稳定性；草本和灌木根系的加筋作用对岸坡整体稳定性的影响远小于乔木根系的锚固作用，乔木种植于坡脚处对岸坡稳定性的提高最有利，岸坡安全系数可提升５．１６％ ；乔木根系长度是岸坡整体稳定性重要的影响因素，乔木根系长度由１ ｍ 增加至３ ｍ，生态岸坡整体稳定安全系数较素土岸坡分别增加了１．２５％ 和１４．２％ ，且增强速率逐渐变大；在水位变动时，生态岸坡与素土岸坡相比，其稳定安全系数最高可提升７．８７％ 。根据岸坡浅层稳定性及整体稳定性计算结果，可以明确植被根系浅根加筋作用及深根锚固作用对岸坡土体的稳固效果，从而确 定各类植被的配置方式，为生态护岸工程设计与应用提供参考。

关键词：生态护岸；植被根系；极限平衡法；有限元；岸坡稳定性

中图分类号：Ｘ１７１．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－３０７５（２０２０）０３－００４２－０９

生态护岸是河流生态修复工程中的关键技术， 是为防止河岸失稳而在坡面做的各种铺垫和栽植的统称（刘黎明等，２００７；梁开明等，２０１４）；该技术涵盖植物学、生态学、水利学等多门学科（Ｏｄｕｍ，１９７１）；目前河流护岸建设还很难将多门学科结合起来，在 河岸建造时往往以水利工程学科内容为指导，侧重 于其安全性和耐用性，大量采用刚性护岸材料，严重破坏了河流生态廊道的完整性和连通性（Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａｌ，２００２）；河岸工程在设计时，除满足防洪安全、岸坡防护、环境美好等功能外，还应兼顾维护各类生 物适宜栖息地和生态景观完整性的功能（董哲仁， ２０１３；董哲仁等，２０１４）。选择合适的植物种类对于生态护岸项目的成功实施非常关键。在岸坡防护

收稿日期：２０１８－１０－０１

基金 项 目：国 家 水 体 污 染 控 制与治理科技重大专项

（２０１８ＺＸ０７１０５－００２）；水利部公益性行业科研专项（２０１５０１０３０）；水利部技术示范项目（ＳＦ２０１８０８）；中国水科院基本科研业务费专项

（ＷＥ０１４５Ｂ５３２０１７）。

作者简介：郝由之，１９９４年生，女，在读研究生，专业方向为水工结构。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｏ＿ｙｏｕｚｈｉ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ

通信作者：赵 进勇，男，教授级高级工程师。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｙ＠

中，需要草本和木本植物搭配种植 （赵 进勇等， ２００７）。因此，有必要研究各类植物根系对岸坡稳定 性提升的量化作用，以便合理选取护岸植物类型及 配置方式，更好地进行生态护岸工程设计。

目前通常从试验研究、理论分析、数值模拟等方 面探究植物根系对岸坡的稳固作用，一般是通过对 岸坡含根土样进行直剪试验，测定土体抗剪强度， Ｍａｎｂｅｉａｎ（１９７３）研究了向日葵等根系加筋作用对土体抗剪强度的增强作用；张飞等（２００５）通过对素土边坡与生态边坡表层土的直剪试验研究，发现土 体的抗剪强度随土中根系密度增加而增加，当根系 密度超过某一极限值，不再有正相关趋势。理论分 析方面一般需要建立根土相互作用模型，解 明曙

（１９９０）建立了根土净摩擦阻力的极限平衡方程，导出全根系固土力学机制的计算式；张云伟等（２００２）基于摩尔库伦准则建立了极限平衡条件下的摩擦型根土粘 合 键 破 坏 模 型。 数 值 模 拟 方 面，翟 志 雄

（２０１３）运用 ＡＮＳＹＳ软件中有限元强度折减法计算边坡稳定性系数，从而判断边坡是否稳定；张建等

（２００８）将摩尔库伦准则运用到限元中，分析了边坡稳定性。测试研究可能会因取土样时的土体密实度改变和根系与土体间粘结效果的改变而存在一定误

差。因此，本文对根系固土作用研究时，采用基于加筋理论的极限平衡法对岸坡浅层稳定性安全系数进行定量计算，整体稳定性安全系数采用基于强度折减原理的有限元模型进行定量计算，以期为生态岸坡的稳定性评价提供依据。

１ 材料与方法

１．１ 试验设计

以永定河莲石湖段为研究区段，其岸坡植物配置方式为生态岸坡种植乔灌草，滩地种植灌木和地被，水边种植水生植物及湿生植物。试验区域取滩地以上生态岸坡，为草－灌－乔组合式护岸，其中草本为狗牙根（Ｃｙｎｏｄｏｎｄａｃｔｙｌｏｎ），种植密度约为１５棵／１００ｃｍ２，灌木为连翘（Ｆｏｒｓｙｔｈｉａｓｕｓｐｅｎｓａ），种植间隔为１ ｍ，乔木采用榆树（Ｕｌｍｕｓｐｕｍｉｌａ）。

根系监测仪器采用 “根系原 位检测系统 （Ｒｏ－ ｏｔＳｃａｎｎｅｒ－Ｒ）”。试验前期在永定河典型植物根系周围埋入根系原位监测微根管，测量时将探测仪放入管内进行探测，探测完毕后通过计算机处理探测仪所得数据，即可获取地下植物根系形态分布原位高清图及根系的长度、直径、表面积、体积等参数。１．２ 生态岸坡浅层稳定性

１．２．１ 基于加筋模型的极限平衡法 假定浅层滑动面为平面，且平行于坡面，滑体的形状为矩形，暂 不考虑水位变化的影响。关于岸坡浅层稳定性，此 处考虑滑动面处根系的加筋作用及滑体侧面根系对土体抗剪强度的增加作用 （Ｂａｃｈｅ ＆ Ｍａｃａｓｋｉｌｌ， １９８３；嵇晓雷，２０１３），滑体深度大于根系长度时，根系侧边加筋作用深度取根系长度即可，最终得到岸 坡浅层稳定安全系数的表达式为：

ｃ＋γｚ

ＴＮＡｒδ

ＬＢ＋２ｃ（Ｌ＋Ｂ）／ｚ α

ＴＮＡｒδ Ｌ＋Ｂ）ｚ／ｃｏｓα

（ ｔａｎφ＋ Ａ ） ｃｏｓ ＋２ Ａ （

Ｒ

ＦＳ ＝ ＝

Ｔ

Ｓ ｓ

γＬＢＺ ｓｉｎα

ｃ＋γｚ

ＴＮＡｒδ

ＬＢ＋２（Ｌ＋Ｂ）（ｃ

ＴＮＡｒδ

ｚ ｃｏｓα

（ ｔａｎφ＋ Ａ

＝

）

γＬＢＺ

ｓｉｎα

＋ ）／

ＡＳ

（ ＴＮＡｒδ）Ｂ

（ Ｂ ）（

ＴＮＡｒδ

ｃ＋γｚｔａｎφ＋

Ｓ

＋２１＋ ｃ＋

Ｌ ＡＳ

）ｚ／ｃｏｓα

＝

γＬＢＺ

ｓｉｎα

式中：Ｔ－滑体的下滑力（ｋＮ）；Ｒ－ 滑体的抗滑力（ｋＮ）；α－岸坡坡角；φ－ 土的内摩擦角；Ｌ－ 滑体沿斜坡方向的长度（ｍ）；Ｂ－滑体的宽度（ｍ）；ｚ－滑体深度（ｍ）；Ａｒ － 根系的横截面积（ｍ２ ）；Ａｓ － 根土复合体 的 横 截 面 积 （ｍ２ ）；ＴＮ － 根 的 抗 拉 强 度

（ｋＰａ）；ｃ－土的粘聚力（ｋＰａ）；βｒ － 根发生变形后的倾 斜 角 （一般取６０°）；δ － 常 数 （δ ＝ ｓｉｎβｒ ＋ ｃｏｓβｒｔａｎφ）。

１．２．２ 岸坡浅层稳定性参数 采取永定河岸坡黄黏土参数。假定加筋土和素土的重度相等，均 为２３ｋＮ／ｍ３，粘聚力为１５ｋＰａ，内摩擦角为１８°，拟定岸坡坡比为１∶１。

对于狗牙草生态护岸，根系直径取试验测定均值０．２５ ｍｍ，种植密度取最大密度２５ 棵／１００ｃｍ２，根系抗拉强度参考嵇晓雷（２０１３），取１０２．９７ ＭＰａ。

对于连翘生态护岸，根系直径取试验测定均值２ ｍｍ，连翘冠幅较大，故其最大密度取１ 棵／ｍ２，根系抗拉强度依据参考彭书生（２００７），取１８５．６ ＭＰａ。 １．３ 生态岸坡整体稳定性

１．３．１ 基于强度折减原理的有限元法 在岩土工程领域中，计算土体边坡稳定性时，一般将强度折减

原理应用于有限元软件中进行分析。强度折减法可直接通过有限元数值模拟计算获得岸坡稳定安全系数，在工程应用中较为普遍，其折减后的抗减强度参数表达式如下：

ｃｍ ＝ｃ／Ｆｒ

φｍ ＝ａｒｃｔａｎ（ｔａｎφ／Ｆｒ ）

式中：ｃ、φ－ 土体所能提供的抗减强度值；ｃｍ 、 φｍ －维持平衡所需要的抗减强度值；Ｆｒ － 为强度折减系数。

计算中，假定不同的强度折减系数 Ｆｒ ，达到临界破坏时的强度折减系数 Ｆｒ 就是边坡稳定安全系数Ｆｓ 。

１．３．２ 根土复合体模型确定

（１）岸坡体模型。土体模型选用理想弹塑性模型，并采用该摩尔库伦本构模型描述土体特性。岸坡几何体模型为永定河莲石湖段河漫滩地以上的生态岸坡。模型左右两侧边界采用水平方向约束，底面采用水平和竖直双向约束。试验区土体岸坡为回填土，其性质偏粘性土，呈黄褐色，可塑，土质均匀

（卜凡杰和李小勇，２０１２），岸坡坡脚以下为淤泥质黏土。土壤具体参数如表１。

表１ 岸坡模型土体参数

Ｔａｂ．１ Ｓｏｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｂａｎｋｓｌｏｐｅｍｏｄｅｌ

且长，侧根众多；榆树为主直根型，主根（红色）较为粗壮，支根（绿色）较细。

岸坡 含水率／ 内摩

粘聚力／

重度／

弹性模

泊松比

表２ 根系模型参数

土体 ％ 擦角／° ｋＰａ ｋＮ·ｍ－３ 量／ＭＰａ

坡脚以上 ８ １８ １５ ２３．０ １００ ０．３０

Ｔａｂ．２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｒｏｏｔｍｏｄｅｌ

植物 根系长 根系平均 主根 支根 弹性模 泊松

种类 度／ｃｍ 直径／ｍｍ 数／根 数／根 量／ＭＰａ 比

（２）植被根系模型。根系设为弹性材料，类型采用梁单元。土体对根系的约束采用嵌入区域进行模拟，将根系以区域嵌入到周围土体中去。本次研究区生态岸坡采取“草－灌－乔”相结合的方式进行护岸，岸坡植被根系特征参数由根系原位监测系统测定，植被根系强度利用试验测定的根系直径参数通过查阅文献取值（周朔，２０１１），具体参数如表２。

２ 结果与分析

２．１ 根系形态和特征

２．２．１ 根系形态分布 由图１ 可知，狗牙根根系为须根型，须根细而紧密，分布较广；连翘根系为侧生根型，主根（红色）不太显著，但其侧根（绿色）都较粗

榆树１００／１５０／２００４／５／６ １ ８／１０１８０／１５０／１２００．２５

注：表中榆树根系长度为１００／１５０／２００，表示在模拟计算时采用

３种不同的根系长度；１８０／１５０／１２０为根系对应的弹性模量。

Ｎｏｔｅ：Ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｅｌｍ ｒｏｏｔｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｔａｂｌｅｉｓ１００／ １５０／２００，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓｔｈａｔｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈｓａｒｅｕｓｅｄｉｎ ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；１８０／１５０／１２０ｉｓｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｃｏｒｒｅ－ ｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｏｏｔｓｙｓｔｅｍ．

２．１．２ 根系特征参数 根系长度是表明根系吸收功能的一个重要参数。测定结果表明，狗牙根和连翘根系分别集中分布在深度为 ３０ｃｍ 和６０ｃｍ 以内的浅层土体中，榆树根系主要集中分布在深度为１００ｃｍ 范围内的土层中，但随着年限增加可生长至

３ ｍ 以上。

图１ 三类典型植被根系扫描结果

Ｆｉｇ．１ Ｓｃａｎｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｏｏｔｓｙｓｔｅｍ

根表面积和体积可以反映不同土层深度根系的分布，基于根系表面积及体积得出３ 种植物根系分布均随着土层深度的增加逐渐减少的规律，同时得出狗牙根、连 翘和榆树根系平均直径分别约为０．２５ ｍｍ、２ ｍｍ 和５ ｍｍ。

２．２ 岸坡浅层稳定性

２．２．１ 根系对土体抗剪强度及粘聚力的影响 以不同土层深处为剪切面，研究狗牙根和连翘根系加筋作用下根土复合体的抗剪强度及粘聚力变化，基

于计算结果，对狗牙根和连翘根系的加筋作用进行对比，得到３种岸坡土体抗剪强度和粘聚力随土层深度变化关系，如图２～３。

图２ ３种岸坡土体抗剪强度随土层深度的变化Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｒｅｅ ｂａｎｋｓｌｏｐｅｓｏｉｌｓａｎｄｓｏｉｌｄｅｐｔｈ

图３ ３种岸坡土体粘聚力随土层深度的变化Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｒｅｅ ｂａｎｋｓｌｏｐｅｓｏｉｌｓａｎｄｓｏｉｌｄｅｐｔｈ

由图２～３可知，在土层深度３０ｃｍ 范围内和土

层深度超过６０ｃｍ 时，狗牙根根系对岸坡土体抗剪强度和粘聚力的增强作用大于连翘根系；在土层深度３０～６０ｃｍ，连翘根系对岸坡土体抗剪强度和粘聚力的增强作用大于狗牙根根系；在土层深度超过６０ｃｍ 时，两种植物根系对岸坡土体抗剪强度和粘聚力的增强作用均较小。

综合看来，狗牙根和连翘同时以最大间距种植

且连翘根系作用大于狗牙根；在土层深度超过 ６０ ｃｍ 时，狗牙根和连翘生态岸坡的稳定性与素土岸坡趋于一致，说明植物根系对岸坡稳定性的影响有限。随着深度增加，其根系加筋作用对岸坡稳定性影响 逐渐减小，可见草本与灌木根系主要起岸坡浅层稳 固作用。

２．３ 岸坡整体稳定性

２．３．１ 初始条件下的岸坡整体稳定性 为研究草本、草本灌木及“草－ 灌－ 乔”组合３ 种不同护岸方式的岸坡整体稳定性，首先拟定初始条件的岸坡坡比为１∶２，坡高为３ｍ，暂不考虑水位对岸坡土体影响。草本采用狗牙根，在岸坡横断面方向上种植间距为３０棵／ｍ，根长０．３ ｍ；灌木采用连翘，种植间距为１棵／ｍ，根长０．６ ｍ；乔木采用榆树，在模型中布于坡脚处，根长２．０ ｍ。经模拟计算，得出岸坡整体稳定安全系数如表３。

表３ 初始条件下岸坡整体稳定安全系数

Ｔａｂ．３ Ｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｓａｆｅｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅ ｕｎｄｅｒｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

时，狗牙根根系加筋作用强于连翘，加筋范围也大于 岸坡

岸坡稳定安全系数

连翘，原因在于狗牙根冠幅小，连翘冠幅大，在同等

高度／ 素土

草本生

草－ 灌

草－ 灌－ 乔

坡面面积及同等滑体侧面积上，狗牙根根系数量及面积所占比例高于连翘根系。

２．２．２ 根系对岸坡浅层稳定性的影响 随着根系加筋作用对土体抗剪强度及粘聚力的提升作用，岸坡浅层稳定性也会随之增加。通过对狗牙根和连翘根系的加筋作用对比，得到３ 种岸坡土体的安全系数随土层深度的变化关系，如图４。

图４ ３种岸坡浅层稳定安全系数随土层深度的变化Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｓａｆｅｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆｔｈｒｅｅｓｈａｌｌｏｗｂａｎｋｓｌｏｐｅｓａｎｄｓｏｉｌｄｅｐｔｈ

由图４可知，在土层深度３０ｃｍ 内，狗牙根和连

翘根系均对岸坡浅层稳定性提升作用较大，且狗牙根根系作用大于连翘；土层深度３０～６０ｃｍ，狗牙根和连翘根系对岸坡浅层稳定性提升作用逐渐减小，

ｍ 岸坡 态护岸 生态护岸 组合生态护岸

３ ２．４０２ ２．４１２ ２．４１５ ２．５２６

由表３可见，素土岸坡、草本生态护岸、草－ 灌生态护岸、草－灌－ 乔组合生态护岸的岸坡整体稳定安全系数依次增大，但植被根系所起作用程度不同。３种生态护岸相对于素土岸坡增加的安全系数分别为０．４２％、０．５４％、５．１６％。

综合看来，狗牙根及连翘根系对岸坡整体稳定性的增强作用较小，因为草本灌木根系较浅，主要起 坡面浅层防护作用，其对于岸坡整体稳定性的提升 作用是通过对坡面浅层土体的加筋作用逐渐传递、影响至坡体深处产生的，因此对坡体深层抗滑作用 较小，这一结果也印证了岸坡浅层稳定分析中基于 根系加筋模型的计算结果；而草－ 灌－ 乔组合生态护岸比素土岸坡增加的安全系数高于前两种生态护岸，表明榆树相对于狗牙根和连翘而言，其根系具有 深层抗滑作用，发达根系可以将岸坡上部不稳定滑 体与下部稳定土体紧密地锚固绑定，所以乔木根系 对岸坡整体稳定性的提高最为有利。

２．３．２ 乔木根长对岸坡整体稳定性的影响 通过对初始拟定条件的模拟可知，草本及小型灌木根系较短，因此对岸坡的稳固作用有限，其主要作用为浅层加筋稳固，起深层锚固作用的主要是根系较为发

达的乔木，因此研究根系长度对岸坡稳定性影响时， 只改变草－ 灌－ 乔组合生态护岸中榆树根系的长度，模拟中榆树根系分别取１、２、３ ｍ。经计算，得出榆树根系长度与岸坡稳定性关系如图５；岸坡潜在滑动面如图６。由图５ 可知，随着榆树根系长度的增加，生态护岸的整体稳定性呈增强趋势。榆树根系长度为１、２、３ ｍ 时，生态岸坡相对于素土岸坡的安全系数分别增加了１．２５％、５．１６％、１４．２％，可见乔木根系长度是岸坡整体稳定性较为重要的影响因素，且随着根系长度的增加，岸坡整体稳定性的增长速率也在加快。

图５ 岸坡整体稳定性随榆树根长变化关系

Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅ ａｎｄｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈｏｆｅｌｍｓ

图６ 不同榆树根长的岸坡潜在滑动面模拟

Ｆｉｇ．６ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｌｉｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈｓ

对于图６的模拟结果，可从两方面分析岸坡整体稳定性。从岸坡潜在滑动面来看，随着榆树根系长度的增加，潜在滑动面有所下移，根系会逐渐伸至岸坡原滑动面，此时，根系会充分发挥其抗剪作用， 有效阻隔滑动面的贯通，产生良好的抗滑锚固效果， 滑动面下移后，滑弧增长，间接增大了岸坡的抗滑 力，有助于增强岸坡的整体稳定性；从应力关键点来看，素土岸坡应力变化最大位置在坡脚滑出口处，即 潜在破坏部位处于岸坡表面，难以受四周土体围压而保持稳定，所以岸坡稳定性相对较低，而生态岸坡 的应力变化最大位置随着根系长度的增加逐渐下

移，潜在破坏部位处于岸坡体深处，可以受四周土体围压而保持稳定，故岸坡稳定性相对较高。

２．３．３ 乔木种植位置对岸坡整体稳定性的影响

由于乔木根系对岸坡整体稳定性的影响较为明显， 因此研究种植位置对岸坡稳定性的影响时，考虑仅 改变生态护岸中榆树的种植位置，以坡高 ３ ｍ 为例，榆 树分别位于 Ｌｘ／Ｌ ＝ ０、１／８、１／４、３／８、１／２、 ５／８、３／４、７／８、１处，在下文中编号依次为１～９，其位 置如图７；榆树种植位置与岸坡整体稳定性关系图 如图８；榆树分布于岸坡不同位置的岸坡潜在滑动 面如图９。

图７ 榆树种植位置示意

Ｆｉｇ．７ Ｌｏｃａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｅｌｍｐｌａｎｔｉｎｇ

由图８ 可知，榆树种植在坡脚位置处对岸坡稳定性最有利。在坡脚位置种植乔木时，生态护岸相对于素土岸坡安全系数增加了５．１６％。

由图９ 可知，根系在坡脚处最接近岸坡原潜在滑动面，因此更容易阻隔滑动面在坡脚处的贯通，伴随着根系的嵌入，岸坡潜在滑动面向坡体内深层转移。在坡脚以上位置种植榆树时，随着种植位置沿

坡面的上移，根系逐渐延伸不到岸坡潜在滑动面，其锚固抗滑作用将通过包裹根系的周围土体向岸坡体深处延伸、传递和影响，导致稳固效果没有种植于坡脚处明显。

图８ 岸坡整体稳定安全系数随榆树种植位置的变化Ｆｉｇ．８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅａｎｄｅｌｍｌｏｃａｔｉｏｎ

图９ 不同榆树分布位置的岸坡潜在滑动面模拟

Ｆｉｇ．９ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｌｉｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｌａｎｔｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｍｓ

２．３．４ 水位变动对岸坡整体稳定性的影响 试验区岸坡处于滩地以上，但也难免存在水位上涨的情况，模拟水位上涨１ ｍ 和２ ｍ 两种情况下岸坡的稳定性，以确定受水位变化影响时岸坡的稳定性，岸坡整体稳定安全系数随水位变化关系如图１０。水位变动情况下的岸坡潜在滑动面变化如图１１。

由图１０可知，随着水位上涨，４ 种岸坡整体稳定性均呈现降低趋势，其中生态护岸稳定性的降低

速率小于素土岸坡。当水位上涨１ ｍ 时，草本生态护岸、草－灌生态护岸、草－灌－乔组合生态护岸相对于素土岸坡增加的安全系数分别为 ０．５２％、 ０．８８％、７．３４％。水位上涨２ ｍ 时，３ 种生态护岸相对于素土岸坡增加的安全系数分别为 ０．８２％、 １．４８％、７．８７％。说明岸坡在水位影响因子作用下，乔木根系的深层锚固作用仍然比草、灌根系的浅层 加筋作用更有利于岸坡整体稳定性的提升。

图１０ 岸坡整体稳定安全系数随水位变化

Ｆｉｇ．１０ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅａｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ

当岸坡受水位因子影响时，红色浸润线以下土体强度较小，岸坡潜在滑动面位置随之产生变化。由图１１可知，素土岸坡在水位上涨２ ｍ 后，岸坡潜在滑动面相对无水情况时上移较明显，岸坡稳定性 受到一定威胁；

而草－ 灌－ 乔生态岸坡在水位上涨２ ｍ后，岸坡潜在滑动面相对无水情况时上移幅度较小，因为植物根系对岸坡土体的加筋锚固作用可以减弱土体强度的下降速率，所以生态岸坡抵抗水位变动影响的能力强于素土岸坡。

３ 讨 论

图１１ 水位影响因子作用下的岸坡潜在滑动面对比

Ｆｉｇ．１１ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｌｉｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｏｆｂａｎｋｓｌｏｐｅｓｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｌｅｖｅｌ

２０００；张飞等，２００５）。由于安全系数是评判岸坡稳

定性的重要性指标，本文在前人研究成果的基础上

随着生态修复及可持续发展理念的不断深入， 在护岸工程中，以植物作为柔性生物防护材料已被广泛采用，植物除了具备生态景观功能之外，其发达 的根系系统还有一定的岸坡稳固作用。在其固岸能 力方面，学者们注重于研究草本和灌木根系对岸坡土体物理特性的影响，从根系提高土体粘聚力的角度着手，采用剪切试验分别测定根－ 土复合体及素土的抗剪强度，发现根－ 土复合体的粘聚力高于素土，从而判定根系起到了加筋固岸作用（郝彤琦等

做了进一步的工作，不仅计算了狗牙根和连翘根系 对于岸坡浅层土体抗剪强度及附加粘聚力的贡献 值，还计算了生态加筋岸坡稳定安全系数的定量值， 并对比了两种植被根系加筋作用前、后安全系数的 变化，从而使人在根系稳固岸坡这一概念上有了更 直观的感受和更明确的理论依据。

由于草本和灌木植被根系分布的深度和广度有限，所以固岸作用范围相对受到限制。在植被对岸坡整体稳定性影响研究中，拥有较长根系的乔木起

主导作用。对于岸坡整体稳定性安全系数的计算， 有限元法模拟计算法应用较多。嵇晓雷（２０１３）和周群华等（２００７）使用有限元方法，将根系与土体组合的根－土复合体视为一种均质材料，然后对均质材料进行安全系数求解，但此方法只在弹性范围内适用，没有考虑到土体的塑性特性。本文在数值模拟时采用分离式模型法，将植被根系和土体两种单元分开考虑，模拟过程中根系与土体分别采取各自的参数，避免了单元模型的选用不当；另外，在模拟中 设定土体与根系间能够实现自动嵌入、契合和连接， 更实际地反映出乔木根系对于深层岸坡土体的锚固作用，并得出更为准确的岸坡整体稳定安全系数值， 可为生态护岸工程设计工作提供一定的参考。

４ 小 结

（１）狗牙根与连翘根系的浅层加筋固岸作用较强，当土层深度超过其根系长度时，狗牙根和连翘根系增强作用均较小，在岸坡存在浅层不稳定性滑层时，根系可深入至滑层的草本、灌木进行生态防护。

（２）乔木榆树根系较草本狗牙根和灌木连翘根系对岸坡整体稳定性提升作用较大，并且种植于坡脚处最有利于岸坡稳定性的提高，在考虑乔木种植最优位置时，应根据实际岸坡工况具体分析。

（３）随着榆树根系长度的增加，生态护岸的整体稳定性呈增强趋势；生态岸坡抵抗水位变动影响的能力强于素土岸坡，在河岸整体稳定性较差时，要种植垂直根系较长的乔木类植被进行固岸，坡面可搭配种植草、灌植被进行坡面浅层防护及景观绿化。

（４）本文在研究植物根系对岸坡稳定性时，忽略其水文效应，如植被茎叶可有效截留和减少水流入渗坡体，有利于岸坡稳定。

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（责任编辑 万月华）

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