邊坡植物防護(hù)作用效果的計(jì)算方法

邊坡植物防護(hù)作用效果的計(jì)算方法

1邊坡防護(hù)機(jī)理目前，植物保護(hù)廣泛應(yīng)用于道路和鐵路邊坡。為了保護(hù)植物，對(duì)它們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究。實(shí)驗(yàn)證明了植物保護(hù)斜坡磨損的效果顯著。隨著大量實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，植物保護(hù)機(jī)理的研究也取得了很大進(jìn)步。然而，在防護(hù)邊坡植物的能力方面沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法。本文根據(jù)沉積物侵蝕理論，以土為研究對(duì)象，結(jié)合植物與斜坡的相互作用力學(xué)公式，總結(jié)了植物邊坡防護(hù)的計(jì)算方法，驗(yàn)證了植物保護(hù)的作用。2土壤侵蝕的定性決定因素試驗(yàn)表明影響邊坡沖刷的因素很多,土的沖刷主要是由于自然因素與人為因素的作用,土結(jié)構(gòu)被破壞,穩(wěn)定性削弱,進(jìn)而土從原來(lái)位置被搬運(yùn)到其他位置并沉積的過(guò)程,其影響因素一般有:降雨的濺蝕力、徑流量的大小、土分離的難易程度、水流沖刷挾帶泥沙的能力.這些參數(shù)又取決于雨滴動(dòng)能、雨滴數(shù)量及降雨強(qiáng)度、地質(zhì)、土質(zhì)類型及結(jié)構(gòu)、坡度、植被、土的含水量以及各種形式的水流因素(如流速、流量)等特征值.2.1植物的防護(hù)作用邊坡植物防護(hù)主要表現(xiàn)在邊坡防沖刷方面.其中,降雨是邊坡沖刷的最主要的原因.降雨對(duì)坡面的侵蝕有三個(gè)過(guò)程:首先是雨滴擊濺侵蝕,進(jìn)而形成片狀水流侵蝕,最后在水流集中處出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕,其中以細(xì)溝侵蝕破壞作用最強(qiáng),細(xì)溝逐步加大形成較大的沖溝,引起坡面滑坍等破壞.植物對(duì)坡面的防護(hù),主要表現(xiàn)在攔截雨水、減緩徑流和保護(hù)土壤,具體包括:①緩和雨水的沖擊.植物的莖葉及枯枝落葉層能攔截雨滴,起到消能作用,降低了雨滴對(duì)坡面的沖擊;②增大入滲量,相應(yīng)地減少了坡面徑流量,隨著覆蓋度增加,入滲量也隨之增大,而坡面徑流量和徑流速度相應(yīng)隨之減少.這是由于植物的枯枝落葉在地面形成松散覆蓋層,植物的根系在土壤中形成了大小不一、縱橫交錯(cuò)的孔道,植物的殘?bào)w為土壤制造了的腐殖質(zhì),增加了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),大大增強(qiáng)了土壤透水能力,相應(yīng)地減少了坡面徑流,同時(shí)也大大減緩了坡面徑流的流速,降低了雨水的侵蝕作用強(qiáng)度;③支撐作用,植物根系交織形成了巨大的根系網(wǎng)絡(luò),在土壤表層形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將其周圍土壤縛緊,使得坡面20cm左右深度范圍內(nèi)形成了一個(gè)加筋整體.因而在坡面上建植植被對(duì)坡面表面具有較好的護(hù)坡作用.2.2邊坡力學(xué)的計(jì)算2.2.1土體抗剪強(qiáng)度根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理,以邊坡上的顆粒為研究對(duì)象.在最不利條件下,分析顆粒的穩(wěn)定性,從而保證邊坡的穩(wěn)定性.在植物防護(hù)的基礎(chǔ)上,假定水流沿坡面流動(dòng)(即坡面沖蝕),入滲方向垂直邊坡,顆粒間沒(méi)有粘聚力.在草本植物根系加筋的作用下,土體的抗剪強(qiáng)度可寫為τ=c+σtan?+τR=[c+mΣj=1Τjsinθj/A+nΣj=m+1Τjsin(90-Ψj)/A]+[σ+mΣj=1Τjcosθj/A+nΣj=m+1Τjcos(90-Ψj)]tan?(1)τ=c+σtan?+τR=[c+Σj=1mTjsinθj/A+Σj=m+1nTjsin(90?Ψj)/A]+[σ+Σj=1mTjcosθj/A+Σj=m+1nTjcos(90?Ψj)]tan?(1)式中Tj——根的抗拉應(yīng)力;由根的實(shí)驗(yàn)室抗拉實(shí)驗(yàn)確定;θj——根剪切變形角,由野外根系直剪實(shí)驗(yàn)獲得;?——土體內(nèi)摩擦角,可由土的直剪實(shí)驗(yàn)獲得2土壤浮容重ww′=(γs-γ)πD3/6(2)式中γs——顆粒容重;γ——水的容重;D——土壤的粒徑阻力fps水流和土顆粒表面接觸時(shí)將產(chǎn)生摩擦力F1.當(dāng)水流雷諾數(shù)稍大時(shí),顆粒頂部流線將發(fā)生分離,并在背水面產(chǎn)生渦漩,從而在顆粒前后產(chǎn)生壓力差,形成形狀阻力F2.F1和F2的合力為拖曳力FD.坡面流流動(dòng)過(guò)程中,固體物顆粒頂部的流速顯著大于底部顆粒間滲透水流的流速,根據(jù)伯努力原理,將產(chǎn)生壓力差和與空氣動(dòng)力上升力類似的上舉力FL.設(shè)土物顆粒為直徑為D的球狀體,則:FD=CD(πD2/4)(ρu02/2)(3)FL=CL(πD2/4)(ρu02/2)(4)式中CD——阻力系數(shù);CL——上舉力系數(shù);ρ——水的密度;u0——顆粒表面水流速度邊坡穩(wěn)定性分析Fs=c(1+e)γh?h/?Sh(5)式中c——系數(shù);e——土體的孔隙率;?h/?S——水力坡度或FS=γJSπD3/6(6)式中FS——滲透壓力;JS——土壤中滲透水流的水力坡度(1)當(dāng)考慮拖曳力和上舉力為邊坡下推力時(shí)(如圖1)當(dāng)下滑合力F大于植物產(chǎn)生的抗剪切力和摩擦力的合力F1時(shí),即(F>F1)發(fā)生沖刷.通過(guò)計(jì)算比較確定在植物防護(hù)下,邊坡穩(wěn)定.F=FD+w′sinθ+Fs(7)F1=μ(w′cosθ-FL+Fs)+(mΣj=1Τjsinθj/A+mΣj=1Τjcosθj/Atan?))A1(8)式中A1——顆粒作用面積;FD、FL、Fs由公式(3)(4)(5)求得;μ——坡面粗糙系數(shù)2.2.2單寬降雨強(qiáng)度法iF0=γh2d/2(9)F=γh2d/2+π(γs-γ)d3sinα/6(10)h=(μILcosα/tan0.5α)0.6(11)F1=πμ(γs-γ)d3cosα/6+(mΣj=1Τjsinθj/A+mΣj=1Τjcosθj/Atan?))A1(12)式中I——單寬降雨強(qiáng)度,m/s;L——坡長(zhǎng),m;α——坡面與水平面夾角;γs——顆粒容重;γ——水的容重;d——土壤的粒徑;A1——顆粒作用面積其中的假設(shè)都不利于顆粒穩(wěn)定,因此,只要滿足F大于F1,顆粒就一定穩(wěn)定,從而邊坡不發(fā)生沖刷.2.3無(wú)植物防護(hù)下植物生長(zhǎng)性狀的測(cè)定1)利用泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理,第一種情況,考慮拖曳力和上舉力為邊坡下推力時(shí),按式(7)計(jì)算.假設(shè)沙粒D為顆粒的直徑,取0.05,0.1,0.2cm.θ為坡角,取30°.I為單寬降雨強(qiáng)度,取5×10-5m/s;λ為單寬入滲率,取10-6m/s;L為坡長(zhǎng),取11.25m;α為坡面與水平面夾角,取30°;JS,取1%.所采用的植物為無(wú)芒雀麥,所測(cè)得的根系的加筋所增加的土體的抗剪強(qiáng)度為1.305N/cm2.其中,CD取0.2;CL取0.8(參考杰緬季夫伊吉阿扎洛夫的研究成果);μ取0.4;γs取2.65×104N/m3;γ取1×104N/m3.u0=4.6h1/6d1/3(沙莫夫公式)(13)A1=πD2/4(14)h=μ(I-λ)L/tan0.5α)0.6(15)F1=FD+w′sinθ+Fs(16)F1=μ(w′cosθ-FL+Fs)+(mΣj=1Τjsinθj/A+mΣj=1Τjcosθj/Atan?)A1(17)其中FD,FL,FS,w′取用公式(3)(4)(5)(2)計(jì)算α(坡面與水平面夾角)為30°時(shí),在無(wú)植物防護(hù)下,w′cosθ-FL+Fs<0;即在雨水沖刷的基礎(chǔ)上,不產(chǎn)生摩擦力.在下滑力的作用下,邊坡發(fā)生沖刷.由表1可以得出如下結(jié)論:F下滑力一直小于抗滑力F1,因而證明了植物邊坡防護(hù)的作用.不同的植物的抗剪強(qiáng)度可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定,同時(shí)利用公式計(jì)算下滑力和抗滑力,可以判斷邊坡在植物防護(hù)下是否發(fā)生沖刷.2)利用水利學(xué)原理,計(jì)算水流下推力F0條件下(如圖2)F=γh2d/2+π(γs-γ)d3sinα/6(18)F1=πμ(γs-γ)d3cosα/6+(mΣj=1Τjsinθj/A+mΣj=1Τjcosθj/Atanφ)A1(19)其中取用F0,h取用公式(9)(11)α(坡面與水平面夾角)為30°時(shí),由表2可以得出如下結(jié)論:利用水利學(xué)原理,同樣證明了植物邊坡防護(hù)的作用.不同的植物的抗剪強(qiáng)度可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定,同時(shí)利用公式計(jì)算下滑力和抗滑力,可以判斷邊坡在植物防護(hù)下是否發(fā)生沖刷.綜上所述,利用泥沙沖刷理論和水力學(xué)原理,可以推出2種邊坡沖刷計(jì)算分析方法,從而分析植物對(duì)邊坡防沖刷的作用.計(jì)算分析方法中的參數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定,因此這2種邊坡沖刷計(jì)算分析方法具有可行性.3植物防護(hù)計(jì)算分析方法1)本文提出兩種邊坡植物防護(hù)的計(jì)算方法,通過(guò)算例分析比較,