三峡库区几种耐水淹植物根系力学特征与土壤抗剪强度

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1、三峡库区几种耐水淹植物根系力学特征与土壤抗剪强度　　摘要：为明确耐水淹植物根系的力学特征及其对土壤抗剪强度的增强效应，研究了10种耐水淹植物根系的根体积密度、不同径级的最大抗拉力，计算了各物种根系的平均抗剪强度、对土壤的抗剪强度理论增强值，并测量了根系对土壤的抗剪强度实际增强值。研究发现：①不同耐水淹物种根系的平均最大抗拉力和平均抗剪强度差异较大，它们的值分别在4.25～14.81N及6.55～28.94MPa之间，其中，甜根子草的平均最大抗拉力最大，达到了14.81N，显著高于其他所有物种；狗牙根和香附子有较大的平均抗剪强度，分别为28.94和22.06MPa，显著高于其他物种，而空心

2、莲子草最低。②不同物种根系的最大抗拉力随根系径级的增加而增大，其关系均符合幂函数方程y=axb（P<0.001）；③不同物种根系的抗剪强度随径级的变化而变化，除卡开芦、牛鞭草和秋华柳外，其变化特征符合方程y=a+bx+cx2（P<0.05）；④不同物种的根系对土壤抗剪强度的增强值不一样，就理论值而言，香附子增加值最大，其值为1.16MPa，显著高于其他物种，其次为荻和香根草等；从实际测量值来看，香附子对土壤抗剪强度增加值也最大，其值达到了27.5211MPa，显著高于其他物种，其次为荻和香根草等。结果表明，植物根系的最大抗拉力及抗剪强度与根系的径级关系密切；根系对土壤抗剪强度的增强值与根

3、系的抗剪强度密切相关，实际应用Wu-Waldron模型还需考虑其他因素的影响；香附子具有较强的增强土壤抗剪能力，其次为荻和香根草等，空心莲子草和狗牙根的增强作用相对较弱。　　关键词：三峡库区消落区；抗剪强度；根系力学特征；根系径级　　中图分类号：S157；Q948文献标识码：A文章编号：0439-8114（2016）18-4664-07　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.012　　消落区是指因水位周期性变动而形成的一段特殊区域，三峡库区形成以后，在库区两岸会形成最高垂直落差达30m、长约600km的消落区[1，2]。按照三峡工程调度方案

4、和受库区自然气候的影响，三峡库区消落区将要长期遭受冬春季不同强度的水淹和夏秋季较强的雨水及其形成地表径流的冲蚀，长期水淹会造成消落区内原有植被的退化，进而也会影响库区库岸边坡土体的稳定，甚至会出现坡体崩塌的风险。　　大量的工程实践和室内试验表明，土体的破坏大多数是剪切破坏，土体受到剪切破坏时会产生抵抗这种破坏的抗剪切力，单位土体产生的抵抗土体剪切破坏时最大阻抗力，称为土壤抗剪强度，是一个反映土体抗崩塌、抗滑坡的重要指标[3]。土壤的抗剪强度符合库仑定律[4]：　　S=σtanФ+C（1）　　其中，S表示土壤的抗剪强度（kPa），σ为法向应力（kPa），垂直于剪切力方向；Ф11为土壤内磨擦

5、角，C为土壤粘聚力（kPa）。植物可以通过地下的根系来锚固坡体、增加土壤的抗剪强度。植物根系增强土体抗剪强度普遍采用Wu-Waldron模型[5，6]（图1），假设根的表面受到足够的摩擦力和约束力使根不被拉出，当土体中有剪切力发生时，根被拉断的瞬间发挥出最大抗拉力F和抗剪强度Tr，结合库仑定律，根土复合体抗剪强度的增量为：　　ΔS=Tr?sinθ+Tr?cosθ=Tr（sinθ+cosθ?tanФ）（2）　　对穿过剪切面上所有发挥作用的根系而言，土体抗剪强度的增量则变为：　　ΔS=TR（AR/AS）（sinθ+cosθ?tanФ）（3）　　Wu等[6，7]在野外及室内试验基础上，发现（s

6、inθ+cosθ?tanФ）对θ、Ф的通常变化范围（40°≤θ≤70°，20°≤Ф≤40°）不敏感，其值基本保持在1.0～1.3范围内，因此，穿过剪切面上的所有根系对土体抗剪强度的增量通常简写为：　　ΔS=1?2TR（AR/AS）（4）　　其中，TR为穿过剪切面所有发挥作用的根系平均抗剪强度，AR为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和，AS为土体截面积，AR/AS为剪切面上所有发挥作用的根系截面积之和与土体截面积之比，称为根面积比。在实际应用中，根体积比具有较好的可操作性，因此研究者用根体积比（单位土壤体积中的根系体积）替换根面积比[8]，即AR/AS=（AR?h）/（AS?h）=VR/

7、VS，（VR为所有根系的体积，VS为根系所占土壤的体积，h表示根系及土壤的所占体积的高度），则公式（4）变为：　　ΔS=1?2TR（VR/VS）（5）11　　土体边坡的不稳定通常分为浅层滑坡和深层滑坡，与深层滑坡相比，浅层滑坡发生的频率较大，并与植被关系密切[3，9]。利用植被尤其是林木树种来稳定河流及库岸边坡已有多年的研究经验[8，10-13]，然而三峡库区消落区水淹的深度和强度是罕见的，为兼顾对库区航运安全的影响，利用高大或挺水