极端天气条件下植物特征对边坡稳定性影响的机理研究

Vegetation provides a sustainable and environment-friendly approach to enhance shallow slope stability. Effects of plant characteristics (i.e., leaf and root characteristics) on pore-water pressure distribution and shallow slope stability under extreme weather condition (i.e., drought- rainstorm cycle) are not clear. This study aims to fill this gap by conducting laboratory tests, analytical solutions and numerical simulations. Firstly, element tests（direct shear test and unsaturated triaxial test）and soil column tests will be conducted to investigate (i) effects of root characteristics on hydraulic properties of unsaturated soils (including soil water retention curve and soil water permeability) under wetting-drying cycles; and (ii) effects of leaf and root characteristics on groundwater seepage and slope stability. Base on the test results, a new theoretical model of conjunctive surface and subsurface water flow will be developed by considering different leaf and root characteristics. Then, new analytical solutions for calculating slope stability will be derived, considering both hydrological and mechanical reinforcements of vegetation as well as plant characteristic under extreme weather condition. The outcomes of this study will not only shed lights on green slope engineering but also on mitigating soil erosion.

植物护坡是可持续且环境友好方法。在干旱-强降雨循环的极端天气下，植物特征（包括枝叶与根系特征)对土体孔隙水压力分布和浅层边坡稳定性的影响机理尚未明确。本项目通过试验与理论方法，研究极端天气下，植物特征对地下水渗流和边坡稳定性的影响机理。首先，开展室内单元试验（直剪与非饱和三轴试验）、土柱试验，揭示干湿循环下，根系特征对非饱和土水力特性（土体持水能力曲线和渗透系数）的影响规律。然后，采用模型槽试验研究植物特征对地下水渗流及边坡稳定性影响机理。基于实验数据，构建考虑植物特征的地表径流和地下水耦合流动理论模型。推导极端天气条件下，综合考虑植物特征、植物水力和力学加筋作用的边坡稳定性的解析解。该课题不仅对植物护坡，也对土体侵蚀等方面起到积极推动作用。

植物对土体孔隙水压力分布及边坡稳定性的影响尚不明确。植物的水力作用降低土体的孔隙水力，提高非饱和土抗剪强度, 改变非饱和土的渗透系数，影响降雨入渗；植物根系的力学加筋作用提高非饱和土的粘聚力。当前亟需研究极端气候-植物特征（包含枝叶和根系特征）-非饱和土互作用机理，研究成果可为边坡生态修复，绿色边坡设计提供科学依据。首先，本项目研发了一种用于模拟全天候下植被对非饱和土质边坡的水、气、热、力耦合运移影响的试验系统，为研究植被对地表径流、降雨入渗及边坡稳定性奠定了基础。其次，开展了土柱试验研究不同植物（香根草和百慕大草）对土体吸力分布和降雨入渗的影响。试验结果表明，长期干旱条件下，种植香根草土体的吸力大于种植百慕大草的土柱。同时，降雨期间种植香根草的土渗透速率最小，其次是种植百慕大的土体，裸土的降雨入渗率最大。主要原因是香根草的根表面积指数（RAI）和根长度均大于百慕大草。一方面，根系吸水降低土体含水量，根系越多土体初始吸力越高。另一方面，根系生长占据土体部分孔隙，减少降雨通道。最后，本研究推导了新的解析解，研究了不同形状根系的水力作用和力学作用对边坡稳定的影响。研究结果揭示了在一定条件下（如相同的土壤类型，根长度和边坡角度），指数型根系的对边坡稳定性的贡献大于均布型根系。根系的水力作用对边坡稳定性的影响深度约为根系长度的4倍。根系的水力和力学作用对边坡稳定性的贡献主要取决于蒸腾速率和根系抗拉强度。当蒸腾速率很小时（如潮湿天气），根系的力学作用控制边坡的稳定性。降雨后，植物的水力作用几乎消失，此时，根系的力学作用是影响边坡稳定的主要因素。实际工程中应选择根系抗拉强度高，浅层根系较多的植物，不仅能够实现边坡复绿，亦可提高浅层边坡的稳定性。项目组于2020-2022间共发表SCI论文4篇,1篇EI论文。申请发明专利1项，软件著作权2项。培养研究生2名。