工程香根草技术应用分析论文

利用植被（草或树）减轻侵蚀，稳定斜坡，已经有悠久的历史。沿习以来，主要是世代相传，继承前人的成功经验。过去10年，利用植被来固坡的“软”做法，越来越普及，大有超过利用非活性的人造物质来护坡的“硬”做法之势。究其原因，主要是人们担心工程开发会使环境退化。再者，人们对植被的知识和信息越来越了解，这就有助于工程的设计与实施。香根草直到不久前还不甚为人所知。其生长旺盛，根系深扎，兼有树木和草本的独特性质，可以防上侵蚀，控制地面土粒的浅层移动（这是斜坡稳定问题的一个指标）。新近的实验参数表明，香根草的根系非常强大，其平均抗张强度为75Mpa，或者是钢材抗张强度的六分之一。大量的根系增强了土壤的剪切力，因而也提高了斜坡的稳定性。斜坡土地工程的工程人员和设计者们在应用了香根草之后，获得了一些定量数据，从而在寻求解决斜坡稳定工程“答案”方面，更加得心应手。本文介绍几例在马来西亚公路建设中，应用香根草来增强坡地稳定性、减轻侵蚀方面的成功范例。

一、引言

侵蚀问题，尤其是因降雨造成的侵蚀问题以及相应的泥沙淤积问题，成为与今世界最严重的问题之一，有人甚至将其看作是为害至烈的人为危机（相当于地球的癌症）。土壤侵蚀的影响既有环境方面也有经济方面。在环境方面，土壤侵蚀会即时引起环境的美感黯然失色，长远来看，还会影响环境的水分状况，从而影响植物区系和动物区系。在经济方面，土壤侵蚀造成水库库容缩减，溪流、渠道流量锐减，洪水泛滥，从而必然采取疏浚或其他措施。

据估计，全世界每年有200亿吨土壤被冲刷掉。其中，中国的土壤冲刷量就占全球总量的25％。造成侵蚀的原因有农业，林业（砍伐）和建筑业等方面。农业就整个而言，造成的侵蚀量和堆积量均最大，不过，林业（砍伐）和建筑所造成的侵蚀形态却最集中。美国前些年所作的研究表明建筑业造成的侵蚀速率，平均为其他土地利用形式的20倍

东亚国家受季风气候影响极大。西南季风（4～10月）为该地带来了农业和其他行业所需的雨水，东北季风（11~3月）将北亚大陆的冷风带来。但东北季风曾经掠过南中国海，带来富含湿气的云团，在赤道地区如泰国内部，马来西亚和印度尼西亚，又造成另一轮降水。亚洲季风带地区雨量高、降水强度特别大，加上土壤母质固结不紧，使该地区成为世界上土壤侵蚀最严重的地区之一。

由于地质条件、坡地几何形状、土壤抗蚀强度、气候条件、地下水特性等条件的综合影响，斜坡的稳定性问题就会发生。斜坡不稳常常伴随着侵蚀现象发生。由于缺乏长远而适宜的防治措施而引起的多年土壤侵蚀峙引发斜坡不稳的问题。首先会发生土壤浅层流失，或者局部滑动，之后，会发生大规模的土壤流失。

不稳定性问题严重或深切侵蚀之地，应当应用工程措施（或者说是“非活性”措施或“硬措施”）加以整治，以保证其保持适度的安全性。对于浅层土壤流失或轻度侵蚀之地，则可以采用生物工程措施或生态工程措施加以整治。这些措施不但可以解决问题，而且会产生更加令人心旷神治的美丽景观一一这是当今世界一股具有环境意识的潮流。

二、用植被措施来增强斜坡稳定性和减轻土壤侵蚀

据记载，利用植被（活的或死的）来增强斜坡稳定性的方法古已有之。例如，记载说，中国的长城和巴格达的金字形神塔，均利用芦苇来加固土壤。400多年前的中国明朝，有一位姓潘的工程师利用柳树来加固堤坝。本世纪30年代，中于经济衰退，德语国家（奥地利、德国和瑞士）重拾这类古老方法，到70、80年代，这股古风吹及加拿大和美国。

在利用植被和其他草类来防治侵蚀，加固斜坡方面，欧美走在前头，但他们的方法一般应用于欧美比较温和湿润的气候条件。可是，正如在引言中所说，季风带一般雨量较大。在这样的气候条件下，设计完美、建筑坚固的斜坡也受尽考验，尽管这些斜坡具有令人满意的整体保护措施，但仍难免时时发生浅层流失和局部滑动现象。

面对上述问题，可利用植被来增强建好的斜坡的稳定性，以改善已发生的情况。所选用的树种一般是速生树种，如金合欢及原产澳洲的按树等。

近年来，有一些研究者研究了植被影响斜坡稳定性的因素。他们发现这些因素中包括了水文机制和力学机制。水文因素指降水截留量和蒸腾。由于降水截留和蒸腾作用，土壤孔隙的压力降低。同时渗漏和渗透率则提高。力学因素是指：植物生长增加了土壤的负荷，植物可以抗风，根系对土壤有加固作用。尽管数据收集范围还不是非常广泛，但现有资料已足以说明植被的净效益了：

1、植被能降低土壤孔隙压力。

2、由于树根的作用，土壤剪切力提高，增强了土体的粘附力（Cr）。这种作用与“加钢筋”的作用有些相似。

三、香根草——一种可以提高斜坡稳定性、减轻侵蚀的独特植物

香根草起源于印度。在那儿，从远古时代开始，农民就利用香根草作为土壤加固的植物。香根草能加固堤埂，形成水稻田田埂，还可以加固河流堤岸，加固水渠、水塘，防止土壤崩塌而落入水中。不过，农民虽然知道香根草有用，但却知其然而不知其所以然。随着印度人移居海外，这种草可能就被他们带到移居地，并在当地使用。因此，凡有印度人居住的地方，凡是印度文化影响所及之地，就可能发现香根草，并被应用于日常生活的各个方面。

80年代以来，自从DickGrimshaw和JohnGreenfield（从前属于世界银行）在印度和斐济“重新发现”香根草之后，香根草的应用有了令人印象深刻的进展。不过，这种应用多在农业水土保持方面，并获得不少的成果。此外，也有报道说，斜坡耕地种植香根草之后，不易发生土滑，土壤侵蚀问题较小，也易于控制。

虽说香根草（Vetiveriazizaniodies）属于禾本科（Graminae），但其并非是一种普通的草类。应当将香根草象竹子一样，看成是一类特殊的禾本科植物。

从形态看，香根草有点像柠檬草，其叶子挺立在地面之上，基部较硬（不致于倒状），叶子有些像甘蔗叶，只是小些。它的茎杆粗壮、坚硬，且木质化（像竹子），可以充当防治土壤侵蚀堤障的骨架。沿着斜坡等高线种植香根草，就像竖立了一排木栅一样。

香根草有两个特点很突出，使它成为防治土壤侵蚀，加固斜坡的理想植物。这就是：

1）香根草长势挺立，茎杆坚硬，3~4个月就可长成茂密的篱笆，从而能减慢径流，使之分配均匀，将侵蚀泥沙阻隔在篱笆之前。随着泥沙淤积高度增大，篱笆还可自我调节，随之长高。

2）它的根系长势甚猛、粗壮，下扎深度大，一年之间一般可深入地下2～3m，但依土壤不同而有差异（迄今根系最深的已录在泰国，为5.2m）。

由于香根争具有强大而深扎的根系，浓密长大的叶子，可以通过蒸腾作用减少土壤的水分（即土壤抽吸现象），从而有助于增强斜坡的稳定性。

马来西亚有数位研究者（K.F.Kon和F.W.Lim博士）研究了香根草在防治土壤侵蚀中的作用。他们发现，与裸露土地相比较，香根草能将地面径流减少73％，被侵蚀土壤（土壤流失）降低98％。马来西亚Kebangsaan大学（UKM）新近的研究表明，香根草对地表土壤流失的截留量为600g/m2，而牛草（AxonopusCompressus）仅能截留89g／m2。

香根草在工程界的应用，特别是在加强斜坡稳定性方面的应用，已经可以与其在农业方面的应用相提并论。今天，香根草应用的事例已经很多，在前人工作的基础上，也做出了一些极有效益的成果。但是，香根草的应用推广尚不广泛，究其原因，部分也许是因为缺乏有关香根草的“量化参数”。所以，应当引出精确的数学公式，导出一些经计算的数据，从而使工程人员真正相信香根草。下一节，就会概述几个工程试验，从而导出一些参数。

四、确定香根草集中工程特性的试验

树木和其他植物的根系，通过抗张力、摩擦力和粘附作用等，可以对土壤发挥像钢筋似的增强作用。在某同一地点，对由有根系的土壤以及无根系的土壤同时就地直接测定其剪切力，就可以定量地确定根系对土壤的增强作用或使剪切强度提高的程度。在同等条件下测出的有根系土壤和无根系土壤剪切强度值之差，就可以确定根系的增强作用，为了确定香根草对土壤的增强作用，选择了一条种植香根草的护坡，对其土壤剪切力进行大规模的直接测量，对于每一深度的剪切力，均以同样的剪切力测量条件，在相邻的一个有根系的土壤剖面和另一个无根系的土壤剖面同时测定。测量结果表明，根系在土壤中的穿扎，明显地增大了土壤的剪切强度。

在评价一种植物在斜坡稳定性中的作用时，确定其根系抗张强度性质也很重要。这是因为，与植物根系在土壤剖面中下扎，穿过一具潜在剪切面时，剪切面带的畸变会对根系产生张力，此张力相对剪切面的正切分量对剪切力施加直接的阻抗，而直交分量则对剪切力平面产生限制性压力。

为了确定很系的抗张强度，在一座堤坝的斜坡上生长的草龄为二年的香根草植株中采集成熟根的样本（供试的样本保持新鲜，采样时间与测试时间之间隔，最长不超过2小时，供试的根无分枝，笔直，长约15～20cm）。试样一头用一个木夹子与一台悬挂的弹簧称相连，垂直向下，另一头固定在一个拉手上，用手将拉手下拉，直至供试根断开为止，读出根断进的最大负荷数。根的抗张强度的定义为：草根最终张力除于草根截面积（根皮不算，其根皮的强度太小）之商。当草根直径范围为0.2～2.2mm时，香根草草根的抗张强度平均为180～40MPa。香根草草根的直径一般为0.7~0.8mm，此时，抗张强度约为75Mpa。该抗张强度约相当于一般钢材极限抗张强度的1／6。与许多硬木树种相比，香根草根的抗拉强度都是非常高的。尽管在0.7～0.8mm径级上，一些硬木的抗拉强度比香根草根的平均抗拉强度高，但硬木根的平均抗张强度却要低一些，因为它们树根的平均直径比香根草的平均直径要大得多。

另外，由于地表下香根草根系密度大，数量多，每一单位草根密度的剪切强度增加量（即6—10kPa／kg根／m3土壤）要比树木（3.2~3.7kPa/kg根／m3土壤）大得多。

由于香根草在陡坡（大于600）上能垂直生长、速生，而且能增强土壤的抗蚀力，所以，它在众多植物中脱颖而出，成为护坡植物。此外，香根草的根穿扎力特强，在植物中鹤立鸡群，可是这一性质尚未为人熟知。其“天赋”的强度和活力，使之能穿透硬磐，能在土壤砾石之间穿透，能穿透岩层之间的薄弱部分，甚至可以在沥青混凝土层中渗穿。

事实上，香根草根在土深2～3m范围内，所起的作用尤如是一个“活”的土壤铆钉，可以稳定斜坡。但平时，人们却一般采用“硬”的工程方法来治理。

五、香根草在工程上应用的一些例子

在马来西亚东西公路的斜坡治理工程中，香根草种植在充填式开挖的护坡、边坡上。这些路坡修筑在花岗岩为母质的残积土壤上，砂性大，极易受侵蚀。在长期的侵蚀中易于崩塌。香根草的种植垂直间距（VI）为1.0m，用于防治该种物质造成的严重侵蚀。在形成的香根草绿篱笆之间，种上落花生（Arachispintoi），这是一种生长速度快的豆科植物，用于在香根草绿篱未形成之前来覆盖所形成的小蚀沟，而已也可以向香根草供应养分，因为它能固氮。在附近地点的一个项目也显示了香根草的防侵蚀、稳定护坡的功能。本来，工程的主顾希望用石砌坡面来护坡，可是，这样做既不美观，也极费钱。

马来西亚西海岸凌家卫（Langkawi）疗养胜地岛屿的多方向水流被香根草制服。这种多方向水流会造成严重的土壤侵蚀。

在陡山岗（45～600）或较长（＞40m）的斜坡地上种植香根草后，即使不设置坝埂、梯田或排水设施，也能有效地稳定下来。

一个处于路边护坡坝址和果园边坡之间形成的水渠堤埂，通过栽植香根草，使其得以稳定。路边堤坝本身也是香根草绿篱加固的。由于过度采矿，未植香根草之前，坝址曾崩塌过。

在河岸中种上了香根草，使用香根草栏截附近土工地盘上流失的泥沙，使之不致于流入河中，污染河流。这是环境当局一个部门的指引。

下一例子是吉隆坡至卡拉克公路路边山坡在治理前和后的情况。该山坡也处于上述公路的引道路边。种植香根草时，该山坡已受到相当程度的侵蚀。可是，植草16个月之后，整个山坡已经郁郁葱葱，风传播种子的金合欢也长起来了，植草之后，该山坡也己稳定下来。

目前，香根草一般用于减轻侵蚀和边坡稳定两方面。若一个山坡需要治理时，其组成物质一般属于高度可蚀类型，不是一用贴草皮等其他方法来定植一般草类。

选用香根草来治理开挖山坡或填山坡与原状山坡地面（这种山坡由于长上大树，所以是稳定的）之间的地带。这些地带在几何形状上比设计或建成的山坡要陡，需要加以“加固”。但是，这些地带的坡度太陡，树长不起来。况且，即使能长树，也长得太慢，不能立竿见影，产生效益。

有许多开挖工程的余泥堆放地，也应当加固，尤其是那些靠近河岸陡坡上的余泥堆放地，更应加以固定。在这些地方种上香根草加上土工织物就可以防止泥砂被冲下河流，污染河道。在脆弱的边坡上种上香根草，有助于边坡稳定，使其不致崩塌掉入河流中。河岸边坡崩塌，是更为糟糕的问题。

在阴沟入口或路旁沟渠上种上香根草，可以拦截泥沙，使渠道不致淤塞，降低维护工作量。

整个来说，生长3~4个月的香根草就可以拦截泥沙；生长6~8个月，待根系长得又多又长时，便可发挥稳定护坡，堤坝的作用。

六、总结与结论

利用植物方法（绿色或“软“方法）来减轻或治理侵蚀，己经风行很长时间。在稳定斜坡过程中，在斜坡上种上树木或灌木，以防止山坡浅层物质流失，则是在近十余年内环境保护意识加强，而且工程资料积累较多之后，才风行起来。香根草是一种独特的草类。它的根系既长又壮，布满地下，可以增强土体。它的作用同其他树根相通，不过其种植更容易一些，见效也快一些。香根草的作用日益令人注目，被人接受：，日前，人们获得有关香根草的参数、资料更多，这就使工程师们能像应用其他草木一样，利用香根草治理斜坡。在高度风化的土壤条件下，香根草可以取代“硬的”或“非活性的”工程方法，成本低，也美观，由于香根草是“活性材料”，所以，它的应用成功与否，也取决于栽培它的农业技术是否高明。栽植得当，就可以充分地开发它的潜力。