工程香根草技術應用分析論文

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利用植被（草或樹）減輕侵蝕，穩定斜坡，已經有悠久的歷史。沿習以來，主要是世代相傳，繼承前人的成功經驗。過去10年，利用植被來固坡的“軟”做法，越來越普及，大有超過利用非活性的人造物質來護坡的“硬”做法之勢。究其原因，主要是人們擔心工程開發會使環境退化。再者，人們對植被的知識和信息越來越了解，這就有助于工程的設計與實施。香根草直到不久前還不甚為人所知。其生長旺盛，根系深扎，兼有樹木和草本的獨特性質，可以防上侵蝕，控制地面土粒的淺層移動（這是斜坡穩定問題的一個指標）。新近的實驗參數表明，香根草的根系非常強大，其平均抗張強度為75Mpa，或者是鋼材抗張強度的六分之一。大量的根系增強了土壤的剪切力，因而也提高了斜坡的穩定性。斜坡土地工程的工程人員和設計者們在應用了香根草之后，獲得了一些定量數據，從而在尋求解決斜坡穩定工程“答案”方面，更加得心應手。本文介紹幾例在馬來西亞公路建設中，應用香根草來增強坡地穩定性、減輕侵蝕方面的成功范例。

一、引言

侵蝕問題，尤其是因降雨造成的侵蝕問題以及相應的泥沙淤積問題，成為與今世界最嚴重的問題之一，有人甚至將其看作是為害至烈的人為危機（相當于地球的癌癥）。土壤侵蝕的影響既有環境方面也有經濟方面。在環境方面，土壤侵蝕會即時引起環境的美感黯然失色，長遠來看，還會影響環境的水分狀況，從而影響植物區系和動物區系。在經濟方面，土壤侵蝕造成水庫庫容縮減，溪流、渠道流量銳減，洪水泛濫，從而必然采取疏浚或其他措施。

據估計，全世界每年有200億噸土壤被沖刷掉。其中，中國的土壤沖刷量就占全球總量的25％。造成侵蝕的原因有農業，林業（砍伐）和建筑業等方面。農業就整個而言，造成的侵蝕量和堆積量均最大，不過，林業（砍伐）和建筑所造成的侵蝕形態卻最集中。美國前些年所作的研究表明建筑業造成的侵蝕速率，平均為其他土地利用形式的20倍

東亞國家受季風氣候影響極大。西南季風（4～10月）為該地帶來了農業和其他行業所需的雨水，東北季風（11~3月）將北亞大陸的冷風帶來。但東北季風曾經掠過南中國海，帶來富含濕氣的云團，在赤道地區如泰國內部，馬來西亞和印度尼西亞，又造成另一輪降水。亞洲季風帶地區雨量高、降水強度特別大，加上土壤母質固結不緊，使該地區成為世界上土壤侵蝕最嚴重的地區之一。

由于地質條件、坡地幾何形狀、土壤抗蝕強度、氣候條件、地下水特性等條件的綜合影響，斜坡的穩定性問題就會發生。斜坡不穩常常伴隨著侵蝕現象發生。由于缺乏長遠而適宜的防治措施而引起的多年土壤侵蝕峙引發斜坡不穩的問題。首先會發生土壤淺層流失，或者局部滑動，之后，會發生大規模的土壤流失。

不穩定性問題嚴重或深切侵蝕之地，應當應用工程措施（或者說是“非活性”措施或“硬措施”）加以整治，以保證其保持適度的安全性。對于淺層土壤流失或輕度侵蝕之地，則可以采用生物工程措施或生態工程措施加以整治。這些措施不但可以解決問題，而且會產生更加令人心曠神治的美麗景觀一一這是當今世界一股具有環境意識的潮流。

二、用植被措施來增強斜坡穩定性和減輕土壤侵蝕

據記載，利用植被（活的或死的）來增強斜坡穩定性的方法古已有之。例如，記載說，中國的長城和巴格達的金字形神塔，均利用蘆葦來加固土壤。400多年前的中國明朝，有一位姓潘的工程師利用柳樹來加固堤壩。本世紀30年代，中于經濟衰退，德語國家（奧地利、德國和瑞士）重拾這類古老方法，到70、80年代，這股古風吹及加拿大和美國。

在利用植被和其他草類來防治侵蝕，加固斜坡方面，歐美走在前頭，但他們的方法一般應用于歐美比較溫和濕潤的氣候條件。可是，正如在引言中所說，季風帶一般雨量較大。在這樣的氣候條件下，設計完美、建筑堅固的斜坡也受盡考驗，盡管這些斜坡具有令人滿意的整體保護措施，但仍難免時時發生淺層流失和局部滑動現象。

面對上述問題，可利用植被來增強建好的斜坡的穩定性，以改善已發生的情況。所選用的樹種一般是速生樹種，如金合歡及原產澳洲的按樹等。

近年來，有一些研究者研究了植被影響斜坡穩定性的因素。他們發現這些因素中包括了水文機制和力學機制。水文因素指降水截留量和蒸騰。由于降水截留和蒸騰作用，土壤孔隙的壓力降低。同時滲漏和滲透率則提高。力學因素是指：植物生長增加了土壤的負荷，植物可以抗風，根系對土壤有加固作用。盡管數據收集范圍還不是非常廣泛，但現有資料已足以說明植被的凈效益了：

1、植被能降低土壤孔隙壓力。

2、由于樹根的作用，土壤剪切力提高，增強了土體的粘附力（Cr）。這種作用與“加鋼筋”的作用有些相似。

三、香根草——一種可以提高斜坡穩定性、減輕侵蝕的獨特植物

香根草起源于印度。在那兒，從遠古時代開始，農民就利用香根草作為土壤加固的植物。香根草能加固堤埂，形成水稻田田埂，還可以加固河流堤岸，加固水渠、水塘，防止土壤崩塌而落入水中。不過，農民雖然知道香根草有用，但卻知其然而不知其所以然。隨著印度人移居海外，這種草可能就被他們帶到移居地，并在當地使用。因此，凡有印度人居住的地方，凡是印度文化影響所及之地，就可能發現香根草，并被應用于日常生活的各個方面。

80年代以來，自從DickGrimshaw和JohnGreenfield（從前屬于世界銀行）在印度和斐濟“重新發現”香根草之后，香根草的應用有了令人印象深刻的進展。不過，這種應用多在農業水土保持方面，并獲得不少的成果。此外，也有報道說，斜坡耕地種植香根草之后，不易發生土滑，土壤侵蝕問題較小，也易于控制。

雖說香根草（Vetiveriazizaniodies）屬于禾本科（Graminae），但其并非是一種普通的草類。應當將香根草象竹子一樣，看成是一類特殊的禾本科植物。

從形態看，香根草有點像檸檬草，其葉子挺立在地面之上，基部較硬（不致于倒狀），葉子有些像甘蔗葉，只是小些。它的莖桿粗壯、堅硬，且木質化（像竹子），可以充當防治土壤侵蝕堤障的骨架。沿著斜坡等高線種植香根草，就像豎立了一排木柵一樣。

香根草有兩個特點很突出，使它成為防治土壤侵蝕，加固斜坡的理想植物。這就是：

1）香根草長勢挺立，莖桿堅硬，3~4個月就可長成茂密的籬笆，從而能減慢徑流，使之分配均勻，將侵蝕泥沙阻隔在籬笆之前。隨著泥沙淤積高度增大，籬笆還可自我調節，隨之長高。

2）它的根系長勢甚猛、粗壯，下扎深度大，一年之間一般可深入地下2～3m，但依土壤不同而有差異（迄今根系最深的已錄在泰國，為5.2m）。

由于香根爭具有強大而深扎的根系，濃密長大的葉子，可以通過蒸騰作用減少土壤的水分（即土壤抽吸現象），從而有助于增強斜坡的穩定性。

馬來西亞有數位研究者（K.F.Kon和F.W.Lim博士）研究了香根草在防治土壤侵蝕中的作用。他們發現，與裸露土地相比較，香根草能將地面徑流減少73％，被侵蝕土壤（土壤流失）降低98％。馬來西亞Kebangsaan大學（UKM）新近的研究表明，香根草對地表土壤流失的截留量為600g/m2，而牛草（AxonopusCompressus）僅能截留89g／m2。

香根草在工程界的應用，特別是在加強斜坡穩定性方面的應用，已經可以與其在農業方面的應用相提并論。今天，香根草應用的事例已經很多，在前人工作的基礎上，也做出了一些極有效益的成果。但是，香根草的應用推廣尚不廣泛，究其原因，部分也許是因為缺乏有關香根草的“量化參數”。所以，應當引出精確的數學公式，導出一些經計算的數據，從而使工程人員真正相信香根草。下一節，就會概述幾個工程試驗，從而導出一些參數。

四、確定香根草集中工程特性的試驗

樹木和其他植物的根系，通過抗張力、摩擦力和粘附作用等，可以對土壤發揮像鋼筋似的增強作用。在某同一地點，對由有根系的土壤以及無根系的土壤同時就地直接測定其剪切力，就可以定量地確定根系對土壤的增強作用或使剪切強度提高的程度。在同等條件下測出的有根系土壤和無根系土壤剪切強度值之差，就可以確定根系的增強作用，為了確定香根草對土壤的增強作用，選擇了一條種植香根草的護坡，對其土壤剪切力進行大規模的直接測量，對于每一深度的剪切力，均以同樣的剪切力測量條件，在相鄰的一個有根系的土壤剖面和另一個無根系的土壤剖面同時測定。測量結果表明，根系在土壤中的穿扎，明顯地增大了土壤的剪切強度。

在評價一種植物在斜坡穩定性中的作用時，確定其根系抗張強度性質也很重要。這是因為，與植物根系在土壤剖面中下扎，穿過一具潛在剪切面時，剪切面帶的畸變會對根系產生張力，此張力相對剪切面的正切分量對剪切力施加直接的阻抗，而直交分量則對剪切力平面產生限制性壓力。

為了確定很系的抗張強度，在一座堤壩的斜坡上生長的草齡為二年的香根草植株中采集成熟根的樣本（供試的樣本保持新鮮，采樣時間與測試時間之間隔，最長不超過2小時，供試的根無分枝，筆直，長約15～20cm）。試樣一頭用一個木夾子與一臺懸掛的彈簧稱相連，垂直向下，另一頭固定在一個拉手上，用手將拉手下拉，直至供試根斷開為止，讀出根斷進的最大負荷數。根的抗張強度的定義為：草根最終張力除于草根截面積（根皮不算，其根皮的強度太小）之商。當草根直徑范圍為0.2～2.2mm時，香根草草根的抗張強度平均為180～40MPa。香根草草根的直徑一般為0.7~0.8mm，此時，抗張強度約為75Mpa。該抗張強度約相當于一般鋼材極限抗張強度的1／6。與許多硬木樹種相比，香根草根的抗拉強度都是非常高的。盡管在0.7～0.8mm徑級上，一些硬木的抗拉強度比香根草根的平均抗拉強度高，但硬木根的平均抗張強度卻要低一些，因為它們樹根的平均直徑比香根草的平均直徑要大得多。

另外，由于地表下香根草根系密度大，數量多，每一單位草根密度的剪切強度增加量（即6—10kPa／kg根／m3土壤）要比樹木（3.2~3.7kPa/kg根／m3土壤）大得多。

由于香根草在陡坡（大于600）上能垂直生長、速生，而且能增強土壤的抗蝕力，所以，它在眾多植物中脫穎而出，成為護坡植物。此外，香根草的根穿扎力特強，在植物中鶴立雞群，可是這一性質尚未為人熟知。其“天賦”的強度和活力，使之能穿透硬磐，能在土壤礫石之間穿透，能穿透巖層之間的薄弱部分，甚至可以在瀝青混凝土層中滲穿。

事實上，香根草根在土深2～3m范圍內，所起的作用尤如是一個“活”的土壤鉚釘，可以穩定斜坡。但平時，人們卻一般采用“硬”的工程方法來治理。

五、香根草在工程上應用的一些例子

在馬來西亞東西公路的斜坡治理工程中，香根草種植在充填式開挖的護坡、邊坡上。這些路坡修筑在花崗巖為母質的殘積土壤上，砂性大，極易受侵蝕。在長期的侵蝕中易于崩塌。香根草的種植垂直間距（VI）為1.0m，用于防治該種物質造成的嚴重侵蝕。在形成的香根草綠籬笆之間，種上落花生（Arachispintoi），這是一種生長速度快的豆科植物，用于在香根草綠籬未形成之前來覆蓋所形成的小蝕溝，而已也可以向香根草供應養分，因為它能固氮。在附近地點的一個項目也顯示了香根草的防侵蝕、穩定護坡的功能。本來，工程的主顧希望用石砌坡面來護坡，可是，這樣做既不美觀，也極費錢。

馬來西亞西海岸凌家衛（Langkawi）療養勝地島嶼的多方向水流被香根草制服。這種多方向水流會造成嚴重的土壤侵蝕。

在陡山崗（45～600）或較長（＞40m）的斜坡地上種植香根草后，即使不設置壩埂、梯田或排水設施，也能有效地穩定下來。

一個處于路邊護坡壩址和果園邊坡之間形成的水渠堤埂，通過栽植香根草，使其得以穩定。路邊堤壩本身也是香根草綠籬加固的。由于過度采礦，未植香根草之前，壩址曾崩塌過。

在河岸中種上了香根草，使用香根草欄截附近土工地盤上流失的泥沙，使之不致于流入河中，污染河流。這是環境當局一個部門的指引。

下一例子是吉隆坡至卡拉克公路路邊山坡在治理前和后的情況。該山坡也處于上述公路的引道路邊。種植香根草時，該山坡已受到相當程度的侵蝕。可是，植草16個月之后，整個山坡已經郁郁蔥蔥，風傳播種子的金合歡也長起來了，植草之后，該山坡也己穩定下來。

目前，香根草一般用于減輕侵蝕和邊坡穩定兩方面。若一個山坡需要治理時，其組成物質一般屬于高度可蝕類型，不是一用貼草皮等其他方法來定植一般草類。

選用香根草來治理開挖山坡或填山坡與原狀山坡地面（這種山坡由于長上大樹，所以是穩定的）之間的地帶。這些地帶在幾何形狀上比設計或建成的山坡要陡，需要加以“加固”。但是，這些地帶的坡度太陡，樹長不起來。況且，即使能長樹，也長得太慢，不能立竿見影，產生效益。

有許多開挖工程的余泥堆放地，也應當加固，尤其是那些靠近河岸陡坡上的余泥堆放地，更應加以固定。在這些地方種上香根草加上土工織物就可以防止泥砂被沖下河流，污染河道。在脆弱的邊坡上種上香根草，有助于邊坡穩定，使其不致崩塌掉入河流中。河岸邊坡崩塌，是更為糟糕的問題。

在陰溝入口或路旁溝渠上種上香根草，可以攔截泥沙，使渠道不致淤塞，降低維護工作量。

整個來說，生長3~4個月的香根草就可以攔截泥沙；生長6~8個月，待根系長得又多又長時，便可發揮穩定護坡，堤壩的作用。

六、總結與結論

利用植物方法（綠色或“軟“方法）來減輕或治理侵蝕，己經風行很長時間。在穩定斜坡過程中，在斜坡上種上樹木或灌木，以防止山坡淺層物質流失，則是在近十余年內環境保護意識加強，而且工程資料積累較多之后，才風行起來。香根草是一種獨特的草類。它的根系既長又壯，布滿地下，可以增強土體。它的作用同其他樹根相通，不過其種植更容易一些，見效也快一些。香根草的作用日益令人注目，被人接受：，日前，人們獲得有關香根草的參數、資料更多，這就使工程師們能像應用其他草木一樣，利用香根草治理斜坡。在高度風化的土壤條件下，香根草可以取代“硬的”或“非活性的”工程方法，成本低，也美觀，由于香根草是“活性材料”，所以，它的應用成功與否，也取決于栽培它的農業技術是否高明。栽植得當，就可以充分地開發它的潛力。