基于改进土水特征曲线模型研究混凝土格栅—植被复合护坡对堤坡稳定性的影响

更安全的堤坝为何与日常生活息息相关

许多城镇依靠土堤防止河流和湖泊淹没居民区、农田和工厂。随着气候变化带来更强的风暴和更集中的降雨，工程师们正在寻找既能增强这些人工堤坝抗力又不把每条河岸都变成裸露混凝土的方法。本研究探讨了一种有前景的方案，将混凝土框架与生长的草地结合，展示了植物根系与简易结构支护如何协同工作，以在极端降雨下防止堤坡坍塌。

将混凝土强度与活体绿被融合

本文研究的堤坡防护体系把一组细窄的混凝土梁组成格栅，称为混凝土格栅，并在梁之间的空格中种植植被。混凝土格栅把坡面划分为许多小块，提供即时的物理支撑并抵抗波浪与地表径流侵蚀。草坪一旦成活，其根系会在每个小块的土体中交织，逐渐增加天然加固效果。该方法旨在将绿色坡面的生态效益——更低的表面温度、更好的栖息地和更舒适的景观——与传统混凝土防护的可靠性结合起来。

根系如何在地下悄然重塑土体

尽管地上植株看起来很纤细，但其根系对地下土体有深刻影响。作者通过更新一个广泛使用的曲线（将土壤含水率与毛细吸力联系起来）提出了一种新的描述方法，用以表示存在根系时土壤的持水特性。他们的关键观点是根系占据了土壤孔隙中的空间，减少了空气和水自由流动的空间。通过仔细考虑平均根径和单位体积土壤中根长的占比，他们建立了一个数学模型，预测有植被的土壤与裸土在保水性能上的差异。对取自中国洪泽湖堤坝的土样和百慕大草在实验室的测试表明，该模型与实测数据高度吻合，预测的土壤含水率误差保持在5%以内。

在虚拟风暴中测试堤坝安全性

有了这个改进的根系影响土壤的描述，研究人员构建了洪泽湖蓄洪区一个真实堤坡断面的精细数值模型。他们模拟了一次持续六小时的强降雨，并比较了四种情形：裸土、仅有混凝土格栅、仅有草皮，以及混凝土格栅—植被复合系统。他们跟踪坡体位移、渗流进入堤体的情况、永久变形区的范围，以及表征堤坝临近失稳程度的总体“安全系数”。裸坡位移最大，安全系数最低。仅混凝土或仅草皮各自均能改进稳定性，但复合体系的位移最小、安全系数最高，且其效果远大于两者简单相加。

根系特性与格栅尺寸的最佳组合

团队随后探讨了哪些设计细节最重要。他们发现，对于典型草种，增加根径对稳定性的提升仅为适度；但提高根系在土壤孔隙中的填充密度则能显著提高堤坡安全性，直到某一阈值。超过该阈值后继续增加根量效果有限，因为土壤减缓水渗入的能力已接近饱和。相比之下，混凝土格栅的间距对结果影响较大：小格距能更紧密约束坡体并提高安全系数，而过大的格距则削弱约束效应，降低安全收益。结果表明，工程设计应侧重于培育健康、密集的根系网络，并选择在安全性与施工成本之间取得平衡的格栅间距。

对防洪的启示

对非专业读者来说，结论清晰明了：将适量混凝土与经过合理选择的植被结合起来，在暴雨情况下比单独使用任一方法更能提升土堤的安全性。根系帮助土壤在不致过度饱和和变得滑腻的情况下保持水分，而混凝土格栅则支撑表层并减少深层滑动。通过精确展示根系性质和格栅间距如何影响安全性，这项研究为设计更绿色、更具韧性的防洪体系提供了实用指导，使社区在受保护的同时仍能保持河岸的生态功能。

引用: Liu, S., Gu, H., Shen, F. et al. Influence of a concrete lattice–vegetation composite revetment on levee slope stability based on an improved SWCC model. Sci Rep 16, 5245 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36357-w

关键词: 堤坝稳定性, 植被根系, 混凝土格栅, 生态护坡, 暴雨