Влияние корневой системы древесной растительности на устойчивость склонов

ВЕСТНИК 1/2011

ВЛИЯНИЕ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СКЛОНОВ

THE INFLUENCE OF ROOT SYSTEM OF WOOD VEGETATION ON THE SLOPES STABILITY

И.Б. Рыжков, Р.Ф. Мустафин, A.A. Арсланов I.B. Ryzhkov, R.F. Mustafin, A.A. Arslanov

ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ»

В статье рассматривается вопрос о том, как корневая система древесной растительности влияет на устойчивость склонов. Приводятся результаты исследования корневых систем древесной растительности. Определяется количественная величина содержания корней в грунтово-корневом слое.

The question as the root system of wood végétation influences the stability of slopes is considered in the article. The research results of root systems of wood vegetation are given. The quantitative size of the roots maintenance is defined in the phreatic - root layer.

В настоящее время оценка устойчивости склонов основывается на математических моделях, которые в значительной мере нуждаются в дополнениях и поправках, отражающих специфику каждого конкретного случая, т.е. компенсирующих влияние факторов, которые эти модели не учитывают. В связи с тем, что многие из таких факторов весьма неопределенны и довольно плохо поддаются схематизации, упомянутые поправки зачастую вводятся интуитивно на основе накопленного инженерного опыта.

Наименее определенной оказывается оценка влияния древесно-кустарниковой растительности на изучаемых склонах, хотя сама способность растущих на склонах деревьев и кустарника снижать опасность оползней является хорошо известным фактом. Практически во всех регионах нашей страны можно найти примеры, когда уничтожение растительности приводило к обрушению склонов, которые до этого многие десятилетия сохраняли устойчивость. Напротив, наличие растительности в ряде случаев удерживало от обрушения склоны, которые по расчетам должны были бы обрушиться. В нормах по инженерной защите территорий СНиП 22-02-2003 [4] агролесомелиорация рассматривается как одно из важнейших противооползневых мероприятий. Аналогичное отношение к растительности на склонах характерно и для зарубежных норм. Тем не менее, ни в нашей стране, ни за рубежом никаких количественных методов учета влияния древесно-кустарниковой растительности не выработано. Посадка деревьев на склонах обычно рассматривается как мероприятие, обеспечивающее «дополнительный запас устойчивости» этих склонов без какой-либо количественной оценки этого «запаса». Такой подход несет в себе неизбежный субъективизм, т.е. зависимость предлагаемых инженерных решений от взглядов лица, принимающего подобные решения. Это, бесспорно, можно считать недостатком существующего подхода.

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

Очевидно, что выработка представлений, правильно отражающих механизм возникновения дополнительных удерживающих сил, обусловленных древесной растительностью, могла бы существенно повысить эффективность оценок устойчивости склонов. По этой причине в отделе механики грунтов института БашНИИстрой и на кафедре природообустройства, строительства и гидравлики Башгосагроуниверситета в 2005...2009 годах проводились исследования, целью которых была выработка способа количественного учета влияния корневой системы деревьев на устойчивость склонов. Были изучены особенности строения корневых систем деревьев, оценена их сопротивляемости оползневым нагрузкам и предложена приближенная методика расчета устойчивости склонов, учитывающая наличие на них растительности. Ниже излагаются основные результаты этих исследований.

Конфигурация корневых ответвлений сложна и в целом носит случайный характер, сугубо индивидуальный у каждого дерева. Этот факт, хорошо известный специалистам-лесоводам, работающим в области изучения корневой системы деревьев и кустарника (корневедения) [2, 3], с достаточной очевидностью проявился при нашем обследовании обнаженных корней деревьев на размываемых паводковыми водами берегах р. Белой в северной части г. Уфы (рис. 1). Выявление какой-либо пространственной закономерности, которую можно было бы обобщенно описать простыми геометрическими образами, практически исключается.

Рис. 1. Типичный вид частично обнаженной (размытой) корневой системы дерева

Исследованиями в области корневедения установлено, что корневая система деревьев развивается преимущественно вширь (в горизонтальном направлении). При этом зона корней дерева обычно охватывает площадь в несколько раз большую, чем его крона. При небольших расстояниях между деревьями (несколько метров) происходит взаимное проникание корневых систем, так что у поверхности земли образуется сплошной слой 2...2,5.м, состоящий из грунта, пронизанного густой сетью корней всевозможных направлений (рис. 2). Этот слой имеет повышенное сопротивление срезу, поэтому, покрывая собственно склон и его гребень, он образует «грунтово-корневой тюфяк», который способен увеличивать сопротивляемость склона оползневым деформациям.

ВЕСТНИК МГСУ

1/2011

Рисунок 2 Грунтово-корневой слой, образуемый деревьями, удаленными друг от друга на несколько метров

Представляется целесообразным рассматривать «грунтово-корневой тюфяк» как область грунта, которая случайным образом пронизывается большим числом корневых ответвлений. В качестве математической модели такой области может быть принят некий «топологический образ» - беспорядочное переплетение «нитей» разного диаметра. Поверхность скольжения при оползне должна «перерезать» не только грунт, но и упомянутое корневые ответвления, поэтому сопротивляемость грунтово-корневого массива будет определяться не только прочностью грунта, но и количеством пересекаемых корневых ответвлений, их диаметрами, их прочностью.

Упомянутые факторы могут быть оценены количественно, т.е. «удерживающая функция» корней может быть оценена по суммарной площади корневых ответвлений, пересекаемых поверхностью оползневого скольжения. Такую площадь практически невозможно определять непосредственным измерением, но ее можно оценить косвенно, по объемной концентрации корней в грунтово-корневом слое, что представляет в значительной мере решенную задачу. Такие вопросы достаточно подробно изучались специалистами-лесоводами (специализировавшихся в сфере упомянутого корневеде-ния), которыми проведено много натурных исследований и разработаны эмпирические методы определения объемов корневой древесины [2]. Эти объемы устанавливаться приближенно по характеристикам надземной части деревьев, т.е. по диаметрам их стволов, густоте их расположения в плане. При этом учитываются породы деревьев, их возраст и некоторые другие сведения.

Более сложным оказывается переход от «объемной» концентрации корневой древесины, к соответствующей ей «плоскостной» концентрации, т.е. к выявлению доли суммарной площади сечения корневых ответвлений в поверхности среза. При использовании упомянутой выше модели «клубка нитей», возникает чисто математическая задача: как, зная долю нитей в рассматриваемом объеме, приближенно оценить долю площади этих нитей в произвольном сечении этого объема. Готового решения такой задачи авторам настоящей статьи найти не удалось, поэтому решение было получено, путем переосмысления одного известного положения геометрии пористой среды - «принципа Акера-Кавальери». Сущность его в том, что в статистически изотропной пористой среде доля пор общем объеме этой среды, в произвольном плоском ее сечении и вдоль произвольной линии остается примерно одинаковой [1]. Естественно, что вместо пор могут рассматриваться твердые частицы, находящиеся в любой отличающейся от них среде. Если предположить, что поры (или частицы) находятся в

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

беспорядочном («броуновском») движении, и рассматривать процесс их перемещения в четырехмерном пространстве-времени (х-у-г-*, где * - время), то поры превращаются в переплетающиеся нити (рис. 3). Физический смысл используемых параметров с формально-математической точки зрения не должен иметь какого-либо значения, т.е. геометрические закономерности должны оставаться одними и теми же, является ли какая-либо координата «пространственной» или «временной». Любое сечение такого четырехмерного пространства-времени будет трехмерной средой.

Если рассматривать трехмерные «сечения», в которых одна из координат является временем * (т.е. х-у-1, х-г-*, у-г-*,), то в них пористая (или заполненная твердыми включениями) среда превращается в среду, заполненную переплетающимися нитями (рис. 36).

Любая прямая линия, будучи изображенной в координатах «длина - время», превращается в плоскость. Так как принцип Акера-Кавальери справедлив для любого момента времени и, то на этой плоскости («длина - время») концентрация инородных частиц (пор, нитей) должна быть такой же, как и на образующей прямой линии. По этой причине любая плоскость аРуб, пересекающая выделенный объем в осях х - у - * (рис. 36), пересекает координатную плоскость хОу по прямой а5, на которой концентрация частиц (нитей) будет такой же, как на плоскости аРуб.. Это же относится и к выделенным объемам в осях х - г - * и у - г - *. Во всех случаях концентрация (пористость) должна быть примерно одинаковой, равной отношению объема нитей к общему объему выделенного пространства, где эти нити находятся.

Рисунок 3 Схема, поясняющая переход от системы с замкнутыми порами (твердыми

частицами) к переплетению нитей: а - двухфазная система (поры или инородные частицы в однородной среде), находящаяся в состоянии беспорядочного движения частиц (пор) в момент времени *, изображенная в трехмерном пространстве с координатами х - у- г (длина - ширина -высота); б - то же в четырехмерном пространстве с координатами х - у - г - * (длина -

ширина - высота - время);

Таким образом, принцип Акера-Кавальери должен быть справедлив и для беспорядочного переплетения (клубка) нитей. Иными словами, если в выделенном объеме V содержится «беспорядочный» клубок нитей объемом v, так что отношение v/V будет равно некоторой величине £, то в плоскости любого сечения выделенного объема отношение площади пересекаемых нитей а к общей площади этого сечения А, т.е. а/А, будет приблизительно равно той же величине

ВЕСТНИК 1/2011

Из сказанного вытекает вывод, что в любом сеченнн грунтово-корневого слоя доля площади пересекаемых корней (в общей площади этого сечения) будет приблизительно равна доле объема этих корней в данном грунтово-корневом слое. Это значит, что в грун-тово-корневом слое содержащем, например, 0,1% корней, в любом сечении площадь пересекаемых корней также будет составлять 0,1% от общей площади сечения. В этом случае, если грунтово-корневой слой толщиной 2,5м пересекается плоскостью скольжения нормально (перпендикулярно к его поверхности), то на 1м его протяженности будет приходиться 2,5.м2 общей площади среза (2,5x1) и 0,0025.м2 площади сечения корней (2,5x0,001). При наклонном сечении этого слоя, например, под углом 40°, эти величины составят соответственно 3,27 м2 и 0,00327 м2 (2,5/cos40° = 3,27 м2, 0,0025/cos 40° = 0,00327м2).

Требует подробного изучения характер разрушения корней при пересечении их поверхностью скольжения, т.е. необходимо выяснить является ли такое разрушение срезом, изломом или разрывом. Очевидно, что это должно зависеть от многих факторов, влияние которых нужно уточнять. Однако на данном этапе исследования можно предположить, что гибкость большинства корневых ответвлений очень мала, а среда, в которой происходит разрушение (грунт) - податлива, поэтому срез практически исключен, а излом (разрушение от изгиба) маловероятен. Наиболее вероятным представляется разрыв, т.е. разрушение корней от растяжения. Это и принималось в качестве исходного положения в наших расчетах.

Работа в данном направлении продолжается. Результаты расчетов будут представлены в последующих публикациях.

Литература:

1. Бабков В. В., Полак А.Ф. К вопросу о геометрии иорового пространства // Строительство предприятий нефтепереработки и нефтехимии: Труды БашНИИстроя, вып. IV. -М.: Строй-издат, 1965. -С. 483-487.

2. Калинин М. И. Корневедение. - М.: Экология, 1991. -173с.

3. Косоуров Ю. Ф. Мелиоративно-хозяйственное освоение эродированных овражно-балочных и крутосклонных земель в Башкирии. - Уфа: Минлесхоз РБ, 1996. -168с.

4. СНиП 22-02-2003 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП 2004. 40с.

Bibliography:

1. Babkov V. V, Polak A. F. To a question on geometry ostiole spaces//Building of the enterprises of oil refining and petro chemistry: Works of BashNIIstroja, issue IV. - TH.: the System-izdat, 1965. - With. P.483-487.

2. Kalinin M. I. Kornevedenie. - TH.: Ecology, 1991.-p.173.

3. Kosourov U. F. Ameliorative development erodes ovrazhno-balochnyh and hillside the earth's in Bashkiria. - Ufa: Ministry of forestry RB, 1996.-p.168.

4. BNandR 22-02-2003 Engineering protection of territories, buildings and constructions from dangerous geological processes. Substantive provisions / Gosstroy of Russia. - TH.: State Unitary Enterprise TSPP 2004. P.40.

Ключевые слова: Склон, растительность, агролесомелиорация, кустарник, деревья, корень, исследование, устойчивость.

Keywords: slope, vegetation, agrosilviculture, bush, trees, root, investigation, stability.

450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д.34. Тел. (8-926)3799073 azat-arslanov@mail.ru

Рецензент: Крупное Евгений Иванович, доцент, кандидат технических наук, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет.