河道邊坡侵蝕原理及其治理對策研究木

1、xxxx（揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，揚州， 225009）摘要：邊坡是各種河道及水利樞紐組成部分之一，作者從邊坡侵蝕基本理論出 發(fā)，分析植物根系固土基本原理，建立河道邊坡植物固土力學(xué)模型，并針對典型河道邊坡侵蝕形式提出幾種 河道邊坡植物固土方案。實驗證明植物根系通過與土體的纏繞等作用穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，增強河道邊坡土壤的抗沖 性能、增大了邊坡的安全系數(shù)，從而提高河道邊坡抗侵蝕的能力，同時又能將工程造價降低到傳統(tǒng)邊坡防護工 程造價的 15。關(guān)鍵詞：土壤侵蝕速率植物護坡加筋作用力學(xué)模型：植物籬1 引言隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到迅猛的發(fā)展。與此同 時，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與環(huán)境保護的矛盾也日益

2、突出。處理好這一矛盾是關(guān)系到我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的大事。從 國外一些工程實例中我們發(fā)現(xiàn)采用植物根系同土來維持邊坡穩(wěn)定、防止坡面侵 蝕不但能夠解決工程實際問題，又能將工程造價降低到傳統(tǒng)邊坡護坡造價的 1 5,而且也迎合了近年來講究人與自然和諧相處、重視生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護的 思想。植物固坡的實踐歷史久遠，最初主要用于河堤的護坡及荒山治理。在我國 春秋時期安徽壽縣 ?就出現(xiàn)了用草來加固土壩的水利工程。在明代就已有載植柳樹來加固與保護河岸的 方法，在 17 世紀(jì)就開始了用栽種樹木來保護黃河岸坡的實踐【 21。在中世紀(jì)， 法國、瑞士的運河就采用栽種樹木的方法來防護，在 17 世紀(jì)日本也已有栽植樹 木治理荒山

3、的記載。然而，植物固坡這一古老的技術(shù)直到 20 世紀(jì)初才被人們重 新認識、發(fā)展和應(yīng)用。我國在植物固坡技術(shù)應(yīng)用方面的研究起步較晚，以前一般多采用撒草種、 穴播或溝播、鋪草皮、片石骨架植草、空心六棱磚植草等護坡方式。直到 20 世紀(jì) 90年代以后植物邊坡 固土技術(shù)才在我國逐漸被認識、廣泛應(yīng)用于我國不同地區(qū)的公路、鐵路、市政 及水利等工程中的邊坡防護。2 河道邊坡侵蝕的基本原理河道邊坡土壤被坡面徑流逐步帶入河流，并進一步向下游傳輸。在此過程 中，土壤侵蝕始于面蝕，然后是溝渠的沖刷侵蝕和土體的運動。坡面的覆蓋條 件、地下水滲透壓力、邊度坡度和幾何特征發(fā)生變化時，邊坡的穩(wěn)定性會隨之 發(fā)生變化。最嚴(yán)重的邊

4、坡侵蝕問題是土體的滑動，它可能會引起土體的快速坍 塌。2 1 面蝕在雨滴的沖擊下，可以看到侵蝕開始時的土粒分離。水滴的動能會濺起土 壤顆粒，在平地上，土粒在各個方向的分布基本上是均勻的，但在坡地上，則 會向下傳輸。土壤被濺濕和地表徑流是引起面蝕、土壤表面剝蝕的原因。隨著 徑流的運動，土粒將隨水流流動傳送，最后在河底沉積下來。22 坡面的下切侵蝕，當(dāng)水流漫溢坡面時，就會發(fā)生土坡的下切侵蝕【 31。根據(jù)能量平衡原理， 坡面上端的總能量等于坡底處的總能量，由此可得：m：一所(1) s2mg(z,-z2+dI-d2)-r,pL2w吁一 K式中ms為移動土體的質(zhì)量；m為水體質(zhì)量；L/為坡面長度；P為濕周

5、；ZI 為坡面上端高度；Z2為坡面下端高度；dj為坡面上端水深；以為坡面下端水 深； g 為重力加速度； “為坡面上端水流速度；圪為坡面下端水流速度。土壤侵蝕速率為：第一作者簡介：高鵬， 1979年生，男，碩士，水工建筑物 E-maiI：jinehinia066163toni471 警：甘旦Q【畢-1】其中廓=mgE(z +4) (z2+吐 )】易二腳(曙-V,2)/ 223滲透破壞 i ps bd式中：織為土的密度：p 為水的密度； 4 為土體的橫斷面面積； Q 為流量； 0 為土體的抗剪強度； T為時間。式(2)表明，(B 一珞暉)/歷10 時，坡面下切破壞與 Qxx。滲透破壞也被稱做深層

6、破壞，這種破壞多見于土質(zhì)粗糙的自然坡底，這種 土中存在著很多孔隙，因此可以儲存大量的水，且滲透系數(shù)較大，在徑流過程 中水很容易地流進或流出以及在其內(nèi)部流動。滲水可源于雨水和冰雪融化以及 從上游流人的地下水。細小的土粒會逐漸被滲透水流帶走，沉積在坡腳的下部 或被途經(jīng)坡底部的溝 渠中的水流沖走。細小土粒被沖走和孔隙水的改變可能會 引起局部的塌陷【 4】，繼而產(chǎn)生邊坡破壞。邊坡的土壤組成、地下水位和滲透 速率是引起邊坡深層破壞的主要因素。3 河道邊坡植物固土的基本機理31 概述3 11 引言目前邊坡防護系統(tǒng)中大致有兩種。一種是以剛性建筑為主的工程防治措 施，且尤其以漿砌塊石、錨固和漿砌塊石、擋土墻等

7、最為常見。另一種新的防護方法是以植物根系同土為 基礎(chǔ)柔性防護系統(tǒng) 5，1 它不僅節(jié)省防護投資，達到防護的目的；更重要的是保 護生態(tài)、凈化空氣、綠化環(huán)境且造價低廉。故柔性防護方法正在公路、鐵路、 水利等工程領(lǐng)域中逐步替代傳統(tǒng)的砌石護坡、骨架護坡、砂漿封面等防護形式 而得到越來越廣泛的應(yīng)用 6。13 12 植物同土的功能及優(yōu)點?，植物固土與單純的工程護坡相比有以下的主要功能 72】：(1)護坡功能，。 根系的深層錨固作用； 淺根的加筋作用； 降低坡 體孔隙水壓力； 降雨截留、消弱濺蝕； 控制、防止水土流失。(2) 改善環(huán)境功能(3) 經(jīng)濟效益 對目前工程中運用較多的幾種護坡工程與植物固土護坡進行經(jīng)

8、濟效益分析 比較見表 1。表 1 各種防護體系經(jīng)濟效益比較 ?1厚度(cm)單價(元/ m2)備注，混凝土 25 300純混凝土漿砌塊xx3550250掛嘲噴混凝土 10130噴播植草 880 100植物同土護坡 8 10由表 1 可見，植物固土護坡比傳統(tǒng)的工程防護方法經(jīng)濟得多，故植物護坡 防護體系既能滿足工程防護的要求，同時又能因?qū)κ┕ざ馐芷茐牡纳鷳B(tài)環(huán)境起到恢復(fù)和綠化的作用。3 2 河道植物根系與土體作用力學(xué)模型321 概述 植物同坡對邊坡穩(wěn)定性的影響程度與植物根的直徑、長度以及根的延伸方 向密切相關(guān)。植物根穿過邊坡的可能滑移面，最理想的情況是能伸進基巖的裂隙中，能起到樁與錨桿的 作用，可

9、以將土層的剪切變換成植物根的拉伸作用。植物根系的長度是有限 的，一般限制在幾米范同以內(nèi)。3 22 河道植物根系對土體抗剪強度的影響 土體的物理性質(zhì)對土體的抗剪切強度影響很大。土體的抗剪強度與土體的 顆粒組成、容重、含水率等因素密切相關(guān)。植物根系的存在能明顯地改善土體的物理性質(zhì)，因而在一定 條件下：可以把土體抗剪強度的增472 -加歸結(jié)為植物根系存在的結(jié)果。綜上所述：在研究植物根系固坡的力學(xué)作用模型中，兩個最重要的參數(shù)是土體中植物 根系的分布規(guī)律和根的抗拉強度 （表 2）。兩者決定了土的抗剪強度的增加值，其意義不言而 喻。表 2 各種草類根系直徑、抗拉強度及抗拉力 m1323 河道植物根系與土體

10、作用的力學(xué)模型的建立通常情況下，根際土層可以理解為一個連續(xù)的并且具有增強了抗張強度的 根土復(fù)合層。由草本植物根系的分布特點可知 i 根系在土體中的分布密度是自地表向下逐漸減少，逐漸細 弱，在根系盤結(jié)的范圍內(nèi)，邊坡土體可看做由土和根系組成的三維的根一土復(fù) 合材料，根系如同纖維的作用，因此可按加筋土原理來分析邊坡土體的應(yīng)力狀 態(tài)。視內(nèi)聚力理論認為：加筋結(jié)構(gòu)可以看做是各向異性的復(fù)合材料。筋材與土的共同作用包括土的 抗剪力、土與筋材的摩擦阻力及筋材的抗拉力，使得加筋土的強度明顯提高。在分析根土相互作用模型H 一 5】時，把三維加筋的情況簡化成二維狀況 的平面分析，不考慮土體的孔隙水壓力的大小。在建立根

11、一土相互作用模型 時，通常假設(shè)根系為剛性和柔性狀態(tài)，通過分析、計算出根系所增加的抗剪強 度的上、下值。在剛性狀態(tài)下，若在面積為彳的土體內(nèi)，共有療個根，其中有 m 個正交 根，則有 ”一 m 個斜交根，根的抗拉力分別為兀，死，死， ?，瓦。，正交根剪切變形角分別為秒 1，秒 2, 8 3, ?，汐玎，斜交根根的延伸方向與剪切面的初始夾角分別為如+1,十2, +3, i。，剪切變形比分別k+1，k+2，k+3，?，屯。，則整個根系所增加 的抗剪強度為：r藝 xxsinOj 藝 zcosOjJJ J_,J_。2午+旦了一藝乃 sin（90。一膨）藝 Tj cos（90層）tango+塑 L 了一 +

12、乞式 eo：t 為由于根的加筋作用所增加的土體抗剪強度；?。簡胃目估Γ琖;鄉(xiāng)為剪切變形角；摩擦角；/ :根的延伸方向與剪切面的初始夾角。tan6p（3）p 為土體的內(nèi)在柔性狀態(tài)下,面積為 4 的土體內(nèi),共有,個根,根土復(fù)合體所增加總 的抗剪強度為:H IV藝乃cosSj藝tsin8j月以.t二型一+ 型一 tanxx (4) 式中：r 為單根的抗拉力， N ；占為根與水平軸所成的夾角；妒為土體的內(nèi)摩擦 角。在這兩種模型中，把植物根系簡化成剛性或柔性狀態(tài)下進行受力分析，兩 種方法計算出來的結(jié)果是根系所增加的抗剪強度的上、下界值。4 典型河道邊坡侵蝕對策研究4. 1 河道邊坡坡度與斷面結(jié)構(gòu)形式

13、在現(xiàn)有河段清淤過程中對于邊坡系數(shù)大于3. 0 的區(qū)段，清淤時不宜將清出的淤泥直接翻至邊坡上，這樣由于剛挖出的淤泥與現(xiàn)有坡面之間黏結(jié)力 很弱容易使剛挖出的淤泥又被重新沖回河道。為此，在河道清淤時應(yīng)將清出 的1 一謇 l . 1淤泥直接翻到岸堤。一。另外，在某些流量較大、邊坡沖蝕很嚴(yán)重的區(qū)段，邊坡可以分為兩段坡(即上坡面和下坡面 )，在坡中設(shè)置一條倒坡面作為攔截上坡面雨水和減小下坡面雨水沖蝕之用。詳見圖1。473 42 植物護坡結(jié)構(gòu)形式目前，植物護坡模式多樣，可大致分為：草皮護坡、樹枝護坡和草皮樹枝結(jié)合護坡。在草皮護坡中主要是各類草皮的選??；樹枝護坡大致有插枝護坡、干枝護坡、樹木移植護 坡；草皮樹

14、枝結(jié)合護坡主要是各類樹木和草皮的搭配。根據(jù)邊坡沖蝕機理，邊 坡在上、中、下三個區(qū)的沖蝕狀況有所不同，在有岸堤的河道中，岸堤附近沖 蝕較為輕緩，水面波動區(qū)受河水波動力的侵蝕和上中坡面的雨水沖刷較為嚴(yán) 重，邊坡面上主要是雨水的沖刷侵害。為了更合理地選取植物護坡模式我們可 以把坡面分為三個區(qū)段：岸堤區(qū)、面坡區(qū)、挺水區(qū)。見圖 2。至藝三二圖2，在岸堤區(qū)雖然雨水的沖刷較少，但是要考慮坡面的抗滑穩(wěn)定要求，因為 大多數(shù)的坡面整體滑移都始于岸堤區(qū)。所以在岸堤區(qū)要種植根系很發(fā)達的植 物，一般種植樹木較為合理如圖 3；在面坡區(qū)主要考慮坡面雨水的沖刷侵蝕，對 邊坡表面抗沖刷能力要求較高，可選的植物護坡模式較多；挺水

15、區(qū)因為經(jīng)常受 到河面波浪加之上坡面的雨水的沖刷，所以除了要考慮雨水的侵蝕外還要能減 緩河水水面的沖擊力，一般要選耐澇耐旱且根系較發(fā)達的挺水植物較為合適。圖34 21 岸堤區(qū)防護方案岸堤區(qū)的植物通常宜采用灌木、喬木等樹種。選取樹種的原則一般是要根 系較大、生命力旺盛、耐澇耐旱且生長速度較快，如 xx 類：柳樹品種很多，目前栽培較多的主要有垂柳和雜交柳，垂柳主要用于庭園 綠化，也是水鄉(xiāng)、平原、防浪護岸的重要造林樹種。柳樹生長迅速，材質(zhì)中 等，耐腐，可用做礦柱、農(nóng)具、膠合板、小型建筑、包裝箱、造紙和纖維用 材。422 挺水區(qū)防護方案挺水區(qū)一般種植一些挺水植物。常見的挺水植物有荷花及其系列品種，如 菖

16、蒲、燕子花、澤瀉、花藺、水芋、香蒲、水芹、雨久花、黑三棱、田蔥、水蔥、蘆葦、千屈草、紙莎 草、再力花等。423 面坡區(qū)防護方案根據(jù)邊坡沖蝕機理，面坡區(qū)的沖蝕破壞與諸多因素有關(guān)，所以面坡區(qū)的植 物護坡模式也較多。下面是幾種典型的面坡區(qū)護坡形式。423. 1xx草等高植物籬護坡香根草等高植物籬技術(shù)在應(yīng)用于河道和道路邊坡上防治水土流失、治理淺 層滑坡和塌方以及恢復(fù)植被等方面已經(jīng)被科學(xué)界和工程界證明為一項新型的、可行的技術(shù)方案。香根草 屬禾本科植物，具有諸多優(yōu)點。根系發(fā)達，一般可達地下2。6m深-3的土壤，；適應(yīng)性強，極耐干旱、 水淹的條件，耐酸堿性也極強；生長迅速、生長量大，形成植物籬速度快；繁 殖

17、容易，管理方便，不需精心養(yǎng)護；香根草適口性極差，因此一般受牛羊啃食 的機會概率不是很大；鮮有病蟲害，香根草本身含有芳香物質(zhì)、具殺菌消毒作 用；香根草抽穗開花，但極少結(jié)實，主要靠分縈繁殖，因此它不會成為雜草。 另外，河道護坡工程中生物措施中香根草成本較低，僅相當(dāng)于塌方清除費，與 護坡工程措施護坡成本對比，克服了偏遠山區(qū)取材不便，成本過高的缺點，具有簡便易行，一次成功無需過多養(yǎng)護的優(yōu)點，同時又具有生態(tài)環(huán)保的功效，因 此具有極大推廣應(yīng)用價值。423 2“干根網(wǎng)狀護坡法 ”【16】目前，公路邊坡上采用過 “干根網(wǎng)狀護坡法 ”，效果很理想且造價低廉，為 5一 12 元 m2 。其基本方法是：在坡面上挖方

18、格或菱形網(wǎng)，將干材埋入土中，使干梢或其干部間斷暴露，埋入土中的干材兩側(cè)生根，暴露部分萌 474 芽成林。埋人土中的部分占干材的 90，而暴露部分則占 10左右，提高 了苗木的成活率。埋人土中的干材兩側(cè)生根，根系較直式發(fā)達，面積也較大， 且網(wǎng)格狀本身也具有對坡面的防護作用，兩相結(jié)合，起到了固結(jié)土壤、防止水 土流失的作用，克服了植物防護早期防護能力差的弱點。4233 黃花菜植物籬護坡模式黃花菜除了經(jīng)濟價值之外還有它的發(fā)達的根系所提供的同土效果。黃花菜 植物籬護坡模式的優(yōu)點：1）與香根草相比黃花菜有很高的經(jīng)濟價值，這對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展有一定的 促進作用。而且，黃花菜的根系很發(fā)達，對坡面侵蝕和穩(wěn)定有很好

19、的抑制作用。 2）黃花菜栽培簡單、繁殖能力很強，在大面積栽培之前可提前購置少量苗 木用于苗木的自我繁殖，這樣可以節(jié)省工程在xx上的花銷；3）黃花菜的生長速度快，可很快發(fā)揮護坡效力。4）造價低廉，工程投資小。5 結(jié)論與展望隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護的重視，河道植物固土護坡技術(shù)將獲得更加廣泛 的應(yīng)用，其必將更多地取代傳統(tǒng)工程技術(shù)，如漿砌石、純混凝土等；或是與傳統(tǒng)的工程固坡措施相結(jié) 合，形成既能加固邊坡又能快速恢復(fù)植被的復(fù)合型固坡技術(shù)。本文針對河道邊 坡植物同土理論以及典型邊破侵蝕對策研究中遇到的問題進行了分析研究：(1) 植物根系能夠明顯增大邊坡土體的抗剪強度，增加了邊坡的抗滑穩(wěn)定安 全系數(shù)。本文通過

20、對植物的根系與土體的相互作用的研究分析，建立了植物根 系與土體作用的力學(xué)模型。這為定量分析植物根系與土體的相互關(guān)系提供了理 論依據(jù)。(2) 與單純的工程固坡措施相比，植物固坡有其自身的特點。為了更好地運 用植物固土護坡，應(yīng)與工程防護措施結(jié)合，揚長避短，使兩者發(fā)揮各自的長 處。(3) 定量的分析、建立植物根系與土體作用的理論模型還只是一個開端，還 有大量的研究探索工作需要繼續(xù)進行下去。在實際計算中不確定性因素很多， 希望本文能起到拋磚引玉的作用，期待著更全面、更完善的理論出現(xiàn)。參考文獻1】錢家歡，殷宗澤土工原理與計算Ml .北京：xx 水利水電出版社 1996【2】周躍土壤植被系統(tǒng)及其坡面生態(tài)工

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