河道边坡侵蚀原理及其治理对策研究木.doc

河道边坡侵蚀原理及其治理对策研究木高鹏严文群(扬州大学水利科学与工程学院，扬州，225009)摘要：边坡是各种河道及水利枢纽组成部分之一，作者从边坡侵蚀基本理论出发，分析植物根系固土基本原理，建立河道边坡植物固土力学模型，并针对典型河道边坡侵蚀形式提出几种河道边坡植物固土方案。实验证明植物根系通过与土体的缠绕等作用稳定土体结构，增强河道边坡土壤的抗冲性能、增大了边坡的安全系数，从而提高河道边坡抗侵蚀的能力，同时又能将工程造价降低到传统边坡防护工程造价的15。关键词：土壤侵蚀速率植物护坡加筋作用力学模型：植物篱1 引言随着我国经济建设的蓬勃发展，基础设施建设得到迅猛的发展。与此同时，基础设施建设与环境保护的矛盾也日益突出。处理好这一矛盾是关系到我国经济持续发展的大事。从国外一些工程实例中我们发现采用植物根系同土来维持边坡稳定、防止坡面侵蚀不但能够解决工程实际问题，又能将工程造价降低到传统边坡护坡造价的1￥5，而且也迎合了近年来讲究人与自然和谐相处、重视生态建设和环境保护的思想。植物固坡的实践历史久远，最初主要用于河堤的护坡及荒山治理。在我国春秋时期安徽寿县就出现了用草来加固土坝的水利工程。在明代就已有载植柳树来加固与保护河岸的方法，在17世纪就开始了用栽种树木来保护黄河岸坡的实践【21。在中世纪，法国、瑞士的运河就采用栽种树木的方法来防护，在17世纪日本也已有栽植树木治理荒山的记载。然而，植物固坡这一古老的技术直到20世纪初才被人们重新认识、发展和应用。我国在植物固坡技术应用方面的研究起步较晚，以前一般多采用撒草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方式。直到20世纪90年代以后植物边坡固土技术才在我国逐渐被认识、广泛应用于我国不同地区的公路、铁路、市政及水利等工程中的边坡防护。2河道边坡侵蚀的基本原理河道边坡土壤被坡面径流逐步带入河流，并进一步向下游传输。在此过程中，土壤侵蚀始于面蚀，然后是沟渠的冲刷侵蚀和土体的运动。坡面的覆盖条件、地下水渗透压力、边度坡度和几何特征发生变化时，边坡的稳定性会随之发生变化。最严重的边坡侵蚀问题是土体的滑动，它可能会引起土体的快速坍塌。21 面蚀在雨滴的冲击下，可以看到侵蚀开始时的土粒分离。水滴的动能会溅起土壤颗粒，在平地上，土粒在各个方向的分布基本上是均匀的，但在坡地上，则会向下传输。土壤被溅湿和地表径流是引起面蚀、土壤表面剥蚀的原因。随着径流的运动，土粒将随水流流动传送，最后在河底沉积下来。22坡面的下切侵蚀， ， ，当水流漫溢坡面时，就会发生土坡的下切侵蚀【31。根据能量平衡原理，坡面上端的总能量等于坡底处的总能量，由此可得： m： 一所(1)s2 mg(z,-z2+dI-d2)-r,pL2w吁一K式中ms为移动土体的质量；m为水体质量；L为坡面长度；P为湿周；Zl为坡面上端高度；Z2为坡面下端高度；dj为坡面上端水深；以为坡面下端水深；g为重力加速度；“为坡面上端水流速度；圪为坡面下端水流速度。土壤侵蚀速率为：第一作者简介：高鹏，1979年生，男，硕士，水工建筑物E-mail：jinehinia066163toni471警：旦Q【毕-1】i ps bd其中廓=mgE(z，+4)一(z2+吐)】易=脚(曙-V,2)2式中：织为土的密度：p为水的密度；4为土体的横断面面积；Q为流量；0为土体的抗剪强度；T为时间。式(2)表明，(B一珞晖)历10时，坡面下切破坏与Q成正比。23渗透破坏渗透破坏也被称做深层破坏，这种破坏多见于土质粗糙的自然坡底，这种土中存在着很多孔隙，因此可以储存大量的水，且渗透系数较大，在径流过程中水很容易地流进或流出以及在其内部流动。渗水可源于雨水和冰雪融化以及从上游流人的地下水。细小的土粒会逐渐被渗透水流带走，沉积在坡脚的下部或被途经坡底部的沟渠中的水流冲走。细小土粒被冲走和孔隙水的改变可能会引起局部的塌陷【4】，继而产生边坡破坏。边坡的土壤组成、地下水位和渗透速率是引起边坡深层破坏的主要因素。3河道边坡植物固土的基本机理31 概述311 引言目前边坡防护系统中大致有两种。一种是以刚性建筑为主的工程防治措施，且尤其以浆砌块石、锚固和浆砌块石、挡土墙等最为常见。另一种新的防护方法是以植物根系同土为基础柔性防护系统51，它不仅节省防护投资，达到防护的目的；更重要的是保护生态、净化空气、绿化环境且造价低廉。故柔性防护方法正在公路、铁路、水利等工程领域中逐步替代传统的砌石护坡、骨架护坡、砂浆封面等防护形式而得到越来越广泛的应用61。312植物同土的功能及优点，植物固土与单纯的工程护坡相比有以下的主要功能72】：(1)护坡功能，。根系的深层锚固作用；浅根的加筋作用；降低坡体孔隙水压力；降雨截留、消弱溅蚀；控制、防止水土流失。(2)改善环境功能(3)经济效益对目前工程中运用较多的几种护坡工程与植物固土护坡进行经济效益分析比较见表1。表1 各种防护体系经济效益比较1厚度(cm) 单价(元m2) 备注，混凝土2530 300 纯混凝土浆砌块石3550 250挂嘲喷混凝土10 130喷播植草8 80100植物同土护坡810由表1可见，植物固土护坡比传统的工程防护方法经济得多，故植物护坡防护体系既能满足工程防护的要求，同时又能因对施工而遭受破坏的生态环境起到恢复和绿化的作用。32河道植物根系与土体作用力学模型321 概述植物同坡对边坡稳定性的影响程度与植物根的直径、长度以及根的延伸方向密切相关。植物根穿过边坡的可能滑移面，最理想的情况是能伸进基岩的裂隙中，能起到桩与锚杆的作用，可以将土层的剪切变换成植物根的拉伸作用。植物根系的长度是有限的，一般限制在几米范同以内。322河道植物根系对土体抗剪强度的影响土体的物理性质对土体的抗剪切强度影响很大。土体的抗剪强度与土体的颗粒组成、容重、含水率等因素密切相关。植物根系的存在能明显地改善土体的物理性质，因而在一定条件下：可以把土体抗剪强度的增472加归结为植物根系存在的结果。综上所述：在研究植物根系固坡的力学作用模型中，两个最重要的参数是土体中植物根系的分布规律和根的抗拉强度(表2)。两者决定了土的抗剪强度的增加值，其意义不言而喻。表2各种草类根系直径、抗拉强度及抗拉力m1323河道植物根系与土体作用的力学模型的建立通常情况下，根际土层可以理解为一个连续的并且具有增强了抗张强度的根土复合层。由草本植物根系的分布特点可知i根系在土体中的分布密度是自地表向下逐渐减少，逐渐细弱，在根系盘结的范围内，边坡土体可看做由土和根系组成的三维的根一土复合材料，根系如同纤维的作用，因此可按加筋土原理来分析边坡土体的应力状态。视内聚力理论认为：加筋结构可以看做是各向异性的复合材料。筋材与土的共同作用包括土的抗剪力、土与筋材的摩擦阻力及筋材的抗拉力，使得加筋土的强度明显提高。在分析根土相互作用模型H一5】时，把三维加筋的情况简化成二维状况的平面分析，不考虑土体的孔隙水压力的大小。在建立根一土相互作用模型时，通常假设根系为刚性和柔性状态，通过分析、计算出根系所增加的抗剪强度的上、下值。在刚性状态下，若在面积为彳的土体内，共有疗个根，其中有m个正交根，则有”一m个斜交根，根的抗拉力分别为兀，死，死，瓦。，正交根剪切变形角分别为秒1，秒2，8 3，汐玎，斜交根根的延伸方向与剪切面的初始夹角分别为如+l，十2，+3，i。，剪切变形比分别k+1，k+2，k+3，屯。，则整个根系所增加的抗剪强度为：r弓sinOjz cosOjJ J J_l ，J_ 。2午+旦了一 乃sin(90。一膨)Tj cos(90。一层)tango+塑L了一+乞式eo：t为由于根的加筋作用所增加的土体抗剪强度；丁：单根的抗拉力，；乡为剪切变形角；摩擦角；：根的延伸方向与剪切面的初始夹角。tan6p (3)p为土体的内在柔性状态下，面积为4的土体内，共有，个根，根土复合体所增加总的抗剪强度为：H 乃cosSjt sin8j t=型+型tan伊 (4)月以式中：r为单根的抗拉力，N；占为根与水平轴所成的夹角；妒为土体的内摩擦角。在这两种模型中，把植物根系简化成刚性或柔性状态下进行受力分析，两种方法计算出来的结果是根系所增加的抗剪强度的上、下界值。4典型河道边坡侵蚀对策研究41 河道边坡坡度与断面结构形式在现有河段清淤过程中对于边坡系数大于30的区段，清淤时不宜将清出的淤泥直接翻至边坡上，这样由于刚挖出的淤泥与现有坡面之间黏结力很弱容易使刚挖出的淤泥又被重新冲回河道。为此，在河道清淤时应将清出的1一謇l1淤泥直接翻到岸堤。一。另外，在某些流量较大、边坡冲蚀很严重的区段，边坡可以分为两段坡(即上坡面和下坡面)，在坡中设置一条倒坡面作为拦截上坡面雨水和减小下坡面雨水冲蚀之用。详见图1。47342植物护坡结构形式目前，植物护坡模式多样，可大致分为：草皮护坡、树枝护坡和草皮树枝结合护坡。在草皮护坡中主要是各类草皮的选取；树枝护坡大致有插枝护坡、干枝护坡、树木移植护坡；草皮树枝结合护坡主要是各类树木和草皮的搭配。根据边坡冲蚀机理，边坡在上、中、下三个区的冲蚀状况有所不同，在有岸堤的河道中，岸堤附近冲蚀较为轻缓，水面波动区受河水波动力的侵蚀和上中坡面的雨水冲刷较为严重，边坡面上主要是雨水的冲刷侵害。为了更合理地选取植物护坡模式我们可以把坡面分为三个区段：岸堤区、面坡区、挺水区。见图2。至三二图2，在岸堤区虽然雨水的冲刷较少，但是要考虑坡面的抗滑稳定要求，因为大多数的坡面整体滑移都始于岸堤区。所以在岸堤区要种植根系很发达的植物，一般种植树木较为合理如图3；在面坡区主要考虑坡面雨水的冲刷侵蚀，对边坡表面抗冲刷能力要求较高，可选的植物护坡模式较多；挺水区因为经常受到河面波浪加之上坡面的雨水的冲刷，所以除了要考虑雨水的侵蚀外还要能减缓河水水面的冲击力，一般要选耐涝耐旱且根系较发达的挺水植物较为合适。图3421岸堤区防护方案岸堤区的植物通常宜采用灌木、乔木等树种。选取树种的原则一般是要根系较大、生命力旺盛、耐涝耐旱且生长速度较快，如柳树类：柳树品种很多，目前栽培较多的主要有垂柳和杂交柳，垂柳主要用于庭园绿化，也是水乡、平原、防浪护岸的重要造林树种。柳树生长迅速，材质中等，耐腐，可用做矿柱、农具、胶合板、小型建筑、包装箱、造纸和纤维用材。422挺水区防护方案挺水区一般种植一些挺水植物。常见的挺水植物有荷花及其系列品种，如菖蒲、燕子花、泽泻、花蔺、水芋、香蒲、水芹、雨久花、黑三棱、田葱、水葱、芦苇、千屈草、纸莎草、再力花等。423面坡区防护方案根据边坡冲蚀机理，面坡区的冲蚀破坏与诸多因素有关，所以面坡区的植物护坡模式也较多。下面是几种典型的面坡区护坡形式。4231 香根草等高植物篱护坡香根草等高植物篱技术在应用于河道和道路边坡上防治水土流失、治理浅层滑坡和塌方以及恢复植被等方面已经被科学界和工程界证明为一项新型的、可行的技术方案。香根草属禾本科植物，具有诸多优点。根系发达，一般可达地下2。6m深31的土壤，；适应性强，极耐干旱、水淹的条件，耐酸碱性也极强；生长迅速、生长量大，形成植物篱速度快；繁殖容易，管理方便，不需精心养护；香根草适口性极差，因此一般受牛羊啃食的机会概率不是很大；鲜有病虫害，香根草本身含有芳香物质、具杀菌消毒作用；香根草抽穗开花，但极少结实，主要靠分萦繁殖，因此它不会成为杂草。另外，河道护坡工程中生物措施中香根草成本较低，仅相当于塌方清除费，与护坡工程措施护坡成本对比，克服了偏远山区取材不便，成本过高的缺点，具有简便易行，一次成功无需过多养护的优点，同时又具有生态环保的功效，因此具有极大推广应用价值。4232 “干根网状护坡法”【16】目前，公路边坡上采用过“干根网状护坡法”，效果很理想且造价低廉，为5一12元m2。其基本方法是：在坡面上挖方格或菱形网，将干材埋入土中，使干梢或其干部间断暴露，埋入土中的干材两侧生根，暴露部分萌474芽成林。埋人土中的部分占干材的90，而暴露部分则占10左右，提高了苗木的成活率。埋人土中的干材两侧生根，根系较直式发达，面积也较大，且网格状本身也具有对坡面的防护作用，两相结合，起到了固结土壤、防止水土流失的作用，克服了植物防护早期防护能力差的弱点。4233黄花菜植物篱护坡模式黄花菜除了经济价值之外还有它的发达的根系所提供的同土效果。黄花菜植物篱护坡模式的优点：1)与香根草相比黄花菜有很高的经济价值，这对当地的经济发展有一定的促进作用。而且，黄花菜的根系很发达，对坡面侵蚀和稳定有很好的抑制作用。2)黄花菜栽培简单、繁殖能力很强，在大面积栽培之前可提前购置少量苗木用于苗木的自我繁殖，这样可以节省工程在苗木上的花销；3)黄花菜的生长速度快，可很快发挥护坡效力。4)造价低廉，工程投资小。5结论与展望随着人们对生态环境保护的重视，河道植物固土护坡技术将获得更加广泛的应用，其必将更多地取代传统工程技术，如浆砌石、纯混凝土等；或是与传统的工程固坡措施相结合，形成既能加固边坡又能快速恢复植被的复合型固坡技术。本文针对河道边坡植物同土理论以及典型边破侵蚀对策研究中遇到的问题进行了分析研究： 二(1)植物根系能够明显增大边坡土体的抗剪强度，增加了边坡的抗滑稳定安全系数。本文通过对植物的根系与土体的相互作用的研究分析，建立了植物根系与土体作用的力学模型。这为定量分析植物根系与土体的相互关系提供了理论依据。(2)与单纯的工程固坡措施相比，植物固坡有其自身的特点。为了更好地运用植物固土护坡，应与工程防护措施结合，扬长避短，使两者发挥各自的长处。(3)定量的分析、建立植物根系与土体作用的理论模型还只是一个开端，还有大量的研究探索工作需要继续进行下去。在实际计算中不确定性因素很多，希望本文能起到抛砖引玉的作用，期待着更全面、更完善的理论出现。参考文献1】钱家欢，殷宗泽土工原理与计算MI北京：中国水利水电出版社1996【2】周跃土壤植被系统及其坡面生态工程意义J】，山地学报，1999， 17(3)2242293】Einstein H SThe Bed-load Function for Sediment Transoportatnn in Open Channel Flow s(M)US Department ofAgriculture Soil Conserv Seru TechBull 1020一l 950【4】Ellison WDStudies ofRaindrop Erosion【J】Agricultural Engineering 1944(25)：13l一1365】卢彭真柔性防护系统在公路护坡中的应用J】东北公路，2000，23，(2)6】张华君，吴曙光边坡生态防护方法和植物的选择J】公路交通技术，2004(2)【7】谭少华，汪益敏高速公路边坡生态防护技术研究进展与思考J】水土保持研究，2004，lI(3)8】王可钧，李悼芬植物固坡的力学简析【J】岩石力学与工程学报，1998，17(6)：687691【9】李绍才，孙海龙中国岩石边坡植被护坡技术现状及发展趋势【J】资源环境，2004，26(增刊)：6l。6610】杨永兵，施斌，杨卫东，等边坡治理中的植物固坡法【J】水文地质工程地质，2002(1)：6468【ll】周颖，曹映泓高速公路路基边坡环境综合治理J】岩土力学，2001，22(4)：4554581 2J Tsukamoto Y and Kusakabe Vegetative influences on debris slide occurrences 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