（水工结构工程专业论文）植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用.pdf

中文摘要 河道是水利工程的重要组成部分，河道边坡侵蚀是水利工程常见的工程实际 问题。在大中型城市或入口密集的坡段，河道边坡防护一般是采用浆砌石、干砌 石或混凝土护坡等工程措施，这样的护坡虽然能起到防止雨水对坡面的冲蚀和风 浪对边坡的冲刷作用，但对环境有一定负面影响，且造价昂贵。 从国内外一些工程实例中我们发现， 边坡稳定，不但能够解决工程实际问题， 采用植物根系固土防止坡面侵蚀，维持 又能大大降低工程造价。但是，研究表 明，迄今为止，从理论到试验，从河道边坡工程侵蚀机理出发，系统的研究植物 固土护坡的机理和植物根系固土的力学模型，并对不同植物固土护坡模型进行试 验研究的还很少。本文主要内容有： ( 1 ) 从河道边坡侵蚀的机理入手，分析河道边坡侵蚀的类型及形式； ( 2 ) 从植物固土基本机理出发，分析植物根系对边坡抗侵蚀的影响； ( 3 ) 系统地从力学角度出发，分析植物根系固土的基本力学模型； ( 4 ) 针对典型河道断面优选护坡模型； ( 5 ) 通过试验手段，比较分析植物固土方案的效果。 关键词：河道边坡 植物篱 侵蚀机理 力学模型 植物固土 抗滑稳定 a b s t r a c t r i v e ri sai m p o r t a n tp a r to fw a t e rc o n s e r v a n c ye n g m e e r m g s l o p ee r o s i o no fr i v e ri snc o m m o n e n g i n e e r i n gp r o b l e r r t i nw e l l - - d e v e l o p e dc i t i e so rd e n s e l yp o p u l a t e da r e a s ，p r o t e c f o no fr i v e rs l o p ei s g e n e r a l l yc h o o s em a s o n r y d r yn 丝s o n r yo rc o n c i s er e v e t m e n tm e a s u r e s t h o u g ht h em e a s u l e sc a ns o l v e p r a c t i c a lp r o b l e m s ，i ti sc o s t l y ，a n dh a v es o m eb a de f f e c t so ne n v i r o n m e n t f r o m t h ee x a m p l e so f s o m e p r o j e c t s a t h o m ea n da b r o a d w e f o u n d t h a t ：s o i l - b i o e n g i n e e r i n gu s e d 协 p m t e c tf i v e rs l o p en o to n l yc a ns o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m s , b u ta l s oc a nr e d u c e dp r o j e c tc o s tg r e a t l y h o w e v e r , t h es t u d ys h o w s c u r r e n t l y ，f r o mt h e o r yt oe x p e r i m e n tw o r i ( s ，a n a l y s i so fs o i l - b i o e n g i n e e r i n g f r o md a er w e rs b p ee r o s i o nt os l o p es t a b i l i t ya r el a c k i n g t h ef o l l o w i n ga r ci n c l u d e d ： ( 1 ) ，f r o m t h e 口o i o n m e c h a n i s mo f f i v e r a n a l y s i s l h e t y p e a n d f o r mo f r i v e rs l o p e e r o s i o n ； ( 2 ) f r o mt h eb a f i cm e c h a n i s mo fp l a n t sr e i n f o e h a gs o i ts t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a n tr o o t sa n d s o i le r o s i o no f r i v e r ； ( 3 ) f r o mf i l ev i e wo f t h em e c h a n i c ss y s t e m l ym a a l y s eb a s i cm e c h a n i c sm o d e lo f p l a n tm o b t or e i n f o r c i n g s o i lo nt h ef i v e rs l o p e ； ( 4 ) s e l e c tm o d e l so nt y p i c a ls e c t i o no f r i v c r ； ( 5 ) f e a s i b i l j 【ys t u d yw i t he x p e r i m e n t a t i o no ns o i l - b i o e n g i n e e r i n gm o d e l k e y w o r d s ：r i v e rs l o p e e r o s i o nm e c h a n i s ms o l i ds o i lb yp l a n tt o o l s s o i l b i o e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm o d e l s l o p i n gs t a b i l i t y 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用 1 第一章绪论 1 1 问题的提出 边坡侵蚀和边坡稳定是水利工程经常遇到的工程实际问题。在护坡工程中， 通常采用浆砌块石、干砌块石或混凝土护坡，这样的护坡虽然能起到防止雨水对 坡面的冲蚀和风浪对边坡的冲刷作用，但不能有效防止坡面滑动，且造价昂贵。 因此，这种护坡通常较多的应用在重点工程或经济发展较好的地区，在一些经济 欠发达的地区，受经济等条件的限制，往往采用降低边坡角度的方法来维持边坡 的稳定，并通过年复一年的河道清淤来维持河道的正常运行，这样既占用农田又 不能从根本上解决工程实际问题，而且频繁的河道清淤也给管理部门带来了很大 的人力、财力压力。 从以往工程实例中我们不难发现，在有植被和没有植被以及在不同类型的植 被条件下，河道边坡侵蚀形式及侵蚀破坏的严重程度有着明显的不同。坡面植被 能在很大程度上减轻边坡侵蚀，增加边坡稳定性。 国内外的一些水利工程实践表明：采用植物根系固土来维持边坡稳定，防止 坡面侵蚀，增加河道边坡抗滑稳定性，不但能够解决工程实际问题，而且也能大 大降低工程造价( 约为传统边坡护坡造价的八分之一) 。近年来，随着经济和社会 的发展，人们越来越重视生态建设和环境保护，采用植物根系固土护坡，能大大 改善水利工程生态环境。综上所述，用植物固土护坡代替传统护坡，不仅能保持 河道边坡稳定、提高河道边坡的抗侵蚀能力，大大降低造价，而且能改善生态环 境，因而具有良好的应用前景。 扬州大学硕士研究生论文 1 2 研究背景 1 2 1 植物国土护坡的历史及进展 植物固土护坡的实践有着久远的历史，最初主要用于河堤的护坡及荒山治理。 在我国，早在春秋时期( 公元前5 9 8 5 9 1 年) 安徽寿县【l 】就出现了用草来加固土坝的 水利工程；在明朝就有了通过栽植柳树来加固与保护河岸的实例；在1 7 世纪就有 用栽种树木来保护黄河岸坡的记载【2 】。中世纪，法国、瑞士的运河就采用栽种树木 的方法来防护保护岸坡。在日本1 7 世纪就有栽植树木治理荒山的记载，二战以后， 大规模的公路建设更为其现代固土护坡的实践提供了大量的机会。 植物固土护坡这一古老而充满生机的技术直到2 0 世纪初才被人们重新重视。 其后，作为一项工程技术，人们从固坡理论及技术应用两方面做了大量的研究。 显然，植物固土护坡技术及应用有了较大发展，但是理论研究进展缓慢，形成一 门学科还是近十多年的事，因而还很不成熟。止今还没有一个统一的表达植物固 土护坡的术语，通常可以表达为：b i o t e c h n i q u e ，s o i l - b i o e n g i n e e r i n g ，v e g e t a t i o n 或 r e v e g e t a t i o n 等。此外，直到1 9 9 4 年9 月才在牛津举行首次专门以植物固土护坡 为主题的国际学术会议。 国内在植物固土护坡理论及技术应用方面的研究超步较晚，2 0 世纪9 0 年代以 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。1 9 9 1 年中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进 行了坡面喷涂绿化技术( 即液压喷播) 试验研究。此后，经过十年左右的发展完善， 液压喷播技术己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。1 9 9 3 年我国引进土工材料植草护坡技术，随后土木工程界与土工材料 生产厂商合作，开发研制出各式各样的土工材料产品，如三维植被网、土工格栅、 土工网、土工格室等，结合植草技术在水利、公路、铁路及市政等工程的边坡中 相继获得应用。 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用3 随着国家综合国力的增强和人民生活水平的提高，在水利工程建设中，人们 不仅考虑工程的经济、安全，同时也越来越重视环境的保护。我国国民经济和社 会发展第十个五年计划中提出，必须重视生态建设和环境保护，加强自然保护区 和生态示范区建设，保护陆地和海洋生物的多样性。人们在越来越注重城市环境 和保护生物多样性的同时。也开始注重水利工程的环境问题，在水利工程的建设 和管理中注入环境水利的理念，如有些堤防护坡采用草皮护坡，依靠草皮良好的 根系而使护坡具有一定的固土和抗冲能力，同时改善生态环境。然而总体来说， 植物固士护坡技术在水利工程中的应用尚处于试验和研究阶段。 1 2 2 植物固土护坡的可行性 传统的河道护坡结构往往只强调河道的防洪、引水、排涝、蓄水和航运等功 能，因此河道的护坡结构多数采用浆砌块石或混凝土等刚性硬质材料，甚至有的 地方追求所谓的“高标准”河道，对河道采用全断面刚性材料衬砌，使河道的环境条 件模式化，并使生物种类单一化，这样虽然能够满足引水、防洪、排涝等要求， 但是工程造价较高，而且也影响河流原有的生态功能。 植物根系固土护坡能依靠植物良好的根系而使坡面具有一定的固土和抗冲能 力，同时这种护坡具有造价低、改善生态环境的独特效果，在国外已得到了广泛 的应用，在国内也有一些应用。 茂渔川工程【3 “8 】位于日本北海道惠庭市，是由日本冲谷实业有限公司1 9 9 0 年 设计的，该工程护坡植物为千屈菜、黄昌蒲、千岁梅花藻和豆牟菜。该工程河流 的正常流速为0 4 m s 1 m s ，洪水时河流的流速达3 m s 。工程运行至今已有十多 年，圃土和抗冲效果良好，且美化了环境。由于利用石子、砂子等天然材料，通 过水边绿化、设置生物的生长区域，保护了生物多样性，避免了材料的二次性环 境污染问题，同时利用水生植物对水体自净能力，使水质得以改善。 卫运河植物根系护坡试验段工程【3 “】位于卫运河祝屯闸下险工段内，长1 7 0 m ， 一4 - 扬州大学硕士研究生论文 是海河水利委员会利用土工织物与生物工程措施相结合的护岸工程试验研究段。 试验段滩顶高程2 8 3 0 m ，河底高程1 8 6 3 m ，在高程2 4 o o m 处设宽l m 的马道。马 道以上的设计边坡为1 2 ，5 ，采用深栽柳护坡，柳树纵横株距均为1 5 m ，柳间栽爬 根草；马道以下的设计边坡为1 ：2 ，采用土工织物排体护坡、护基，排体上面用混 凝土预制块组成框格，在框格内填土、深栽柳，柳树纵横株距均为1 5 m ，柳间栽 爬根草。该工程于1 9 8 7 年5 月完工，经过汛期4 0 0 m 3 s 流量的考验，目前框格内 的草皮茂盛，护坡效果良好。 从以上国内外两个成功的工程实例可以看出，只要植物根系护坡结构设计和 植物选择得当，植物根系固土护坡在水利在工程中有良好的应用前景。 1 3 本文主要研究内容 植物根系固土护坡技术已经得到了一些可喜的应用，但是，国内外相关资料 研究表明，绝大多数的植物根系固土护坡方案以绿化环境和视觉美观为目的，而且 在实际工程中我们也不难发现，一些方案缺少系统的相关理论作指导，且一味追 求视觉上的美观，有些做法甚至违背了自然规律。目前，从理论到试验，系统地 研究河道植物圆土护坡的理论和护坡模型还比较缺乏。此外，从河道边坡工程抗 侵蚀的角度出发，研究和设计植物根系固土方案更是缺乏。所以本文研究的目的 在于试图系统地从边坡工程抗侵蚀的角度出发，研究植物根系固土在边坡抗侵蚀 方面的理论和护坡模型。本文主要内容有： ( 1 ) 从河道边坡侵蚀的机理入手，分析河道边坡侵蚀的类型及形式； ( 2 ) 从植物固土基本机理出发，分析植物固土对边坡抗侵蚀的影响； ( 3 ) 系统地从力学角度出发，分析植物根系固土的基本力学模型； ( 4 ) 针对典型河道断面优选护坡模型； ( 5 ) 通过试验手段，比较分析植物固土方案的效果。 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用5 第二章河道边坡侵蚀机理分析 地表的土壤逐步地被水流带入河流且向下游传输，并最终沉积于湖泊、河口和 海洋，在此过程中即形成了土壤侵蚀。从热带地区到寒冷地区，从高地到自然坡地， 世界各地随处可见。土壤侵蚀可能始于溅蚀，然后是河道的冲刷侵蚀和土体的移动。 水是河道边坡侵蚀的根源，同时又是被移动的土粒的运输载体，如果水流较急，使河 道坡面的土粒发生移动，从而引起河道边坡侵蚀和破坏。所以河道边坡侵蚀过程 是水利工程值得关注的。 本章对各种河道边坡的侵蚀破坏进行了分析，目的在于探索河道边坡侵蚀破坏 机理，以便对破坏过程的作出定量分析。 2 1 雨水溅蚀 降雨时，单个雨滴的降落可以看作是自由落体运动。雨滴在落地的瞬间对土 体产生冲击作用，土粒分离、开始向四周分散、聚集的过程就是溅蚀的侵蚀过程。 雨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。 单个雨滴的动能可用下式表示： t = i 1 所2 ( 2 1 ) 式中m _ 单个雨滴的动能； 川单个雨滴的质量； 忙单个雨滴落地时的速度。 雨滴的自由落体运动对地面土体产生的冲击力是引起溅蚀的主要原因。随着 降雨的继续，地表士体被润湿并产生地表径流。土粒将随水流流动传送，进而产生 了坡面下切侵蚀。 6 一 扬十i 1 大学硕士研究生论文 2 2 坡面下切侵蚀 当坡面土体被雨水润湿时，就会发生土坡的下切侵蚀【9 】。假设坡面为自然裸露 坡面，我们把坡面的下切侵蚀分为两个状态，第一个是润湿状态，在此状态中水 流漫溢坡面没有发生颗粒分离和流失；一般情况下润湿状态发生在坡顶。第二个 是侵蚀状态，在此状态中土体部分颗粒产生分离且随水流一起流动，此时侵蚀已 经发生( 如图2 1 ) 。因为水流是向下运动的，所以侵蚀状态发生在润湿状态以后， 位置在润湿状态下端。 如图2 1 所示，则润湿状态的能量为： 矿 e 。= m ( g z ，+ g 吐+ ) ( 2 2 ) 二 式中西润湿状态的能量； 肿一水体质量； z i 润湿状态时的高程； 西润湿状态时的水深； g 一重力加速度； 乃润湿状态时的水流速度。 图2 1 在水流沿着坡面向下运动的过程中，土壤表面被水湿润，有些地方的土体颗 高鹏 植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用7 粒被水流分鳃进而与水流一同向下移动，即在此过程中产生了侵蚀，则下端( 侵 蚀状态) 的总能量为： 互；m ( g z , + g 吃+ 要) + 局+ e 。+ e ， ( 2 3 ) 互=+ g 吃+ ) + 局+ e 。+ e ， ( 2 3 ) 式中易侵蚀状态时的总能量； 易最初的土体分离时的能量； e 最初的土体中土颗粒发生移动时的能量； e 能量损失； z 2 侵蚀状态时的高程； 侵蚀状态时的水深； 吒侵蚀状态时的水流速度。 作为土粒或小土块，土体分离发生在当作用在土体上的剪应力t 土壤的剪切 强度k 时测最初的土体分离的能量为： 日= t a l = t s a l 式中：彳与水接触的土壤表面积； 设厶r 为坡面长度，p 为湿周，则a = p l w , 故：疋= l 班； ( 2 4 ) 对于土颗粒的移动，假设在水中土颗粒的移动速度与水流流动速度相同，沿坡 面长度工酽方向的加速度是 ( v ；- v2 , ) 2 l ， 那么，土体颗粒发生移动时的能量为： e e = 啊( y ：一y ；) 2 ( 2 5 ) 一8 - 扬州大学硕士研究生论文 式e v ：m ，为移动土体的质量。 根据能量平衡原理，润湿状态开始时的总能量应等于侵蚀状态时的总能量， 即日= e 2( 2 6 1 将方程( 2 4 ) 和( 2 5 ) 代入方程( 2 3 ) ，方程( 2 2 ) 和( 2 3 ) 代入方程( 2 6 ) ，并注意到在 水流动过程中产生的热能及其他形式的能量消耗e 很小，可以忽略不计，则： 等孵一k 2 ) + 珞晖2 嘲 ( z 1 一z 2 ) + 一a o + 詈( k 2 一呀) 整理后得：他= 2 堡丛丑二爹与华一所 ( 2 7 ) 这里在时间t 内通过坡面水的质量为： m 。p q 旷 ( 2 8 ) 式中：9 一为流量 卜为水的密度 该坡面上的土体移动量为： 鸭2 见l ”a s ( 2 9 ) 式中：风为土的密度； 彳一为土体的横断面面积。 土壤侵蚀速率为单位时间内土壤的侵蚀量，即珞：三，a 。i t ，将式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 代 3 , k ( 2 7 ) ，并令巳- - m g 【( z i + d 。) 一( z 2 + 吐) 】，经整理得： = 丁l w a s = 瓦pq 【华- l 】 ( 2 1 0 ) 式中：巧一土壤侵蚀速率； 岛= 肌( 曙一k 2 ) 2 。 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用 9 2 3 水位波动区侵蚀 水在河道中流动时，对水位波动区的坡面产生侵蚀。当水流的流速达到一定 速度时就会产生水跃。水跃是产生水位波动侵蚀的主要原因。它取决于弗汝德数 f r ： f r = w ( g d ) 2( 2 1 1 ) 式中：卜流速： g 一重力加速度； 矗一水深。 根据河道的水力特性，f t - - 1 0 1 7 时，水流表面有轻微的波动；当f i 1 7 ，水面产 生小的漩滚；当胪2 5 4 5 时则发生滚动的水跃。水跃不时地冲击坡面、舔食坡面 而导致破坏。 2 4 渗透破坏m 脚 渗透破坏也被称作深层破坏，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雨水，且渗透系数较大，使水很容易地流进或 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入的地下水。细 小的土粒会逐渐的被渗流带走，沉积在坡脚的下部或被途径坡底部的水流冲走。细 小土粒被冲走和孔隙水的改变可能会弓l 起局部的塌陷，继而产生边坡破坏。 ( 1 ) 水位和浸润线 在完全饱和状态下，浸润线可以由达西定律来估算。根据达西定律，渗流速度 为： 肛一k ( d z d x ) ( 2 1 2 ) 单宽渗流量为： q = - k z c d z d x ) 式中：一完全饱和区的渗透系数； ( 2 1 3 ) 1 0 。 扬州大学硕士研究生论文 比，出一水力梯度。 积分得： q x = 0 5 舷4 c f 2 1 4 ) 当边界条件x = 0 时，z 骂( 日为土壤调查到的或由地下水观测系统观测到的水 位) 。积分常数为： c 2 0 5 k h 2 f 2 1 5 ) 故 q = k ：z - ：- z 2 ) 像 f 2 1 6 ) 用( 2 1 6 ) 式可以确定水位或浸润线，并能用来计算渗流出逸位置。 2 坡面渗流 如果土壤完全被饱和，坡前最高的渗流出逸点为浸润线与坡面的交叉点。如果 坡面近似用坡度为k 的直线代替，然后将其代入式( 2 1 6 ) ，由边坡的几何特性可以得 出水平向的流量，此时水流出逸点高度为凡。 q = k 4 t ：- h 2 ) 2 t + c o t a ( n - h , ) ( 2 1 7 ) 式中：卜一边坡上缘与坐标轴z 的水平距离； 吃渗流出逸高度。 当z - 日时，渗流量最大。 得到： a q ，z h ， + c o t 盯( h - h , ) 】- c o t a ( 铲一毽) dh,础面五石瓦万r(218cot h ) 2 f +群( 抒一) r 要使嘉= o ，要么分子为o ，要么分母为无穷大。对于自然边坡, c o t a 显然是有限的， 因为艮为个正数，所以就有： c o t 盯( 酽一h ：) - z h , 1 + c o t o ：( h - h 。) 】= o( 2 1 9 ) 当g 为最大值时，该二次方程的解为： 嚏= ( 日+ l ) 一“胃+ 耘) 2 一h c o t o r c o t 2 】0 5 ( 2 2 0 ) 口 、7 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用1 1 渗流量是土壤透系数的函数，因此也取决于边坡土壤的特性，所以最终渗流量 2 5 冲刷侵蚀m 1 口：纸李 a x ( 2 2 1 ) 水流对河道边坡的冲刷侵蚀的程度取决于土体允许流速和水流的实际流速。 土体的允许流速为保持河床质稳定而不产生破坏的流速，可由下式计算： v = c r 2 ( 2 2 2 ) 式中：c 一冲淤系数 民一水力半径，由下式计算 r ：i a ( 2 2 3 ) x 、1 式中4 计算的过流断面面积 蔑r 一一湿周 a 与x 可由图解或计算得出： a = ( b + m h ) h( 2 2 4 ) x ；b + 2 h 厢( 2 2 5 ) 式中：卜底宽； 矗一水深； 所边坡系数。 当水流的实际速度小于土体的允许流速时，河道边坡不会受到水流的冲刷侵 蚀；当水流的实际流速大于土体的允许流速时就会发生冲刷侵蚀。 2 6 滑坡侵蚀 滑玻常会引起土壤侵蚀并加速其进程，扩大破坏范围。在坡度较陡或土质比较 - 1 2 扬州大学硕士研究生论文 疏松的断面，土坡会发生沿着的直线或圆弧的滑动。对于一个质量为m 的滑动土体 来说，滑动力为m g s i n l 8 ，其中g 为重力加速度，b 为滑动面上正应力与铅直方向的夹 角，阻滑力为t , w l ，其中，w 为宽度，l 为滑弧的长度，土体的抗剪强度为： = 咖驴+ c( 2 2 6 ) 式中：e 一土的凝聚力； 痧土的内摩擦角； 口土体破裂面上的正应力。 其稳定性可由抗滑稳定安全系数k 来衡量，k 为阻滑力矩与滑动力矩的比： 足= 而r , w l r ( 2 2 7 ) 足2 赢面 2 2 7 式中：卜滑弧半径； 口抗滑力的力矩臂。 如果蠡， l ，则会产生土体滑动，这种破坏可能是慢慢发生或突然发生的。 从公式( 2 2 ) 可见，影响土体滑动的主要因素为：( 1 ) 土的剪切强度，它取决于 土壤类型、密度、含水量和地下水位；( 2 ) 边坡坡度，坡度越陡，越易滑动；( 3 ) 土体 的质量m 。 2 7 冻融破坏n 4 “钉 冻融可能会引起土壤侵蚀，侵蚀边坡。春季融雪结束后，冻土则开始融化。水开 始进入冻层下面，重新结冰直至形成不透水的地下冻层。在再冻结过程中形成较 厚的地下冰层。地下冰层的融化会使土体结构变松，降低抗剪强度和凝聚力，流出的 水可能产生润滑作用而减小冻融区的摩擦力或摩擦角。 由冻融引起的浅层滑动可以是直线或圆弧滑动，土的类型和组成，含水量和地 下冰的含量对浅层滑动的类型都有一定影响。 假设全部热能都消耗于地下冰与冻层的融化，融冻层的累积深度可由下式表示： 高鹏植物国土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用1 3 式中：丁一地表温度 t 一融冻累积历时 卜导热率 ，潜在的溶解热 导熟率可由下式计算 ，阿 拈0 t 佗。2 8 ) k - - i - i k j 【2 。2 9 ) 式中l 一为土壤成分 产一组成部分的体积含量，包括矿物质) 、有机质( d ) 、水( z 0 、冰圆和空气( 。 它们的导热率( w i n c ) 分别为： 蜀。= 2 9 3 ，j 白= o 2 5 ，墨，= o 5 7 ，飚= 2 2 2 , 已= 0 0 2 5 对于一定的边坡位置，以上成份可能随时间和深度而变，它取决于土壤的水热 条件。 冻融过程会加速土壤侵蚀进程，使得河道边坡土壤更疏松，进而改变河道边域 土壤结构、密度和内摩擦角等，从而加大了河道边坡侵蚀的危害。在融冻期间，渗 水会润滑融冻区，在某些特定的边坡条件下会产生表层滑动。 2 8 本章小结 水是河道边坡侵蚀的根源，同时又是被移动的土粒的运输载体。本章主要从 河道边坡侵蚀的基本机理出发，分析了河道边坡侵蚀的几种常见的侵蚀形式。 1 4 扬州大学硕士研究生论文 第三章植物固土的机理分析 3 1 概述 土壤的抗侵蚀能力是指土壤承受风力、水力、重力、冻融等外力破坏、分离、 搬运和沉积的能力。土壤的抗侵蚀能力主要取决于土壤的内在特性，如土壤的容 重、渗透性能、内摩擦角、凝聚力、颗粒结构、孔隙状况、有机质含量、水稳性( 泡 水后结构体不易分散) 团聚体含量等指标。土壤抗侵蚀性分为抗蚀性和抗冲性：抗蚀 性是指土壤抵抗水分分散和悬浮的能力，主要与土壤内在物理化学性质有关；抗 冲性是指土壤抵抗径流机械破坏和推移的能力，主要与土壤的物理性质有关。河 道边坡土壤侵蚀是一个包含自然侵蚀和人为侵蚀的复合体。植被通过改善土壤的 自然侵蚀环境从而提高土壤的抗侵蚀能力。 植物根系在稳定土壤结构、提高土壤抗冲性、防治土壤侵蚀方面的作用往往 是其它工程措施所无法比拟的，具有不可忽视的作用。植被，尤其植物根系是改 善土壤侵蚀环境最重要的因素。植物根系的主要作用在于对土壤结构的稳定功能。 相对于传统护坡，植物固土护坡主要有以下几方面的特点【2 0 】【2 习： ( 1 ) 深根的锚固作用。植物的垂直根系穿过坡体浅层的松散风化层，锚固到深 处较稳定的岩土层上，起到预应力锚杆的作用。 ( 2 ) 浅根的加筋作用。植物的根系在土中盘根错节，使边坡土体成为土与植物 根系的复合材料，植物根可看为带预应力的三维加筋材料，使土体强度提高。加 筋的理念最初来自植物加筋的原理，因为早在古代人们就已经在工、水工结构 中运用原始的筋材树枝、稻草来提高土体的强度。 ( 3 ) 降低坡体孑l 隙水压力。边坡的失稳与坡体孔隙水压力的大小有密切关系， 植物通过吸收和蒸腾坡体内水分，降低土体的孔隙水压力，提高土体的抗剪强度， 有利于边坡体的稳定。 高鹏 植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用 15 ( 4 ) 降雨截留，消弱溅蚀。植被抗蚀的作用可以通过它的水文效应和机械效应 来实现。在水文方面，植被调节近地面气候、地表和地下水文状况，使植被生长 地区的水循环途径发生一定的变化，因而影响侵蚀过程。在机械方面，植被通过 其枝干、根系与土壤的机械作用，增加根系土层的机械强度，甚至直接加固土壤， 起到抗蚀固坡的作用。水文效应和机械效应相互补充，形成了复杂的因果关系， 一部分降雨在到达坡面之前就被植被截留，以后重新蒸发到大气或下落到坡面， 植被能够拦截高速下落的雨滴，减少其能量及对坡面的冲击。 ( 5 ) 控制土粒流失。地表径流带走己被滴溅分离的土粒，进一步可引起坡面下 切侵蚀。植被能够抑制地表径流并削弱雨滴溅蚀，从而能控制土粒的流失。 另外，植物对环境也有改善作用。植物可以恢复被破坏的生态环境、降低噪 声、光污染，保证行车安全、促进有机污染物的降解，净化大气、调节小气候等。 图3 1 植物护坡机理 同时，绿色植物能给予人们美感，它是通过植物固有的色彩、形态、风韵的 个性特色和群体景观效应所体现出来的。季节的变化、光线、气温、风、雨、霜、 雪等气象因子作用于植物，使植物呈现出朝夕不同、四季互异、千变万化、丰富 多彩的景色变化，丰富着植物的美。边坡植物的组合配置，根据不同的地质状况、 1 6 一 扬州大学硕士研究生论文 环境、气候条件，优先选用乔、灌、藤、花、草相结合，有机融入水利工程河道 边坡中，使人们更多的体验到清新、凉爽、洁净、和谐、安定的美感。 ( 6 ) 造价低。在造价方面，植物固土护坡也有其明显优势，根据目前工程中 运用较多的几种河道边坡防护系统所作的经济比较见表3 1 。 表3 1 各种防护体系经济效益比较“1 从表3 1 可知，采用植物固护坡措施比传统的工程护坡方法经济得多。植物 固土护坡措施既能满足工程的要求，同时又能对生态环境起到很好的恢复、美化 等作用，而且能大大降低工程造价，故植物固土护坡是值得推荐的河道边坡护坡 措施。 3 2 植物根系对土壤结构的影响 土壤结构的稳定性与土壤侵蚀之间的关系很早就受到国内外学者的关注，并 且提出了不同的土壤抗侵蚀估价指标。许多学者把土壤的水稳性( 泡水后结构体不 易分散) 团聚体数量及非毛管孔隙度视为表征土壤抗侵蚀能力的重要指标。郭培才 1 2 6 】等通过对不同土壤剖面( o l o c m ，2 0 3 0 c m ，4 0 5 0 c m ) 层次的草地、林地、农地 的采样分析，认为水稳性团粒含量是反映土壤抗蚀性的最佳指标；王佑民鲫以腐殖 质和水稳性团粒含量作为土壤抗蚀性指标，据此将土壤抗蚀性分为极弱、弱、中 等、较强、强和极强6 个等级。为了进一步从数量和质量两个方面描述土壤水稳 性团粒在土壤结构稳定性评价及其在土壤抗侵蚀性能中的作用，刘国彬b 8 吲入了 团粒平均重量直径的概念。 2 0 世纪8 0 年代以来不少学者，从不同角度开展了植物根系与土壤结构及抗冲 性关系的研究，取得了一些创造性的成果。1 9 8 7 1 9 9 0 年李勇【2 9 1 等人首次对土壤 高鹏植物固土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用1 7 抗冲性成因、不同植物根系提高土壤抗冲性的生物动力学性质进行了综合系统的 研究，1 9 9 1 1 9 9 3 年又以根系参数与土壤抗冲性的关系研究为基础，对根系强化 土壤抗冲性的有效性及其改善土壤物理和水文性质的作用机制进行了深入研究， 开辟了植物根系提高土壤结构稳定性及抗冲性研究的新领域。研究结果表明【3 0 3 1 j ， - g l m m 的根密度及根量是不同植物群落改善土壤结构稳定性、提高土壤入渗及增 强土壤抗冲性的有效根系参数，进而提出了有效根密度的概念，即土壤剖面中 l o o c m z 截面上对土壤抗冲性有增强效应的 其中，s 是土壤抗冲性，x 是小于l m m 的根系分布密度。 但根系对不同土层抗冲性增强效应的差异则非常显著。李勇在研究根系提高 土壤抗冲性的有效土层深度时指出，根系对土壤抗冲性的增强速度随土层深度增 大而减小，将不同径级的根量及根密度与土壤抗冲性联系起来分析，发现土壤抗 冲性强化值与_ l m m 径级的须根密度关系最为密切。其原因：一是单位体积的根量 主要由根径决定，根茎大者并非对提高土壤抗冲性有作m ；- - 是须根径虽小，但密 度甚大，对改良土壤、构建土体抗冲性结构具有粗根不可比拟的作用。因此，将s m i l l 的须根密度定义为植物根系提高土壤抗冲性的有效根密度，它的物理基础是土 壤剖面中l o o c m z 的截面上 l m m 须根的个数，这为进一步确定植物根系提高土壤 抗冲性能的有效性奠定了实验及理论基础。不同植物根系提高土壤抗冲性能的作 用随土层加深而急剧减少，其有效范围主要在上部o 5 0 c m 土层内，这主要与植 物根系在土中的分布特点有关。这种规律与有效根( l m m 的须根) 的分布在上层密 集( o 5 0 e m 土层中根茎_ 2 5 米，地径 2 厘米 ( 5 ) 抚育管理 4 4 扬州大学硕士研究生论文 基肥每亩施栏肥2 0 0 0 k g ，前2 年的5 月中、上旬抚育1 次，抚育可采用块状 沿树的四周各i m ，其余采用劈草。轮伐期4 5 年。 ( 6 ) 病虫害防治 主要害虫：金龟子、刺蛾、天牛。 防治：金龟子，敌敌畏或甲胺膦8 0 0 1 0 0 0 倍稀释液喷治；刺蛾，氧化乐果和久 效磷8 0 0 倍液喷治；天牛采用4 0 氧化乐果打孔注射。 ( 7 ) 工程造林施工设计 每亩需苗量、整地挖穴用工量、栽植用工量、幼林抚育用工量如表5 2 。 如表5 2 苗量、整地挖穴用工量、栽植用工量、幼林抚育用工量 5 3 2 坡面区 根据河道边坡坡面侵蚀的特点结合植物自身生长特性及根系固土特性，以下 几种河道坡面区护坡模式优点明显。 ( 1 ) 香根草等高植物篱护坡 香根草等高植物蓠技术是指以香根草为基础植物，再根据拟应用现场的地理环 境( 如气候、降雨量、地质结构、土壤成分以及边坡的坡度比等等) 所配置的相应植 物和营养供应，加上特殊的施工与养护方式而形成的综合技术方案简称“v g t ( v t i v e r g r a s s t e c h n o l o g y ) ”方案1 5 2 5 8 】。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己经被科学界和 工程界证明为一项新型的、可行的技术方案。 我国南方地区对香根草的研究和应用，始于上世纪的9 0 年代初，但初期主要由 高鹏植物国土护坡机理及其在河道护坡工程中的应用4 5 植物学界单独在研究的基础上进行小规模的试验性应用，当时的技术并不完善，几 乎都是采用单一的香根草品种，虽然其后也有部分业主、工程晃和企业与个人加入 应用行业，但由于大多数人对植物和土工工程的结合、应用点的气候、地质条件以 及当地物种资源的综合了解不够，而且缺乏专业的养护管理技术，因此，导致部分应 用的失败。进入2 l 世纪后，当植物学界与工程界的工程师们联合起来共同探讨香根 草在工程建设中应用的实际意义与效果时，香根草的应用才逐步得到完善和发展， 并形成了比较完整的“香根草技术”体系 s 8 - 6 1 】。 特别是近几年来，“香根草技术”体系的应用更加科学、合理化，在不同环境条件 下的设计更加规范，品种的选择配置更加多样，而且专业化的养护管理更加完善，同 时皤根草专用腮钧使用，使得昏根草技术在不同环境条件下的应用达到了90 的成功率。 香根草属禾本科植物，具有诸多优点。生态位宽广，具有先锋植物的优点【5 2 州。 1 ) 裉系发达，一般可达地下2 m 6 m 深的土壤，相当于小乔木、灌木的根系深 度，因此固土能力在草类中最强、成篱后其地下根系也形成根结性植物篱，护坡功效 倍增。 2 ) 适应性强，年降雨量3 0 0 m m 6 0 0 m 1 1 - 1 范围内均可正常生长，由于发达的根 系，兼具旱生、水生植物的组织结构，因此极耐干旱，水淹的条件，耐酸碱性也极强，属 于草类顶极演替植物，具有一般植物草类难以生长的条件下仍能正常生长的能力， 因此，在环境条件极恶劣的地方可首选香根草。 3 ) 生长迅速、生长量大，形成植物篱速度快江西公路运用一般3 个月成篱，在 边坡上形成“植物栅栏”既固定了土壤又拦截了泥沙冲刷，具有挡土墙的工程作用。 4 ) 繁殖容易，管理方便，不需精心养护，香根草主要靠分蘖繁殖，繁殖系数一般lo 倍6 0 倍，在大规模苗圃建成后，香根草用草成本可降至1 元m 2 ，大大低于其它草类 4 元m 2 1 0 元m 2 成本水平。在边坡上运用主要以等高水平沟的形式栽植，株距 1 5 c m 2 0 c m ，行距7 5 c m 1 0 0 c m 为宣，并擞施少许人粪尿或npk 复合肥即可，不需 特别养护，8 月份剪割次则可促进其分蘖更为理想。 ，4 6 扬州大学硕士研究生论文 5 ) 香根草适口性极差，因此一般受牛羊啃食的机会很小。 6 ) 鲜有病虫害，香根草本身含有芳香物质、具杀菌消毒作用，在我国广泛栽培 使用条件下尚未发现有特殊病虫害，因此无需特别护理成本。 同时，香根草等高植物蓠技术也同时具有很高的工程应用价值，表现在以下 几个方面： i ) 它的地上部分簇生成丛，如果等高密植，在较短时间内就能形成致密的植物 篱带，拦住被冲刷的泥沙和地表径流。 2 ) 具有纵深发达、深达2 6 m 的须根系统，可牢固地固持土壤，并能吸收一 般作物无法吸收到的深层土壤水分和养分。 3 ) 具有广泛的适应性，可在降雨量3 0 0 6 0 0 m m 和气温1 0 4 5 c 的地区生长， 且不受土壤因子的制约，即使土壤处在非常贫疮、紧实、强酸( p h 4 ) 或强碱( p i - n 1 ) ， 甚至完全淹水的条件下，也能生长。 4 ) 香根草寿命长，系多年生植物，可成活几十年之久。而且易种植、易管理、 很少感染病虫害。 5 ) 香根草抽穗开花，但极少结实，主要靠分蘖繁殖，因此它不会成为杂草。 把香根草等高密植，待其形成绿篱带后，就能产生良好的边坡防护效果。试 验区的试验也表明，这种植物的固土抗侵蚀效果相当显著。由于香根草具有以上 优点，所以受到了水利及其他工程的推崇，并很快在热带和亚热带地区广泛推广。 香根草植物蓠技术包括了防治浅层土壤侵蚀、深层滑坡的基本功能，又包含了 景观、绿化的环保效果。因此，其应用的目的与普通喷播绿化和岩石边坡挂网喷播 复绿工程等绿化工程及传统的边坡防护工程相比有着本质上的不同。具体主要指 标的对比详见表5 3 5 8 6 6 】。 河道护坡工程植物措施中香根草成本较低，而且与传统的护坡工程措施护坡 对比，不仅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。 高鹏植物固土护坡机理及其村可道护坡工程中的应用4 7 表5 3 香根草植物篱与其它护坡措施比较 绿化工程 普通喷播挂网喷播 传统i 艺工程 “v 6 t ”方案 浆砌石固体喷浆锚固工程 地形条件平缓陡峭相对复杂不限浅层滑坡深层滑坡 地质条件土壤成分高稳定性岩石相对恶劣普通中等复杂高度危险 技术条件比较普通_ 股相对较高普通中等要求较高 设备要求高较高简单简单高较高 主要材料普通草种普通草种香根草石料水泥、沙浆钢筋、水泥 施工时间 3 5 d1 0 1 5 d1 5 2 0 d4 0 d 以上2 0 d 以上3 0 d 以上 工程性质 表层绿化表层绿化 软篱驴 硬性护坡硬性护坡 硬性护坡 工程效果1 个月后1 个月后2 个月后工程结束后工程结束后工程结束后 功效时间一劳永逸2 0 3 0 年3 0 4 0 年4 0 年以上 其他功能生态效应 后期管理0 3 0 元年砰0 5 0 元年m 2 0 2 0 元年酽 施工成本8 1 4 元府5 5 8 0 元辞5 2 0 元砰3 5 5 0 元僭6 0 8 0 元舻1 2 0 2 ，元7 注：( 1 ) 表5 3 中的核算单位为：元寸，以施工面积5 0 0 0 酽为测算标准： ( 2 ) 表5 3 中其他工程的单价是根据京珠高速公路郴州段工程、龙滩水电站2 号公路工程百 色水利枢纽前方营地公路工程及衡枣公路工程中的相应工程造价所确定的： ( 3 ) 表5 3 中“香根草技术”v g r 方案包括了专业养护的2 个月时间，并且完全保证技术 体系中植物的存活与功能的发挥。 ( 2 ) 千根网状护坡法 1 ) 干根网状护坡法的原理 干根网状护坡法是河道边坡植物防护的创造性运用。传统的边坡植物防护，如 植树是把树木的根部埋入土中，或把插扦枝插入土中，入土部分一般不足全茁的 1 0 2 0 ，而外露部分则达到8 0 9 0 ，这种情况下苗木易风干、成活率低、且根系 绕根干一周生长，固土能力弱，特别是前期l 2 年内成林前，防冲刷能力差。经长期 一4 8 一扬州大学硕士研究生论文 观察，自然界中，某些树干倒地后，两侧生根，上方萌生树枝，结合这种现象，经广泛 试验研究后，结合网格防护试验诞生了午根网状护坡法j 目前。实际工程中采用干 根网状护坡法；效果很理想。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，暴露部分萌芽成林。埋入 土中的部分占干材的8 0 9 0 ，而暴露部分则占1 0 2 0 左右，提高了苗木的成活 率。埋入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。其基本构造如图5 9 所示。 图5 9 网状干根埋设方法示意图 2 ) “干根网状护坡法”的施工方法【7 0 】 苗木选择 本技术适用的树种，要求是萌发力旺、易生根、生长快和适应性强的乔、灌木 树种，如柳、杨、榕树类