降雨入滲條件下黃河古河道草本植物護(hù)坡效應(yīng)分析

張偉偉，吳玉柏，紀(jì)建中，陳 達(dá)，金 秋，黃明逸(.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 0098；.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 007.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 淮安 00；. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098)

傳統(tǒng)的河道岸坡多采用漿砌石、混凝土等硬化防護(hù)，破壞了河水與岸坡土體的生態(tài)平衡，親水美觀的生態(tài)護(hù)岸逐漸受到青睞[1]。植物護(hù)坡作為常用的一種生態(tài)護(hù)坡方法，主要通過根系加筋、錨固的力學(xué)效應(yīng)以及降雨截留、抑制徑流的水文效應(yīng)達(dá)到固土護(hù)坡的效果[2]。

國內(nèi)外學(xué)者通過大量植物根-土復(fù)合體的強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)，指出植物根系加筋主要為土體提供了附加黏聚力[3-6]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，有限元分析在生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性評價(jià)中得到廣泛應(yīng)用[7-9]，肖本林[7]通過模擬生態(tài)護(hù)坡應(yīng)力應(yīng)變場的分析得出，邊坡的穩(wěn)定性隨坡度的增加而降低，刺槐根系可以減緩這種趨勢。李國榮[9]等建立的有限元模擬結(jié)果顯示，青藏高原東北部黃土區(qū)4種灌木植物根系作用下邊坡水平和垂直方向位移明顯小于裸地邊坡，灌木植物試驗(yàn)區(qū)邊坡剪應(yīng)力集中范圍和潛在塑性區(qū)分布面積顯著小于裸地邊坡。

目前植物生態(tài)護(hù)坡穩(wěn)定性研究中，多是單一考慮根系對土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，對降雨-植物聯(lián)合作用考慮較少，但降雨是邊坡失穩(wěn)最常見的誘因[10-12,16]。據(jù)觀測，黃河古河道邊坡在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生滑坡或坍塌，河勢因此被破壞而導(dǎo)致洪災(zāi)。實(shí)際上，在降雨入滲條件下，應(yīng)該考慮非飽和土體抗剪強(qiáng)度的降低[10,11]，而植被除了能夠截留降雨，同時(shí)會(huì)增加雨水入滲，后者對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[12]。

因此，本文通過研究植被發(fā)育土體的土水特性，建立降雨作用下的生態(tài)護(hù)坡有限元分析模型，將其用于黃河古河道護(hù)坡草本植物的篩選與評價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河古河道西起河南省蘭考東壩頭，流經(jīng)豫、魯、皖、蘇四省，至江蘇省濱?？h套子口入黃海，土壤由黃河泛濫裹挾的泥沙堆積而成。全線表層分布5～10 m的黃泛沉積物，其中，飛泡沙土約占該地區(qū)土壤總面積的30%，其土質(zhì)松散、黏結(jié)性差、透水性強(qiáng)，以飛泡沙土為主要成分的河道邊坡陡立，水流頂沖、險(xiǎn)工患段眾多，在降水、徑流及河灘墾植灌溉等作用下容易失穩(wěn)，需對岸坡及險(xiǎn)工段進(jìn)行防護(hù)。

本文研究依托淮安市黃河古河道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程，試驗(yàn)段為淮陰區(qū)南昌路～S327省道段，護(hù)岸段長4.06 km，位于黃河古河道左岸，樁號分別為15+350～16+160、17+600～20+850，其中樁號16+160～17+600段位于淮陰區(qū)母愛公園，現(xiàn)狀已有護(hù)岸。該段河道位于城區(qū)，屬于淮安市委市政府規(guī)劃建設(shè)的古淮河生態(tài)公園建設(shè)范圍，但是邊灘犬牙交錯(cuò)，局部河段逼近堤腳，且水土流失嚴(yán)重，雨淋沖溝眾多，因此考慮植草護(hù)坡。勘探試驗(yàn)表明，現(xiàn)場土質(zhì)以砂壤土或粉砂為主，表1為試驗(yàn)段土樣理化參數(shù)。

表1 試驗(yàn)區(qū)裸地土壤物理化學(xué)指標(biāo)Tab.1 Indexes of physical and chemical properties of testing soil in bare area

1.2 材料與方法

研究區(qū)地處暖溫帶與亞熱帶交匯處，多年平均氣溫14 ℃，日照1 907～2 531 h，降雨量大而集中，為土壤侵蝕提供了原動(dòng)力。為保證護(hù)坡植物的水土保持能力，需因地制宜，選擇根系發(fā)達(dá)、固土能力強(qiáng)的物種。確定以下3種草本植物作為研究對象：狗牙根、高羊茅、香根草。

狗牙根[13]： 多年生草本植物，根系具有根狀莖和匍匐枝，匍匐莖發(fā)達(dá)，莖部形成分蘗節(jié)，分蘗節(jié)上產(chǎn)生新的走莖，新老葡匐莖在地面上互相穿插，交織成網(wǎng)。該草種為本地植物，喜光稍耐陰，在輕鹽堿地上生長較快，覆蓋力強(qiáng)，又能耐頻繁的刈割，踐踏后易于復(fù)蘇，少病蟲危害，對水肥條件要求不高。狗牙根在淮河入海水道等工程中大量的成功應(yīng)用，是良好的水土保持植物。

高羊茅[14]：多年生草本植物，亞熱帶常用的冷季型草坪草種，性喜寒冷潮濕氣候，在肥沃、潮濕、pH值為4.6～8.5的土壤中生長良好。品種豐富，最耐寒和踐踏，須根系發(fā)達(dá)、粗壯 ，“交戰(zhàn)Ⅱ號”型高羊茅在沙土中根系可達(dá)2 m左右或更深。

香根草[15]：多年生草本植物，耐旱耐瘠，生長繁殖快。根系網(wǎng)狀深扎，與土壤接觸面積大，根系生長速度快且具有較長的長度，它的根系3～4個(gè)月可長達(dá)1 m，一年可長達(dá)2～3 m，多年可長達(dá)5 m以上，有“世界上具有最長根系的草本植物”之稱，被世界上100多個(gè)國家和地區(qū)列為理想的保持水土植物[15]，香根草綠籬在江蘇北部生態(tài)河道岸坡中多有應(yīng)用。

草本植物根系的分布特征決定它對土體影響范圍。研究表明[4]，草本植物90%左右根量集中分布在某一深度范圍內(nèi)，超出該深度范圍的根系對土體幾乎不起作用。本文將根-土復(fù)合體試樣作均質(zhì)土考慮，在研究區(qū)3種草本植物生長1 a的10 m×10 m的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，現(xiàn)場采集根系進(jìn)行稱重，確定其90%根系分布范圍為其對土壤影響的有效深度(表2)。

表2 3種護(hù)坡草本的根系特征參數(shù)Tab.2 Parameters of root characteristics 3 herbage for slope protection

本研究需要草本植物根-土復(fù)合體試樣，試樣的制備方法：在3種草本植物生長的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，取出直徑約為800 mm、高度為相應(yīng)草本根系有效深度的近圓柱形土試樣，再用削土刀將該土柱試樣削切至規(guī)則的直徑400 m的圓柱形土試樣，采用保鮮膜密封，保證根系新鮮、完整，土壤水分接近現(xiàn)場，采集帶回實(shí)驗(yàn)室立即展開試驗(yàn)。

2 降雨條件下草本植物護(hù)坡機(jī)理

降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定是典型的非飽和土問題，F(xiàn)redlund提出采用凈法向應(yīng)力和土體基質(zhì)吸力定義的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論得到廣泛認(rèn)可[16,17]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：c′和φ′分別為有效黏聚力和內(nèi)摩擦角；σ為正應(yīng)力；ua和uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；φb為與基質(zhì)吸力有關(guān)的增量摩擦角；(σ-ua)即為凈法向應(yīng)力；(ua-uw)即為土體基質(zhì)吸力。

由式(1)可以看出，降雨誘發(fā)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的主要機(jī)理是[17,19]，降雨升高巖土體暫態(tài)飽和區(qū)的孔隙水壓力，導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力不斷減小，土體抗剪強(qiáng)度隨之衰減。所以，本文研究草本植物如何影響土體的抗剪強(qiáng)度、基質(zhì)吸力、滲透性等指標(biāo)。

2.1 護(hù)坡草本對土體抗剪強(qiáng)度的影響

土體飽和狀態(tài)下，式(1)退化為摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。對現(xiàn)場采集的原狀土試樣采用三軸固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)，測定四種試驗(yàn)土樣飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果表明，四種土樣強(qiáng)度包線近似平行，即內(nèi)摩擦角變化不大，而黏聚力差異顯著，狗牙根、高羊茅、香根草相較裸地黏聚力增幅分別為52%、140%、222%，同時(shí)測定試驗(yàn)土樣的濕密度和飽和滲透系數(shù)(表3)。

表3 飽和試驗(yàn)土樣的物理、強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Physico-mechanical parameters of testing saturated soil

2.2 護(hù)坡草本對土體基質(zhì)吸力的影響

研究表明，參數(shù)(ua-uw)比c′和φ′對邊坡穩(wěn)定性的影響更為重要，忽略土體基質(zhì)吸力變化的影響，會(huì)明顯高估降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性[19,20]。

為測定試驗(yàn)土樣土水特征曲線，采用室內(nèi)吸力量測試驗(yàn)方法，高吸力部分(4.5～309 MPa)采用氣相法、低吸力部分(小于2 MPa)采用滲析方法，將結(jié)果繪制在S-lgu坐標(biāo)中(圖1)。

圖1 4種試驗(yàn)土樣的土-水特征曲線Fig.1 Soil-water characteristic curve of four testing soil

從圖(1)可以看到，植物根-土復(fù)合體相較裸地的進(jìn)氣值有所減小，而殘余飽和度則增加。這是因?yàn)椋参锔蹈纳屏松惩了缮⒌慕Y(jié)構(gòu)，形成了一定量的團(tuán)聚體，相比裸地顆粒，團(tuán)聚體之間形成的是大孔隙。大孔隙受的吸力小，在吸濕(排濕)過程中優(yōu)先吸水(排水)。所以，土壤團(tuán)聚體較好時(shí)，大孔隙數(shù)量多，孔隙中水分排出時(shí)，土壤水吸力僅發(fā)生較小的增加；當(dāng)土體比較松散，低吸力下保持的水分?jǐn)?shù)量少，水分較難排出，一旦這些水分排出時(shí)，吸力就有較大的增加。此外，植物根系豐富了土顆粒的親水性礦物成分、有機(jī)質(zhì)以及孔隙中可溶鹽成分，故持水性更強(qiáng)，反映在土水特征曲線的高吸力段，則為殘余飽和度較大。

采用Van Genuchten(1980年)方程(V-G模型)擬合試驗(yàn)土水特征曲線(表4)，該模型對各種土質(zhì)適應(yīng)性較好，且適合全吸力段[18,19]。

S(u)=Sr+(1-Sr)/[1+(u/a)n]m

(2)

式中：Sr為殘余飽和度；a是與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)；m、n是形狀參數(shù)，為方便進(jìn)一步推定非飽和的土滲透系數(shù)函數(shù)，取m=1-1/n。

表4 4種試驗(yàn)土樣土-水特征曲線擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of four testing soil

表4擬合結(jié)果表明，4種試驗(yàn)土的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，說明V-G模型可以有效應(yīng)用于黃河古河道植被發(fā)育土壤。

2.3 護(hù)坡草本對土體滲透性的影響

滲透系數(shù)是非飽和土的重要參數(shù)之一，但是其值變化范圍很大且不易直接測量，為此，Mealum提出非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力(飽和度)之間的關(guān)系[18]：

(3)

式中：kr=k/ks，為“相對滲透系數(shù)”；Se=(S-Sr)/(1-Sr)，為“相對飽和度”。

將式(2)代入式(3)積分，即可得基于VG公式和Mealum理論的非飽和土滲透系數(shù)函數(shù)方程：

kr(Se)=S1/2e[1-(1-S1/me)m]2

(4)

根據(jù)式(4)和表4中參數(shù)，計(jì)算黃河古河道4種試驗(yàn)土的k-S變化關(guān)系，將其繪制在圖2中。圖2表明，當(dāng)S>25%時(shí)，3種植物根系土比裸地的滲透系數(shù)提高了1～2個(gè)數(shù)量級，顯著增強(qiáng)土體的滲透性，這與彭書生[12]等人試驗(yàn)觀測的結(jié)果一致，植物根系增加雨水入滲的效應(yīng)不可忽略。

圖2 4種試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)曲線Fig. 2 Permeability curve of four testing soil

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 有限元建模

(1)幾何條件。選取研究區(qū)一處坡高8 m，河道水深3 m，坡度1:3，坡頂、坡底截面各寬10 m的河道斷面(圖3)，采用巖土有限元分析軟件ABAQUS建立模型，根-土復(fù)合體按表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為均質(zhì)復(fù)合材料，草本根系有效深度采用表2中數(shù)據(jù)。網(wǎng)格劃分采用平面六節(jié)點(diǎn)三角形單元，接近坡面的單元尺寸設(shè)為0.5 m，而距坡面較遠(yuǎn)的單元尺寸設(shè)為1 m，模型網(wǎng)格共劃分出5 534個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 201個(gè)單元。

(2)邊界條件。模擬計(jì)算時(shí)靜力包括坡體自重應(yīng)力和河水靜水壓力，下邊界采用剛性邊界，兩側(cè)邊界施加水平方向的位移約束。降雨入滲強(qiáng)度按黃河古河道流域50 a一遇3日暴雨換算為20 mm/h(裸地)，持續(xù)時(shí)間72 h，假定植物截留外雨水全部入滲，在模型頂部及坡面上施加降雨流量邊界，且不計(jì)水分蒸發(fā)的影響。將式(1)作為強(qiáng)度準(zhǔn)則編入二次開發(fā)子程序，土水特征曲線、滲透曲線分別采用圖1、圖2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以有限元強(qiáng)度折減法[16]計(jì)算邊坡安全系數(shù)，以相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則計(jì)算塑性應(yīng)變。

3.2 結(jié)果分析

(1)安全系數(shù)。按有限元強(qiáng)度折減法，以特征點(diǎn)位移突變作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)，讀出降雨前后的邊坡安全系數(shù)，表5結(jié)果表明，降雨使邊坡穩(wěn)定性下降，種植草本植物可提高邊坡安全系數(shù)，但是最大增幅僅3.70%，可見草本植物護(hù)坡對邊坡整體穩(wěn)定性影響很小。

圖3 試驗(yàn)段河道草本生態(tài)岸坡概化模型(單位:m)Fig.3 Generalized model for river bank slope in testing area

表5 降雨前后邊坡安全系數(shù)及護(hù)坡草本對整體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)Tab.5 Factors of safety of slope before and after rain and contribution of 3 herbage to slope stability

注：FS為邊坡安全系數(shù)，ΔFS為草本植物發(fā)育土坡相比裸地邊坡安全系數(shù)的增幅。

(2)應(yīng)力分布。Mises應(yīng)力表征某點(diǎn)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)的等效應(yīng)力，降雨72 h后Mises應(yīng)力云圖4顯示，4種邊坡的等效應(yīng)力基本坡面從沿深度向下遞增，且較深范圍內(nèi)應(yīng)力分布基本相同，但是，裸地邊坡淺層應(yīng)力水平約為1.5～18 kPa，而狗牙根-土邊坡、高羊茅-土坡、香根草-土邊坡淺層應(yīng)力水平分別為5.5～21、4.4～32、8.6～41 kPa，說明草本植物使邊坡淺層應(yīng)力重分布，使邊坡應(yīng)力集中程度減小，延緩?fù)疗滤苄詤^(qū)發(fā)展，提高邊坡淺層的穩(wěn)定性。

圖4 降雨72 h后試驗(yàn)區(qū)裸地和3種草本發(fā)育邊坡等效應(yīng)力等值云圖(單位：kPa)Fig.4 Nephograms of mises stress attribution of the slope for soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

(3)位移變化。降雨72 h后水平位移位移云圖5顯示，4種邊坡的水平位移都是從坡腳沿坡面向坡肩遞減，但是有植被岸坡水平位移值明顯小于裸地岸坡。各種工況下邊坡最大水平位移和豎直位移見表6，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，草本植物能顯著減小淺層邊坡側(cè)向變形和豎向沉降，約束變形能力從高到低依次為香根草>高羊茅>狗牙根。降雨后的最大位移減幅絕對值相比降雨前減少，說明降雨使草本植物約束邊坡變形的能力降低。

圖5 降雨72 h后試驗(yàn)區(qū)裸地和3種草本發(fā)育邊坡水平位移等值云圖(單位：m)Fig.5 Nephograms of horizontal displacements of the soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

表6 試驗(yàn)邊坡最大水平、豎直位移Tab.6 Maximum horizontal and vertical displacements simulation results on the slope surface

注：UxM、UyM分別為水平方向、豎直方向的最大位移，ΔUxM、ΔUyM分別為植被發(fā)育邊坡相比于裸地邊坡水平方向、豎直方向的最大位移減幅。

4 結(jié) 語

(1)試驗(yàn)測定3種草本植物發(fā)育土體的土水特性，狗牙根-土、高羊茅根-土、香根草根-土相比裸地黏聚力分別增長52%、140%、222%，土水特征曲線中根土復(fù)合體進(jìn)氣值較高，持水性增強(qiáng)，在相同飽和度下，其滲透系數(shù)比裸地高1～2個(gè)數(shù)量級。

(2)降雨條件下，考慮草本植物加筋、增加入滲等作用，有限元模擬結(jié)果表明，草本植物護(hù)坡對降雨作用下邊坡整體安全系數(shù)貢獻(xiàn)很小，其力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)防治邊坡淺層失穩(wěn)及約束邊坡變形。在大坡比岸坡中，需結(jié)合其他工程措施，如木樁護(hù)岸等，保證岸坡整體穩(wěn)定性。

(3)在試驗(yàn)區(qū)降雨和坡度條件下，按邊坡位移減少量衡量，香根草防護(hù)效果最好，可作為推薦草種，依據(jù)從坡肩向坡腳位移遞增的規(guī)律，在岸坡臨水線可加密種植。

(4)降雨前后結(jié)果對比表明，降雨入滲削弱草本植物的護(hù)坡能力，應(yīng)按做好邊坡排水工程，在坡頂和臨水位處設(shè)置混凝土截水溝，收集雨水后集中下泄排入河道。

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