活樹樁-堆石體在生態(tài)護岸中工作機制研究

陳 晗

(1.福建省莆田市水務(wù)集團有限公司；2.福建省莆田市水利投資有限公司，福建 莆田 351100)

0 引 言

位于莆田市的木蘭溪是福建中部最大河流，天然水位高差為784 m；在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中，對其進行了大量天然資源開發(fā)，同時也興建了諸多的水利工程，水利工程在發(fā)揮傳統(tǒng)興水取利、治水除害等功能的同時，也間接對木蘭溪流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的生態(tài)負面效應(yīng)，如生物棲息地特征及河道水文、水力學(xué)因子變化[1]。在木蘭溪流域生態(tài)環(huán)境調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，諸多河段防洪堤傍河側(cè)為卵石堆沖積扇岸坡，這些沖積扇岸坡在河水位較低時外露，在高水位或洪水時為淹沒狀態(tài)。在水流沖淘作用下岸坡發(fā)生了局部滑坡及坍塌現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響岸坡穩(wěn)定性，危及堤岸安全。在減小水利工程負面效應(yīng)的同時又能達到生態(tài)防護岸坡作用儼然成為木蘭溪生態(tài)水系建設(shè)中亟待解決的重要問題。

近年來，為打造生態(tài)綠色河道工程，有關(guān)部門對木蘭溪流域諸多河道進行了生態(tài)整治，但卵石堆沖擊扇岸坡因其具有周期性生態(tài)緩解河道水位變化(增大了高水位時期過水?dāng)嗝?、形成生態(tài)海綿的重要作用而不可全部消除，也存在河道水流對其沖刷淘蝕而造成岸坡不穩(wěn)，同時，顆粒粗細分層結(jié)構(gòu)的岸坡土體顆粒垂向分布無地表植被覆蓋，亦影響河岸景致。參考奧地利對多瑙河岸進行生態(tài)改造的方案[2]，結(jié)合河道原有生態(tài)，擬采用在岸坡人工種植高大喜濕喬木(如柳樹等)并拋投塊石穩(wěn)固坡腳為主的方式對其進行固岸護坡，并達到美化河道效用。這種生態(tài)護坡與工程中抗滑樁加固邊坡有相似之處，但當(dāng)前研究更多側(cè)重于矮生植物根系作用于土質(zhì)岸坡的加固原理，對植物莖與堆石岸坡相結(jié)合工作機制的研究還較少。因此，搜集國內(nèi)外文獻，整理當(dāng)前研究成果，概化植物莖在不同卵石岸坡中工作機制，查明活樹樁-堆石體在河岸生態(tài)護坡中工程特性及生態(tài)效用有重要意義。

1 卵石堆沖積岸坡穩(wěn)定評價

木蘭溪屬平原沖積型河流，其河道岸坡大多是沖積泥沙在一定條件下落於、固結(jié)所形成，其沖刷崩塌屬于河道水流與岸坡土體二元接觸邊界的穩(wěn)定性問題，該問題很大程度上取決于河道水流流速、流態(tài)及含沙率等沖淤特性，更與岸坡土體顆粒級配、工程地質(zhì)條件及其中的滲流作用密切相關(guān)。

1.1 岸坡土體結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)

平原沖積河流泥沙顆粒多以砂性土為主，黏性較小。當(dāng)前，常采用顆粒的粒徑級配及其比重、土體的密度及界限含水率和不同飽和度下壓縮與剪切等室內(nèi)試驗進行岸坡土體顆粒組成量測與基本物理特性分析。這些基本性質(zhì)是決定土體抗沖刷能力的內(nèi)在因素。木蘭溪流域河岸及其階地土體多為第四紀(jì)更新世及全新世海積與沖洪積層，厚度從幾米至幾十米不等[3]。

在湖河沉積等地質(zhì)作用下，岸坡地層結(jié)構(gòu)中不同類型土體鉛錘向分布也是影響岸坡穩(wěn)定的重要因素。地質(zhì)調(diào)查揭示河岸地層結(jié)構(gòu)可知，木蘭溪流域地層以海陸相沉積為主，其上部粉質(zhì)粘土、下部砂性土為鉛錘向分布(見圖1)；局部區(qū)域存在粘土與砂性土互層現(xiàn)象。

圖1 土層垂向結(jié)構(gòu)圖

1.2 河道演變及水流動力沖刷

河流動力學(xué)理論指出，木蘭溪流域諸多天然河道中懸移質(zhì)及推移質(zhì)在長期相互作用過程中已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但河岸兩側(cè)新修防洪堤采取了截彎取直等工程措施縮小或移除了部分河段灘地，減小了木蘭溪過水?dāng)嗝婷娣e；這破壞了河道天然滯洪作用，迫使河道水流速度增大，從而增大了水流對河道的沖刷作用，并擾亂了河道泥沙落於與沖刷平衡。諸多水利工程的興建，如官杜陂等引水工程、古洋水庫等蓄水工程、南北洋海堤等防洪堤工程以及九仙溪等水電工程，不單是阻斷了水流攜沙連續(xù)性，更改變了河道水流動力條件。部分河段(臨近水利工程下游更為明顯)水流對岸坡坡腳的沖刷作用、紊動輸沙作用等直接或間接導(dǎo)致了河岸坍塌。

因此，基于河流動力學(xué)探究河床演變規(guī)律應(yīng)運而生。當(dāng)前主要研究方法[4]：1)基于大量實測數(shù)據(jù)的河流沖刷作用經(jīng)驗公式，這種探究方式比較簡單，在缺少實測資料時較為方便使用，但也限制其適用區(qū)域，僅供部分區(qū)域參考或修正使用；2)水流動力沖刷的河床演化理論分析，采用極值假說與沖積河流線性及滯后理論等傳統(tǒng)理論和模糊數(shù)學(xué)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析方法進行水流動力條件改變而引起河岸演化規(guī)律探究；3)天然河道不同等比尺概化水槽物理模型試驗，這種研究方法能真實地再現(xiàn)天然河道各斷面形態(tài)演化過程，但也存在費用高、成本昂貴的特點；4)基于河流動力學(xué)及泥沙運動的河道演變數(shù)值仿真，高速發(fā)展的仿真技術(shù)促進了各種泥沙運動數(shù)學(xué)模型的建立，隨之內(nèi)置了諸多河流動力學(xué)經(jīng)驗公式及理論進行多種土料岸坡在不同水流沖刷作用下演化模擬；這種數(shù)值分析不僅節(jié)省了諸多工程投資，更能進行復(fù)雜水力環(huán)境及邊界條件求解并預(yù)測河道系統(tǒng)未來演變，但尚未經(jīng)受諸多工程驗證及當(dāng)前認(rèn)知限制其精度及效用，仍需有待進一步論證及完善。

1.3 沖擊扇岸坡滲流特性

河道水位漲落、地下水位升降等過程造成卵石岸坡體內(nèi)存在不同程度水力坡降，從而引起滲流。當(dāng)河堤及岸坡內(nèi)滲流通道繼續(xù)擴大并發(fā)展到一定程度時將誘發(fā)管涌，危及其穩(wěn)定。土顆粒級配、土體應(yīng)力狀態(tài)及其密實度和所處水力條件是影響木蘭溪岸坡滲流及管涌的重要影響因素[5]。

從土的工程性質(zhì)可知，粘性土顆粒粒徑較小、顆粒間距小，這使得顆粒表面強烈吸納一定厚度水體作為結(jié)合水，這既增大了顆粒間作用力也進一步減小了土體空隙比，使得粘性土體滲透性較小；無粘性土體顆粒較大，其土骨架主要以土顆粒以不同方式堆疊、機械咬合等形式搭建，骨架空隙可填充水體、氣體及小于空隙的細小顆粒，這種結(jié)構(gòu)使得其滲透系數(shù)較大[6]。當(dāng)河道及階地存在滲流通道并逐步擴大時，木蘭溪岸坡土體地層的垂直結(jié)構(gòu)分布易使下部砂性土出現(xiàn)細顆粒流失而引起管涌、上部粘性土受浮托力及滲透力而呈現(xiàn)鼓包等滲透破壞現(xiàn)象。

2 活樹樁-堆石體加固岸坡機理分析

當(dāng)河道存在因水流沖刷及水位漲落等因素引起的岸坡不穩(wěn)定或潛在破壞時，通過岸坡階地外添活樹樁(高大喬木)而作為一種增加抵抗土體破壞的生態(tài)措施已被廣泛關(guān)注，并逐步被用于河道治理工程實際中，其在河道岸坡中布置見圖2所示。

2.1 活樹樁-堆石體“融合”機制分析

在工程應(yīng)用中，常拋投一定尺寸大小的塊石構(gòu)筑堆石體防護體進行岸坡防護，在此過程中可采用移栽方式種植活樹樁；因而，活樹樁與堆石體共同護堤固岸的前提是兩種材料在力學(xué)上能起到相互協(xié)調(diào)以加強整體力學(xué)性能效用。這種“融合”機制分成樹干與樹根兩部分。

(1)不同類型樹根的固土作用。喬木表層根系能在富水區(qū)域生長，匍匐在上層土中的根系形成了一個毯式保護層，減緩上層土體被水流淘刷作用；淺層根系以在河岸土體中以水平向生長為主，與土體顆粒結(jié)合較為緊密，這形成了網(wǎng)狀固持土效用；深層根系在土層穿插，類似土體加筋處理，這增加了土層抗剪強度，一定程度增大了土體的密實程度。河北安平滹沱河、北京懷柔琉璃河岸采用柳樹進行生態(tài)護岸正是[8]利用樹樁根部不同類型根與岸坡土體穿插而達到加強岸坡抗沖刷性能的目的；其培育方式為枯水期岸坡挖坑扦插方式進行種植，行距以1.00～3.00 m、株距以1.50 m為宜；自然，也可通過移栽方式進行種植活樹樁[9]。

圖2 活樹樁-堆石體岸坡布置[7]

圖3 柳樹種植及其根系分布[8，9]

(2)樹干與堆石的相互作用。與北方岸坡相比，南方岸坡因坡度、土體性質(zhì)、河道斷面形式及月流量不均等因素影響，岸坡常被水流淘刷嚴(yán)重，因而不同類型堆石體要進行親水性護坡。岸坡鋪設(shè)一定尺寸及級配的堆石體后，不同粒徑顆粒間以堆疊、銜接、咬合等方式搭建堆石體空間結(jié)構(gòu)，顆粒間摩擦作用為影響堆石岸坡穩(wěn)定主要因素；活樹樁根部與下部土體緊密相連，類似倒“T”形式緊固與岸坡土體，樹干在堆石岸坡中調(diào)節(jié)部分顆粒排布及其粒間力傳遞，將部分自重以彎矩形式傳遞至下部土層[10]。

作為樁與堆石體相接觸部分，堆石體整體穩(wěn)定及其護岸效用高低很大程度上受活樹樁莖稈強度影響。一般而言，河道岸坡土體及堆石體變形隨活樹樁桿徑的強度增大而逐步減小，活樹樁所受應(yīng)力也隨之增大。對平面二維情形，主要以活樹樁間距控制其在河道岸坡布置形式，樹樁加固深度受其品種及岸坡土層物理性質(zhì)相關(guān)；實際工程中通常為三維空間布置，投影至平面上可近似為矩形、菱形等多種形式栽培活樹樁。整體而言，可采用單位面積內(nèi)活樹樁的密度來表征其布置形式。活樹樁過于稠密時，將破壞堆石體及岸坡原有穩(wěn)定；其布置稀疏時，又難以與堆石體共同形成防護體系。因此，活樹樁的種植密度應(yīng)介于一定范圍，且與堆石體及岸坡土體的級配密切相關(guān)。

整體而言，活樹樁下部根系的錨固作用使得樹樁類似倒“T”形緊緊嵌固與岸坡土體，并上部樹干在堆石體中調(diào)節(jié)與平衡堆石自重；反過來，上部堆石體緊緊覆壓在下部岸坡土層，起到了反壓護坡的效用?？傮w而言，只有在活樹樁存在一定強度且與周圍堆石相互協(xié)調(diào)后方能發(fā)揮其生態(tài)防護功能。

2.2 活樹樁-堆石體固岸力學(xué)特性分析

堆石體與岸坡在活樹樁的“串連壓重”作用下成為一個有機結(jié)合整體，一方面樹樁根部對岸坡起到了加筋作用，使得河床上部土體與樹樁緊密連成一個整體；另一方面樹樁也部分增大了堆石體的抗剪切強度，使其更傾向于穩(wěn)定；整體而言，這種工藝近似在上部粘性土中增厚了覆蓋厚度，進一步降低了河道水位變化過程中岸坡土體受動水淘刷作用及其滲透破壞的可能性[11]。

2.3 活樹樁-堆石體固岸生態(tài)效用分析

具有結(jié)構(gòu)簡單的活樹樁-堆石體主要有三大生態(tài)效用。首先是采用柔性方式進行保護河道岸坡，保證岸坡穩(wěn)定；樹根深根具有錨固作用，淺根有加筋作用，能降低坡體空隙水壓力、截留降雨、削弱濺蝕、防止水土流失[12]，構(gòu)建能透水、透氣、調(diào)節(jié)水文過程、降解污染物的生態(tài)防護平臺。其次是建立良性的生態(tài)系統(tǒng)，形成由高大喬木、沼生植被、浮游生物及兩棲動物等生物構(gòu)成生態(tài)環(huán)境，最大限度地減少對原有環(huán)境和地形的影響和破壞，為某些附著生物、底棲生物提供棲息場所，也不會阻隔岸灘兩棲生物的生活通道[13]。最后是景觀效應(yīng)明顯，放棄河床硬化處理，采用種植樹木與河床控制相結(jié)合方式進行河道綠化處置，不僅降低噪音，增添綠化景致，也作為綠色河帶組成部分，更是具有凈化空氣作用。

3 結(jié) 論

(1)木蘭溪屬平原沖積型河流，其河道岸坡大多是沖積泥沙在一定條件下落於、固結(jié)所形成，其沖刷崩塌屬于河道水流與岸坡土體二元接觸邊界的穩(wěn)定性問題。土顆粒級配、土體應(yīng)力狀態(tài)及其密實度和所處水力條件是影響木蘭溪岸坡滲流及管涌的重要影響因素。

(2)作為樁與堆石體相接觸部分，堆石整體穩(wěn)定及其護岸效用高低很大程度上受活樹樁莖稈強度影響。采用活樹樁-堆石體柔性方式進行保護河道岸坡，樹根深根具有錨固作用，淺根有加筋作用；這對建立良性生態(tài)系統(tǒng)，最大限度地減少對原有環(huán)境和地形的影響和破壞有重要意義；增添綠色景致，景觀效應(yīng)顯著。

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