河道岸坡破壞機(jī)理及防護(hù)技術(shù)研究

陳 景

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

河道岸坡作為生態(tài)系統(tǒng)特殊的功能區(qū)域，是河道生態(tài)系統(tǒng)必不可少的一部分，是河流與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的過(guò)渡帶與連接帶，進(jìn)行著兩者物質(zhì)、能量和信息的交換[1]；同時(shí)它也是地理環(huán)境的重要組成部分，是一種人類(lèi)生存過(guò)程中必不可少的天然資源，影響著人類(lèi)的生存與發(fā)展，推動(dòng)著人類(lèi)精神文明的提升、歷史文化的沉淀和現(xiàn)代城市的興起與發(fā)展[2]。因此，同時(shí)兼顧行洪排澇與生態(tài)平衡兩個(gè)主要功效是人們對(duì)河道岸坡提出的更高要求，在保證安全穩(wěn)定的同時(shí)也能豐富生態(tài)環(huán)境。

1 岸坡破壞機(jī)理

1.1 岸坡破壞影響因素

岸坡穩(wěn)定性影響因素[3-6]主要為坡面抗剪強(qiáng)度、抗沖刷強(qiáng)度、滲透系數(shù)等內(nèi)在土體因素和地下水浸潤(rùn)、急湍河水沖蝕、大降雨沖刷等外在水流因素。

1.1.1 土體因素

抗剪強(qiáng)度是岸坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，抗剪強(qiáng)度越高，岸坡穩(wěn)定性越好，反之越差，而岸坡的抗剪強(qiáng)度極大程度上取決于坡體內(nèi)土體的性質(zhì)?？辜魪?qiáng)度表達(dá)式為

Tf=c+σ′tanφ=c+(σ-u)tanφ

(1)

式中：Tf為抗剪強(qiáng)度；c為土體黏聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；σ為法向應(yīng)力；σ′為有效法向應(yīng)力；u為孔隙水壓力。

由式(1)可知，土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ越大，土體抗剪強(qiáng)度越高，岸坡穩(wěn)定性越好。此外，土體滲透系數(shù)越大，水流滲入坡體越容易，在水的軟化作用下c、φ值明顯減小，岸坡穩(wěn)定性變差。

1.1.2 水流因素

河道方向的變化可引起水流縱向沖擊，對(duì)岸坡造成一定的破壞作用[7]，如圖1所示。

圖1 河道方向變化時(shí)水流對(duì)岸坡沖擊的力學(xué)模型

由圖1可知，水流對(duì)岸坡主要作用力為Ry，計(jì)算公式為

Ry=sinβ(P+kρQV)

(2)

式中：Ry為水流對(duì)岸坡作用力的縱向分力；P、V、Q分別為水流的動(dòng)水壓力、平均流速和流量；ρ為水流的密度；k為動(dòng)量修正系數(shù)；β為水流與岸坡之間的夾角。

由式(2)可知，水流平均流速越大、動(dòng)水壓力越大，岸坡受到的水流沖擊力也越大，越容易受到破壞。

1.2 岸坡崩塌破壞形態(tài)及成因

按岸坡破壞過(guò)程中的形態(tài)可將破壞類(lèi)型分為條崩、窩崩和洗崩[8]三種主要類(lèi)型。

(1)條崩是指岸坡在坡腳受沖刷后失去支撐主體，坡體在自重作用下發(fā)生破壞的過(guò)程，主要發(fā)生在土體松散砂質(zhì)岸坡中，如圖2(a)所示。

(2)窩崩是指岸坡在水流的剪應(yīng)力作用下，不斷回流、掏蝕所形成的破壞過(guò)程，主要發(fā)生在彎曲河道較陡的黏性土坡體中，如圖2(b)所示。

(3)洗崩是指岸坡上層坡體在風(fēng)浪和船行波的作用下受到?jīng)_蝕破壞的過(guò)程，主要發(fā)生在河口和河寬較大的地帶，如圖2(c)所示。

圖2 岸坡破壞的主要類(lèi)型

1.3 岸坡崩塌破壞階段及過(guò)程

岸坡受水流長(zhǎng)期沖刷的破壞過(guò)程主要分為坡腳破壞、局部失穩(wěn)和整體破壞三個(gè)階段(圖3)。在未受到水流沖刷、船行波和風(fēng)浪等外力時(shí)，岸坡保持整體穩(wěn)定形態(tài)。

圖3 岸坡破壞過(guò)程

河水急速流動(dòng)產(chǎn)生的沖刷作用，船運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的船行波，水流對(duì)坡腳土體顆粒的運(yùn)移、搬運(yùn)，都會(huì)導(dǎo)致坡腳逐漸失穩(wěn)，如圖3坡腳破壞階段。

在岸坡坡腳被水流沖刷破壞后，上部坡體失去坡腳的支撐作用，在重力作用下就會(huì)產(chǎn)生拉力，對(duì)上部坡體整體結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。此外，水流會(huì)進(jìn)一步侵蝕軟化岸坡內(nèi)部土體，作用范圍從坡腳逐漸向坡體內(nèi)部延伸，內(nèi)部土體結(jié)構(gòu)變得更加松散，各項(xiàng)強(qiáng)度特性進(jìn)一步減弱，使土體整體結(jié)構(gòu)在自重力作用下自行崩解。在上述因素的綜合作用下，岸坡就會(huì)逐漸發(fā)生局部失穩(wěn)崩塌，如圖3局部失穩(wěn)階段。

當(dāng)岸坡發(fā)生局部失穩(wěn)之后，坡體上部不穩(wěn)定部分會(huì)變多，在更大的自重力作用下產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，坡體整體變得更加不穩(wěn)定，岸坡會(huì)急劇地向整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)化，如圖3整體破壞階段。

綜上所述，岸坡的破壞主要源于急湍河水沖蝕、浸潤(rùn)和風(fēng)浪、船行波等外界因素對(duì)岸坡坡面造成的破壞，繼而從坡面破壞開(kāi)始不斷延伸和加劇，最終造成岸坡整體失穩(wěn)。因此，坡面的透水性、抗剪性、抗蝕性、抗沖刷性和水穩(wěn)定性都是岸坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。

2 岸坡防護(hù)技術(shù)

根據(jù)岸坡的破壞機(jī)理可知，岸坡防護(hù)技術(shù)的重點(diǎn)是對(duì)坡面的改良和加固，提高坡面的抗沖刷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和合理控制透水性都是岸坡防護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵。

如圖4所示，改良和加固后的坡面可以抵御河水沖刷、降雨沖擊、地表徑流等各種不利于岸坡穩(wěn)定的因素作用。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)坡面的護(hù)坡技術(shù)可分為硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)和生態(tài)友好型護(hù)坡技術(shù)兩大類(lèi)。

圖4 岸坡坡面改良加固示意

2.1 硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)

國(guó)內(nèi)目前傳統(tǒng)且相對(duì)成熟的岸坡整治技術(shù)多為砌石護(hù)坡和混凝土塊體護(hù)坡等硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)[9-10]。這類(lèi)護(hù)坡技術(shù)可以在保護(hù)岸坡、抗沖刷、水土保持等方面呈現(xiàn)高效的成果。

從表1可以看出，硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)都可以很好地提高坡面的抗沖刷能力，可以滿足河道安全穩(wěn)定、行洪排澇等基礎(chǔ)條件，但也有不同的缺點(diǎn)。

表1 硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

此外，硬質(zhì)化護(hù)坡也剝奪了植物、動(dòng)物和微生物生存所依賴的場(chǎng)所，使其原有的生存環(huán)境、繁衍空間完全喪失；隔離了坡面和坡體之間的水力聯(lián)系和物質(zhì)交換，使得整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)隔斷，嚴(yán)重破壞岸坡水系統(tǒng)環(huán)境；建筑材料內(nèi)甚至加入了抗凍劑、膨脹劑等添加劑，長(zhǎng)期浸泡在水中導(dǎo)致河流水質(zhì)下降，對(duì)居民健康造成嚴(yán)重影響。

2.2 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于河道岸坡的環(huán)境友好型防護(hù)技術(shù)主要為生態(tài)混凝土護(hù)坡技術(shù)、土工格柵墊石防護(hù)技術(shù)、三維植被網(wǎng)防護(hù)技術(shù)、土壤生物工程防護(hù)技術(shù)、單純植物群落護(hù)坡技術(shù)和高分子材料護(hù)坡技術(shù)[11-14]。

由表2可以看出，生態(tài)護(hù)坡在保證邊坡安全與穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，以營(yíng)造邊坡生物的多樣性為目的，使得水體-土壤-生物三位一體，并通過(guò)內(nèi)部物質(zhì)、信息和能量的循環(huán)體系，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境自我組織及修復(fù)，但不同的技術(shù)也存在各自的技術(shù)難點(diǎn)和使用條件。

表2 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

綜上所述，相較于硬質(zhì)化護(hù)坡技術(shù)，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)除可以起到抵御沖刷、保持水土的作用外，還可以修復(fù)生態(tài)、美化環(huán)境，可以滿足人們對(duì)河道生態(tài)環(huán)境所提出的高要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)河道岸坡的生態(tài)環(huán)境及美化程度提出了更高的要求，對(duì)河道岸坡的防護(hù)技術(shù)也進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注和深入研究。岸坡破壞主要源于坡面破壞的加劇和延伸，岸坡防護(hù)主要是對(duì)坡面的加固和優(yōu)化。傳統(tǒng)的硬質(zhì)化護(hù)坡雖具有良好的抗沖刷、水土保持能力，但也會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)的退化和破壞，與生態(tài)理念相背離。生態(tài)護(hù)坡則可以兼顧行洪排澇、抵御沖刷、保持水土、凈化水體、景觀美化、生態(tài)修復(fù)等各方面，滿足人們對(duì)周邊環(huán)境的高要求。