基于木板樁-植被模型的河岸支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

黃鋒明

(泰寧縣鑫輝水利水電工程有限公司，福建 354400)

0 引 言

護(hù)岸是水利工程的重要措施之一，其構(gòu)造對(duì)整個(gè)河岸生物多樣性的維持以及生態(tài)功能的發(fā)揮有重要影響。沿河修建護(hù)岸等工程時(shí)，通常需要建設(shè)擋土結(jié)構(gòu)來防止水流沖刷并保持岸坡穩(wěn)定。傳統(tǒng)護(hù)岸主要考慮河道行洪能力、河道沖刷、岸坡穩(wěn)定等因素，通常采用半滲透或無滲透性的人工材料修筑硬質(zhì)護(hù)岸，隔斷水、陸生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量交換，導(dǎo)致整個(gè)護(hù)岸成為一個(gè)封閉的體系，破壞了動(dòng)植物的生存環(huán)境，同時(shí)也使河岸帶喪失了生態(tài)功能和自凈能力[1]。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展概念的提出以及社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，我國已發(fā)展多種護(hù)岸結(jié)構(gòu)，并針對(duì)回填、岸坡失穩(wěn)與地基加固等技術(shù)問題進(jìn)行研究，獲得了許多相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)。然而護(hù)岸位于水陸交界處，受到水流的影響較大，且工程設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素較多，尤其是近年隨著全球氣候的變化，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更需考慮如何規(guī)避多種風(fēng)險(xiǎn)、合理安排施工等問題[2]。其中人工護(hù)岸技術(shù)將減少自然穩(wěn)定的河岸，使得生物棲息地和多樣性也隨之減少，但通過生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，即使只恢復(fù)五分之一的天然河岸也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。因此，我國在河道治理和航道整治工程中采用了大量的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，如在長江中游馬家嘴航道整治工程中首次采用鋼絲網(wǎng)格鋪筑的“生態(tài)護(hù)岸”，其清淤效果和生態(tài)效應(yīng)十分顯著，體現(xiàn)了建設(shè)“綠色”航道的理念[3-4]。在荷蘭等國家，結(jié)構(gòu)工程板樁保護(hù)了沿河岸線的大部分土地，約4000km長，其中大約60%都為木材。

截止目前，大部分學(xué)者都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，植被根系在機(jī)械和水文上都能穩(wěn)定土壤。通過垛墻和活植物系統(tǒng)將生態(tài)工程原理實(shí)踐應(yīng)用到現(xiàn)有的工程地質(zhì)中。在這之前很少有人了解生物工程對(duì)河岸的影響，在由植被和傳統(tǒng)擋土墻組成的“復(fù)合”擋土墻結(jié)構(gòu)中，不僅可以增強(qiáng)植被的抗剪強(qiáng)度，還可以降低作用在傳統(tǒng)擋土墻上的主動(dòng)土壓力[5-6]。除此之外，植被根系的動(dòng)力特性及其對(duì)擋土結(jié)構(gòu)土壓力的影響也還沒有進(jìn)行進(jìn)一步的研究。文章作者提出了一個(gè)如圖1所示的木板樁-植被模型的河岸支護(hù)結(jié)構(gòu)，該模型可作為河岸板樁支護(hù)系統(tǒng)的替代方案。這個(gè)新系統(tǒng)基于可持續(xù)發(fā)展的目的研發(fā)，是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的第一步。使生態(tài)結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖、滲透、生態(tài)種植性能好等特點(diǎn)，也可為水生微生物提供棲息環(huán)境，植被生長后還能改善動(dòng)物生存環(huán)境。

(a)典型帶木板樁的河岸圍護(hù)結(jié)構(gòu) (b)植被完全生長后的木材板樁-植被擋土結(jié)構(gòu)

1 模型框架

根據(jù)作用在板樁任意深度的最大彎矩來確定板樁所需厚度，雙排板樁軟件可以檢查板樁的最小深度以及板樁系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，用該軟件對(duì)文中提出的傳統(tǒng)板樁和板樁-植被模型進(jìn)行比較。首先估算樹根發(fā)育前板樁中彎矩的分布，通過植被根系分布模型可獲得垂直根系的分布；然后修改根凝聚力模型得不同深度處的根凝聚力；最后在考慮新凝聚力隨深度分布的情況下，再次估算彎矩。由于植被在不斷生長，因此可以利用根系分布模型，了解板樁上的彎矩隨深度和時(shí)間的變化情況。模型流程如圖2所示。

圖2 木板樁-植被模型中的子模型及其實(shí)現(xiàn)順序

1.1 根分布模型

根系分布模型適用于地下水位較高而面臨缺氧的河岸植被和地下水位下降時(shí)面臨缺水的河岸植被。該模型將地下水位的變化情況作為根系分布的驅(qū)動(dòng)力，在考慮根生長和腐爛的過程后，通過下列等式提供根分布的分析模型：

(1)

(2)

(3)

式中：z為深度；k(z)為根在深度z處剛好是最佳生長區(qū)的概率；β(z)是根的生長速率；γ為根的衰減速率；λ為地下水位增加的平均速率；α為脈沖的平均深度；η為脈沖的衰減；L為根生長區(qū)的寬度；h1為根生長區(qū)的深度；θ(z)為根的生長率與腐爛率之比。

1.2 根凝聚力模型

通過廣泛使用的垂直根模型假設(shè)所有植被根同時(shí)斷裂。輸入的參數(shù)是根部面積比和根部抗拉強(qiáng)度。雖然該模型高估了凝聚力，但仍然可以應(yīng)用和觀察文章模型，此時(shí)需要引入?yún)?shù)“k′”和“k″”來校正垂直模型的估計(jì)值，“k″”是垂直模型和計(jì)算纖維束模型之間的比率。

Cr=k′*k″*RAR*T

(4)

式中：Cr為根凝聚力的估計(jì)值；RAR為根的橫截面積和土壤控制面積之比；T是根的平均抗拉強(qiáng)度。

1.3 板樁模型

雙排板樁軟件是一款應(yīng)用較廣泛的擋土墻設(shè)計(jì)軟件，尤其是板樁。由于輸入巖土工程的相關(guān)參數(shù)較少，雙排板樁軟件打樁使用畢肖普滑動(dòng)圓來估計(jì)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。使用圖形交互界面，計(jì)算板樁設(shè)計(jì)厚度所需最大的彎矩和剪力。根據(jù)根系凝聚力模型，可以估計(jì)植被根系在不同深度處凝聚力的增加情況。考慮到這一點(diǎn)，在雙排板樁中，將保留的土壤分成不同的層來增加凝聚力。

1.4 案例研究

與森林或山坡生態(tài)系統(tǒng)相比，針對(duì)河岸一帶植被根系隨時(shí)間生長的研究相對(duì)較少，但前人研究仍為實(shí)施文章木板樁-植被模型奠定了良好的基礎(chǔ)。為了研究河岸植被根系形態(tài)隨時(shí)空變化的情況，分別在種植樹苗1a、5a和7a后測量根生物量。頂部0-0.4m處有砂壤土和小礫石，下方有砂壤土和礫石。由于本案例研究的內(nèi)容已有詳細(xì)結(jié)果，所以隨時(shí)間的增長，能夠校準(zhǔn)和驗(yàn)證根分布模型以及板樁設(shè)計(jì)時(shí)間等相關(guān)結(jié)果。此外，土壤條件適合文中采用的根分布模型。假設(shè)河床目前深度處的土壤和延伸至底土的土壤具有相同的特性，由圖3給出文章研究的板樁-植被模型相關(guān)參數(shù)值：長3m的河岸，由深度為6.50m、彈性剛度為783KN/m的無錨木板支撐。植被生長前的土壤凝聚力和內(nèi)摩擦角分別為0kPa和30°。

圖3 案例研究示例

2 結(jié)果和討論

該案例研究可分為以下兩種情況進(jìn)行分析：情況1，在沒有植被根系的情況下，為了保留3m的沙，內(nèi)摩擦角為30°，采用雙排板樁軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)6.5m長的板樁墻。如預(yù)期一樣，因?yàn)槟景鍩o錨支撐，深4.26m處將出現(xiàn)最大的彎矩，數(shù)值為21.54KN/m，頂部的最大橫向位移為247mm。用5a的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)根分布模型進(jìn)行校正，用校正后的模型預(yù)測7a后根系的分布。結(jié)果如圖4所示，圖中線是模型模擬分布的結(jié)果，符號(hào)代表測量值。其中星形符號(hào)用于校準(zhǔn)，虛線是5a模型的預(yù)測。實(shí)線為7年模型的預(yù)測，三角符號(hào)代表7a的實(shí)測值。其他相關(guān)參數(shù)值分別為α=0.3，L=0.5，h1=0.8，λ=0.0667，η=0.033。該模型預(yù)測7年后根的分布情況時(shí)，低估了0.8m以下根部的質(zhì)量，這是因?yàn)樾?zhǔn)模型時(shí)選擇了較低的根生長窗口。預(yù)測未來時(shí)，選擇的增長率與衰減率相同，因此θ(z)=1。當(dāng)假設(shè)根生物量增加的數(shù)值較小時(shí)，根系生物量在30a內(nèi)每年可以增加30g。當(dāng)有更多的實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可以更好地估計(jì)根系生物量，從而獲得根凝聚力模型。將根系生長30a的數(shù)據(jù)輸入到根凝聚力模型，應(yīng)用垂直模型預(yù)測凝聚力隨深度的變化情況。情況2，在有植被根系的情況下，板樁的尺寸和性質(zhì)不變。將保留的土壤分為10層，深度為1.6m，這是根分布模型預(yù)測的根能生長的最大深度，再將根凝聚力模型中獲得的凝聚力分配給土壤層，說明植被能夠增加凝聚力。

圖4 測量和模擬的垂直根分布

使用專業(yè)的根分布模型和大量現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出圖5所示力矩隨深度的變化情況。圖中對(duì)比了有無植被的板樁對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的影響情況，得出作用在有植被板樁上的最大彎矩值可減少至12.7KN/m，板樁頂部的橫向位移可減少到120mm。即有植被的板樁使河岸支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增加，如本例中的安全系數(shù)增加了41%?？芍?，將植被納入護(hù)岸融合為一種生態(tài)性的擋土結(jié)構(gòu)是一個(gè)明智選擇。

圖5 有無植被板樁的力矩隨時(shí)間的變化圖

3 結(jié) 論

文章使用的木板樁-植被護(hù)岸方法屬于生物工程護(hù)岸結(jié)構(gòu)的一種類型，文章方法可以因地制宜利用當(dāng)?shù)刂脖恢伟鍢秮頊p少力矩作用。例如，河流較急時(shí)，可使用更耐腐爛的硬木，當(dāng)?shù)匾赘癄€的軟木可應(yīng)用于溪流堤岸。隨著植物衰減，由植物根支撐的板樁抵抗力矩的作用隨之減弱。如文章所示，這種協(xié)同作用可以在生物工程框架中設(shè)計(jì)應(yīng)用，能更好地了解木材腐爛和根系生長模型。植被對(duì)土壤產(chǎn)生正水力壓力，因此在計(jì)算中要考慮植被根系引起吸力的時(shí)間變化，還需進(jìn)行更多研究來描述河岸植物在不同類型土壤中的根系分布。