基于植被和土工織物的河岸侵蝕控制

梁桂玉

(泰寧縣鑫輝水利水電工程有限公司，福建 三明，354400)

0 引言

由于閩江流域所處的地理環(huán)境，使得該地區(qū)易遭受自然災(zāi)害。從19世紀(jì)初開(kāi)始閩江流域河岸沖刷侵蝕加劇，對(duì)河岸岸坡造成了嚴(yán)重破壞。因此，保護(hù)這些岸坡免受洪水的影響，從而最大程度地減少損失非常重要。閩江流域擁有2300km的岸坡，岸坡破壞的主要原因是降雨侵蝕和河水淘刷[1-3]。流域保護(hù)岸坡的傳統(tǒng)做法是使用混凝土護(hù)坡、沙袋、石頭、木材、土工布、土工袋和植樹(shù)等進(jìn)行護(hù)岸，但這些方法的效果不佳[4-6]。目前，解決這類問(wèn)題的另一種方法是沿堤岸和河岸岸坡種植香根草并搭配使用黃麻土工織物(JGT)。本文研究了將香根草和黃麻土工織物搭配使用，在減少岸坡侵蝕方面的應(yīng)用性，并且分析了傳統(tǒng)護(hù)坡方法與此新方法的成本。

1 試驗(yàn)研究

本研究選擇了兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)(洪泛易發(fā)生地區(qū)，并且適宜香根草生長(zhǎng))：第一個(gè)地點(diǎn)選在閩江流域的某干流處；第二個(gè)地點(diǎn)選在閩江流域的某支流處。為確定兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的土壤物理性質(zhì)，對(duì)土壤進(jìn)行了比重、含水量和粒徑分析等測(cè)定，通過(guò)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)地(干流和支流處)土樣進(jìn)行粒徑分析，測(cè)得在干流試驗(yàn)地為砂質(zhì)粉土，支流試驗(yàn)地為粉質(zhì)粘土。

1.1 試驗(yàn)裝置

針對(duì)含有香根草的草根土和裸土原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，研制了圖1所示的試驗(yàn)裝置。土樣變形量的測(cè)量由被一個(gè)金屬板固定在地面上的線性可變位移傳感器(LVDT)測(cè)量，LVDT的量程為50mm。

1.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

1.2.1 原位剪切試驗(yàn)

原地抗剪強(qiáng)度測(cè)試在試驗(yàn)地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，在固結(jié)未排水的條件下，對(duì)試驗(yàn)塊狀土樣進(jìn)行原位剪切強(qiáng)度測(cè)試，原位測(cè)試的法向應(yīng)力為10.96kPa～19.98kPa。

1.2.2 試驗(yàn)樣塊制備

在保持香根草根部位置不受干擾的情況下，挖出一條長(zhǎng)寬為1m×1m具有一定深度的溝，然后制作出大小為29cm×15cm×19cm的樣塊。

1.2.3 重構(gòu)試樣直剪試驗(yàn)

為使試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，試驗(yàn)地的重塑土樣進(jìn)行了固結(jié)不排水(CU)條件下的直剪試驗(yàn)。

(1)重塑土樣準(zhǔn)備

將采集的土樣風(fēng)干，在干土中加入水(相當(dāng)于自然含水量的25%)，將切碎的香根草草根(25mm長(zhǎng))與濕土混合，如圖2所示，根系含量占土樣干重的百分比為0～12%，再將土壤置于環(huán)刀內(nèi)(環(huán)刀直徑63.5mm，高度25.4mm)并壓實(shí)，以使環(huán)刀內(nèi)土壤的密度與岸坡土壤實(shí)際密度相似。

圖2 香根草根系混合土樣制備

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將重塑土樣放入剪力儀中，在施加剪切力之前，用約2h讓孔隙水壓力完全消散，以0.75mm/min～1.25mm/min的恒定應(yīng)變率對(duì)土樣施加剪切力，橫向變形由量程為25mm的千分表記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土壤的強(qiáng)度特性

圖3(a)和(b)分別顯示了原位土樣和重塑土樣的裸土基質(zhì)和含有香根草草根土基質(zhì)的峰值剪應(yīng)力與正應(yīng)力的關(guān)系，由圖3(a)可知，在任何正應(yīng)力作用下，含有香根草草根土基質(zhì)的峰值剪應(yīng)力均高于裸土基質(zhì)的峰值剪應(yīng)力；含有香根草草根的土的強(qiáng)度是裸土的2.1倍左右，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表明，含有根系的土樣具有較強(qiáng)的延性，所以，含有根系的土在破壞前能吸收大量的能量。由圖3(b)可知，含有香根草草根的土樣強(qiáng)度要高于無(wú)根土樣的強(qiáng)度。

(a)現(xiàn)場(chǎng)試樣

(b)重塑土樣

并由圖3可知，根的含量為9%(按重量計(jì))時(shí)，土樣具有最大強(qiáng)度；并且含香根草草根的重塑土樣也具有了很強(qiáng)的延展性。

2.2 黃麻土工織物的特性

根據(jù)網(wǎng)孔大小和單位質(zhì)量對(duì)不同類型的黃麻土工織物(JGT)進(jìn)行分類[5]，本試驗(yàn)對(duì)4種類型的黃麻土工織物進(jìn)行了研究，并測(cè)試了其吸收能力和單位質(zhì)量，結(jié)果如表1所示。

可根據(jù)降雨強(qiáng)度，選擇網(wǎng)格密集，單位質(zhì)量為700g/m2的黃麻土工織物，可在植被生長(zhǎng)前有效地防止水土流失，本試驗(yàn)所選JGT的強(qiáng)度特性見(jiàn)表2。

表1 黃麻土工織物的性質(zhì)

表2 室外試驗(yàn)用黃麻土工織物的性能研究

圖4 黃麻土工織物護(hù)坡野外試驗(yàn)照片

圖4為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的JGT，其網(wǎng)格的開(kāi)口為31mm×33mm，緯紗直徑為4.0mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 黃麻土工織物放置和香根草種植

圖5為香根草人工種植和黃麻土工織物在岸坡試驗(yàn)中的應(yīng)用示意圖，黃麻土工織物以100mm的重疊度鋪設(shè)。將根系良好的香根草叢被種植在20cm×20cm的正方形網(wǎng)格中，如圖6所示，以確保在種植的12個(gè)月內(nèi)形成緊密的樹(shù)籬，此試驗(yàn)地共需要的73370株香根草均采集于支流。

圖5 黃麻土工織物和香根草人工林在坡上布置示意

(a)準(zhǔn)備鋪黃麻土工織物(JGT)

(b)在河岸的側(cè)坡種植香根草 圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在香根草種植之后，對(duì)種植的香根草和放置的黃麻土工織物進(jìn)行了密切監(jiān)測(cè)。對(duì)破損的黃麻土工織物進(jìn)行重疊修復(fù)，并定期對(duì)植物幼苗進(jìn)行澆水與看護(hù)。

從香根草種植開(kāi)始，每隔1周測(cè)定地上部和根的生長(zhǎng)速率，圖7為對(duì)香根草生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；圖8為香根草莖和根的生長(zhǎng)速率隨時(shí)間的變化，地上部和根的初始長(zhǎng)度分別為15cm和5cm，由于根和莖剛開(kāi)始都被曬干，所以，在圖8的測(cè)量中未考慮根和莖的初始長(zhǎng)度。由圖8可知，香根草在冬季種植，因此，需定期(隔天)現(xiàn)場(chǎng)澆水；在夏季前，根長(zhǎng)可達(dá)30cm，地上部可達(dá)45cm；香根草在雨季，地上部的生長(zhǎng)速率變大；在種植8個(gè)月后，根長(zhǎng)可達(dá)40cm，上述生長(zhǎng)情況表明，在下一個(gè)雨季到來(lái)之前，其根系長(zhǎng)度可保護(hù)岸坡免受侵蝕。

(a)種植1個(gè)月后的莖

(b)種植6個(gè)月后的莖

(c)種植6個(gè)月后的根

圖8 種植后莖和根系隨時(shí)間的生長(zhǎng)情況

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 岸坡穩(wěn)定性估算

利用實(shí)驗(yàn)室直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用式(1)所述的畢肖普法公式確定裸岸坡的安全系數(shù)，穩(wěn)定性分析時(shí)假定滑動(dòng)面為圓弧，使用(1)式分析了裸坡和含有香根草根土壤的安全系數(shù)(FS)。

(1)

安全系數(shù)的分析結(jié)果如表3所示，在安全系數(shù)分析中，假設(shè)根部的香根草穿過(guò)滑移圈，并由表3可得，裸岸坡和有根岸坡的安全系數(shù)分別為1.66和2.90，因此，香根草對(duì)提高安全系數(shù)有顯著效果。

表3 安全系數(shù)分析

4.2 儲(chǔ)水量分析

根據(jù)Sanyal提出的以下關(guān)系式，計(jì)算出所選黃麻土工織物的儲(chǔ)水量[7]。

S=N×d2×(4cotβ-t)×103mm3/m2

預(yù)估存儲(chǔ)水量為5.37×106mm3/m2，則表明在裸露的岸坡上，700g/m2開(kāi)波的JGT可保留5.37×106mm3/m2的水。據(jù)降雨資料顯示，最大降雨量出現(xiàn)時(shí)間為7月和8月，年降雨量為1875mm，預(yù)計(jì)最大降雨量為3.30×108mm3/m2，所以多余的徑流不會(huì)對(duì)覆蓋有JGT的坡面造成像裸坡那樣明顯的侵蝕。

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)各種常用河流護(hù)坡方法的成本分析表明，香根草種植成本最低為0.79元/m2(不含任何土工黃麻)，1.45079元/m2(含土工黃麻)，而混凝土砌塊和粘土包層分別為18.49元/m2和11.89元/m2。因此，采用香根草護(hù)坡方法(是否含黃麻土工織物)的成本明顯較低。

5 結(jié)論

由侵蝕造成岸坡的破壞是閩江流域的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，而在河堤、河岸和山坡沿線種植香根草是解決這一問(wèn)題的綠色可行方案，本文通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)，測(cè)定了含香根草草根的土壤強(qiáng)度，并研究了香根草與黃麻土工織物復(fù)合護(hù)坡的適宜性，研究主要結(jié)果如下：

(1)由含香根草草根的土系統(tǒng)原位剪切試驗(yàn)表明，含香根草草根的土抗剪強(qiáng)度比裸土高2.0倍，含香根草草根土的有效粘聚力是裸土的2.1倍；含香根草根的土具有更好的延展性；實(shí)驗(yàn)室重塑無(wú)根和加根土樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果與原位試驗(yàn)結(jié)果相似。

(2)在不同試驗(yàn)地進(jìn)行了種植香根草試驗(yàn)，可知，在香根草根系生長(zhǎng)初期，應(yīng)用黃麻土工織物進(jìn)行土壤保護(hù)，黃麻土工織物鋪覆在裸露的地表上，起到了防止水土流失的作用，它可以防止土壤顆粒移位并覆蓋土壤以促進(jìn)香根草更好地生長(zhǎng)。隨著黃麻土工織物的降解以及香根草根系的生長(zhǎng)，香根草逐漸取代黃麻土工織物的作用，結(jié)果表明，香根草和黃麻土工織物保護(hù)的岸坡發(fā)生侵蝕的問(wèn)題不明顯。

(3)由裸露岸坡和植被岸坡(含和不含黃麻土工織物)的穩(wěn)定性分析可知，裸坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.66，含根岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)為2.90。

(4)香根草種植成本低于其他常見(jiàn)的護(hù)坡方法，如混凝土砌塊和粘土包層。研究發(fā)現(xiàn)，閩江流域的亞熱帶氣候適宜種植香根草，在閩江流域，種植香根草和使用黃麻土工織物是一種經(jīng)濟(jì)有效、可持續(xù)和生態(tài)友好的防止岸坡侵蝕的方法。