基于红柳根系影响的塔里木河岸坡冲刷试验

2020-04-17陈志康宗全利蔡杭兵

人民黄河 2020年1期

陈志康宗全利蔡杭兵

摘要：为探明荒漠植物根系对塔里木河河岸崩岸的影响，取塔里木河河岸原状土体，以当地优势灌木红柳为代表植物，通过无植被、有植被条件下岸坡冲刷概化水槽试验，观察根系影响下河岸的崩塌过程、崩塌类型及近岸流场分布情况，分析植物根系对河岸的保护作用。结果表明：无植被条件下河岸崩岸类型以倒崩为主，下部淘刷使上部土层的悬空宽度达到临界值后，上部土层的重力矩大于自身的抵抗力矩，发生旋转崩塌;有植被条件下崩岸类型多为平面滑动破坏，表现为河岸顶部出现纵向裂隙，随裂隙竖向延伸，崩塌土块沿滑裂面滑落水中;植被的护挡对其周围流场的影响显著，使近岸主流方向的平均流速由大于横向和垂向平均流速一个数量级逐渐变为同一数量级;根系的固土效应为18% - 65%，河岸悬空度与根表面积密度、根长密度成指数递增关系，根表面积密度能较好地反映根系的固土能力。

关键词：荒漠植物;红柳根系;崩岸;护挡作用;河岸悬空度;根表面积密度;塔里木河

中图分类号：TV149.2;S157.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 008

塔里木河地处塔克拉玛干沙漠北缘，是我国最長的内陆河。受塔克拉玛干沙漠干热气候的影响，该流域岩石风化强烈，夏季大量冰雪消融，致使流域土壤侵蚀严重，水流含沙量较大，如地处塔克拉玛干中心区域的车尔臣河多年平均含沙量为11.53 kg/m3[1-2]。塔里木河沿河分布着众多荒漠植物，其根系相对发达，对该流域的生态平衡、防止沙漠化及河岸侵蚀等具有十分重要的作用。关于植物根系固土护坡.Holch[3]早在20世纪30年代就研究了植物根系对坡面稳定性的影响，Abernethy等[4]等研究了林木对河岸起固土作用的影响因素，李勇等[5-7]从不同角度研究了植物根系与土体稳定性及土体抗冲性的关系，吴正雄[8]研究了植物根系对河岸稳定性的影响，白玉川等[9-10]研究了河岸植被覆盖率对河流演化过程的影响.Thome等[11]分析了混合质河岸的崩岸类型，王延贵等[12]对河岸崩塌模式进行了研究。上述关于植物对河岸侵蚀影响的研究，多集中在植物根系固土的力学机制与抗冲性能方面，缺乏在水动力作用下荒漠植物根系对河岸冲刷过程影响的定量化研究，因此笔者以塔里木河河岸原状土为研究对象，通过概化水槽试验，分析红柳根系影响下河岸的崩塌过程、类型及近岸流场分布特点等。

1 概化水槽试验

1.1 试验模型

试验在石河子大学水工水力学大厅的玻璃水槽中进行，该玻璃水槽长20 m、宽50 cm、高50 cm，底坡为0.1%。在水槽进口端设有可以控制流量的阀门，水槽尾部设有三角量水堰。试验模型段上下游端与光滑水泥面连接，自试验土体上游连接段开始，每50 cm设1个观测断面，编号分别为CS1、CS2、CS3，如图l（a）所示;模型土体断面形态为梯形，如图1（b）所示。

试验土体为塔里木河干流河岸岸坡土，取样位置在新疆生产建设兵团农二师12团塔里木河老大桥附近，原状土体为无黏性细沙，中值粒径为0.12 mm，颗粒级配曲线见图2。

塔里木河流域内的乔、灌、草植物中，胡杨属乔木优势种，红柳属灌木优势种，芦苇、甘草、骆驼刺、罗布麻属草本植物优势种，它们生长的盛衰主要受水分条件的制约，沿河岸呈条带状分布，河道附近生长茂密，远离河道处分布稀疏[13-14]。本试验以当地优势灌木红柳为例，选取其幼苗根系，研究土体在其根系作用下的崩塌机理。红柳根系在土体中竖直放置，如图3所示。

提前将模型坡体铺设好，洒水养护使试验土体的物理状态与原状土体接近。为保证根系在土体中发挥较好的固土作用，在铺设土体时同步放置根系，根系与试验土体一同沉降固结一周，形成根土复合体后开始试验。

1.2 试验概况

试验开始前沿3个观测断面测量岸坡初始形状，对土体的干密度和含水率等指标进行测试。试验分为有植被和无植被2组，在水流条件、土体特性基本相同（见表1）情况下进行。

试验开始时，使玻璃水槽的上游来水以冲刷流速（大于沙土起动流速）流入水槽，有植被和无植被试验的流量一致，试验过程中不再调节水位，从河岸开始冲刷直至崩塌结束，对河岸崩塌现象和特点简要记录并不定时测量岸坡形态。

（1）观测指标。根系物理指标有根系长度、根系直径等，试验模型土体中根系的直径采用游标卡尺测量，单株根径测量多次取其平均值，根长密度RLD（单位土体内根系的长度）、根表面积密度R SAD（单位土体内根系表面积）是评价植物根系生物学特征的重要指标[15]，本文用其反映根系对河岸冲刷的影响，各断面植被的R SAD、RLD均值见图4。

土体冲刷过程中观察水流流态变化、根土胶结体的破坏特性等，包括开始崩塌时间、崩塌形式、裂隙长度和宽度、崩块长度和宽度、崩塌特点及有关现象等。当水流开始冲刷坡脚土体时，对3个典型断面的流速进行测量，测量仪器为小威龙系列的ADV流速仪，参照文献[16]进行流速场的测点布置。

（2）概化试验参数。参考刘国彬[17]的研究，用植物根系固土效应J SAD作为概化试验参数，其定义为含根系土层相对于不含根系同性质土层的土体崩塌量，计算公式为

2 结果及分析

2.1 崩塌过程及特点

2.1.1 无植被条件下崩岸情况

无植被条件下崩岸表现为悬空土层以坍落形式落入水中，其过程为水流将水位以下土层淘空后，上部土层失去支撑而发生绕轴崩塌，试验观测详细情况如下。

（1）水位未稳定阶段。河岸下部土层被水流冲刷，坡脚冲刷下切，水位以上土层失去支撑发生部分塌落和沉降，见图5（a）和图5（b），但由于悬空宽度未达到临界宽度，因此上部土层暂处于稳定状态，即绕轴崩塌的起初阶段。在水流持续淘刷作用下，岸坡下切剧烈，致使水位上部土层悬空宽度进一步加大，试验过程中各典型断面的悬空宽度及崩塌宽度见表2。

（2）水位稳定阶段。当流量达到9.2 L/s时，河岸在较大流速作用下，水位上部土层逐渐开始发生崩塌，5 min后CSI-CS2之间水位上部土层达到临界悬空宽度，河岸最大悬空宽度近12 cm，伴随裂隙的出现和延伸，致使土层失稳，挫落的同时绕某一中性轴倒入水中发生崩塌，见图5（c），河岸最大崩塌宽度接近20cm，而后崩岸进一步发展，各断面间的崩塌宽度介于10-20 cm，河岸崩塌后最终形态见图5（d）。

河岸上部土层崩塌后大块土体短期内堆积在坡脚处的河床上，避免了对近岸河床的直接冲刷，起到一定的保护作用;随着水流持续冲刷，该大块土体逐渐被分解，随上游来流被输移到下游。

2.1.2 根系作用下河岸土体的冲刷情况

有根系条件下崩岸形式较为复杂，主要为根土胶结体滑落，滑裂面形态多为平面，冲刷过程可分为3个阶段，试验观测详细情况如下。

（1）植被滑落倒伏阶段。植被在各典型断面中竖直放置，由于河岸坡脚处根土复合体被水流冲刷下切，因此根土胶结体脱离河岸发生滑落，见图6（a），在短时间内根土胶结体不会被冲向下游，而是堆积在坡脚，对近岸河床起一定的掩护作用：随着水流的进一步冲刷，植物根系裸露，植被倒伏水中（水面），根系的护挡作用[19]表现为部分外露的根系对局部流场产生影响以及对上游冲来土块起阻挡缓冲作用，观察到模型上下游水流流态基本平稳，在植被倒伏范围内，水流形态的横向分布呈M形，见图6（a）（b）。植被滑落倒伏后，水位以上复合土层的悬空宽度进一步加大，各断面的最大悬空宽度介于11-15 cm（见表2），相较于无植被河岸土体，悬空度提高了22%-36%。

（2）根土胶结体冲刷平衡阶段。该阶段倒伏植被使近岸流场发生变化，根土胶结体周围水位壅高，根系的“加筋”作用[20]使得河岸在一定时间内不会发生崩塌，到冲刷14 min时，上游连接段一CSI出现局部崩岸，但未达到最大悬空宽度，因此不会发生崩岸，见图6（b），此阶段河岸仍处于相对稳定状态。

（3）根土胶结体破坏阶段。此阶段在水流的持续冲刷和浸泡作用下，滑落水中的根土胶结体逐渐被破坏，部分根系完全裸露出来，被水流冲向下游，各断面间的悬空宽度达到临界值.CSI-CS2、CS2-CS3均发生崩岸，见图6（c）（d）（e），崩塌宽度6-9 cm，崩塌主要以不规则条状体形式塌落水中，破坏面多为平面，河岸崩塌最终形态见图6（f）。相较于无植被河岸，植物根系固土效应为18% -65%。

2.1.3 根系密度对河岸悬空度的影响

悬空度与根长密度、根表面积密度的关系可以用指数函数拟合，见图7（其中R2为决定系数）。根表面积密度是影响河岸悬空宽度的重要因素，河岸悬空宽度随着根表面积密度的增大而增大;根长密度反映了根系在河岸土体中的穿插和缠绕能力[21]，也是影响河岸悬空宽度的主要因素，但其影响较根表面积密度的影响小。

2.2 流速分布对崩岸的影响

崩岸的发生与近岸主流冲刷密切相关，水流对岸坡坡脚的冲刷起决定性的作用。以有植被情况下概化崩岸试验为例.CS3断面近岸流速分布见图8（图中：6为测点距左岸边壁的距离，B为水槽底宽，x向为水流主方向，y向为横向，z 为水深方向，u为流速，Z为测点深度，h为水深，Z/h为测点深度与水深之比）。由图8可以看出，在同一条垂线上，x向与y、z向流速差别较大，植被倒伏范围外（ b/B<0.30）x向流速明显大于y、z向流速，靠近左岸边璧时（ b/B≤0.30）垂线平均流速约为0.25 m/s，靠近河岸模型坡脚时（b/B>0.30）垂线平均流速明显减小至0.10 m/s。在植被滑落倒伏阶段部分外露的植物根系对其周围流场产生影响，使得断面横向流速发生明显的变化。

此外，流速试验结果表明，主流向（x向）垂线流速平均值为0. 05 -0.30 m/s.y向垂线流速平均值为0.01-0.03 m/s.z向流速平均值为0 - 0.02 m/s.可以看出x向平均流速比y、z向平均流速大一个数量级，且y、石向水流方向发生变化（瞬时流速有正有负），但在靠近冲刷的坡脚位置（ b/B≥0.6），x向与y、z向流速趋近，不再相差一个数量级，说明有植被情况下坡脚处水流冲刷趋于平稳，倒伏植被对河岸的护挡作用显著。

2.3 河岸崩塌类型分析

在无植被崩岸概化试验中，从各典型断面河岸形态的变化可以看出，崩岸以落崩为主，具体崩塌形式有3种[11]：①拉伸破坏，出现在CS1断面，起初坡脚土体被冲刷下切，水位以上土层悬空度进一步加大，岸坡顶部在拉应力作用下沿水平面发生破坏，水平面出现裂隙致使该部分土体在自重下塌落水中，见图9（a）;②倒崩（旋转）破坏，出现在CS2断面，破坏延伸面较大，一般下部土层被淘空，上部土层受拉应力作用，顶部出现的裂隙向周围延伸，达到临界抵抗力矩后，整块土体绕某一中性轴旋转而破坏，见图9（b）;③剪切破坏，发生在CS3断面，悬空土层受剪切力作用，岸顶部出现裂隙，裂隙竖向延伸致使土体塌落，見图9（c）。实际上，河岸崩塌是多种类型的混合，不是单独一种形式。

有植被崩岸概化试验中，从典型断面河岸形态来看，崩岸以挫崩[12]为主，岸坡顶部先出现纵向小裂隙，然后根土胶结块体沿滑裂面向下塌落，属平面滑动破坏，见图9（b）（c）。此外，根表面积密度较大的CSI断面发生了圆弧滑动破坏，滑裂面近似圆弧形，见图9（a），这应是植被作用下土体产生的表观黏结力现象;在植被倒伏后，脱落下来的根土胶结体堆积在坡脚处，短时间内不会被水流冲走，随着水流的持续淘刷，会在裸露根系周围形成凹坑，凹坑破坏形式类似于窝崩。

3 结论

（1）无植被条件下的河岸崩塌类型以落崩为主，崩塌形式主要有倒崩、拉伸和剪切破坏，崩塌破坏机理为上部土层悬空宽度达到临界值后，其产生的重力矩大于所需的抗衡力矩，发生绕中性轴旋转、倒向河槽。

（2）有植被条件下的河岸崩塌类型主要为平面滑动破坏，主要发生在起“加筋”作用的典型断面之间，也伴有圆弧滑动破坏，根表面积密度越大的断面发生圆弧滑动的可能性越大。植被对河岸的护挡作用对其周围流场的影响显著，使近岸主流方向的平均流速由大于横向和垂向流速一个数量级逐渐变为同一数量级。

（3）相较于无植被条件下的试验结果，有植被条件下的河岸悬空度提高了22% - 36%.河岸根系固土效应为18% - 65%。河岸悬空度与根表面积密度、根长密度成指数关系，根表面积密度较好地反映了根系固土的能力。

参考文献：

[1] 胡春宏，王延贵，塔里木河干流河道综合治理措施的研究（I）：干流河道演变规律[J].泥沙研究，2006（4）：21-29.

[2] 胡春宏，王延贵，塔里木河干流河道综合治理措施的研究（Ⅱ）：干流河道整治与生态输水措施[J].泥沙研究，2006（4）：30-38.

[3] HOLCH A E.Development of Roots and Shoots of CertainDeciduous Tree Seedlings in Different Forest Sites[J].Ecol-ogy，1931， 12（2）：259-298.

[4] ABERNETHY B，RUTHERFURD I D.Does the Weight ofRiparian Trees Destabilize Riverbanks？[J].Regulated Riv-ers： Research and Management， 2000， 16： 565-576.

[5] 李勇，武淑霞，夏侯国风，紫色土区刺槐林根系对土壤结构的稳定作用[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1998，4（2）：1—7，

[6] 刘定辉，李勇，植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究[J].水土保持学报，2003，17（3）：34-37.

[7] 郭辉，沈育民，李飞，等，土石坝背坡植被抗冲蚀能力试验研究[J].长江科学院院报，2013，30（8）：122-126.

[8] 吴正雄，树根力与坡面稳定关系之研究[J].中华水土保持学报，1993，24（2）：23-27.

[9] 白玉川，杨树青，徐海珏，不同河岸植被种植密度情况下河流演化试验分析[J].水力发电学报，2018（ 11）：107-120.

[10] 楊树青，白玉川，徐海珏，等，河岸植被覆盖影响下的河流演化动力特性分析[J].水利学报，2018，49（8）：995-1006.

[11]‘T'HORNE C.TOVEY N.Stability of Composite River Banks[J] .Earth Surface Processes and Landforms，1981，6：469-484.

[12]王延贵，匡尚富，河岸崩塌类型与崩塌模式的研究[J].泥沙研究，2014（1）：13-20.

[13] 陈亚宁，新疆塔里木河流域生态水文问题研究[M].北京：科学出版社.2010：517 - 520.

[14] 宗全利，冯博，蔡杭兵，等，塔里木河流域河岸植被根系护坡的力学机制[J].岩石力学与工程学报，2018，37（5）：1290-1300.

[15] 李强，刘国彬，张正，等，黄土风沙区根系强化抗冲性土体构型的定量化研究[J].中国水土保持科学，2017，15（3）：99-104.

[16] 宗全利，夏军强，邓珊珊，等，荆江段二元结构河岸崩塌机理试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2016，24（5）：955-969.