河道岸坡破坏机理及防护技术研究

陈 景

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

河道岸坡作为生态系统特殊的功能区域，是河道生态系统必不可少的一部分，是河流与陆地生态系统之间的过渡带与连接带，进行着两者物质、能量和信息的交换[1]；同时它也是地理环境的重要组成部分，是一种人类生存过程中必不可少的天然资源，影响着人类的生存与发展，推动着人类精神文明的提升、历史文化的沉淀和现代城市的兴起与发展[2]。因此，同时兼顾行洪排涝与生态平衡两个主要功效是人们对河道岸坡提出的更高要求，在保证安全稳定的同时也能丰富生态环境。

1 岸坡破坏机理

1.1 岸坡破坏影响因素

岸坡稳定性影响因素[3-6]主要为坡面抗剪强度、抗冲刷强度、渗透系数等内在土体因素和地下水浸润、急湍河水冲蚀、大降雨冲刷等外在水流因素。

1.1.1 土体因素

抗剪强度是岸坡稳定性的重要指标，抗剪强度越高，岸坡稳定性越好，反之越差，而岸坡的抗剪强度极大程度上取决于坡体内土体的性质。抗剪强度表达式为

Tf=c+σ′tanφ=c+(σ-u)tanφ

(1)

式中：Tf为抗剪强度；c为土体黏聚力；φ为土体内摩擦角；σ为法向应力；σ′为有效法向应力；u为孔隙水压力。

由式(1)可知，土体黏聚力c和内摩擦角φ越大，土体抗剪强度越高，岸坡稳定性越好。此外，土体渗透系数越大，水流渗入坡体越容易，在水的软化作用下c、φ值明显减小，岸坡稳定性变差。

1.1.2 水流因素

河道方向的变化可引起水流纵向冲击，对岸坡造成一定的破坏作用[7]，如图1所示。

图1 河道方向变化时水流对岸坡冲击的力学模型

由图1可知，水流对岸坡主要作用力为Ry，计算公式为

Ry=sinβ(P+kρQV)

(2)

式中：Ry为水流对岸坡作用力的纵向分力；P、V、Q分别为水流的动水压力、平均流速和流量；ρ为水流的密度；k为动量修正系数；β为水流与岸坡之间的夹角。

由式(2)可知，水流平均流速越大、动水压力越大，岸坡受到的水流冲击力也越大，越容易受到破坏。

1.2 岸坡崩塌破坏形态及成因

按岸坡破坏过程中的形态可将破坏类型分为条崩、窝崩和洗崩[8]三种主要类型。

(1)条崩是指岸坡在坡脚受冲刷后失去支撑主体，坡体在自重作用下发生破坏的过程，主要发生在土体松散砂质岸坡中，如图2(a)所示。

(2)窝崩是指岸坡在水流的剪应力作用下，不断回流、掏蚀所形成的破坏过程，主要发生在弯曲河道较陡的黏性土坡体中，如图2(b)所示。

(3)洗崩是指岸坡上层坡体在风浪和船行波的作用下受到冲蚀破坏的过程，主要发生在河口和河宽较大的地带，如图2(c)所示。

图2 岸坡破坏的主要类型

1.3 岸坡崩塌破坏阶段及过程

岸坡受水流长期冲刷的破坏过程主要分为坡脚破坏、局部失稳和整体破坏三个阶段(图3)。在未受到水流冲刷、船行波和风浪等外力时，岸坡保持整体稳定形态。

图3 岸坡破坏过程

河水急速流动产生的冲刷作用，船运行时产生的船行波，水流对坡脚土体颗粒的运移、搬运，都会导致坡脚逐渐失稳，如图3坡脚破坏阶段。

在岸坡坡脚被水流冲刷破坏后，上部坡体失去坡脚的支撑作用，在重力作用下就会产生拉力，对上部坡体整体结构造成一定的破坏。此外，水流会进一步侵蚀软化岸坡内部土体，作用范围从坡脚逐渐向坡体内部延伸，内部土体结构变得更加松散，各项强度特性进一步减弱，使土体整体结构在自重力作用下自行崩解。在上述因素的综合作用下，岸坡就会逐渐发生局部失稳崩塌，如图3局部失稳阶段。

当岸坡发生局部失稳之后，坡体上部不稳定部分会变多，在更大的自重力作用下产生更大的拉应力，坡体整体变得更加不稳定，岸坡会急剧地向整体失稳转化，如图3整体破坏阶段。

综上所述，岸坡的破坏主要源于急湍河水冲蚀、浸润和风浪、船行波等外界因素对岸坡坡面造成的破坏，继而从坡面破坏开始不断延伸和加剧，最终造成岸坡整体失稳。因此，坡面的透水性、抗剪性、抗蚀性、抗冲刷性和水稳定性都是岸坡稳定性的关键影响因素。

2 岸坡防护技术

根据岸坡的破坏机理可知，岸坡防护技术的重点是对坡面的改良和加固，提高坡面的抗冲刷强度、抗剪强度、水稳定性和合理控制透水性都是岸坡防护技术的关键。

如图4所示，改良和加固后的坡面可以抵御河水冲刷、降雨冲击、地表径流等各种不利于岸坡稳定的因素作用。目前国内针对坡面的护坡技术可分为硬质化护坡技术和生态友好型护坡技术两大类。

图4 岸坡坡面改良加固示意

2.1 硬质化护坡技术

国内目前传统且相对成熟的岸坡整治技术多为砌石护坡和混凝土块体护坡等硬质化护坡技术[9-10]。这类护坡技术可以在保护岸坡、抗冲刷、水土保持等方面呈现高效的成果。

从表1可以看出，硬质化护坡技术都可以很好地提高坡面的抗冲刷能力，可以满足河道安全稳定、行洪排涝等基础条件，但也有不同的缺点。

表1 硬质化护坡技术优缺点

此外，硬质化护坡也剥夺了植物、动物和微生物生存所依赖的场所，使其原有的生存环境、繁衍空间完全丧失；隔离了坡面和坡体之间的水力联系和物质交换，使得整个河流生态系统出现隔断，严重破坏岸坡水系统环境；建筑材料内甚至加入了抗冻剂、膨胀剂等添加剂，长期浸泡在水中导致河流水质下降，对居民健康造成严重影响。

2.2 生态护坡技术

目前国内应用于河道岸坡的环境友好型防护技术主要为生态混凝土护坡技术、土工格栅垫石防护技术、三维植被网防护技术、土壤生物工程防护技术、单纯植物群落护坡技术和高分子材料护坡技术[11-14]。

由表2可以看出，生态护坡在保证边坡安全与稳定的基础上，以营造边坡生物的多样性为目的，使得水体-土壤-生物三位一体，并通过内部物质、信息和能量的循环体系，进行生态环境自我组织及修复，但不同的技术也存在各自的技术难点和使用条件。

表2 生态护坡技术优缺点

综上所述，相较于硬质化护坡技术，生态护坡技术除可以起到抵御冲刷、保持水土的作用外，还可以修复生态、美化环境，可以满足人们对河道生态环境所提出的高要求。

3 结 语

随着生活水平的提高，人们对河道岸坡的生态环境及美化程度提出了更高的要求，对河道岸坡的防护技术也进行了重点关注和深入研究。岸坡破坏主要源于坡面破坏的加剧和延伸，岸坡防护主要是对坡面的加固和优化。传统的硬质化护坡虽具有良好的抗冲刷、水土保持能力，但也会造成生态系统的退化和破坏，与生态理念相背离。生态护坡则可以兼顾行洪排涝、抵御冲刷、保持水土、净化水体、景观美化、生态修复等各方面，满足人们对周边环境的高要求。