基于植被和土工织物的河岸侵蚀控制

梁桂玉

(泰宁县鑫辉水利水电工程有限公司，福建 三明，354400)

0 引言

由于闽江流域所处的地理环境，使得该地区易遭受自然灾害。从19世纪初开始闽江流域河岸冲刷侵蚀加剧，对河岸岸坡造成了严重破坏。因此，保护这些岸坡免受洪水的影响，从而最大程度地减少损失非常重要。闽江流域拥有2300km的岸坡，岸坡破坏的主要原因是降雨侵蚀和河水淘刷[1-3]。流域保护岸坡的传统做法是使用混凝土护坡、沙袋、石头、木材、土工布、土工袋和植树等进行护岸，但这些方法的效果不佳[4-6]。目前，解决这类问题的另一种方法是沿堤岸和河岸岸坡种植香根草并搭配使用黄麻土工织物(JGT)。本文研究了将香根草和黄麻土工织物搭配使用，在减少岸坡侵蚀方面的应用性，并且分析了传统护坡方法与此新方法的成本。

1 试验研究

本研究选择了两个试验地点(洪泛易发生地区，并且适宜香根草生长)：第一个地点选在闽江流域的某干流处；第二个地点选在闽江流域的某支流处。为确定两个试验地点的土壤物理性质，对土壤进行了比重、含水量和粒径分析等测定，通过对两个试验地(干流和支流处)土样进行粒径分析，测得在干流试验地为砂质粉土，支流试验地为粉质粘土。

1.1 试验装置

针对含有香根草的草根土和裸土原位抗剪强度试验，研制了图1所示的试验装置。土样变形量的测量由被一个金属板固定在地面上的线性可变位移传感器(LVDT)测量，LVDT的量程为50mm。

1.2 室内土工试验

1.2.1 原位剪切试验

原地抗剪强度测试在试验地现场进行，在固结未排水的条件下，对试验块状土样进行原位剪切强度测试，原位测试的法向应力为10.96kPa～19.98kPa。

1.2.2 试验样块制备

在保持香根草根部位置不受干扰的情况下，挖出一条长宽为1m×1m具有一定深度的沟，然后制作出大小为29cm×15cm×19cm的样块。

1.2.3 重构试样直剪试验

为使试验结果具有对比性，试验地的重塑土样进行了固结不排水(CU)条件下的直剪试验。

(1)重塑土样准备

将采集的土样风干，在干土中加入水(相当于自然含水量的25%)，将切碎的香根草草根(25mm长)与湿土混合，如图2所示，根系含量占土样干重的百分比为0～12%，再将土壤置于环刀内(环刀直径63.5mm，高度25.4mm)并压实，以使环刀内土壤的密度与岸坡土壤实际密度相似。

图2 香根草根系混合土样制备

(2)试验设计

将重塑土样放入剪力仪中，在施加剪切力之前，用约2h让孔隙水压力完全消散，以0.75mm/min～1.25mm/min的恒定应变率对土样施加剪切力，横向变形由量程为25mm的千分表记录。

2 试验结果

2.1 土壤的强度特性

图3(a)和(b)分别显示了原位土样和重塑土样的裸土基质和含有香根草草根土基质的峰值剪应力与正应力的关系，由图3(a)可知，在任何正应力作用下，含有香根草草根土基质的峰值剪应力均高于裸土基质的峰值剪应力；含有香根草草根的土的强度是裸土的2.1倍左右，应力应变关系表明，含有根系的土样具有较强的延性，所以，含有根系的土在破坏前能吸收大量的能量。由图3(b)可知，含有香根草草根的土样强度要高于无根土样的强度。

(a)现场试样

(b)重塑土样

并由图3可知，根的含量为9%(按重量计)时，土样具有最大强度；并且含香根草草根的重塑土样也具有了很强的延展性。

2.2 黄麻土工织物的特性

根据网孔大小和单位质量对不同类型的黄麻土工织物(JGT)进行分类[5]，本试验对4种类型的黄麻土工织物进行了研究，并测试了其吸收能力和单位质量，结果如表1所示。

可根据降雨强度，选择网格密集，单位质量为700g/m2的黄麻土工织物，可在植被生长前有效地防止水土流失，本试验所选JGT的强度特性见表2。

表1 黄麻土工织物的性质

表2 室外试验用黄麻土工织物的性能研究

图4 黄麻土工织物护坡野外试验照片

图4为试验现场使用的JGT，其网格的开口为31mm×33mm，纬纱直径为4.0mm。

3 现场试验

3.1 黄麻土工织物放置和香根草种植

图5为香根草人工种植和黄麻土工织物在岸坡试验中的应用示意图，黄麻土工织物以100mm的重叠度铺设。将根系良好的香根草丛被种植在20cm×20cm的正方形网格中，如图6所示，以确保在种植的12个月内形成紧密的树篱，此试验地共需要的73370株香根草均采集于支流。

图5 黄麻土工织物和香根草人工林在坡上布置示意

(a)准备铺黄麻土工织物(JGT)

(b)在河岸的侧坡种植香根草 图6 现场试验布置

3.2 现场监测

在香根草种植之后，对种植的香根草和放置的黄麻土工织物进行了密切监测。对破损的黄麻土工织物进行重叠修复，并定期对植物幼苗进行浇水与看护。

从香根草种植开始，每隔1周测定地上部和根的生长速率，图7为对香根草生长进行监测；图8为香根草茎和根的生长速率随时间的变化，地上部和根的初始长度分别为15cm和5cm，由于根和茎刚开始都被晒干，所以，在图8的测量中未考虑根和茎的初始长度。由图8可知，香根草在冬季种植，因此，需定期(隔天)现场浇水；在夏季前，根长可达30cm，地上部可达45cm；香根草在雨季，地上部的生长速率变大；在种植8个月后，根长可达40cm，上述生长情况表明，在下一个雨季到来之前，其根系长度可保护岸坡免受侵蚀。

(a)种植1个月后的茎

(b)种植6个月后的茎

(c)种植6个月后的根

图8 种植后茎和根系随时间的生长情况

4 试验结果与分析

4.1 岸坡稳定性估算

利用实验室直剪试验数据，采用式(1)所述的毕肖普法公式确定裸岸坡的安全系数，稳定性分析时假定滑动面为圆弧，使用(1)式分析了裸坡和含有香根草根土壤的安全系数(FS)。

(1)

安全系数的分析结果如表3所示，在安全系数分析中，假设根部的香根草穿过滑移圈，并由表3可得，裸岸坡和有根岸坡的安全系数分别为1.66和2.90，因此，香根草对提高安全系数有显著效果。

表3 安全系数分析

4.2 储水量分析

根据Sanyal提出的以下关系式，计算出所选黄麻土工织物的储水量[7]。

S=N×d2×(4cotβ-t)×103mm3/m2

预估存储水量为5.37×106mm3/m2，则表明在裸露的岸坡上，700g/m2开波的JGT可保留5.37×106mm3/m2的水。据降雨资料显示，最大降雨量出现时间为7月和8月，年降雨量为1875mm，预计最大降雨量为3.30×108mm3/m2，所以多余的径流不会对覆盖有JGT的坡面造成像裸坡那样明显的侵蚀。

4.3 经济性分析

对各种常用河流护坡方法的成本分析表明，香根草种植成本最低为0.79元/m2(不含任何土工黄麻)，1.45079元/m2(含土工黄麻)，而混凝土砌块和粘土包层分别为18.49元/m2和11.89元/m2。因此，采用香根草护坡方法(是否含黄麻土工织物)的成本明显较低。

5 结论

由侵蚀造成岸坡的破坏是闽江流域的一个常见问题，而在河堤、河岸和山坡沿线种植香根草是解决这一问题的绿色可行方案，本文通过室内外试验，测定了含香根草草根的土壤强度，并研究了香根草与黄麻土工织物复合护坡的适宜性，研究主要结果如下：

(1)由含香根草草根的土系统原位剪切试验表明，含香根草草根的土抗剪强度比裸土高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；实验室重塑无根和加根土样的直剪试验结果与原位试验结果相似。

(2)在不同试验地进行了种植香根草试验，可知，在香根草根系生长初期，应用黄麻土工织物进行土壤保护，黄麻土工织物铺覆在裸露的地表上，起到了防止水土流失的作用，它可以防止土壤颗粒移位并覆盖土壤以促进香根草更好地生长。随着黄麻土工织物的降解以及香根草根系的生长，香根草逐渐取代黄麻土工织物的作用，结果表明，香根草和黄麻土工织物保护的岸坡发生侵蚀的问题不明显。

(3)由裸露岸坡和植被岸坡(含和不含黄麻土工织物)的稳定性分析可知，裸坡安全稳定系数为1.66，含根岸坡安全稳定系数为2.90。

(4)香根草种植成本低于其他常见的护坡方法，如混凝土砌块和粘土包层。研究发现，闽江流域的亚热带气候适宜种植香根草，在闽江流域，种植香根草和使用黄麻土工织物是一种经济有效、可持续和生态友好的防止岸坡侵蚀的方法。