降雨入滲條件下黃河古河道草本植物護坡效應分析

張偉偉，吳玉柏，紀建中，陳 達，金 秋，黃明逸(.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 0098；.江蘇省水利科學研究院，南京 007.淮安市水利勘測設計研究有限公司，江蘇 淮安 00；. 河海大學水利水電學院，南京 0098)

傳統的河道岸坡多采用漿砌石、混凝土等硬化防護，破壞了河水與岸坡土體的生態平衡，親水美觀的生態護岸逐漸受到青睞[1]。植物護坡作為常用的一種生態護坡方法，主要通過根系加筋、錨固的力學效應以及降雨截留、抑制徑流的水文效應達到固土護坡的效果[2]。

國內外學者通過大量植物根-土復合體的強度指標試驗，指出植物根系加筋主要為土體提供了附加黏聚力[3-6]。隨著數值模擬技術的發展，有限元分析在生態護坡穩定性評價中得到廣泛應用[7-9]，肖本林[7]通過模擬生態護坡應力應變場的分析得出，邊坡的穩定性隨坡度的增加而降低，刺槐根系可以減緩這種趨勢。李國榮[9]等建立的有限元模擬結果顯示，青藏高原東北部黃土區4種灌木植物根系作用下邊坡水平和垂直方向位移明顯小于裸地邊坡，灌木植物試驗區邊坡剪應力集中范圍和潛在塑性區分布面積顯著小于裸地邊坡。

目前植物生態護坡穩定性研究中，多是單一考慮根系對土體的強度貢獻，對降雨-植物聯合作用考慮較少，但降雨是邊坡失穩最常見的誘因[10-12,16]。據觀測，黃河古河道邊坡在強降雨條件下極易發生滑坡或坍塌，河勢因此被破壞而導致洪災。實際上，在降雨入滲條件下，應該考慮非飽和土體抗剪強度的降低[10,11]，而植被除了能夠截留降雨，同時會增加雨水入滲，后者對邊坡穩定產生不利影響[12]。

因此，本文通過研究植被發育土體的土水特性，建立降雨作用下的生態護坡有限元分析模型，將其用于黃河古河道護坡草本植物的篩選與評價。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

黃河古河道西起河南省蘭考東壩頭，流經豫、魯、皖、蘇四省，至江蘇省濱海縣套子口入黃海，土壤由黃河泛濫裹挾的泥沙堆積而成。全線表層分布5～10 m的黃泛沉積物，其中，飛泡沙土約占該地區土壤總面積的30%，其土質松散、黏結性差、透水性強，以飛泡沙土為主要成分的河道邊坡陡立，水流頂沖、險工患段眾多，在降水、徑流及河灘墾植灌溉等作用下容易失穩，需對岸坡及險工段進行防護。

本文研究依托淮安市黃河古河道干河下段(二河至漣水石湖段)治理工程，試驗段為淮陰區南昌路～S327省道段，護岸段長4.06 km，位于黃河古河道左岸，樁號分別為15+350～16+160、17+600～20+850，其中樁號16+160～17+600段位于淮陰區母愛公園，現狀已有護岸。該段河道位于城區，屬于淮安市委市政府規劃建設的古淮河生態公園建設范圍，但是邊灘犬牙交錯，局部河段逼近堤腳，且水土流失嚴重，雨淋沖溝眾多，因此考慮植草護坡。勘探試驗表明，現場土質以砂壤土或粉砂為主，表1為試驗段土樣理化參數。

表1 試驗區裸地土壤物理化學指標Tab.1 Indexes of physical and chemical properties of testing soil in bare area

1.2 材料與方法

研究區地處暖溫帶與亞熱帶交匯處，多年平均氣溫14 ℃，日照1 907～2 531 h，降雨量大而集中，為土壤侵蝕提供了原動力。為保證護坡植物的水土保持能力，需因地制宜，選擇根系發達、固土能力強的物種。確定以下3種草本植物作為研究對象：狗牙根、高羊茅、香根草。

狗牙根[13]： 多年生草本植物，根系具有根狀莖和匍匐枝，匍匐莖發達，莖部形成分蘗節，分蘗節上產生新的走莖，新老葡匐莖在地面上互相穿插，交織成網。該草種為本地植物，喜光稍耐陰，在輕鹽堿地上生長較快，覆蓋力強，又能耐頻繁的刈割，踐踏后易于復蘇，少病蟲危害，對水肥條件要求不高。狗牙根在淮河入海水道等工程中大量的成功應用，是良好的水土保持植物。

高羊茅[14]：多年生草本植物，亞熱帶常用的冷季型草坪草種，性喜寒冷潮濕氣候，在肥沃、潮濕、pH值為4.6～8.5的土壤中生長良好。品種豐富，最耐寒和踐踏，須根系發達、粗壯 ，“交戰Ⅱ號”型高羊茅在沙土中根系可達2 m左右或更深。

香根草[15]：多年生草本植物，耐旱耐瘠，生長繁殖快。根系網狀深扎，與土壤接觸面積大，根系生長速度快且具有較長的長度，它的根系3～4個月可長達1 m，一年可長達2～3 m，多年可長達5 m以上，有“世界上具有最長根系的草本植物”之稱，被世界上100多個國家和地區列為理想的保持水土植物[15]，香根草綠籬在江蘇北部生態河道岸坡中多有應用。

草本植物根系的分布特征決定它對土體影響范圍。研究表明[4]，草本植物90%左右根量集中分布在某一深度范圍內，超出該深度范圍的根系對土體幾乎不起作用。本文將根-土復合體試樣作均質土考慮，在研究區3種草本植物生長1 a的10 m×10 m的試驗小區內，現場采集根系進行稱重，確定其90%根系分布范圍為其對土壤影響的有效深度(表2)。

表2 3種護坡草本的根系特征參數Tab.2 Parameters of root characteristics 3 herbage for slope protection

本研究需要草本植物根-土復合體試樣，試樣的制備方法：在3種草本植物生長的試驗小區內，取出直徑約為800 mm、高度為相應草本根系有效深度的近圓柱形土試樣，再用削土刀將該土柱試樣削切至規則的直徑400 m的圓柱形土試樣，采用保鮮膜密封，保證根系新鮮、完整，土壤水分接近現場，采集帶回實驗室立即展開試驗。

2 降雨條件下草本植物護坡機理

降雨入滲作用下的邊坡穩定是典型的非飽和土問題，Fredlund提出采用凈法向應力和土體基質吸力定義的非飽和土抗剪強度理論得到廣泛認可[16,17]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：c′和φ′分別為有效黏聚力和內摩擦角；σ為正應力；ua和uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；φb為與基質吸力有關的增量摩擦角；(σ-ua)即為凈法向應力；(ua-uw)即為土體基質吸力。

由式(1)可以看出，降雨誘發土質邊坡失穩的主要機理是[17,19]，降雨升高巖土體暫態飽和區的孔隙水壓力，導致土體的基質吸力不斷減小，土體抗剪強度隨之衰減。所以，本文研究草本植物如何影響土體的抗剪強度、基質吸力、滲透性等指標。

2.1 護坡草本對土體抗剪強度的影響

土體飽和狀態下，式(1)退化為摩爾-庫倫強度準則。對現場采集的原狀土試樣采用三軸固結排水剪切(CD)試驗，測定四種試驗土樣飽和狀態下的抗剪強度指標，結果表明，四種土樣強度包線近似平行，即內摩擦角變化不大，而黏聚力差異顯著，狗牙根、高羊茅、香根草相較裸地黏聚力增幅分別為52%、140%、222%，同時測定試驗土樣的濕密度和飽和滲透系數(表3)。

表3 飽和試驗土樣的物理、強度指標Tab.3 Physico-mechanical parameters of testing saturated soil

2.2 護坡草本對土體基質吸力的影響

研究表明，參數(ua-uw)比c′和φ′對邊坡穩定性的影響更為重要，忽略土體基質吸力變化的影響，會明顯高估降雨條件下邊坡的穩定性[19,20]。

為測定試驗土樣土水特征曲線，采用室內吸力量測試驗方法，高吸力部分(4.5～309 MPa)采用氣相法、低吸力部分(小于2 MPa)采用滲析方法，將結果繪制在S-lgu坐標中(圖1)。

圖1 4種試驗土樣的土-水特征曲線Fig.1 Soil-water characteristic curve of four testing soil

從圖(1)可以看到，植物根-土復合體相較裸地的進氣值有所減小，而殘余飽和度則增加。這是因為，植物根系改善了沙土松散的結構，形成了一定量的團聚體，相比裸地顆粒，團聚體之間形成的是大孔隙。大孔隙受的吸力小，在吸濕(排濕)過程中優先吸水(排水)。所以，土壤團聚體較好時，大孔隙數量多，孔隙中水分排出時，土壤水吸力僅發生較小的增加；當土體比較松散，低吸力下保持的水分數量少，水分較難排出，一旦這些水分排出時，吸力就有較大的增加。此外，植物根系豐富了土顆粒的親水性礦物成分、有機質以及孔隙中可溶鹽成分，故持水性更強，反映在土水特征曲線的高吸力段，則為殘余飽和度較大。

采用Van Genuchten(1980年)方程(V-G模型)擬合試驗土水特征曲線(表4)，該模型對各種土質適應性較好，且適合全吸力段[18,19]。

S(u)=Sr+(1-Sr)/[1+(u/a)n]m

(2)

式中：Sr為殘余飽和度；a是與進氣值有關的參數；m、n是形狀參數，為方便進一步推定非飽和的土滲透系數函數，取m=1-1/n。

表4 4種試驗土樣土-水特征曲線擬合參數Tab.4 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of four testing soil

表4擬合結果表明，4種試驗土的擬合相關系數均在0.98以上，說明V-G模型可以有效應用于黃河古河道植被發育土壤。

2.3 護坡草本對土體滲透性的影響

滲透系數是非飽和土的重要參數之一，但是其值變化范圍很大且不易直接測量，為此，Mealum提出非飽和滲透系數與基質吸力(飽和度)之間的關系[18]：

(3)

式中：kr=k/ks，為“相對滲透系數”；Se=(S-Sr)/(1-Sr)，為“相對飽和度”。

將式(2)代入式(3)積分，即可得基于VG公式和Mealum理論的非飽和土滲透系數函數方程：

kr(Se)=S1/2e[1-(1-S1/me)m]2

(4)

根據式(4)和表4中參數，計算黃河古河道4種試驗土的k-S變化關系，將其繪制在圖2中。圖2表明，當S>25%時，3種植物根系土比裸地的滲透系數提高了1～2個數量級，顯著增強土體的滲透性，這與彭書生[12]等人試驗觀測的結果一致，植物根系增加雨水入滲的效應不可忽略。

圖2 4種試驗土樣的滲透系數曲線Fig. 2 Permeability curve of four testing soil

3 有限元數值模擬

3.1 有限元建模

(1)幾何條件。選取研究區一處坡高8 m，河道水深3 m，坡度1:3，坡頂、坡底截面各寬10 m的河道斷面(圖3)，采用巖土有限元分析軟件ABAQUS建立模型，根-土復合體按表1中試驗數據處理為均質復合材料，草本根系有效深度采用表2中數據。網格劃分采用平面六節點三角形單元，接近坡面的單元尺寸設為0.5 m，而距坡面較遠的單元尺寸設為1 m，模型網格共劃分出5 534個節點和3 201個單元。

(2)邊界條件。模擬計算時靜力包括坡體自重應力和河水靜水壓力，下邊界采用剛性邊界，兩側邊界施加水平方向的位移約束。降雨入滲強度按黃河古河道流域50 a一遇3日暴雨換算為20 mm/h(裸地)，持續時間72 h，假定植物截留外雨水全部入滲，在模型頂部及坡面上施加降雨流量邊界，且不計水分蒸發的影響。將式(1)作為強度準則編入二次開發子程序，土水特征曲線、滲透曲線分別采用圖1、圖2中試驗數據，以有限元強度折減法[16]計算邊坡安全系數，以相關聯的流動法則計算塑性應變。

3.2 結果分析

(1)安全系數。按有限元強度折減法，以特征點位移突變作為邊坡失穩判據，讀出降雨前后的邊坡安全系數，表5結果表明，降雨使邊坡穩定性下降，種植草本植物可提高邊坡安全系數，但是最大增幅僅3.70%，可見草本植物護坡對邊坡整體穩定性影響很小。

圖3 試驗段河道草本生態岸坡概化模型(單位:m)Fig.3 Generalized model for river bank slope in testing area

表5 降雨前后邊坡安全系數及護坡草本對整體穩定性貢獻Tab.5 Factors of safety of slope before and after rain and contribution of 3 herbage to slope stability

注：FS為邊坡安全系數，ΔFS為草本植物發育土坡相比裸地邊坡安全系數的增幅。

(2)應力分布。Mises應力表征某點開始進入塑性狀態的等效應力，降雨72 h后Mises應力云圖4顯示，4種邊坡的等效應力基本坡面從沿深度向下遞增，且較深范圍內應力分布基本相同，但是，裸地邊坡淺層應力水平約為1.5～18 kPa，而狗牙根-土邊坡、高羊茅-土坡、香根草-土邊坡淺層應力水平分別為5.5～21、4.4～32、8.6～41 kPa，說明草本植物使邊坡淺層應力重分布，使邊坡應力集中程度減小，延緩土坡塑性區發展，提高邊坡淺層的穩定性。

圖4 降雨72 h后試驗區裸地和3種草本發育邊坡等效應力等值云圖(單位：kPa)Fig.4 Nephograms of mises stress attribution of the slope for soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

(3)位移變化。降雨72 h后水平位移位移云圖5顯示，4種邊坡的水平位移都是從坡腳沿坡面向坡肩遞減，但是有植被岸坡水平位移值明顯小于裸地岸坡。各種工況下邊坡最大水平位移和豎直位移見表6，統計結果表明，草本植物能顯著減小淺層邊坡側向變形和豎向沉降，約束變形能力從高到低依次為香根草>高羊茅>狗牙根。降雨后的最大位移減幅絕對值相比降雨前減少，說明降雨使草本植物約束邊坡變形的能力降低。

圖5 降雨72 h后試驗區裸地和3種草本發育邊坡水平位移等值云圖(單位：m)Fig.5 Nephograms of horizontal displacements of the soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

表6 試驗邊坡最大水平、豎直位移Tab.6 Maximum horizontal and vertical displacements simulation results on the slope surface

注：UxM、UyM分別為水平方向、豎直方向的最大位移，ΔUxM、ΔUyM分別為植被發育邊坡相比于裸地邊坡水平方向、豎直方向的最大位移減幅。

4 結 語

(1)試驗測定3種草本植物發育土體的土水特性，狗牙根-土、高羊茅根-土、香根草根-土相比裸地黏聚力分別增長52%、140%、222%，土水特征曲線中根土復合體進氣值較高，持水性增強，在相同飽和度下，其滲透系數比裸地高1～2個數量級。

(2)降雨條件下，考慮草本植物加筋、增加入滲等作用，有限元模擬結果表明，草本植物護坡對降雨作用下邊坡整體安全系數貢獻很小，其力學效應主要表現防治邊坡淺層失穩及約束邊坡變形。在大坡比岸坡中，需結合其他工程措施，如木樁護岸等，保證岸坡整體穩定性。

(3)在試驗區降雨和坡度條件下，按邊坡位移減少量衡量，香根草防護效果最好，可作為推薦草種，依據從坡肩向坡腳位移遞增的規律，在岸坡臨水線可加密種植。

(4)降雨前后結果對比表明，降雨入滲削弱草本植物的護坡能力，應按做好邊坡排水工程，在坡頂和臨水位處設置混凝土截水溝，收集雨水后集中下泄排入河道。

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