基于木板樁-植被模型的河岸支護結構研究

黃鋒明

(泰寧縣鑫輝水利水電工程有限公司，福建 354400)

0 引 言

護岸是水利工程的重要措施之一，其構造對整個河岸生物多樣性的維持以及生態功能的發揮有重要影響。沿河修建護岸等工程時，通常需要建設擋土結構來防止水流沖刷并保持岸坡穩定。傳統護岸主要考慮河道行洪能力、河道沖刷、岸坡穩定等因素，通常采用半滲透或無滲透性的人工材料修筑硬質護岸，隔斷水、陸生態系統的物質和能量交換，導致整個護岸成為一個封閉的體系，破壞了動植物的生存環境，同時也使河岸帶喪失了生態功能和自凈能力[1]。隨著工程技術的進步、可持續發展概念的提出以及社會環保意識的提高，我國已發展多種護岸結構，并針對回填、岸坡失穩與地基加固等技術問題進行研究，獲得了許多相關工程經驗。然而護岸位于水陸交界處，受到水流的影響較大，且工程設計時需要考慮的因素較多，尤其是近年隨著全球氣候的變化，其結構設計更需考慮如何規避多種風險、合理安排施工等問題[2]。其中人工護岸技術將減少自然穩定的河岸，使得生物棲息地和多樣性也隨之減少，但通過生態護岸技術，即使只恢復五分之一的天然河岸也會對生態環境產生積極影響。因此，我國在河道治理和航道整治工程中采用了大量的生態護岸技術，如在長江中游馬家嘴航道整治工程中首次采用鋼絲網格鋪筑的“生態護岸”，其清淤效果和生態效應十分顯著，體現了建設“綠色”航道的理念[3-4]。在荷蘭等國家，結構工程板樁保護了沿河岸線的大部分土地，約4000km長，其中大約60%都為木材。

截止目前，大部分學者都已經認識到，植被根系在機械和水文上都能穩定土壤。通過垛墻和活植物系統將生態工程原理實踐應用到現有的工程地質中。在這之前很少有人了解生物工程對河岸的影響，在由植被和傳統擋土墻組成的“復合”擋土墻結構中，不僅可以增強植被的抗剪強度，還可以降低作用在傳統擋土墻上的主動土壓力[5-6]。除此之外，植被根系的動力特性及其對擋土結構土壓力的影響也還沒有進行進一步的研究。文章作者提出了一個如圖1所示的木板樁-植被模型的河岸支護結構，該模型可作為河岸板樁支護系統的替代方案。這個新系統基于可持續發展的目的研發，是恢復生態系統的第一步。使生態結構具有良好的抗沖、滲透、生態種植性能好等特點，也可為水生微生物提供棲息環境，植被生長后還能改善動物生存環境。

(a)典型帶木板樁的河岸圍護結構 (b)植被完全生長后的木材板樁-植被擋土結構

1 模型框架

根據作用在板樁任意深度的最大彎矩來確定板樁所需厚度，雙排板樁軟件可以檢查板樁的最小深度以及板樁系統整體的穩定性，用該軟件對文中提出的傳統板樁和板樁-植被模型進行比較。首先估算樹根發育前板樁中彎矩的分布，通過植被根系分布模型可獲得垂直根系的分布；然后修改根凝聚力模型得不同深度處的根凝聚力；最后在考慮新凝聚力隨深度分布的情況下，再次估算彎矩。由于植被在不斷生長，因此可以利用根系分布模型，了解板樁上的彎矩隨深度和時間的變化情況。模型流程如圖2所示。

圖2 木板樁-植被模型中的子模型及其實現順序

1.1 根分布模型

根系分布模型適用于地下水位較高而面臨缺氧的河岸植被和地下水位下降時面臨缺水的河岸植被。該模型將地下水位的變化情況作為根系分布的驅動力，在考慮根生長和腐爛的過程后，通過下列等式提供根分布的分析模型：

(1)

(2)

(3)

式中：z為深度；k(z)為根在深度z處剛好是最佳生長區的概率；β(z)是根的生長速率；γ為根的衰減速率；λ為地下水位增加的平均速率；α為脈沖的平均深度；η為脈沖的衰減；L為根生長區的寬度；h1為根生長區的深度；θ(z)為根的生長率與腐爛率之比。

1.2 根凝聚力模型

通過廣泛使用的垂直根模型假設所有植被根同時斷裂。輸入的參數是根部面積比和根部抗拉強度。雖然該模型高估了凝聚力，但仍然可以應用和觀察文章模型，此時需要引入參數“k′”和“k″”來校正垂直模型的估計值，“k″”是垂直模型和計算纖維束模型之間的比率。

Cr=k′*k″*RAR*T

(4)

式中：Cr為根凝聚力的估計值；RAR為根的橫截面積和土壤控制面積之比；T是根的平均抗拉強度。

1.3 板樁模型

雙排板樁軟件是一款應用較廣泛的擋土墻設計軟件，尤其是板樁。由于輸入巖土工程的相關參數較少，雙排板樁軟件打樁使用畢肖普滑動圓來估計系統整體的穩定性。使用圖形交互界面，計算板樁設計厚度所需最大的彎矩和剪力。根據根系凝聚力模型，可以估計植被根系在不同深度處凝聚力的增加情況?？紤]到這一點，在雙排板樁中，將保留的土壤分成不同的層來增加凝聚力。

1.4 案例研究

與森林或山坡生態系統相比，針對河岸一帶植被根系隨時間生長的研究相對較少，但前人研究仍為實施文章木板樁-植被模型奠定了良好的基礎。為了研究河岸植被根系形態隨時空變化的情況，分別在種植樹苗1a、5a和7a后測量根生物量。頂部0-0.4m處有砂壤土和小礫石，下方有砂壤土和礫石。由于本案例研究的內容已有詳細結果，所以隨時間的增長，能夠校準和驗證根分布模型以及板樁設計時間等相關結果。此外，土壤條件適合文中采用的根分布模型。假設河床目前深度處的土壤和延伸至底土的土壤具有相同的特性，由圖3給出文章研究的板樁-植被模型相關參數值：長3m的河岸，由深度為6.50m、彈性剛度為783KN/m的無錨木板支撐。植被生長前的土壤凝聚力和內摩擦角分別為0kPa和30°。

圖3 案例研究示例

2 結果和討論

該案例研究可分為以下兩種情況進行分析：情況1，在沒有植被根系的情況下，為了保留3m的沙，內摩擦角為30°，采用雙排板樁軟件設計了一個6.5m長的板樁墻。如預期一樣，因為木板無錨支撐，深4.26m處將出現最大的彎矩，數值為21.54KN/m，頂部的最大橫向位移為247mm。用5a的實驗結果對根分布模型進行校正，用校正后的模型預測7a后根系的分布。結果如圖4所示，圖中線是模型模擬分布的結果，符號代表測量值。其中星形符號用于校準，虛線是5a模型的預測。實線為7年模型的預測，三角符號代表7a的實測值。其他相關參數值分別為α=0.3，L=0.5，h1=0.8，λ=0.0667，η=0.033。該模型預測7年后根的分布情況時，低估了0.8m以下根部的質量，這是因為校準模型時選擇了較低的根生長窗口。預測未來時，選擇的增長率與衰減率相同，因此θ(z)=1。當假設根生物量增加的數值較小時，根系生物量在30a內每年可以增加30g。當有更多的實測數據時，可以更好地估計根系生物量，從而獲得根凝聚力模型。將根系生長30a的數據輸入到根凝聚力模型，應用垂直模型預測凝聚力隨深度的變化情況。情況2，在有植被根系的情況下，板樁的尺寸和性質不變。將保留的土壤分為10層，深度為1.6m，這是根分布模型預測的根能生長的最大深度，再將根凝聚力模型中獲得的凝聚力分配給土壤層，說明植被能夠增加凝聚力。

圖4 測量和模擬的垂直根分布

使用專業的根分布模型和大量現場試驗數據做出圖5所示力矩隨深度的變化情況。圖中對比了有無植被的板樁對擋土結構的影響情況，得出作用在有植被板樁上的最大彎矩值可減少至12.7KN/m，板樁頂部的橫向位移可減少到120mm。即有植被的板樁使河岸支護結構安全系數增加，如本例中的安全系數增加了41%?？芍?，將植被納入護岸融合為一種生態性的擋土結構是一個明智選擇。

圖5 有無植被板樁的力矩隨時間的變化圖

3 結 論

文章使用的木板樁-植被護岸方法屬于生物工程護岸結構的一種類型，文章方法可以因地制宜利用當地植被支撐板樁來減少力矩作用。例如，河流較急時，可使用更耐腐爛的硬木，當地易腐爛的軟木可應用于溪流堤岸。隨著植物衰減，由植物根支撐的板樁抵抗力矩的作用隨之減弱。如文章所示，這種協同作用可以在生物工程框架中設計應用，能更好地了解木材腐爛和根系生長模型。植被對土壤產生正水力壓力，因此在計算中要考慮植被根系引起吸力的時間變化，還需進行更多研究來描述河岸植物在不同類型土壤中的根系分布。