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植被护坡在江西连城闸河道岸坡中的应用

2024-12-20 67 上传者：管理员

摘要：洪水、降雨、水位变化等自然因素会对岸坡坡体内部含水量与坡面侵蚀产生显著影响,严重时导致坡体失稳。为此,以连城闸河道岸坡治理为背景,通过建立降雨条件下岸坡试验模型,分析植被种植对坡体土体抗剪强度参数影响与坡面侵蚀情况。结果表明,植被混种可提高岸坡表层土体黏聚力,提高土体抗剪强度,植被种植虽然会增加浅层土体入渗,降低坡体内部深层入渗,提高坡体稳定性；同时植被种植可降低坡面侵蚀情况。与单一种植相比较,混种条件下能够更好地提高坡体稳定性。

关键词：
土体抗剪
坡面侵蚀
植被混种
生态环境
降雨入渗
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1、引言

降雨入渗是一个复杂的自然过程, 不仅影响岸坡的安全稳定性 , 还会影响岸坡区域的水文循环生态环境｡植被护坡作为一种绿色护坡技术 , 不仅能降低降雨在坡体内部的入渗 ,还会改善坡面径流与侵蚀作用｡近年来 , 关于植被护坡问题的研究已逐渐成为土木工程的热点之一｡

目前, 越来越多学者对降雨条件下的坡体稳定性进行了深入研究 , 朱志广等 [1] 采用数值模拟 , 分析了间歇性降雨条件下非饱和土坡体的降雨入渗规律 , 得出坡体的含水量变化与降雨强度基本一致｡姜超等 [2] 采用 Green-Ampt 模型提出改进的入渗计算模型 , 并且考虑了湿润峰发展 , 得出长期降雨会导致土体抗剪强度降低､发生较深层失稳｡张乔军等 [3]采用 Geostudio 模拟软件 , 主要通过关注孔隙水压的变化研究了降雨对边坡稳定性影响｡大量学者 [4-7] 采用有限元软件进行数值模拟 , 通过研究含水量､孔隙水压等参数 , 研究了降雨对坡体入渗边坡稳定性影响｡最终得出 , 降雨会引起岸坡坡体失稳 , 但是通过增加粗颗粒 , 种植植被等措施来提高坡体稳定性｡

本文以连城闸河道岸坡治理为背景, 采用模型试验的方式 , 研究了不同植被种植条件下 , 坡体的降雨入渗､坡面侵蚀情况以及坡面土体抗剪强度｡通过与裸坡工况对比 , 分析了植被在不同种植情况下对岸坡稳定性的影响｡

2、工程背景

连城闸位于抚河水系临水一级支流黄柏水上, 闸址以上控制流域面积 48.2 km2｡该工程是一座以排洪､排涝､灌溉为主的中型水闸工程 , 承担解决连城､秋溪两乡镇洪涝灾害､保障宜惠渠总六支渠及七支渠以下所有渠道放水灌溉的任务 , 是临川区宜惠渠内唯一的中型水闸｡闸址位于抚河水系临水一级支流黄柏水上｡采用 1∶50000 航测图复核 , 闸址以上集雨面积为 48.2 km2, 主河道长度为 12.3 km, 河道纵比降为1.85‰｡分析排水闸沿线现状情况 , 充分考虑到连城乡人民生活的现状与长远发展 , 为保证在排水闸设计年限内 , 闸墩､工作梁､护岸等部分不会受到洪水导致的侵扰 , 彻底解决排水闸工程老化的问题 , 现对闸区两岸进行治理｡

3、试验材料与方案设计

3.1 试验材料

试验土样选择连城闸河道岸坡土体, 土样经取回后进行风干后碾碎 , 再对模型进行填筑｡连城闸区土体 20 cm 深度内土体物理力学参数为:土体天然含水率为 23.76%､塑限为23.1%, 液限 47.83%｡通过击实试验 , 得到土体最大干密度为1.67 g/cm2, 最优含水率为 22.6%｡

目前采用的护坡植被大多为灌木与草本植被, 最具代表的有荆条与香根草｡其中荆条广泛分布于我国南北地区 , 具有较为优秀的抗逆性能 , 可在 39.7℃ ~25.4℃内存活 , 作为植被 , 还能够减少坡面冲刷｡香根草作为草本代表 , 根系发达､坚实强大 , 能够深入较深土体 , 最深处可以深入至 2 m 土层 ,此外香根草具有较强的适应性､可以在贫瘠､紧实的土体中生长 , 是较为常用的草本护坡材料｡在本次试验中 , 选择两种植被单独种植与两种植被混合种植来研究种植方式对边岸坡稳定性影响｡

3.2 试验方案设计

3.2.1 试验模型建造植被岸坡与裸土岸坡 , 岸坡模型坡面长 3.5 m, 坡比为 1∶1.75, 坡体两侧采用混凝土筑成 , 确立为不透水边界 , 并用细砂浆抹匀 , 形成光滑的壁面｡随后将所挖土样通过晒干 ,碾碎后 , 倒入构建的模型中 ,20 cm 为一层､分层填筑坡体｡每填完一层后 , 采用喷壶喷水 , 将颗粒土体粘结 , 采用刮刀在土体每一层表面进行刮毛 , 使下层土体与上层土体能够紧密连接｡

3.2.2 试验组设置

(1)土体抗剪强度试验

为研究不同种植方式下植被根系对土体抗剪强度的影响｡在培养箱内设计了三种种植方式, 分别为单独种植植被覆盖面积为 90% 的荆条､单独种植植被覆盖面积为 90% 的香根草 , 混种植被密度分别为 45% 的荆条与 45% 的香根草｡将三种种植方式的根土复合体分别培养 , 选择植被主干长度生长至 20 cm 时进行测试｡采用环刀取 5 cm 土体(不包括植被长度), 共取三层 , 并分别将三层深度序数依次记为 1､2､3｡取样深度共 15 cm, 取样后 , 将土体表面植被茎叶等去除 ,送入实验室进行直剪试验 , 从而测得样品抗剪强度参数｡试验组别见表 1｡

表1 直剪试验组

(2)室外降雨入渗试验

为研究不同种植方式下, 植被对岸坡抗渗作用的影响 ,试验模型中 , 同时在三个岸坡中播种 90% 覆盖面积的荆条､90% 覆盖面积的香根草､45%+45% 覆盖面积的荆条与香根草｡在降雨强度为 100 mm/h 条件下进行试验 , 记录降雨后岸坡土体入渗情况｡本次试验中 , 入渗情况采用含水率变化来反应｡在坡中处布置四个含水率传感器 , 传感器布置深度间距为15 cm｡由表层至底层四个传感分别编号为 1､2､3､4, 具体编号见表 2｡具体布置情况见图 1, 试验组设置见表 3｡

图1 试验模型布置图

表2 不同工况传感器编号

(3)室外降雨冲刷试验

为研究不同种植方式下, 植被对岸坡抗侵蚀作用的影响 , 在上述模型中进行降雨冲刷试验 , 单次数据收集时间为10 min, 其他条件同上一小节｡

4、结果与分析

4.1 土体抗剪强度

图2 给出了三种不同种植工况下土体抗剪强度参数随深度变化的曲线｡如图 2(a)所示 , 取 CK 土样进行观察 , 随着深度的增大 , 土样的黏聚力逐渐增大｡进一步观察图 2(a)可知 , 在三种种植条件下 ,S-1 土样黏聚力最大 , 在相同土层深度下 ,S-1 土样黏聚力接近 CK 土样黏聚力两倍｡三种土样黏聚力大小分别为 S-1>S-3>S-2, 可见 , 种植荆条对边坡表层土体的黏聚力影响最大｡这是因为荆条为灌木类植被 , 在相同发育情况与根系直径条件下 , 灌木根系抗拉强度会大于香根草｡并且 , 相比较直根类型的香根草 , 荆条根系发达 , 同时侧根众多 , 因而与土体之间的相互接触面积大 , 更容易依靠土体与根系直剪摩擦力传递根系拉力 , 进而提高土体黏聚力｡如图 2(b)所示 , 三种植被工况下的边坡表层土体内摩擦角虽然有差别 , 但不同工况的内摩擦角差异不大 , 最大差值不超过 4°｡这是因为植被虽能够在一定程度上提高土体抗剪强度 , 但由于土体内摩擦角主要受土体本身性质影响｡因此 , 种植植被对土体内摩擦角影响较小｡

图2 不同种植方式下土体抗剪强度参数

4.2 岸坡入渗情况分析

图3 给出了四种种植工况下不同深度含水率在降雨条件下变化曲线｡观察 4 条曲线走势 , 随着降雨时间的增加 , 四种种植工况下含水率均呈现先增大后逐渐稳定的趋势 , 将最终状态的含水率大小记作稳定含水率｡如图 3(a)所示 , 在坡体表面 ,CK 种植条件下稳定含水率最低 , 含水率大小分别为S-1-1>S-3-1>S-2-1>CK-1,1 号和 2 号传感器的含水率均呈现相同的变化规律｡进一步可知 , 种植植被后的岸坡坡面稳定含水率更高｡除此之外 , 种植荆条的坡面稳定含水率要大于种植香根草坡面稳定含水率｡出现上述现象的原因是在植被生长过程中 , 由于植被根系生长发育过程中 , 会增大表层土体中的孔隙率 , 使得土体入渗情况更为明显｡荆条与香根草相比较 , 荆条根系发达 , 发育情况更加明显 , 使得土体孔隙更多,导致单独种植荆条时的含水率要大于单独种植香根草｡并且 S-3 条件下含水率刚好处于 S-1 与 S-2 之间｡

图3(c)与图 3(d)给出了四种种植条件下 3､4 号含水率变化情况 , 可以看出 , 种植植被的情况下的坡体含水率要低于裸坡情况下的坡体含水率 , 含水率大小为 CK-3>S-1-3>S-2-3>S-3-3 与 CK-4>S-1-4>S-2-4>S-3-4, 可见 , 种植植被能够降低土体较深层土体含水率 , 降低入渗情况｡原因是植被根系发育未达到 ,3､4 号传感器位置附近 , 所以不会产生更大的孔隙使得土体的稳定含水率升高 , 又由于植被根系吸水的能力 , 可以阻止水分向下渗透 , 从而降低雨水入渗｡

图3 含水率变化图

4.3 岸坡侵蚀情况分析

图4 给出了四种种植条件下岸坡经过多次降雨后坡体侵蚀量情况｡从图中可以看出 , 随着降雨次数的增加 , 单次降雨导致的侵蚀量逐渐减小｡这是因为岸坡表层土体随着时间的风化 , 土体变得疏松 , 因而在降雨初期 , 岸坡表层土体会很快以径流的形式流出 , 故降雨初期就出现较为明显的侵蚀现象｡但是随着表层土体逐渐被径流带出 , 下层土体相互紧密 ,不会快速随着径流而流出｡但是随着降雨带来的持续冲击作用 , 表层土体也会被剥蚀 , 随着径流流出 , 但与降雨初期相比 ,降雨后期的侵蚀量会明显减小｡

再将不同种植条件的试验结果进行对比, 种植植被后土体侵蚀量出现较大幅度减小｡在第一次降雨时 , 植被种植坡体侵蚀量为裸坡一半 , 侵蚀量可大致比较为:CK>S-1>S2>S-3, 随着降雨次数的增加 , 四种种植条件之间的侵蚀量相差较小｡原因是植被减缓降雨对岸坡的冲刷 , 也就会出现种植植被的岸坡侵蚀要低于裸坡｡前文中研究入渗情况时 , 荆条入渗情况要高于香根草与混种 , 就导致荆条种植时表面的剥蚀情况最为明显｡而 S-3 条件在入渗时入渗情况大于 S-2,但此时 S-3 的侵蚀量较小的原因是 , 混种使得表面植被分布更均匀 , 能够更好地降低坡面受到雨水冲击效果 , 降低侵蚀情况 [8]｡

图4 六次降雨条件侵蚀情况图

5、结论

本文以连城闸河道岸坡为研究对象, 通过建立岸坡试验模型 , 分析种植条件对边坡稳定的影响 , 得到以下结论:(1)岸坡种植植被能有效提升土体抗剪强度参数 , 尤其是土体黏聚力 , 对岸坡土体内内摩擦角改善有限｡(2)岸坡种植植被通过截流 , 能降低雨水冲击作用 , 防止表面被剥蚀过于迅速 , 有效地降低岸坡表面侵蚀情况｡(3)植被种植能够对坡体内部浅层与深层均产生一定影响｡坡体浅层植被根系区域 , 植被种植会提高土体入渗 , 植被根系越多 , 孔隙越复杂 , 入渗越明显 , 植被混种时能够较好降低入渗情况 , 侵蚀量最小 , 能够有效保护岸坡表面土体｡因此｡采用混种时能够比单一种植更好地提高岸坡稳定性｡

参考文献:

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文章来源:黄明超.植被护坡在江西连城闸河道岸坡中的应用[J].陕西水利,2024,(12):142-145.