近自然護岸措施對提高河岸平衡坡度的作用——以重慶市長壽區桃花溪河岸為例

朱蔚利，王云琦，雷聲坤

(北京林業大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京)

河岸帶作為濱水區域中適宜植物生長的地區，不僅為動物提供了棲息場所，也是陸生和水生動植物活動遷移的廊道，在生態系統中占據非常重要的地位。護岸類型可分為傳統護岸和近自然護岸。李力等［1］、韓素珍等［2］認為，傳統護岸只注重行洪、排洪能力，截彎取直、水流速度的加快也會加快水資源的流失，采用混凝土護岸，不利于河道的美化，缺乏親水性，缺少對環境、生態的考慮，破壞了生物的棲息場所，而近自然護岸對岸坡穩定、景觀效果、生物多樣性等都有很好的改善作用;因此，基于維持河岸帶生態功能的生態護岸顯得尤為必要，河道整治中的河道護岸技術正在由原來的純工程性措施向生態護岸技術發展。盡可能保持河道的原地形地貌及生物多樣性已成為國際上治理河道的準則。護岸起著防止水土流失、防洪泄洪的作用，其穩定性直接關系到人民生命財產的安全，因此，結構的穩定與安全是設計中重點考慮的方面。河道岸坡穩定是評價河道岸坡健康的重要指標之一。謝禮明等［3］認為，岸坡穩定因素主要受岸坡土層抗沖刷能力、岸坡坡度等的影響。歐文昌［4］認為，影響梧州市河西防洪堤岸坡的因素有岸坡自然坡度、水流的沖刷、土壤的強度等。謝輝等［5］認為，影響岸坡穩定的因素有水流因素、岸坡坡度、土壤的抗沖刷能力。王玉杰等［6］認為，坡地自身具有維持一定坡度的能力，超過一定坡度后坡地就會失去穩定性，這個坡度在這里稱為相對平衡坡度，是判斷岸坡穩定性的一個重要指標。河道岸坡護岸不僅要注重其安全穩定性，也不能忽視良好的景觀生態功能所帶來的附加價值，城市河道岸坡的生態功能越來越被人們所重視;但關于河道岸坡近自然護岸措施下其岸坡穩定性的研究較少，故筆者綜合前人對岸坡近自然護岸措施及岸坡穩定性的研究成果，采用針對水力侵蝕的泥沙起動模型和針對重力侵蝕的土壤抗剪強度模型，以重慶市長壽區桃花溪沿岸為研究區，選擇自然原型護岸、天然材料織物墊護岸、土工織物扁袋護岸3種近自然護岸措施，對河道岸坡穩定性進行分析，以評價各種護岸措施對增強岸坡穩定性的效果。

1 研究區概況

研究區為長江中上游重慶長壽地區，該地區熱量豐富，降水充沛，常年平均氣溫17.7℃，最高年20.4℃，最低年16.7℃，常年平均降水量1 165.2 mm。長壽境內河流眾多，水資源豐富，其中桃花溪多年平均流量5.3 m3/s。

2 研究方法

2.1 護岸措施布設

于2009年3月在重慶市長壽區桃花溪河岸沿水流方向布設了以下3種近自然護岸措施，并以對岸的裸地作為對照。護岸措施布設2年后，對各岸坡的相對平衡坡度進行研究。

1)自然原型護岸措施。采用喬灌草混交模式，種植毛竹(Phyllostachys heterocycla cv.pubescens)、垂柳(Salix babylonica)、毛葉丁香球(Ligustrum quihoui)、黃花槐(Cassia pumila)、鳶尾(Iris japonica)、黑麥草(Lolium perenne)、鋸鋸藤(Galium aparine var.tenerum)等植物。

2)天然材料織物墊護岸措施。平整岸坡的小溝壑，沿水平線由坡底到坡頂平鋪麻袋布，用木芙蓉(Hibiscus mutabilis)、黃花槐等枝條扦插固定，最后播撒黑麥草草種。

3)土工織物扁袋護岸措施。把可降解的麻袋布包裹在坡面展平后填土，然后把土工織物向坡內反卷，包裹填土，在呈階梯狀排列的織物扁袋之間扦插木芙蓉、紅葉李(Prunus ceraifera cv.pissardii)、黃花槐、秋花柳(Salix variegata Franch)等枝條，并播撒黑麥草草種。

2.2 土壤采集與分析

1)土壤物理性質。在每塊樣地沿水流方向從坡頂至坡腰隨機采集淺層(0～15 cm)15個土壤樣品，用篩分法測定土壤團聚體組成，用環刀法測定土壤質量密度。

2)土壤抗剪強度試驗。用TSZ30-2.0型臺式三軸儀采用固結不排水法在0.08 mm/min剪切速率條件下進行土壤抗剪強度試驗，圍壓控制為50、100、150、200 kPa。試樣破壞強度取峰值強度或應力應變曲線上15%應變所對應的強度。

3)土壤抗沖試驗。用泥沙起動模型分析岸坡穩定忽略了各護岸措施下植物根系對土壤的固持作用，也忽略了植物枯枝落葉等能防治水土流失的功能，為此，進行原狀土抗沖試驗，以彌補泥沙起動模型對地表草墊植被固土效應的忽略。由于水流對岸坡的沖刷破壞包括壤中流對土壤的沖刷破壞和地表徑流對岸坡的沖刷破壞，針對這2種沖刷形式，抗沖試驗分2部分，一部分用來測淺層土(0～15 cm)的抗沖性(針對壤中流沖刷)，一部分用來測地表草墊(植物莖、葉、根等在地表形成的一層織物狀結構，即發生坡面流時水流與岸坡的接觸面)的抗沖性(針對地表徑流沖刷)。天然材料織物墊護岸、土工織物扁袋護岸施工前期，雖然對地表進行了擾動，但施工結束后會在地表鋪設一層麻袋布，故進行麻袋布包裹重塑土的抗沖性試驗，以模擬麻袋布在施工前期的護岸作用。

取土柱:以實測的自然原型護岸、天然材料織物墊護岸、土工織物扁袋護岸、對照的淺層土壤硬度平均值(14.7、13.3、16.0、15.2 kg/cm2)為依據，在各樣地取原狀土柱時，先用硬度計測硬度，在能代表各樣地硬度平均值點處，用直徑7.6 cm的可取下原狀土的改進型環刀取15 cm高原狀土柱做抗沖試驗，每個樣地取8個土樣做重復。將取得的土柱裝入對應直徑和高度的劈成1/2的已稱量的PVC管內，并用塑料繩把劈開的PVC管系好，一端用紗布包裹，豎直放置于13 cm水深的水盆中，浸泡24 h，再空出多余的重力水，用電子秤稱量。

淺層土抗沖方法:把土柱橫放在15 cm寬的水槽末端，去掉紗布和上側的1/2PVC管，使水流最大限度地沖刷土柱的上側面。水槽坡度與樣地坡度保持一致，約為26°，用穩流裝置保持水流流量恒定為12 L/min，沖刷時間為3 min，3 min內沖完的以具體沖完時間計算。沖刷結束后再用電子秤稱量含飽和水的土柱質量，然后再把土柱分成上(0～5 cm)、中(5～10 cm)、下(10～15 cm)3段，分別稱3段含飽和水的質量。在此，認為沖前上、中、下3段土柱的質量相等，從而可進一步算出總土柱抗沖系數及上、中、下層各自的抗沖系數，即每沖掉1 g含飽和水的土質量所需要的水量，用C(L/g)表示。

地表草墊抗沖方法:把土柱的上表面(有草墊的那面)正放在5 cm寬的水槽末端，去掉上側的1/2PVC管，接下來的操作同淺層土抗沖方法，只是不需要再把土柱分上、中、下3層分別稱量。

2.3 模型構建及參數確定

2.3.1 泥沙起動模型構建 以王玉杰等［6］在長江中上游花崗巖山地坡面相對平衡坡度研究中所用模型式(1)為基礎，對其中的參數進行校正和確定，建立適用于本研究區的泥沙起動模型。

式中:φ為泥沙在水下的休止角，(°);CD為繞流阻力系數;ρ為水的質量密度，g/cm3;v為直接作用在泥沙顆粒上的流速，m/s;rs為泥沙顆粒質量密度，g/cm3;D為泥沙顆粒粒徑，mm;α為岸坡的相對平衡坡度，(°);CL為上舉力系數。

式(1)中 v、CD、CL、φ 參數值的確定方法視不同情況略有差異，這些參數的確定方法如下:

1)參數v的確定。國內外學者針對坡面流流速開展了大量的研究工作，得到各自的坡面流流速公式，但沒有統一的坡面流流速公式，式(1)中所用的v為

由于研究區域坡面的粗糙系數與該模擬水槽試驗不同，且研究區有喬、灌、草，不易進行水槽模擬，所以，采用由Manning公式［7］推導的公式求參數v。

式中:I為單寬降雨強度，m/s;i為單寬入滲率，m/s;H為岸坡坡高，m，根據當地地形條件，為了更好地對比，3種措施及對照的岸坡坡高統一假設為30 m;θ為岸坡坡度，(°);n為坡面糙率，n與坡面狀況有關，坡面有矮草，n=0.030，矮叢林稀疏多雜草，n=0.035，有稀疏小樹，n=0.050，開挖坡面清潔，經過風雨侵蝕，n=0.018［8］。

2)參數CD與CL的確定。明渠雷諾數表達式為

其中，明渠斷面的特征長度為

將式(5)代入式(4)，整理得

式中:R為明渠斷面的特征長度，即水力半徑，m，坡面流可取徑流水深;γ為運動粘滯系數，m2/s，此處取γ=1×10-6m2/s(坡面徑流體積與含沙量的比值為 1%，溫度為 25 ℃)［8］。

結合當地地形條件，單位寬度(1 m)岸坡匯水面積取1 000 m2，降雨強度取多年測得的最大降雨強度12.5 mm/h，即得單寬降雨強度I為3.472×10-5m/s，于是，Re≈3.47 ×104。

由于坡面上的水流為薄層紊流流態，當沙粒的雷諾數 ＞103時［6］(Re≈3.47 ×104＞103)，CD=0.43，CL=0.068。

3)參數φ的確定。粒徑為0.20～4.27 mm的泥沙，水下休止角［9］為

將式(3)、(7)代入式(1)，整理得

各參數取值見表1。

表1 2種模型參數值Tab.1 Parameters of two models

2.3.2 土壤抗剪強度模型構建 通過土壤抗剪強度模型推算岸坡穩定有多種模型，每個模型都有不同的適用條件。王玉杰等［6］在研究長江中上游花崗巖山地坡面相對平衡坡度時，采用的模型具有簡單易用的特點，模型如下:

式中:r1為坡面土壤質量密度，g/cm3;rw為水的質量密度g/cm3;ψ為土壤的內摩擦角，(°)。但該模型沒考慮黏聚力、岸坡高度對岸坡穩定性的影響，所以，筆者采用趙林海［10］推導出的模型進行岸坡相對平衡坡度分析。

式中:C為土壤的黏聚力，kPa;r2為岸坡土壤的質量密度，kN/m3。

各參數取值如表1。

3 結果與分析

3.1 基于泥沙起動模型岸坡相對平衡坡度分析

采用已建立的模型(8)和模型參數(表1)，計算各護岸措施下的岸坡相對平衡坡度，結果見表2。可以看出，3種近自然護岸措施都能明顯地提高岸坡相對平衡坡度。土工織物扁袋護岸措施、天然材料織物墊護岸措施、自然原型護岸措施分別提高岸坡相對平衡坡度 6.8°、7.8°、9.4°。

表2 泥沙起動模型得出各措施提高岸坡相對平衡坡度值Tab.2 Increased slope degree of relative balance by three measures using the sediment moving equation

為了找出提高岸坡相對平衡坡度的最主要參數，對部分參數值進行了替換。以土工織物扁袋護岸措施為例，因為土工織物扁袋護岸措施能提高岸坡相對平衡坡度是因為該措施改變了該樣地的n和D值，所以，先令土工織物扁袋護岸措施下的 D(3.68)等于對照的D(2.96)，其他參數值不變，計算得出土工織物扁袋措施下岸坡相對平衡坡度為26.7°，對照岸坡相對平衡坡度為25.5°;同樣令土工織物扁袋護岸措施下的n(0.030)等于對照的n(0.018)，其他參數值不變，則土工織物扁袋護岸措施下的岸坡相對平衡坡度為31.1°，對照岸坡相對平衡坡度為25.5°。于是，在土工織物扁袋護岸措施下，D、n提高岸坡相對平衡坡度的重要程度Dx、nx分別為:

據此方法得表3。可以看出，在3種護岸措施下，土粒粒徑在提高岸坡相對平衡坡度中，重要程度均不到20%;地表糙率在提高岸坡相對平衡坡度中，重要程度超過了80%。

近自然護岸措施能通過改良土壤，提高土壤團聚體含量，增加大顆粒泥沙含量。由式(7)可知，水下的休止角與泥沙顆粒粒徑成正比，水下休止角實際上反映了泥沙顆粒的水下摩擦因數［11］，水下休止角越大，泥沙越不易被水流攜帶，所以，泥沙顆粒粒徑影響水下休止角是影響岸坡相對平衡坡度的原因之一。除此之外，泥沙粒徑大小對起動流速有很大的影響，即大顆粒泥沙具有更強的抵抗水流侵蝕的能力，因為粒徑越大，比表面積越小，泥沙顆粒與水流的接觸面越小，所以，水流要推動大顆粒泥沙的運動就需要更大的流速。

另外，由表1可以看出，在各護岸措施下，地表水流流速明顯小于對照地表水流流速，地表水流流速與地表糙率有明顯的一致性，這說明近自然護岸措施通過提高地表糙率，從而降低地表水流流速，減弱水流搬運泥沙的能力，增強岸坡穩定性，提高岸坡相對平衡坡度。

表3 泥沙起動模型參數對提高岸坡相對平衡坡度的重要程度Tab.3 Increased percentage of slope value of relative balance by three measures using the sediment moving equation

3.2 基于土壤抗剪強度模型岸坡相對平衡坡度分析

將表1參數代入式(10)得到表4。可以看出，通過抗剪強度模型得出3種近自然護岸措施都能提高岸坡相對平衡坡度，土工織物扁袋護岸措施、天然材料織物墊護岸措施、自然原型護岸措施下岸坡相對平衡坡度分別提高 10.4°、6.3°、15.1°，與萬士啟［12］得出根系可明顯提高土的抗剪強度的結論一致，說明植物措施能提高岸坡的穩定性。

抗剪強度模型各因子對提高岸坡相對平衡坡度的重要程度見表5。可知，土壤黏聚力C對岸坡相對平衡坡度的影響最大，內摩擦角ψ次之，土壤質量密度r2最小，說明植物通過死根提供有機質、活根提供分泌物作為土粒團聚的膠結劑，配合須根的穿插和纏結，增強土壤黏聚力，對提高岸坡相對平衡坡度有著重要的作用。

表4 土壤抗剪強度模型得出各措施提高岸坡相對平衡坡度值Tab.4 Increased slope degree of relative balance by three measures using the shear-resistance equation (°)

表5 土壤抗剪強度模型參數對提高岸坡相對平衡坡度的重要程度Tab.5 Increased percentage of slope value of relative balance by three measures using the shear-resistance equation

3.3 抗沖性能及其對岸坡穩定性的影響

不同護岸措施土壤的抗沖系數見表6。可知，各近自然護岸措施都能明顯提高土壤的抗沖性。淺層土壤抗沖系數表現為自然原型護岸(1 443 L/g)＞天然材料織物墊護岸(1 169 L/g)＞土工織物扁袋護岸護坡(489 L/g)＞麻袋布包裹重塑土(199 L/g)＞對照(12 L/g)，說明有護岸措施的淺層土壤、麻袋布包裹重塑土能抵抗更強的溝蝕及壤中流侵蝕;地表草墊抗沖系數表現為自然原型護岸(4 000 L/g)＞天然材料織物墊護岸(3 200 L/g)＞土工織物扁袋護岸護坡(2 000 L/g)＞麻袋布包裹重塑土(181 L/g)＞對照(12 L/g)。3種護岸措施下土壤的抗沖系數與生物豐富度指數具有一致性。孟凡超等［13］得出這3種護岸措施特征豐富度指數為自然原型護岸(4.09)＞天然材料織物墊護岸(2.05)＞土工織物扁袋護岸(1.79)＞祼地(0.77)。植物根系提高土壤抗侵蝕性能主要是因為根系在土壤中的穿插、纏繞、固結等作用，改變了土壤的理化性質，從而創造了較為穩定的土體結構，特別是根系中D≤1 mm的須根，與土壤的抗侵蝕效能密切相關，被眾多的研究者認為是反映土體穩定性的一個重要指標［14］，而樣地幾種草本植物的根系直徑多集中在1 mm以下，尤其0～5 cm土層內集中了90%以上的根系生物量，如表7，解釋了0～5 cm土層的抗沖系數大于5～10 cm、10～15 cm土層抗沖系數的現象。

地表草墊、麻袋布包裹重塑土土壤抗沖系數較高，說明其能抵抗更強的濺蝕、面蝕，天然材料織物墊護岸、土工織物扁袋護岸措施布設前期，麻袋布一定程度上能減弱水土流失，植被恢復以后，植被能代替麻袋布的作用，起到減弱水土流失，以達到穩定岸坡的效果。

表6 不同護岸措施土壤的抗沖系數Tab.6 Soil anti-scouribility coefficient under different measures L/g

表7 樣地幾種植物不同土層根系分布情況Tab.7 Distribution of plants roots in different depths in the sample field

3.4 岸坡穩定性的綜合分析

由泥沙起動模型得到3種近自然護岸措施下的岸坡相對平衡坡度為自然原型護岸(34.9°)、天然材料織物墊護岸(33.3°)、土工織物扁袋護岸(32.3°)、對照(25.5°)。由于泥沙起動模型得到岸坡相對平衡坡度是在假設地表為松散顆粒條件下的計算值，而3種近自然護岸措施下的地表及裸地地表均不是松散顆粒結構，由抗沖實驗知，良好的地表結構及植被能提高岸坡的抗沖刷能力，故實際值應大于計算值，即岸坡相對平衡坡度的實際值為自然原型護岸＞34.9°、天然材料織物墊護岸＞33.3°、土工織物扁袋護岸 ＞32.3°、對照 ＞25.5°。各措施抵抗水力侵蝕和重力侵蝕的岸坡相對平衡坡度見表8。

表8 各措施抵抗水力侵蝕和重力侵蝕的岸坡相對平衡坡度Tab.8 Slope degree of relative balance of resisting to water erosion and gravity erosion by different measures

由表8可知，采用泥沙起動模型計算的岸坡相對平衡坡度大于采用土壤抗剪強度模型計算的岸坡相對平衡坡度，由此可初步判定該區岸坡發生重力侵蝕的可能性大于水力侵蝕;所以，以土壤抗剪強度模型得出的結論為依據，土工織物扁袋護岸措施、天然材料織物墊護岸措施、自然原型護岸措施下岸坡相對平衡坡度分別提高了 10.4°、6.3°、15.1°，說明植物通過根系對土壤的加筋、錨固作用，能明顯地提高土壤的黏聚力［15］，從而提高土壤的抗剪性能，穩定岸坡。

4 結論

1)泥沙起動模型得出自然原型護岸措施、天然材料織物墊護岸措施、土工織物扁袋護岸措施3種護岸措施作用下的岸坡相對平衡坡度比對照分別提高 9.4°、7.8°、6.8°，與現有研究［16］得出的植被能提高地表糙率，減緩坡面水流流速，減弱水土流失，增強岸坡穩定性的結論一致，且自然原型護岸措施增強岸坡穩定性作用最明顯。

2)土壤抗剪強度模型得出自然原型護岸措施、天然材料織物墊護岸措施、土工織物扁袋護岸措施作用下岸坡相對平衡坡度比對照分別提高15.1°、6.3°、10.4°，該模型亦能真實地反映出植被能通過提高土壤黏聚力等作用增強岸坡穩定性。

3)2種模型都能較真實地反映出各岸坡相對平衡坡度，由于泥沙起動模型計算的岸坡相對平衡坡度大于土壤抗剪強度模型計算的岸坡相對平衡坡度，所以，認為該區發生重力侵蝕的可能性更大，故針對重力侵蝕的土壤抗剪強度模型更適合用于該區分析評價岸坡相對平衡坡度。

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