黃河源區彎曲河流河岸帶抗剪特性

朱海麗1，2

(1．青海大學地質工程系，青海西寧810016;2．中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧810008)

彎曲河流河道的穩定發育與植被作用的研究，是當前地貌學、河床演變學等的重要課題之一。目前，國內外相關研究成果較少。濱河植被的良好發育對抵抗水流沖刷、增強河岸穩定、穩定河型、維護和恢復水體生態健康具有重要作用［1-4］。Parker等［5-6］提出，河岸邊植被能夠增大河岸的粗糙率，抑制河岸崩岸的發生。Hubble等［7］提出，濱河植被是影響河岸侵蝕現象發生、發展的重要因素。河岸帶的坍塌塊體具有減小河岸流速、使河寬變窄的作用［8］。宋孝玉等［9］提出，根系具有推遲、延緩和縮短產流、產沙時間的作用，恢復演變20年的草地土壤，抗沖性提高了10倍。目前，多數研究從植被根系數量、密度、根表面積等方面來評價植被抗沖力，并且取得較多研究成果，認為植被根系能夠提高土壤抗沖力，但對根系參數與抗沖力的函數關系表達不一，難以進行定量比較。在水流沖刷作用下，河岸土體主要發生塌落或滑移等破壞形式，因此用抗剪強度來研究河岸物質抵抗水流沖刷特性是一個重要的指標。基于此，筆者重點在黃河源區彎曲小河河岸帶展開定量研究，分析濱河植被根-土復合體力學強度。這對于認識濱河植被提高河岸抗沖能力、減少彎曲河流凹岸坍塌破壞頻率具有非常重要的研究意義。

1 材料與方法

1．1 研究區基本概況 研究區選取黃河源區河南縣蘭木錯曲彎曲河流，位于34°26′N，101°29′E。地勢總趨勢是東北高，西南低。研究區域位于青海省東南部黃南藏族自治州河南縣，水資源量豐富，總人口約17萬，以藏族為主，主要從事牧業生產。該區域海拔3 400～4 200 m，屬高原亞寒帶濕潤氣候區，冷季漫長寒冷，多大風，暖季短暫，氣候濕潤多雨。年均氣溫在-4℃以下，大部分地區氣溫高于5℃的積溫小于650℃，多年平均降水量為329～505 mm，多為降雪和暴雨形式，干濕季節分明，水熱同帶。研究區植被類型較簡單，以山地草甸、高寒草甸和高山草原化草甸為主。

1．2 試驗區土體物理特征 為了解研究區草甸型彎曲小河的河岸物質組成情況，在研究區內選取2個彎曲河道對河岸物質組成的物理特性進行測定，包括含水率、密度、液限、塑限等指標;分別采取篩分法進行顆粒分析;采用環刀法，測定土樣的密度;采用烘干法，測定土樣含水量。經測定，凸岸土體含水率為29．73% ～66．95%，密度為1．18 ～1．74 g/cm3，液限為 45．0% ～50．5%，塑限為 30．4% ～31．1%;凹岸土體含水率為29．73% ～79．15%，密度為 1．22 ～1．67 g/cm3。通過篩分試驗，發現河灣凹岸在垂直深度0～50 cm范圍內為黏土層，有些河灣凹岸黏土層厚度可達90 cm，在垂直深度50 cm范圍以下為細砂及卵礫石層，為典型黏土和細砂組成的二元結構，有利于河岸物質組成的抗沖性能。這對于彎曲小河的河道穩定性有積極作用。

1．3 試驗區植被特征 研究區彎曲河流河岸帶植物種類繁多，以中生、濕中生植物為建群種或優勢種，主要有矮嵩草(Kobresia humilis)、早熟禾(Poa annua)、垂穗披堿草(Elymus nutans)、青海苔草(Carex qinghaiensis)等，伴生種有二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、黃花韭(Allium chysanthum)、乳白香青(Anaphalis lactea)、毛茛(Ranunculus acris)、甘肅棘豆(Oxytropis kansuensis)、金露梅(Potentilla fruticosa)等。河流兩岸植被覆蓋有差異，且河流沖積岸辛普森指數(D)或香農-威納指數(H)比淤積岸高［10］。

試驗點河岸植被發育較好，地下根系十分發育，尤其以禾本科、莎草科草本植物須根發達，根系平均密度為0．07/(g·cm3)。根徑多為小于1 mm的須根，根系密度表現出隨土壤剖面深度的增加而下降的特征，根系主要集中于0～40 cm土層內，最長可達120 cm。

1．4 根－土復合體原狀試樣的制取 為深入分析河岸帶根-土復合體抗剪強度在垂直方向隨植物根系在地下分布變化而產生的變化，分別在從距研究區河岸地表面垂直距離為5、20、30 cm的深度取樣，并且進行原位直接剪切試驗。取樣的深度主要依據草、灌植物根系的地下分布特征而定。試樣采用直徑為6．18 cm、高為2 cm的環刀進行原位分層取樣。將取得的原狀試樣裝入環刀盒內，并用膠帶密封后帶回實驗室，開展室內直接剪切試驗，測定根-土復合體抗剪強度。不同深度的根-土復合體直接剪切試驗設有3組重復。為保證試驗結果接近實際，直剪試驗均在試樣取回7 d內完成。

1．5 直接剪切試驗方法 直接剪切試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型直接剪切試驗儀。試驗時，首先通過計算機開啟土工試驗數據采集處理系統，將原位取得的根-土復合體原狀試樣放在剪切盒內上、下兩塊透水石之間，然后由杠桿系統通過加壓活塞和透水石對試件分級施加50、100、200、300 kPa垂直壓力，再通過電動手輪以2．4 mm/min的轉速對下盒施加水平推力，使試樣在上、下盒的水平接觸面上產生剪切變形，直至破壞。剪應力的大小可借助與上盒接觸的量力環的變形值計算確定。該試驗是將同一深度根-土復合體的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應力，然后根據庫侖定律，得出草甸型河岸由植物根系組成的根-土復合體內摩擦角(φ)和黏聚力(c)。土的抗剪強度可用庫侖公式來表達，即

式中，τ為土的抗剪強度，kPa;σ為土的剪切面上的垂直應力，kPa;c為土的內聚力，kPa;φ為土的內摩擦角，°。

2 結果與分析

研究區河灣凹岸主要受到水流的淘刷作用，尤其在每年洪水季節易發生崩岸現象，而凸岸主要受到水流沉積作用，不斷淤積成岸。由表1可知，在研究區兩處河灣的凹岸和凸岸，在0～30 cm垂直深度范圍內根-土復合體的平均密度隨著深度的增大而增大，而含水量則總體表現為隨深度增大而減小。在河灣兩岸取原狀剪切試樣，進行直接剪切試驗，并且對各個剪切破壞的試樣進行含根量統計，發現植被根系在0～5 cm范圍內分布較多，根密度最大可達0．12 g/cm3，且隨著深度增大，根量呈減少趨勢。

從表1和圖1可以看出，河灣兩岸的根-土復合體黏聚力在根系作用下明顯增大，而內摩擦角變化無明顯規律。草甸型河岸帶根-土復合體平均黏聚力可達到18 kPa，較不含根黏土的黏聚力值平均高達220%。隨著取樣深度的增大，河灣凹岸和凸岸的根-土復合體抗剪強度指標黏聚力總體表現出不同的變化規律，即研究區兩個河灣凹岸根-土復合體黏聚力隨深度的增大而呈現先增大后減小的變化趨勢，而凸岸根-土復合體黏聚力隨深度的增大呈現先減小后增大的變化趨勢，且凹岸根-土復合體黏聚力比凸岸根-土復合體黏聚力平均高約10%。這主要是由于研究區河灣凸岸是在水流沉積作用下逐漸成岸，植被在河岸定居生長時期相對較短，其根-土復合體層深度相對凹岸要小，部分地段在地表以下30 cm就出現砂礫石層，因此在地表以下0～5 cm植被根系較發達，黏聚力值較大，而達到地表下20 cm左右時，根量減小幅度相對較大，相應地黏聚力值減小;當達到地表下30 cm左右時，由于砂礫石的出現而使黏聚力增大。

表1 研究區河灣兩岸不同垂直距離下根－土復合體物理力學參數

3 結論

(1)研究區河岸帶在0～30 cm垂直深度范圍內，根-土復合體的平均密度隨著深度的增大而增大，而含水量則總體表現為隨深度增大而減小。地下植被根系在0～5 cm范圍內分布較多，根密度最大可達0．12 g/cm3，且隨著深度的增大，根量呈減少趨勢。

(2)草甸型河岸帶根-土復合體平均黏聚力可達到18 kPa，其中河灣凹岸植被生長較穩定且覆蓋度大，根-土復合體黏聚力比凸岸根-土復合體黏聚力平均高約10%，表明植物根系作用對河岸帶根-土復合體抗剪強度的影響較大。

(3)河灣兩岸根－土復合體平均含水量較高，平均可達41%，其抗剪強度隨著含水量的增大而減小，表明水分進入根－土復合體后，土顆粒間的結合力減小，從而降低了復合體的抗剪強度。由含水量增加造成的土體固結減弱或根土分離等，往往會引起水土流失。同時，暴雨等強降雨會使土體的含水量急劇升高，影響濱河岸土體的穩定性。這也是研究區在每年洪水期常發生凹岸坍塌現象的影響因素之一。

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