河道岸坡破壞機理及防護技術研究

陳 景

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

河道岸坡作為生態系統特殊的功能區域，是河道生態系統必不可少的一部分，是河流與陸地生態系統之間的過渡帶與連接帶，進行著兩者物質、能量和信息的交換[1]；同時它也是地理環境的重要組成部分，是一種人類生存過程中必不可少的天然資源，影響著人類的生存與發展，推動著人類精神文明的提升、歷史文化的沉淀和現代城市的興起與發展[2]。因此，同時兼顧行洪排澇與生態平衡兩個主要功效是人們對河道岸坡提出的更高要求，在保證安全穩定的同時也能豐富生態環境。

1 岸坡破壞機理

1.1 岸坡破壞影響因素

岸坡穩定性影響因素[3-6]主要為坡面抗剪強度、抗沖刷強度、滲透系數等內在土體因素和地下水浸潤、急湍河水沖蝕、大降雨沖刷等外在水流因素。

1.1.1 土體因素

抗剪強度是岸坡穩定性的重要指標，抗剪強度越高，岸坡穩定性越好，反之越差，而岸坡的抗剪強度極大程度上取決于坡體內土體的性質。抗剪強度表達式為

Tf=c+σ′tanφ=c+(σ-u)tanφ

(1)

式中：Tf為抗剪強度；c為土體黏聚力；φ為土體內摩擦角；σ為法向應力；σ′為有效法向應力；u為孔隙水壓力。

由式(1)可知，土體黏聚力c和內摩擦角φ越大，土體抗剪強度越高，岸坡穩定性越好。此外，土體滲透系數越大，水流滲入坡體越容易，在水的軟化作用下c、φ值明顯減小，岸坡穩定性變差。

1.1.2 水流因素

河道方向的變化可引起水流縱向沖擊，對岸坡造成一定的破壞作用[7]，如圖1所示。

圖1 河道方向變化時水流對岸坡沖擊的力學模型

由圖1可知，水流對岸坡主要作用力為Ry，計算公式為

Ry=sinβ(P+kρQV)

(2)

式中：Ry為水流對岸坡作用力的縱向分力；P、V、Q分別為水流的動水壓力、平均流速和流量；ρ為水流的密度；k為動量修正系數；β為水流與岸坡之間的夾角。

由式(2)可知，水流平均流速越大、動水壓力越大，岸坡受到的水流沖擊力也越大，越容易受到破壞。

1.2 岸坡崩塌破壞形態及成因

按岸坡破壞過程中的形態可將破壞類型分為條崩、窩崩和洗崩[8]三種主要類型。

(1)條崩是指岸坡在坡腳受沖刷后失去支撐主體，坡體在自重作用下發生破壞的過程，主要發生在土體松散砂質岸坡中，如圖2(a)所示。

(2)窩崩是指岸坡在水流的剪應力作用下，不斷回流、掏蝕所形成的破壞過程，主要發生在彎曲河道較陡的黏性土坡體中，如圖2(b)所示。

(3)洗崩是指岸坡上層坡體在風浪和船行波的作用下受到沖蝕破壞的過程，主要發生在河口和河寬較大的地帶，如圖2(c)所示。

圖2 岸坡破壞的主要類型

1.3 岸坡崩塌破壞階段及過程

岸坡受水流長期沖刷的破壞過程主要分為坡腳破壞、局部失穩和整體破壞三個階段(圖3)。在未受到水流沖刷、船行波和風浪等外力時，岸坡保持整體穩定形態。

圖3 岸坡破壞過程

河水急速流動產生的沖刷作用，船運行時產生的船行波，水流對坡腳土體顆粒的運移、搬運，都會導致坡腳逐漸失穩，如圖3坡腳破壞階段。

在岸坡坡腳被水流沖刷破壞后，上部坡體失去坡腳的支撐作用，在重力作用下就會產生拉力，對上部坡體整體結構造成一定的破壞。此外，水流會進一步侵蝕軟化岸坡內部土體，作用范圍從坡腳逐漸向坡體內部延伸，內部土體結構變得更加松散，各項強度特性進一步減弱，使土體整體結構在自重力作用下自行崩解。在上述因素的綜合作用下，岸坡就會逐漸發生局部失穩崩塌，如圖3局部失穩階段。

當岸坡發生局部失穩之后，坡體上部不穩定部分會變多，在更大的自重力作用下產生更大的拉應力，坡體整體變得更加不穩定，岸坡會急劇地向整體失穩轉化，如圖3整體破壞階段。

綜上所述，岸坡的破壞主要源于急湍河水沖蝕、浸潤和風浪、船行波等外界因素對岸坡坡面造成的破壞，繼而從坡面破壞開始不斷延伸和加劇，最終造成岸坡整體失穩。因此，坡面的透水性、抗剪性、抗蝕性、抗沖刷性和水穩定性都是岸坡穩定性的關鍵影響因素。

2 岸坡防護技術

根據岸坡的破壞機理可知，岸坡防護技術的重點是對坡面的改良和加固，提高坡面的抗沖刷強度、抗剪強度、水穩定性和合理控制透水性都是岸坡防護技術的關鍵。

如圖4所示，改良和加固后的坡面可以抵御河水沖刷、降雨沖擊、地表徑流等各種不利于岸坡穩定的因素作用。目前國內針對坡面的護坡技術可分為硬質化護坡技術和生態友好型護坡技術兩大類。

圖4 岸坡坡面改良加固示意

2.1 硬質化護坡技術

國內目前傳統且相對成熟的岸坡整治技術多為砌石護坡和混凝土塊體護坡等硬質化護坡技術[9-10]。這類護坡技術可以在保護岸坡、抗沖刷、水土保持等方面呈現高效的成果。

從表1可以看出，硬質化護坡技術都可以很好地提高坡面的抗沖刷能力，可以滿足河道安全穩定、行洪排澇等基礎條件，但也有不同的缺點。

表1 硬質化護坡技術優缺點

此外，硬質化護坡也剝奪了植物、動物和微生物生存所依賴的場所，使其原有的生存環境、繁衍空間完全喪失；隔離了坡面和坡體之間的水力聯系和物質交換，使得整個河流生態系統出現隔斷，嚴重破壞岸坡水系統環境；建筑材料內甚至加入了抗凍劑、膨脹劑等添加劑，長期浸泡在水中導致河流水質下降，對居民健康造成嚴重影響。

2.2 生態護坡技術

目前國內應用于河道岸坡的環境友好型防護技術主要為生態混凝土護坡技術、土工格柵墊石防護技術、三維植被網防護技術、土壤生物工程防護技術、單純植物群落護坡技術和高分子材料護坡技術[11-14]。

由表2可以看出，生態護坡在保證邊坡安全與穩定的基礎上，以營造邊坡生物的多樣性為目的，使得水體-土壤-生物三位一體，并通過內部物質、信息和能量的循環體系，進行生態環境自我組織及修復，但不同的技術也存在各自的技術難點和使用條件。

表2 生態護坡技術優缺點

綜上所述，相較于硬質化護坡技術，生態護坡技術除可以起到抵御沖刷、保持水土的作用外，還可以修復生態、美化環境，可以滿足人們對河道生態環境所提出的高要求。

3 結 語

隨著生活水平的提高，人們對河道岸坡的生態環境及美化程度提出了更高的要求，對河道岸坡的防護技術也進行了重點關注和深入研究。岸坡破壞主要源于坡面破壞的加劇和延伸，岸坡防護主要是對坡面的加固和優化。傳統的硬質化護坡雖具有良好的抗沖刷、水土保持能力，但也會造成生態系統的退化和破壞，與生態理念相背離。生態護坡則可以兼顧行洪排澇、抵御沖刷、保持水土、凈化水體、景觀美化、生態修復等各方面，滿足人們對周邊環境的高要求。