降雨入渗条件下黄河古河道草本植物护坡效应分析

张伟伟，吴玉柏，纪建中，陈 达，金 秋，黄明逸(.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 0098；.江苏省水利科学研究院，南京 007.淮安市水利勘测设计研究有限公司，江苏 淮安 00；. 河海大学水利水电学院，南京 0098)

传统的河道岸坡多采用浆砌石、混凝土等硬化防护，破坏了河水与岸坡土体的生态平衡，亲水美观的生态护岸逐渐受到青睐[1]。植物护坡作为常用的一种生态护坡方法，主要通过根系加筋、锚固的力学效应以及降雨截留、抑制径流的水文效应达到固土护坡的效果[2]。

国内外学者通过大量植物根-土复合体的强度指标试验，指出植物根系加筋主要为土体提供了附加黏聚力[3-6]。随着数值模拟技术的发展，有限元分析在生态护坡稳定性评价中得到广泛应用[7-9]，肖本林[7]通过模拟生态护坡应力应变场的分析得出，边坡的稳定性随坡度的增加而降低，刺槐根系可以减缓这种趋势。李国荣[9]等建立的有限元模拟结果显示，青藏高原东北部黄土区4种灌木植物根系作用下边坡水平和垂直方向位移明显小于裸地边坡，灌木植物试验区边坡剪应力集中范围和潜在塑性区分布面积显著小于裸地边坡。

目前植物生态护坡稳定性研究中，多是单一考虑根系对土体的强度贡献，对降雨-植物联合作用考虑较少，但降雨是边坡失稳最常见的诱因[10-12,16]。据观测，黄河古河道边坡在强降雨条件下极易发生滑坡或坍塌，河势因此被破坏而导致洪灾。实际上，在降雨入渗条件下，应该考虑非饱和土体抗剪强度的降低[10,11]，而植被除了能够截留降雨，同时会增加雨水入渗，后者对边坡稳定产生不利影响[12]。

因此，本文通过研究植被发育土体的土水特性，建立降雨作用下的生态护坡有限元分析模型，将其用于黄河古河道护坡草本植物的筛选与评价。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

黄河古河道西起河南省兰考东坝头，流经豫、鲁、皖、苏四省，至江苏省滨海县套子口入黄海，土壤由黄河泛滥裹挟的泥沙堆积而成。全线表层分布5～10 m的黄泛沉积物，其中，飞泡沙土约占该地区土壤总面积的30%，其土质松散、黏结性差、透水性强，以飞泡沙土为主要成分的河道边坡陡立，水流顶冲、险工患段众多，在降水、径流及河滩垦植灌溉等作用下容易失稳，需对岸坡及险工段进行防护。

本文研究依托淮安市黄河古河道干河下段(二河至涟水石湖段)治理工程，试验段为淮阴区南昌路～S327省道段，护岸段长4.06 km，位于黄河古河道左岸，桩号分别为15+350～16+160、17+600～20+850，其中桩号16+160～17+600段位于淮阴区母爱公园，现状已有护岸。该段河道位于城区，属于淮安市委市政府规划建设的古淮河生态公园建设范围，但是边滩犬牙交错，局部河段逼近堤脚，且水土流失严重，雨淋冲沟众多，因此考虑植草护坡。勘探试验表明，现场土质以砂壤土或粉砂为主，表1为试验段土样理化参数。

表1 试验区裸地土壤物理化学指标Tab.1 Indexes of physical and chemical properties of testing soil in bare area

1.2 材料与方法

研究区地处暖温带与亚热带交汇处，多年平均气温14 ℃，日照1 907～2 531 h，降雨量大而集中，为土壤侵蚀提供了原动力。为保证护坡植物的水土保持能力，需因地制宜，选择根系发达、固土能力强的物种。确定以下3种草本植物作为研究对象：狗牙根、高羊茅、香根草。

狗牙根[13]： 多年生草本植物，根系具有根状茎和匍匐枝，匍匐茎发达，茎部形成分蘖节，分蘖节上产生新的走茎，新老葡匐茎在地面上互相穿插，交织成网。该草种为本地植物，喜光稍耐阴，在轻盐碱地上生长较快，覆盖力强，又能耐频繁的刈割，践踏后易于复苏，少病虫危害，对水肥条件要求不高。狗牙根在淮河入海水道等工程中大量的成功应用，是良好的水土保持植物。

高羊茅[14]：多年生草本植物，亚热带常用的冷季型草坪草种，性喜寒冷潮湿气候，在肥沃、潮湿、pH值为4.6～8.5的土壤中生长良好。品种丰富，最耐寒和践踏，须根系发达、粗壮 ，“交战Ⅱ号”型高羊茅在沙土中根系可达2 m左右或更深。

香根草[15]：多年生草本植物，耐旱耐瘠，生长繁殖快。根系网状深扎，与土壤接触面积大，根系生长速度快且具有较长的长度，它的根系3～4个月可长达1 m，一年可长达2～3 m，多年可长达5 m以上，有“世界上具有最长根系的草本植物”之称，被世界上100多个国家和地区列为理想的保持水土植物[15]，香根草绿篱在江苏北部生态河道岸坡中多有应用。

草本植物根系的分布特征决定它对土体影响范围。研究表明[4]，草本植物90%左右根量集中分布在某一深度范围内，超出该深度范围的根系对土体几乎不起作用。本文将根-土复合体试样作均质土考虑，在研究区3种草本植物生长1 a的10 m×10 m的试验小区内，现场采集根系进行称重，确定其90%根系分布范围为其对土壤影响的有效深度(表2)。

表2 3种护坡草本的根系特征参数Tab.2 Parameters of root characteristics 3 herbage for slope protection

本研究需要草本植物根-土复合体试样，试样的制备方法：在3种草本植物生长的试验小区内，取出直径约为800 mm、高度为相应草本根系有效深度的近圆柱形土试样，再用削土刀将该土柱试样削切至规则的直径400 m的圆柱形土试样，采用保鲜膜密封，保证根系新鲜、完整，土壤水分接近现场，采集带回实验室立即展开试验。

2 降雨条件下草本植物护坡机理

降雨入渗作用下的边坡稳定是典型的非饱和土问题，Fredlund提出采用净法向应力和土体基质吸力定义的非饱和土抗剪强度理论得到广泛认可[16,17]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中：c′和φ′分别为有效黏聚力和内摩擦角；σ为正应力；ua和uw分别为孔隙气压力和孔隙水压力；φb为与基质吸力有关的增量摩擦角；(σ-ua)即为净法向应力；(ua-uw)即为土体基质吸力。

由式(1)可以看出，降雨诱发土质边坡失稳的主要机理是[17,19]，降雨升高岩土体暂态饱和区的孔隙水压力，导致土体的基质吸力不断减小，土体抗剪强度随之衰减。所以，本文研究草本植物如何影响土体的抗剪强度、基质吸力、渗透性等指标。

2.1 护坡草本对土体抗剪强度的影响

土体饱和状态下，式(1)退化为摩尔-库伦强度准则。对现场采集的原状土试样采用三轴固结排水剪切(CD)试验，测定四种试验土样饱和状态下的抗剪强度指标，结果表明，四种土样强度包线近似平行，即内摩擦角变化不大，而黏聚力差异显著，狗牙根、高羊茅、香根草相较裸地黏聚力增幅分别为52%、140%、222%，同时测定试验土样的湿密度和饱和渗透系数(表3)。

表3 饱和试验土样的物理、强度指标Tab.3 Physico-mechanical parameters of testing saturated soil

2.2 护坡草本对土体基质吸力的影响

研究表明，参数(ua-uw)比c′和φ′对边坡稳定性的影响更为重要，忽略土体基质吸力变化的影响，会明显高估降雨条件下边坡的稳定性[19,20]。

为测定试验土样土水特征曲线，采用室内吸力量测试验方法，高吸力部分(4.5～309 MPa)采用气相法、低吸力部分(小于2 MPa)采用渗析方法，将结果绘制在S-lgu坐标中(图1)。

图1 4种试验土样的土-水特征曲线Fig.1 Soil-water characteristic curve of four testing soil

从图(1)可以看到，植物根-土复合体相较裸地的进气值有所减小，而残余饱和度则增加。这是因为，植物根系改善了沙土松散的结构，形成了一定量的团聚体，相比裸地颗粒，团聚体之间形成的是大孔隙。大孔隙受的吸力小，在吸湿(排湿)过程中优先吸水(排水)。所以，土壤团聚体较好时，大孔隙数量多，孔隙中水分排出时，土壤水吸力仅发生较小的增加；当土体比较松散，低吸力下保持的水分数量少，水分较难排出，一旦这些水分排出时，吸力就有较大的增加。此外，植物根系丰富了土颗粒的亲水性矿物成分、有机质以及孔隙中可溶盐成分，故持水性更强，反映在土水特征曲线的高吸力段，则为残余饱和度较大。

采用Van Genuchten(1980年)方程(V-G模型)拟合试验土水特征曲线(表4)，该模型对各种土质适应性较好，且适合全吸力段[18,19]。

S(u)=Sr+(1-Sr)/[1+(u/a)n]m

(2)

式中：Sr为残余饱和度；a是与进气值有关的参数；m、n是形状参数，为方便进一步推定非饱和的土渗透系数函数，取m=1-1/n。

表4 4种试验土样土-水特征曲线拟合参数Tab.4 Fitting parameters of soil-water characteristic curve of four testing soil

表4拟合结果表明，4种试验土的拟合相关系数均在0.98以上，说明V-G模型可以有效应用于黄河古河道植被发育土壤。

2.3 护坡草本对土体渗透性的影响

渗透系数是非饱和土的重要参数之一，但是其值变化范围很大且不易直接测量，为此，Mealum提出非饱和渗透系数与基质吸力(饱和度)之间的关系[18]：

(3)

式中：kr=k/ks，为“相对渗透系数”；Se=(S-Sr)/(1-Sr)，为“相对饱和度”。

将式(2)代入式(3)积分，即可得基于VG公式和Mealum理论的非饱和土渗透系数函数方程：

kr(Se)=S1/2e[1-(1-S1/me)m]2

(4)

根据式(4)和表4中参数，计算黄河古河道4种试验土的k-S变化关系，将其绘制在图2中。图2表明，当S>25%时，3种植物根系土比裸地的渗透系数提高了1～2个数量级，显著增强土体的渗透性，这与彭书生[12]等人试验观测的结果一致，植物根系增加雨水入渗的效应不可忽略。

图2 4种试验土样的渗透系数曲线Fig. 2 Permeability curve of four testing soil

3 有限元数值模拟

3.1 有限元建模

(1)几何条件。选取研究区一处坡高8 m，河道水深3 m，坡度1:3，坡顶、坡底截面各宽10 m的河道断面(图3)，采用岩土有限元分析软件ABAQUS建立模型，根-土复合体按表1中试验数据处理为均质复合材料，草本根系有效深度采用表2中数据。网格划分采用平面六节点三角形单元，接近坡面的单元尺寸设为0.5 m，而距坡面较远的单元尺寸设为1 m，模型网格共划分出5 534个节点和3 201个单元。

(2)边界条件。模拟计算时静力包括坡体自重应力和河水静水压力，下边界采用刚性边界，两侧边界施加水平方向的位移约束。降雨入渗强度按黄河古河道流域50 a一遇3日暴雨换算为20 mm/h(裸地)，持续时间72 h，假定植物截留外雨水全部入渗，在模型顶部及坡面上施加降雨流量边界，且不计水分蒸发的影响。将式(1)作为强度准则编入二次开发子程序，土水特征曲线、渗透曲线分别采用图1、图2中试验数据，以有限元强度折减法[16]计算边坡安全系数，以相关联的流动法则计算塑性应变。

3.2 结果分析

(1)安全系数。按有限元强度折减法，以特征点位移突变作为边坡失稳判据，读出降雨前后的边坡安全系数，表5结果表明，降雨使边坡稳定性下降，种植草本植物可提高边坡安全系数，但是最大增幅仅3.70%，可见草本植物护坡对边坡整体稳定性影响很小。

图3 试验段河道草本生态岸坡概化模型(单位:m)Fig.3 Generalized model for river bank slope in testing area

表5 降雨前后边坡安全系数及护坡草本对整体稳定性贡献Tab.5 Factors of safety of slope before and after rain and contribution of 3 herbage to slope stability

注：FS为边坡安全系数，ΔFS为草本植物发育土坡相比裸地边坡安全系数的增幅。

(2)应力分布。Mises应力表征某点开始进入塑性状态的等效应力，降雨72 h后Mises应力云图4显示，4种边坡的等效应力基本坡面从沿深度向下递增，且较深范围内应力分布基本相同，但是，裸地边坡浅层应力水平约为1.5～18 kPa，而狗牙根-土边坡、高羊茅-土坡、香根草-土边坡浅层应力水平分别为5.5～21、4.4～32、8.6～41 kPa，说明草本植物使边坡浅层应力重分布，使边坡应力集中程度减小，延缓土坡塑性区发展，提高边坡浅层的稳定性。

图4 降雨72 h后试验区裸地和3种草本发育边坡等效应力等值云图(单位：kPa)Fig.4 Nephograms of mises stress attribution of the slope for soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

(3)位移变化。降雨72 h后水平位移位移云图5显示，4种边坡的水平位移都是从坡脚沿坡面向坡肩递减，但是有植被岸坡水平位移值明显小于裸地岸坡。各种工况下边坡最大水平位移和竖直位移见表6，统计结果表明，草本植物能显著减小浅层边坡侧向变形和竖向沉降，约束变形能力从高到低依次为香根草>高羊茅>狗牙根。降雨后的最大位移减幅绝对值相比降雨前减少，说明降雨使草本植物约束边坡变形的能力降低。

图5 降雨72 h后试验区裸地和3种草本发育边坡水平位移等值云图(单位：m)Fig.5 Nephograms of horizontal displacements of the soil without roots and 3 herbage root-soil composites in testing area after 72 h rainfall

表6 试验边坡最大水平、竖直位移Tab.6 Maximum horizontal and vertical displacements simulation results on the slope surface

注：UxM、UyM分别为水平方向、竖直方向的最大位移，ΔUxM、ΔUyM分别为植被发育边坡相比于裸地边坡水平方向、竖直方向的最大位移减幅。

4 结 语

(1)试验测定3种草本植物发育土体的土水特性，狗牙根-土、高羊茅根-土、香根草根-土相比裸地黏聚力分别增长52%、140%、222%，土水特征曲线中根土复合体进气值较高，持水性增强，在相同饱和度下，其渗透系数比裸地高1～2个数量级。

(2)降雨条件下，考虑草本植物加筋、增加入渗等作用，有限元模拟结果表明，草本植物护坡对降雨作用下边坡整体安全系数贡献很小，其力学效应主要表现防治边坡浅层失稳及约束边坡变形。在大坡比岸坡中，需结合其他工程措施，如木桩护岸等，保证岸坡整体稳定性。

(3)在试验区降雨和坡度条件下，按边坡位移减少量衡量，香根草防护效果最好，可作为推荐草种，依据从坡肩向坡脚位移递增的规律，在岸坡临水线可加密种植。

(4)降雨前后结果对比表明，降雨入渗削弱草本植物的护坡能力，应按做好边坡排水工程，在坡顶和临水位处设置混凝土截水沟，收集雨水后集中下泄排入河道。

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