基于木板桩-植被模型的河岸支护结构研究

黄锋明

(泰宁县鑫辉水利水电工程有限公司，福建 354400)

0 引 言

护岸是水利工程的重要措施之一，其构造对整个河岸生物多样性的维持以及生态功能的发挥有重要影响。沿河修建护岸等工程时，通常需要建设挡土结构来防止水流冲刷并保持岸坡稳定。传统护岸主要考虑河道行洪能力、河道冲刷、岸坡稳定等因素，通常采用半渗透或无渗透性的人工材料修筑硬质护岸，隔断水、陆生态系统的物质和能量交换，导致整个护岸成为一个封闭的体系，破坏了动植物的生存环境，同时也使河岸带丧失了生态功能和自净能力[1]。随着工程技术的进步、可持续发展概念的提出以及社会环保意识的提高，我国已发展多种护岸结构，并针对回填、岸坡失稳与地基加固等技术问题进行研究，获得了许多相关工程经验。然而护岸位于水陆交界处，受到水流的影响较大，且工程设计时需要考虑的因素较多，尤其是近年随着全球气候的变化，其结构设计更需考虑如何规避多种风险、合理安排施工等问题[2]。其中人工护岸技术将减少自然稳定的河岸，使得生物栖息地和多样性也随之减少，但通过生态护岸技术，即使只恢复五分之一的天然河岸也会对生态环境产生积极影响。因此，我国在河道治理和航道整治工程中采用了大量的生态护岸技术，如在长江中游马家嘴航道整治工程中首次采用钢丝网格铺筑的“生态护岸”，其清淤效果和生态效应十分显著，体现了建设“绿色”航道的理念[3-4]。在荷兰等国家，结构工程板桩保护了沿河岸线的大部分土地，约4000km长，其中大约60%都为木材。

截止目前，大部分学者都已经认识到，植被根系在机械和水文上都能稳定土壤。通过垛墙和活植物系统将生态工程原理实践应用到现有的工程地质中。在这之前很少有人了解生物工程对河岸的影响，在由植被和传统挡土墙组成的“复合”挡土墙结构中，不仅可以增强植被的抗剪强度，还可以降低作用在传统挡土墙上的主动土压力[5-6]。除此之外，植被根系的动力特性及其对挡土结构土压力的影响也还没有进行进一步的研究。文章作者提出了一个如图1所示的木板桩-植被模型的河岸支护结构，该模型可作为河岸板桩支护系统的替代方案。这个新系统基于可持续发展的目的研发，是恢复生态系统的第一步。使生态结构具有良好的抗冲、渗透、生态种植性能好等特点，也可为水生微生物提供栖息环境，植被生长后还能改善动物生存环境。

(a)典型带木板桩的河岸围护结构 (b)植被完全生长后的木材板桩-植被挡土结构

1 模型框架

根据作用在板桩任意深度的最大弯矩来确定板桩所需厚度，双排板桩软件可以检查板桩的最小深度以及板桩系统整体的稳定性，用该软件对文中提出的传统板桩和板桩-植被模型进行比较。首先估算树根发育前板桩中弯矩的分布，通过植被根系分布模型可获得垂直根系的分布；然后修改根凝聚力模型得不同深度处的根凝聚力；最后在考虑新凝聚力随深度分布的情况下，再次估算弯矩。由于植被在不断生长，因此可以利用根系分布模型，了解板桩上的弯矩随深度和时间的变化情况。模型流程如图2所示。

图2 木板桩-植被模型中的子模型及其实现顺序

1.1 根分布模型

根系分布模型适用于地下水位较高而面临缺氧的河岸植被和地下水位下降时面临缺水的河岸植被。该模型将地下水位的变化情况作为根系分布的驱动力，在考虑根生长和腐烂的过程后，通过下列等式提供根分布的分析模型：

(1)

(2)

(3)

式中：z为深度；k(z)为根在深度z处刚好是最佳生长区的概率；β(z)是根的生长速率；γ为根的衰减速率；λ为地下水位增加的平均速率；α为脉冲的平均深度；η为脉冲的衰减；L为根生长区的宽度；h1为根生长区的深度；θ(z)为根的生长率与腐烂率之比。

1.2 根凝聚力模型

通过广泛使用的垂直根模型假设所有植被根同时断裂。输入的参数是根部面积比和根部抗拉强度。虽然该模型高估了凝聚力，但仍然可以应用和观察文章模型，此时需要引入参数“k′”和“k″”来校正垂直模型的估计值，“k″”是垂直模型和计算纤维束模型之间的比率。

Cr=k′*k″*RAR*T

(4)

式中：Cr为根凝聚力的估计值；RAR为根的横截面积和土壤控制面积之比；T是根的平均抗拉强度。

1.3 板桩模型

双排板桩软件是一款应用较广泛的挡土墙设计软件，尤其是板桩。由于输入岩土工程的相关参数较少，双排板桩软件打桩使用毕肖普滑动圆来估计系统整体的稳定性。使用图形交互界面，计算板桩设计厚度所需最大的弯矩和剪力。根据根系凝聚力模型，可以估计植被根系在不同深度处凝聚力的增加情况。考虑到这一点，在双排板桩中，将保留的土壤分成不同的层来增加凝聚力。

1.4 案例研究

与森林或山坡生态系统相比，针对河岸一带植被根系随时间生长的研究相对较少，但前人研究仍为实施文章木板桩-植被模型奠定了良好的基础。为了研究河岸植被根系形态随时空变化的情况，分别在种植树苗1a、5a和7a后测量根生物量。顶部0-0.4m处有砂壤土和小砾石，下方有砂壤土和砾石。由于本案例研究的内容已有详细结果，所以随时间的增长，能够校准和验证根分布模型以及板桩设计时间等相关结果。此外，土壤条件适合文中采用的根分布模型。假设河床目前深度处的土壤和延伸至底土的土壤具有相同的特性，由图3给出文章研究的板桩-植被模型相关参数值：长3m的河岸，由深度为6.50m、弹性刚度为783KN/m的无锚木板支撑。植被生长前的土壤凝聚力和内摩擦角分别为0kPa和30°。

图3 案例研究示例

2 结果和讨论

该案例研究可分为以下两种情况进行分析：情况1，在没有植被根系的情况下，为了保留3m的沙，内摩擦角为30°，采用双排板桩软件设计了一个6.5m长的板桩墙。如预期一样，因为木板无锚支撑，深4.26m处将出现最大的弯矩，数值为21.54KN/m，顶部的最大横向位移为247mm。用5a的实验结果对根分布模型进行校正，用校正后的模型预测7a后根系的分布。结果如图4所示，图中线是模型模拟分布的结果，符号代表测量值。其中星形符号用于校准，虚线是5a模型的预测。实线为7年模型的预测，三角符号代表7a的实测值。其他相关参数值分别为α=0.3，L=0.5，h1=0.8，λ=0.0667，η=0.033。该模型预测7年后根的分布情况时，低估了0.8m以下根部的质量，这是因为校准模型时选择了较低的根生长窗口。预测未来时，选择的增长率与衰减率相同，因此θ(z)=1。当假设根生物量增加的数值较小时，根系生物量在30a内每年可以增加30g。当有更多的实测数据时，可以更好地估计根系生物量，从而获得根凝聚力模型。将根系生长30a的数据输入到根凝聚力模型，应用垂直模型预测凝聚力随深度的变化情况。情况2，在有植被根系的情况下，板桩的尺寸和性质不变。将保留的土壤分为10层，深度为1.6m，这是根分布模型预测的根能生长的最大深度，再将根凝聚力模型中获得的凝聚力分配给土壤层，说明植被能够增加凝聚力。

图4 测量和模拟的垂直根分布

使用专业的根分布模型和大量现场试验数据做出图5所示力矩随深度的变化情况。图中对比了有无植被的板桩对挡土结构的影响情况，得出作用在有植被板桩上的最大弯矩值可减少至12.7KN/m，板桩顶部的横向位移可减少到120mm。即有植被的板桩使河岸支护结构安全系数增加，如本例中的安全系数增加了41%。可知，将植被纳入护岸融合为一种生态性的挡土结构是一个明智选择。

图5 有无植被板桩的力矩随时间的变化图

3 结 论

文章使用的木板桩-植被护岸方法属于生物工程护岸结构的一种类型，文章方法可以因地制宜利用当地植被支撑板桩来减少力矩作用。例如，河流较急时，可使用更耐腐烂的硬木，当地易腐烂的软木可应用于溪流堤岸。随着植物衰减，由植物根支撑的板桩抵抗力矩的作用随之减弱。如文章所示，这种协同作用可以在生物工程框架中设计应用，能更好地了解木材腐烂和根系生长模型。植被对土壤产生正水力压力，因此在计算中要考虑植被根系引起吸力的时间变化，还需进行更多研究来描述河岸植物在不同类型土壤中的根系分布。