陳志康 宗全利 蔡杭兵

摘要：為探明荒漠植物根系對(duì)塔里木河河岸崩岸的影響，取塔里木河河岸原狀土體，以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)灌木紅柳為代表植物，通過(guò)無(wú)植被、有植被條件下岸坡沖刷概化水槽試驗(yàn)，觀察根系影響下河岸的崩塌過(guò)程、崩塌類(lèi)型及近岸流場(chǎng)分布情況，分析植物根系對(duì)河岸的保護(hù)作用。結(jié)果表明：無(wú)植被條件下河岸崩岸類(lèi)型以倒崩為主，下部淘刷使上部土層的懸空寬度達(dá)到臨界值后，上部土層的重力矩大于自身的抵抗力矩，發(fā)生旋轉(zhuǎn)崩塌;有植被條件下崩岸類(lèi)型多為平面滑動(dòng)破壞，表現(xiàn)為河岸頂部出現(xiàn)縱向裂隙，隨裂隙豎向延伸，崩塌土塊沿滑裂面滑落水中;植被的護(hù)擋對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)的影響顯著，使近岸主流方向的平均流速由大于橫向和垂向平均流速一個(gè)數(shù)量級(jí)逐漸變?yōu)橥粩?shù)量級(jí);根系的固土效應(yīng)為18% - 65%，河岸懸空度與根表面積密度、根長(zhǎng)密度成指數(shù)遞增關(guān)系，根表面積密度能較好地反映根系的固土能力。

關(guān)鍵詞：荒漠植物;紅柳根系;崩岸;護(hù)擋作用;河岸懸空度;根表面積密度;塔里木河

中圖分類(lèi)號(hào)：TV149.2;S157.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 008

塔里木河地處塔克拉瑪干沙漠北緣，是我國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河。受塔克拉瑪干沙漠干熱氣候的影響，該流域巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，夏季大量冰雪消融，致使流域土壤侵蝕嚴(yán)重，水流含沙量較大，如地處塔克拉瑪干中心區(qū)域的車(chē)爾臣河多年平均含沙量為11.53 kg/m3[1-2]。塔里木河沿河分布著眾多荒漠植物，其根系相對(duì)發(fā)達(dá)，對(duì)該流域的生態(tài)平衡、防止沙漠化及河岸侵蝕等具有十分重要的作用。關(guān)于植物根系固土護(hù)坡.Holch[3]早在20世紀(jì)30年代就研究了植物根系對(duì)坡面穩(wěn)定性的影響，Abernethy等[4]等研究了林木對(duì)河岸起固土作用的影響因素，李勇等[5-7]從不同角度研究了植物根系與土體穩(wěn)定性及土體抗沖性的關(guān)系，吳正雄[8]研究了植物根系對(duì)河岸穩(wěn)定性的影響，白玉川等[9-10]研究了河岸植被覆蓋率對(duì)河流演化過(guò)程的影響.Thome等[11]分析了混合質(zhì)河岸的崩岸類(lèi)型，王延貴等[12]對(duì)河岸崩塌模式進(jìn)行了研究。上述關(guān)于植物對(duì)河岸侵蝕影響的研究，多集中在植物根系固土的力學(xué)機(jī)制與抗沖性能方面，缺乏在水動(dòng)力作用下荒漠植物根系對(duì)河岸沖刷過(guò)程影響的定量化研究，因此筆者以塔里木河河岸原狀土為研究對(duì)象，通過(guò)概化水槽試驗(yàn)，分析紅柳根系影響下河岸的崩塌過(guò)程、類(lèi)型及近岸流場(chǎng)分布特點(diǎn)等。

1 概化水槽試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)在石河子大學(xué)水工水力學(xué)大廳的玻璃水槽中進(jìn)行，該玻璃水槽長(zhǎng)20 m、寬50 cm、高50 cm，底坡為0.1%。在水槽進(jìn)口端設(shè)有可以控制流量的閥門(mén)，水槽尾部設(shè)有三角量水堰。試驗(yàn)?zāi)Ｐ投紊舷掠味伺c光滑水泥面連接，自試驗(yàn)土體上游連接段開(kāi)始，每50 cm設(shè)1個(gè)觀測(cè)斷面，編號(hào)分別為CS1、CS2、CS3，如圖l（a）所示;模型土體斷面形態(tài)為梯形，如圖1（b）所示。

試驗(yàn)土體為塔里木河干流河岸岸坡土，取樣位置在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)二師12團(tuán)塔里木河老大橋附近，原狀土體為無(wú)黏性細(xì)沙，中值粒徑為0.12 mm，顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

塔里木河流域內(nèi)的喬、灌、草植物中，胡楊屬喬木優(yōu)勢(shì)種，紅柳屬灌木優(yōu)勢(shì)種，蘆葦、甘草、駱駝刺、羅布麻屬草本植物優(yōu)勢(shì)種，它們生長(zhǎng)的盛衰主要受水分條件的制約，沿河岸呈條帶狀分布，河道附近生長(zhǎng)茂密，遠(yuǎn)離河道處分布稀疏[13-14]。本試驗(yàn)以當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)灌木紅柳為例，選取其幼苗根系，研究土體在其根系作用下的崩塌機(jī)理。紅柳根系在土體中豎直放置，如圖3所示。

提前將模型坡體鋪設(shè)好，灑水養(yǎng)護(hù)使試驗(yàn)土體的物理狀態(tài)與原狀土體接近。為保證根系在土體中發(fā)揮較好的固土作用，在鋪設(shè)土體時(shí)同步放置根系，根系與試驗(yàn)土體一同沉降固結(jié)一周，形成根土復(fù)合體后開(kāi)始試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)開(kāi)始前沿3個(gè)觀測(cè)斷面測(cè)量岸坡初始形狀，對(duì)土體的干密度和含水率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)分為有植被和無(wú)植被2組，在水流條件、土體特性基本相同（見(jiàn)表1）情況下進(jìn)行。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，使玻璃水槽的上游來(lái)水以沖刷流速（大于沙土起動(dòng)流速）流入水槽，有植被和無(wú)植被試驗(yàn)的流量一致，試驗(yàn)過(guò)程中不再調(diào)節(jié)水位，從河岸開(kāi)始沖刷直至崩塌結(jié)束，對(duì)河岸崩塌現(xiàn)象和特點(diǎn)簡(jiǎn)要記錄并不定時(shí)測(cè)量岸坡形態(tài)。

（1）觀測(cè)指標(biāo)。根系物理指標(biāo)有根系長(zhǎng)度、根系直徑等，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯馏w中根系的直徑采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，單株根徑測(cè)量多次取其平均值，根長(zhǎng)密度RLD（單位土體內(nèi)根系的長(zhǎng)度）、根表面積密度R SAD（單位土體內(nèi)根系表面積）是評(píng)價(jià)植物根系生物學(xué)特征的重要指標(biāo)[15]，本文用其反映根系對(duì)河岸沖刷的影響，各斷面植被的R SAD、RLD均值見(jiàn)圖4。

土體沖刷過(guò)程中觀察水流流態(tài)變化、根土膠結(jié)體的破壞特性等，包括開(kāi)始崩塌時(shí)間、崩塌形式、裂隙長(zhǎng)度和寬度、崩塊長(zhǎng)度和寬度、崩塌特點(diǎn)及有關(guān)現(xiàn)象等。當(dāng)水流開(kāi)始沖刷坡腳土體時(shí)，對(duì)3個(gè)典型斷面的流速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)x器為小威龍系列的ADV流速儀，參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行流速場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)布置。

（2）概化試驗(yàn)參數(shù)。參考劉國(guó)彬[17]的研究，用植物根系固土效應(yīng)J SAD作為概化試驗(yàn)參數(shù)，其定義為含根系土層相對(duì)于不含根系同性質(zhì)土層的土體崩塌量，計(jì)算公式為

2 結(jié)果及分析

2.1 崩塌過(guò)程及特點(diǎn)

2.1.1 無(wú)植被條件下崩岸情況

無(wú)植被條件下崩岸表現(xiàn)為懸空土層以坍落形式落入水中，其過(guò)程為水流將水位以下土層淘空后，上部土層失去支撐而發(fā)生繞軸崩塌，試驗(yàn)觀測(cè)詳細(xì)情況如下。

（1）水位未穩(wěn)定階段。河岸下部土層被水流沖刷，坡腳沖刷下切，水位以上土層失去支撐發(fā)生部分塌落和沉降，見(jiàn)圖5（a）和圖5（b），但由于懸空寬度未達(dá)到臨界寬度，因此上部土層暫處于穩(wěn)定狀態(tài)，即繞軸崩塌的起初階段。在水流持續(xù)淘刷作用下，岸坡下切劇烈，致使水位上部土層懸空寬度進(jìn)一步加大，試驗(yàn)過(guò)程中各典型斷面的懸空寬度及崩塌寬度見(jiàn)表2。

（2）水位穩(wěn)定階段。當(dāng)流量達(dá)到9.2 L/s時(shí)，河岸在較大流速作用下，水位上部土層逐漸開(kāi)始發(fā)生崩塌，5 min后CSI-CS2之間水位上部土層達(dá)到臨界懸空寬度，河岸最大懸空寬度近12 cm，伴隨裂隙的出現(xiàn)和延伸，致使土層失穩(wěn)，挫落的同時(shí)繞某一中性軸倒入水中發(fā)生崩塌，見(jiàn)圖5（c），河岸最大崩塌寬度接近20cm，而后崩岸進(jìn)一步發(fā)展，各斷面間的崩塌寬度介于10-20 cm，河岸崩塌后最終形態(tài)見(jiàn)圖5（d）。

河岸上部土層崩塌后大塊土體短期內(nèi)堆積在坡腳處的河床上，避免了對(duì)近岸河床的直接沖刷，起到一定的保護(hù)作用;隨著水流持續(xù)沖刷，該大塊土體逐漸被分解，隨上游來(lái)流被輸移到下游。

2.1.2 根系作用下河岸土體的沖刷情況

有根系條件下崩岸形式較為復(fù)雜，主要為根土膠結(jié)體滑落，滑裂面形態(tài)多為平面，沖刷過(guò)程可分為3個(gè)階段，試驗(yàn)觀測(cè)詳細(xì)情況如下。

（1）植被滑落倒伏階段。植被在各典型斷面中豎直放置，由于河岸坡腳處根土復(fù)合體被水流沖刷下切，因此根土膠結(jié)體脫離河岸發(fā)生滑落，見(jiàn)圖6（a），在短時(shí)間內(nèi)根土膠結(jié)體不會(huì)被沖向下游，而是堆積在坡腳，對(duì)近岸河床起一定的掩護(hù)作用：隨著水流的進(jìn)一步?jīng)_刷，植物根系裸露，植被倒伏水中（水面），根系的護(hù)擋作用[19]表現(xiàn)為部分外露的根系對(duì)局部流場(chǎng)產(chǎn)生影響以及對(duì)上游沖來(lái)土塊起阻擋緩沖作用，觀察到模型上下游水流流態(tài)基本平穩(wěn)，在植被倒伏范圍內(nèi)，水流形態(tài)的橫向分布呈M形，見(jiàn)圖6（a）（b）。植被滑落倒伏后，水位以上復(fù)合土層的懸空寬度進(jìn)一步加大，各斷面的最大懸空寬度介于11-15 cm（見(jiàn)表2），相較于無(wú)植被河岸土體，懸空度提高了22%-36%。

（2）根土膠結(jié)體沖刷平衡階段。該階段倒伏植被使近岸流場(chǎng)發(fā)生變化，根土膠結(jié)體周?chē)慧崭撸档摹凹咏睢弊饔肹20]使得河岸在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生崩塌，到?jīng)_刷14 min時(shí)，上游連接段一CSI出現(xiàn)局部崩岸，但未達(dá)到最大懸空寬度，因此不會(huì)發(fā)生崩岸，見(jiàn)圖6（b），此階段河岸仍處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根土膠結(jié)體破壞階段。此階段在水流的持續(xù)沖刷和浸泡作用下，滑落水中的根土膠結(jié)體逐漸被破壞，部分根系完全裸露出來(lái)，被水流沖向下游，各斷面間的懸空寬度達(dá)到臨界值.CSI-CS2、CS2-CS3均發(fā)生崩岸，見(jiàn)圖6（c）（d）（e），崩塌寬度6-9 cm，崩塌主要以不規(guī)則條狀體形式塌落水中，破壞面多為平面，河岸崩塌最終形態(tài)見(jiàn)圖6（f）。相較于無(wú)植被河岸，植物根系固土效應(yīng)為18% -65%。

2.1.3 根系密度對(duì)河岸懸空度的影響

懸空度與根長(zhǎng)密度、根表面積密度的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)擬合，見(jiàn)圖7（其中R2為決定系數(shù)）。根表面積密度是影響河岸懸空寬度的重要因素，河岸懸空寬度隨著根表面積密度的增大而增大;根長(zhǎng)密度反映了根系在河岸土體中的穿插和纏繞能力[21]，也是影響河岸懸空寬度的主要因素，但其影響較根表面積密度的影響小。

2.2 流速分布對(duì)崩岸的影響

崩岸的發(fā)生與近岸主流沖刷密切相關(guān)，水流對(duì)岸坡坡腳的沖刷起決定性的作用。以有植被情況下概化崩岸試驗(yàn)為例.CS3斷面近岸流速分布見(jiàn)圖8（圖中：6為測(cè)點(diǎn)距左岸邊壁的距離，B為水槽底寬，x向?yàn)樗髦鞣较?，y向?yàn)闄M向，z 為水深方向，u為流速，Z為測(cè)點(diǎn)深度，h為水深，Z/h為測(cè)點(diǎn)深度與水深之比）。由圖8可以看出，在同一條垂線上，x向與y、z向流速差別較大，植被倒伏范圍外（ b/B<0.30）x向流速明顯大于y、z向流速，靠近左岸邊璧時(shí)（ b/B≤0.30）垂線平均流速約為0.25 m/s，靠近河岸模型坡腳時(shí)（b/B>0.30）垂線平均流速明顯減小至0.10 m/s。在植被滑落倒伏階段部分外露的植物根系對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生影響，使得斷面橫向流速發(fā)生明顯的變化。

此外，流速試驗(yàn)結(jié)果表明，主流向（x向）垂線流速平均值為0. 05 -0.30 m/s.y向垂線流速平均值為0.01-0.03 m/s.z向流速平均值為0 - 0.02 m/s.可以看出x向平均流速比y、z向平均流速大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且y、石向水流方向發(fā)生變化（瞬時(shí)流速有正有負(fù)），但在靠近沖刷的坡腳位置（ b/B≥0.6），x向與y、z向流速趨近，不再相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明有植被情況下坡腳處水流沖刷趨于平穩(wěn)，倒伏植被對(duì)河岸的護(hù)擋作用顯著。

2.3 河岸崩塌類(lèi)型分析

在無(wú)植被崩岸概化試驗(yàn)中，從各典型斷面河岸形態(tài)的變化可以看出，崩岸以落崩為主，具體崩塌形式有3種[11]：①拉伸破壞，出現(xiàn)在CS1斷面，起初坡腳土體被沖刷下切，水位以上土層懸空度進(jìn)一步加大，岸坡頂部在拉應(yīng)力作用下沿水平面發(fā)生破壞，水平面出現(xiàn)裂隙致使該部分土體在自重下塌落水中，見(jiàn)圖9（a）;②倒崩（旋轉(zhuǎn)）破壞，出現(xiàn)在CS2斷面，破壞延伸面較大，一般下部土層被淘空，上部土層受拉應(yīng)力作用，頂部出現(xiàn)的裂隙向周?chē)由欤_(dá)到臨界抵抗力矩后，整塊土體繞某一中性軸旋轉(zhuǎn)而破壞，見(jiàn)圖9（b）;③剪切破壞，發(fā)生在CS3斷面，懸空土層受剪切力作用，岸頂部出現(xiàn)裂隙，裂隙豎向延伸致使土體塌落，見(jiàn)圖9（c）。實(shí)際上，河岸崩塌是多種類(lèi)型的混合，不是單獨(dú)一種形式。

有植被崩岸概化試驗(yàn)中，從典型斷面河岸形態(tài)來(lái)看，崩岸以挫崩[12]為主，岸坡頂部先出現(xiàn)縱向小裂隙，然后根土膠結(jié)塊體沿滑裂面向下塌落，屬平面滑動(dòng)破壞，見(jiàn)圖9（b）（c）。此外，根表面積密度較大的CSI斷面發(fā)生了圓弧滑動(dòng)破壞，滑裂面近似圓弧形，見(jiàn)圖9（a），這應(yīng)是植被作用下土體產(chǎn)生的表觀黏結(jié)力現(xiàn)象;在植被倒伏后，脫落下來(lái)的根土膠結(jié)體堆積在坡腳處，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)被水流沖走，隨著水流的持續(xù)淘刷，會(huì)在裸露根系周?chē)纬砂伎?，凹坑破壞形式?lèi)似于窩崩。

3 結(jié)論

（1）無(wú)植被條件下的河岸崩塌類(lèi)型以落崩為主，崩塌形式主要有倒崩、拉伸和剪切破壞，崩塌破壞機(jī)理為上部土層懸空寬度達(dá)到臨界值后，其產(chǎn)生的重力矩大于所需的抗衡力矩，發(fā)生繞中性軸旋轉(zhuǎn)、倒向河槽。

（2）有植被條件下的河岸崩塌類(lèi)型主要為平面滑動(dòng)破壞，主要發(fā)生在起“加筋”作用的典型斷面之間，也伴有圓弧滑動(dòng)破壞，根表面積密度越大的斷面發(fā)生圓弧滑動(dòng)的可能性越大。植被對(duì)河岸的護(hù)擋作用對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)的影響顯著，使近岸主流方向的平均流速由大于橫向和垂向流速一個(gè)數(shù)量級(jí)逐漸變?yōu)橥粩?shù)量級(jí)。

（3）相較于無(wú)植被條件下的試驗(yàn)結(jié)果，有植被條件下的河岸懸空度提高了22% - 36%.河岸根系固土效應(yīng)為18% - 65%。河岸懸空度與根表面積密度、根長(zhǎng)密度成指數(shù)關(guān)系，根表面積密度較好地反映了根系固土的能力。

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【責(zé)任編輯張智民】

收稿日期：2019- 04- 29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ 51569029）;水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（ 201500）

作者簡(jiǎn)介：陳志康（1993-），男，甘肅定西人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹恿鲃?dòng)力學(xué)

通信作者：宗全利（1979-），男，山東濰坊人，教授，博士，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水力學(xué)