黄河源区弯曲河流河岸带抗剪特性

朱海丽1，2

(1．青海大学地质工程系，青海西宁810016;2．中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁810008)

弯曲河流河道的稳定发育与植被作用的研究，是当前地貌学、河床演变学等的重要课题之一。目前，国内外相关研究成果较少。滨河植被的良好发育对抵抗水流冲刷、增强河岸稳定、稳定河型、维护和恢复水体生态健康具有重要作用［1-4］。Parker等［5-6］提出，河岸边植被能够增大河岸的粗糙率，抑制河岸崩岸的发生。Hubble等［7］提出，滨河植被是影响河岸侵蚀现象发生、发展的重要因素。河岸带的坍塌块体具有减小河岸流速、使河宽变窄的作用［8］。宋孝玉等［9］提出，根系具有推迟、延缓和缩短产流、产沙时间的作用，恢复演变20年的草地土壤，抗冲性提高了10倍。目前，多数研究从植被根系数量、密度、根表面积等方面来评价植被抗冲力，并且取得较多研究成果，认为植被根系能够提高土壤抗冲力，但对根系参数与抗冲力的函数关系表达不一，难以进行定量比较。在水流冲刷作用下，河岸土体主要发生塌落或滑移等破坏形式，因此用抗剪强度来研究河岸物质抵抗水流冲刷特性是一个重要的指标。基于此，笔者重点在黄河源区弯曲小河河岸带展开定量研究，分析滨河植被根-土复合体力学强度。这对于认识滨河植被提高河岸抗冲能力、减少弯曲河流凹岸坍塌破坏频率具有非常重要的研究意义。

1 材料与方法

1．1 研究区基本概况 研究区选取黄河源区河南县兰木错曲弯曲河流，位于34°26′N，101°29′E。地势总趋势是东北高，西南低。研究区域位于青海省东南部黄南藏族自治州河南县，水资源量丰富，总人口约17万，以藏族为主，主要从事牧业生产。该区域海拔3 400～4 200 m，属高原亚寒带湿润气候区，冷季漫长寒冷，多大风，暖季短暂，气候湿润多雨。年均气温在-4℃以下，大部分地区气温高于5℃的积温小于650℃，多年平均降水量为329～505 mm，多为降雪和暴雨形式，干湿季节分明，水热同带。研究区植被类型较简单，以山地草甸、高寒草甸和高山草原化草甸为主。

1．2 试验区土体物理特征 为了解研究区草甸型弯曲小河的河岸物质组成情况，在研究区内选取2个弯曲河道对河岸物质组成的物理特性进行测定，包括含水率、密度、液限、塑限等指标;分别采取筛分法进行颗粒分析;采用环刀法，测定土样的密度;采用烘干法，测定土样含水量。经测定，凸岸土体含水率为29．73% ～66．95%，密度为1．18 ～1．74 g/cm3，液限为 45．0% ～50．5%，塑限为 30．4% ～31．1%;凹岸土体含水率为29．73% ～79．15%，密度为 1．22 ～1．67 g/cm3。通过筛分试验，发现河湾凹岸在垂直深度0～50 cm范围内为黏土层，有些河湾凹岸黏土层厚度可达90 cm，在垂直深度50 cm范围以下为细砂及卵砾石层，为典型黏土和细砂组成的二元结构，有利于河岸物质组成的抗冲性能。这对于弯曲小河的河道稳定性有积极作用。

1．3 试验区植被特征 研究区弯曲河流河岸带植物种类繁多，以中生、湿中生植物为建群种或优势种，主要有矮嵩草(Kobresia humilis)、早熟禾(Poa annua)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、青海苔草(Carex qinghaiensis)等，伴生种有二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、黄花韭(Allium chysanthum)、乳白香青(Anaphalis lactea)、毛茛(Ranunculus acris)、甘肃棘豆(Oxytropis kansuensis)、金露梅(Potentilla fruticosa)等。河流两岸植被覆盖有差异，且河流冲积岸辛普森指数(D)或香农-威纳指数(H)比淤积岸高［10］。

试验点河岸植被发育较好，地下根系十分发育，尤其以禾本科、莎草科草本植物须根发达，根系平均密度为0．07/(g·cm3)。根径多为小于1 mm的须根，根系密度表现出随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土层内，最长可达120 cm。

1．4 根－土复合体原状试样的制取 为深入分析河岸带根-土复合体抗剪强度在垂直方向随植物根系在地下分布变化而产生的变化，分别在从距研究区河岸地表面垂直距离为5、20、30 cm的深度取样，并且进行原位直接剪切试验。取样的深度主要依据草、灌植物根系的地下分布特征而定。试样采用直径为6．18 cm、高为2 cm的环刀进行原位分层取样。将取得的原状试样装入环刀盒内，并用胶带密封后带回实验室，开展室内直接剪切试验，测定根-土复合体抗剪强度。不同深度的根-土复合体直接剪切试验设有3组重复。为保证试验结果接近实际，直剪试验均在试样取回7 d内完成。

1．5 直接剪切试验方法 直接剪切试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型直接剪切试验仪。试验时，首先通过计算机开启土工试验数据采集处理系统，将原位取得的根-土复合体原状试样放在剪切盒内上、下两块透水石之间，然后由杠杆系统通过加压活塞和透水石对试件分级施加50、100、200、300 kPa垂直压力，再通过电动手轮以2．4 mm/min的转速对下盒施加水平推力，使试样在上、下盒的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏。剪应力的大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算确定。该试验是将同一深度根-土复合体的几个试样分别在不同的垂直压力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破坏时的剪应力，然后根据库仑定律，得出草甸型河岸由植物根系组成的根-土复合体内摩擦角(φ)和黏聚力(c)。土的抗剪强度可用库仑公式来表达，即

式中，τ为土的抗剪强度，kPa;σ为土的剪切面上的垂直应力，kPa;c为土的内聚力，kPa;φ为土的内摩擦角，°。

2 结果与分析

研究区河湾凹岸主要受到水流的淘刷作用，尤其在每年洪水季节易发生崩岸现象，而凸岸主要受到水流沉积作用，不断淤积成岸。由表1可知，在研究区两处河湾的凹岸和凸岸，在0～30 cm垂直深度范围内根-土复合体的平均密度随着深度的增大而增大，而含水量则总体表现为随深度增大而减小。在河湾两岸取原状剪切试样，进行直接剪切试验，并且对各个剪切破坏的试样进行含根量统计，发现植被根系在0～5 cm范围内分布较多，根密度最大可达0．12 g/cm3，且随着深度增大，根量呈减少趋势。

从表1和图1可以看出，河湾两岸的根-土复合体黏聚力在根系作用下明显增大，而内摩擦角变化无明显规律。草甸型河岸带根-土复合体平均黏聚力可达到18 kPa，较不含根黏土的黏聚力值平均高达220%。随着取样深度的增大，河湾凹岸和凸岸的根-土复合体抗剪强度指标黏聚力总体表现出不同的变化规律，即研究区两个河湾凹岸根-土复合体黏聚力随深度的增大而呈现先增大后减小的变化趋势，而凸岸根-土复合体黏聚力随深度的增大呈现先减小后增大的变化趋势，且凹岸根-土复合体黏聚力比凸岸根-土复合体黏聚力平均高约10%。这主要是由于研究区河湾凸岸是在水流沉积作用下逐渐成岸，植被在河岸定居生长时期相对较短，其根-土复合体层深度相对凹岸要小，部分地段在地表以下30 cm就出现砂砾石层，因此在地表以下0～5 cm植被根系较发达，黏聚力值较大，而达到地表下20 cm左右时，根量减小幅度相对较大，相应地黏聚力值减小;当达到地表下30 cm左右时，由于砂砾石的出现而使黏聚力增大。

表1 研究区河湾两岸不同垂直距离下根－土复合体物理力学参数

3 结论

(1)研究区河岸带在0～30 cm垂直深度范围内，根-土复合体的平均密度随着深度的增大而增大，而含水量则总体表现为随深度增大而减小。地下植被根系在0～5 cm范围内分布较多，根密度最大可达0．12 g/cm3，且随着深度的增大，根量呈减少趋势。

(2)草甸型河岸带根-土复合体平均黏聚力可达到18 kPa，其中河湾凹岸植被生长较稳定且覆盖度大，根-土复合体黏聚力比凸岸根-土复合体黏聚力平均高约10%，表明植物根系作用对河岸带根-土复合体抗剪强度的影响较大。

(3)河湾两岸根－土复合体平均含水量较高，平均可达41%，其抗剪强度随着含水量的增大而减小，表明水分进入根－土复合体后，土颗粒间的结合力减小，从而降低了复合体的抗剪强度。由含水量增加造成的土体固结减弱或根土分离等，往往会引起水土流失。同时，暴雨等强降雨会使土体的含水量急剧升高，影响滨河岸土体的稳定性。这也是研究区在每年洪水期常发生凹岸坍塌现象的影响因素之一。

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