基于红柳根系影响的塔里木河岸坡冲刷试验

为探明荒漠植物根系对塔里木河河岸崩岸的影响,取塔里木河河岸原状土体,以当地优势灌木红柳为代表植物,通过无植被、有植被条件下岸坡冲刷概化水槽试验,观察根系影响下河岸的崩塌过程、崩塌类型及近岸流场分布情况,分析植物根系对河岸的保护作用。结果表明:无植被条件下河岸崩岸类型以倒崩为主,下部淘刷使上部土层的悬空宽度达到临界值后,上部土层的重力矩大于自身的抵抗力矩,发生旋转崩塌;有植被条件下崩岸类型多为平面滑动破坏,表现为河岸顶部出现纵向裂隙,随裂隙竖向延伸,崩塌土块沿滑裂面滑落水中;植被的护挡对其周围流场的影响显著,使近岸主流方向的平均流速由大于横向和垂向平均流速一个数量级逐渐变为同一数量级;根系的固土效应为18%～65%,河岸悬空度与根表面积密度、根长密度成指数递增关系,根表面积密度能较好地反映根系的固土能力。     

荒漠植被根系增强土体抗剪强度性能研究

为研究塔里木河干流上游岸坡荒漠植被根系对土体抗剪强度的增强作用,在初步分析流域植被覆盖现状基础上,对上游6个典型河岸进行了现场勘查,对骆驼刺(Alhagi sparsifolia.)、红柳(Tamarix ramosissima.)和芦苇(Phragmites australias.)三种典型植被覆盖的根-土复合体和无植被覆盖原状土体分别进行了12组和11组的对比取样,并进行了室内土工试验。试验结果表明:根-土复合体与原状素土相比平均黏聚力由8.04 kPa增加到16.86 kPa,增加了110%,平均内摩擦角由32.59°增加到33.76°,增加了3.6%。结合摩擦加筋原理,建立了植被根系增加土体抗剪强度的力学计算模型,通过模型计算了骆驼刺、红柳和芦苇三种植被不同根体积密度对应的根-土复合体抗剪强度,并与实测结果进行对比。结果表明:16组实测值中只有一组数据小于其相应的理论值范围(2.472.6 kPa),其余实测值全部大于理论计算最小值,充分说明建立的力学计算模型完全可以用于上述三种典型荒漠植被根系影响下的土体抗剪强度计算,为定量评价荒漠植被根系的固土能力提供一定的参考。     

典型荒漠植被根系对塔里木河岸坡冲刷过程影响试验研究

为探讨植被根系对河岸冲刷过程的影响作用,取新疆塔里木河岸坡原状土,选取当地优势灌木红柳、乔木胡杨根系,通过室内水槽试验,分析不同植被根系对河岸冲刷起防护作用的贡献率。结果表明:①无根系河岸水下淘刷形式主要为圆弧状,下部抗冲能力差;有根系河岸的淘刷形式主要为三角形,下部抗冲能力强,上部悬空层的稳定性好。②根系的网络固土作用使河岸的抗冲能力提高12%~42%;相同植被根系河岸,根系的布置方式对河岸的固土能力有显著差异,V型根系的固土作用优于竖直型;不同植被根系河岸,红柳根系的固土能力大于胡杨根系,平均提高27%。③根土胶结崩塌体堆积形式主要为三角形,且堆积体的占比大于无根系崩塌体;红柳根系胶结崩塌体的分解速率最慢;根系牵拉系数可作为反应根系对河床防护作用贡献的参数,实际计算中可按1.15~2.52进行估算。研究结果可为塔里木河河道岸坡防护提供理论参考。     

黄河下游重塑黏性土抗冲特性试验

黄河下游河床存在典型的分层结构,不同部位对水流抗冲性不同,抗冲性极强的"胶泥层"对河势演变具有重大影响。通过对黄河下游花园口附近黏性土进行取样,开展了黄河下游河岸黏性土起动冲刷的水槽试验。分析了起动切应力随干密度的变化情况,建立了干密度、含水率与淤积历时的关系,拟合了黏性土侵蚀系数与起动切应力的关系式,结果表明:黏性土起动切应力随干密度的增大而增大,两者呈幂函数关系;当淤积历时较短时,黏性土干密度(含水率)随淤积历时的增大而增大(减小),两者呈对数函数(指数函数)关系;黏性土侵蚀系数随起动切应力的增大而减小,两者呈幂函数关系;同时研究发现,黏性土起动切应力与黏粒含量相关,相同干密度条件下,黏粒含量越高起动切应力越大;黏性土侵蚀系数与该土体的黏粒含量、土体结构相关,黏粒含量越高侵蚀系数越小,相应的其抗冲性越强。     

不同植被根系对河堤岸坡加固效果

为分析不同植被根系对土体抗剪强度参数的影响及对河堤岸坡加固效果的影响,本文对含香根草、百喜草、狗牙根、紫花苜蓿根系土体和裸地进行直接剪切试验,并基于FLAC3D建立河堤岸坡模型,研究了不同植被加固条件下岸坡安全系数。结果表明:4种植被均能显著增强土体抗剪强度,且香根草增强效果最明显,狗牙根增强效果最弱;植被根系对河堤岸坡加固效果明显,不同类型植被根系加固河堤安全系数为香根草百喜草紫花苜蓿狗牙根裸地。     

植被对河道水流及岸滩形态演变影响研究进展

植被作为河流系统重要的阻力因素,在河道形态演变方面发挥着至关重要的作用。植被地表结构改变了河道水流阻力、河床切应力、流速分布及水流紊动特性,植被根系增强了岸滩土体强度和稳定性。从植被地表茎干结构对水流特性影响和植被地下根系加筋作用对岸滩稳固影响两个方面的研究进行了回顾和综述,并指出今后在植被水流研究方面,可进一步考虑植被枝、叶对水流特性的影响,加强对柔性植被变形、摆动引起的动边界问题的研究,以及全面考虑河道形态边界条件的影响,特别是含植被的分汊河道水流特性还需深入研究;在植被根系固土护岸方面,可同时考虑岸滩土体非均质性、河道水流对岸滩的侵蚀冲刷作用及水体渗流对岸滩土体力学特性的影响;在植被河道形态演变预测方面,可以综合考虑含植被河道的水动力学及土力学问题,以及两者间的互馈响应机制。     

重塑黏性土及不同砂砾含量土体的起动试验研究

应用冲蚀函数测定仪开展了两种重塑黏土及其砂砾含量分别为20%、40%、60%条件下的起动试验,研究了黏聚力、干密度、砂砾粒径及掺量对土体起动应力的影响。试验结果表明:纯黏性土的起动应力与黏聚力呈线性关系,但两种黏土的斜率变化较大;两种黏性土的起动应力与干密度的关系可统一用指数型表达式确定;不同砂砾含量土体的起动应力与黏性土的黏聚力、砂砾粒径和掺量有关;砂砾粒径一定时,随着掺砂砾量的增加,混合体的起动应力呈先增加后降低的趋势,而砂砾含量一定时,起动应力随着砂砾粒径的增加而增加。最后,提出了重塑黏性土-砂砾混合土体的起动应力表达式。与试验结果的对照表明,该公式可较好地对黏性土-砂砾混合体的起动应力进行预测。     

生态型稳定剂协同植物根系固土特性及机理研究

为分析生态型稳定剂对植物根系固土特性的影响,对根系-生态型稳定剂-黏性土复合体进行直接剪切试验,研究了不同根系数量和不同生态型稳定剂含量条件下复合体的抗剪强度参数、剪切模量和总变形能量,结合试样产生的剪切位移,探究了边坡植被固土剪切特性及其加固机理。结果表明：植物根系的掺入增强了土体的抗剪强度;当生态型稳定剂质量分数大于1%时,其对复合体抵抗变形的影响较为明显;生态型稳定剂在土体中形成网状结构,促进土体内黏性土团聚体形成,增强了土体的黏聚力,与植物根系相互作用提高了土体抗剪强度特性。     

黄河源草甸型弯曲河流的悬臂式崩岸机制

弯曲河流的滨河草甸对抑制河岸崩塌和维持河湾蜿蜒具有重要作用。2011—2014年,在黄河源区兰木错曲的弯曲河段对河岸植被根系、崩塌块几何尺寸、根土复合体物理和力学特性等开展野外调查,并通过原位拉拔试验测定河岸崩塌面植被根系抗拉强度,进而分析草甸型弯曲河道的崩岸机制。草甸型弯曲河流的滨河植被根系网络具有较强缠绕和固结土体作用,河岸根系的力学特性是抑制凹岸崩岸的关键因子。近岸水流淘刷作用集中于根系作用范围以下的砂卵石层,当砂卵石层被淘刷至上部悬空,在自重作用下达到临界状况,河岸沿纵深方向出现贯穿性裂缝,最后崩塌块垮塌贴住河岸。崩块的破坏形式以悬臂式张拉破坏为主。崩塌块的植被根系长度与崩塌块厚度呈明显对数函数关系,其体积也随根系长度增大而增加。分析草甸型弯曲河流的新崩岸模式,建立了近岸根土复合体崩岸的临界力矩平衡方程,并简化得到崩塌块的临界宽度表达式。崩塌块体的临界宽度是崩塌块根系长度和根系产生的抗拉强度增量的函数,临界宽度的计算值与实测值较为符合。     

荆江段黏性河岸土体抗拉特性及其应用北大核心CSCD

对于绕轴崩塌为主的荆江二元结构河岸稳定性计算,土体抗拉特性具有重要意义。采取现场挖空方法,开展了间接测定荆江段黏性河岸土体抗拉特性的原型崩塌试验。通过现场测量得到荆江河岸绕轴崩塌时的临界悬空宽度,计算了不同含水率及干密度下土体的抗拉强度;分别计算了荆江和Fukuoka试验河岸土体的临界悬空宽度,并与实测结果进行了对比,计算值与实测值均符合较好。考虑不同河道水位下河岸土体的含水率、抗拉强度、容重等变化过程,对下荆江荆133断面稳定性进行了计算,计算结果与崩岸发生时间的实际统计一致,表明提出的土体抗拉强度及其计算方法的可靠性,为后续河岸崩塌过程的模拟提供了科学的依据。     

植被护坡中根土复合土体抗剪强度分析

针对植被护坡的稳定性难以界定和直剪仪大小限制试验素材大小的问题,为探索植被护坡中根土复合体的抗剪强度与树根和土体间组合方式的关系,选取乔木根和红黏土为材料,运用自行研制的大型直剪仪进行了大量根和土不同组合形式的直剪试验,并将根和土的力学模型推广到三维模型。结合试验数据和公式推导,研究发现:竖直布置根系并不能够让根土复合体的抗剪强度得到最大发挥;在设定的土质和含水量的条件下,试验结果和力学模型都显示,三维空间内单根沿滑坡方向呈62°时能更充分的发挥根系的作用,单根条件下提升根土复合体的强度最大为15.1%;根系穿过滑裂面时,将阻碍边坡的滑动,固坡效果明显。因此,树根能够限制边坡的侧向变形,使挡土墙内应力分布更平均,降低应力集中的可能。研究成果为拓展乔木根系对增强边坡抗剪强度的应用提供了依据。     

植物根系对河道滩坡抗冲性影响的试验

为研究植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响,选择麦冬草、芦苇和蒿草3种天然植物进行抗冲性物理试验,测量植物种植密度、根系面积比率和冲刷量。试验结果表明,根系发达、根系面积比率大的植物对滩坡的固土护岸作用大且范围广,防护效果好,并给出了根系纵深分布一般公式以及稳定坡面的地形函数。     

弱膨胀土干湿循环直剪强度试验研究

为研究干湿循环作用下弱膨胀土的干湿循环直剪强度特征,采用南京胥河边坡弱膨胀土进行2种干密度下的干湿循环试验,对干湿循环后土体的剪应力、凝聚力及内摩擦角进行了分析,探究了膨胀土土样干湿循环后的直剪强度变化规律。试验结果表明膨胀土干湿循环后的裂缝扩展随着干湿循环次数的增加而增多、增宽,并呈现明显的不可逆性;土体的凝聚力随着干湿循环次数的增加而逐渐减小,且不同干密度土体干湿循环稳定后的凝聚力趋近于相同的稳定值;内摩擦角随干湿循环次数的增加变化规律不明显;直剪试验时的上覆压力对于土体抗剪强度测定的剪应力衰减影响明显,上覆压力越大,剪应力的衰减越小。在进行膨胀性土的边坡稳定性分析时,应采用低应力下的直剪强度参数作为分析参数,研究结论可为工程设计提供参考。     

秸秆还田下耕作深度对土壤机械组成和土壤密度影响

为探明耕作深度对秸秆还田下土壤机械组成和土壤密度的影响,进行了小麦秸秆还田玉米大田试验,设置了20 cm、25 cm、30 cm三个耕作深度,测定了玉米生育期的土壤机械组成、土壤密度和玉米收获时的根系量和产量。结果表明:三个耕作深度下,以犁底层为界,砂粒、粉粒和黏粒的含量在犁底层之上和之下变化显著,砂粒随着土层深度加大而减小,粉粒和黏粒则相反,但播前和收获时耕作深度对三个粒级在剖面的分布规律没有明显的影响。三个耕作深度的土壤密度在玉米不同生育时期的变化趋势相似,方差分析表明玉米生育时期对同一土层深度的土壤密度有影响,但规律不明显。耕作深度对玉米产量和根系量的影响相同,以耕作深度25 cm的根系量和产量为最大,耕作深度与耕层平均土壤密度呈显著负相关。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。     

非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响

广泛分布于天然河道浅滩的植被能够改变河流局部的水力特性和泥沙运移过程,为了解植被对弯道水流特性的影响,针对特定流量下凸岸侧含有刚性挺水植被的弯道,对植被密度、位置不同时水流特性的沿程分布规律开展试验探究。通过建立弯道水流概化模型,利用ADV采集三维流速数据,对比无植被和有植被（植被密度分别为0、2.2%和4.5%）条件下的流速分布,定性分析不同工况下植被对弯道水流紊动特性的作用,确定弯道环流的结构及强度。结果表明,凸岸侧植被的存在（在0°~90°弯段,1/4河宽区间内均匀分布）能有效削弱弯道环流强度,但对凸岸区的消减效果并不随植被密度的增大而加强。非植被区上下不同流向水层的分界点位置随植被密度变化而变化,且植被分布对弯道各断面不同水深处的环流结构也有影响。     

Effect of Adverse Pressure Gradient and Different Vegetated Banks on Flow

This study examines velocity components in 3D and shear stress distributions in flows with adverse pressure gradient over a gravel‐bed channel using three types of vegetation on banks, rice, straw and Typha stems. Results of this experimental study are compared with those for flows in the bare bank channel. Results show that the flows with adverse pressure gradient are not self‐similar in vegetated and bare banks channels. The logarithmic law and parabolic law can be used to well describe flow in the inner and outer regions, respectively, but with different relative flow depths. Shear stress distributions depend on nature of bank roughness and the secondary flow effects because of small values of the aspect ratio and adverse pressure gradient. Quadrant analysis is performed to investigate the effect of different vegetation covers on the Reynolds stress distributions at the central axis of channel and near the vegetated banks. Vegetation covers influence the contributions of different quadrants to the shear stress distribution, showing that sweeps and ejections are dominant events for all vegetated banks for near bed region. However, near the water surface the contributions of outwards and inwards for banks with Typha stems are more important than those for rice and straw. Instead of using a single value for friction factor, for different vegetated banks, a range of friction factor has to be applied in river restoration projects. Vegetated banks result in an increase of more than 60% in friction factor in comparison with that for bare banks under adverse pressure gradient flows. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.