塔里木河流域河岸植被根系护坡的力学机制

荒漠植被根系发达,能够有效稳定边坡、遏制水土流失。以塔里木河典型岸坡植被根系为研究对象,对塔里木河干流上、中游的6个典型河段进行现场勘查并取样,共取土样28组,17组为根–土复合体,包括红柳、甘草、骆驼刺、芦苇、胡杨、白刺6种植被根系。分别对6种不同植被的根–土复合体及相应的素土进行室内直接剪切试验,对比分析黏聚力和内摩擦角的变化规律,定量评价不同植被根系对河岸土体抗剪强度的增强效果;对6种植被根系进行单根抗拉试验,分析不同植被根系的抗拉强度及抗剪强度与根系直径的关系。试验结果表明:(1)根系能提高土体抗剪强度且主要是通过提高黏聚强度来实现的,对内摩擦角影响较小;(2)根–土复合体黏聚力普遍比素土高,6种植被根系下由3.14~16.51 kPa提高到9.43~28.30 kPa;(3)根系抗拉强度随直径的增大而减小,而抗拉力随直径增大而增大。通过分析根–土之间相互作用的力学特点,将根系假设为刚性状态和柔性状态,建立植物护坡中根–土相互作用的力学模型,分别推导出刚性状态下根系提高土体抗剪强度最大值以及柔性状态下根系提高土体抗剪强度最小值的计算公式,根据公式计算得出不同植被根系提高土体抗剪强度最大值和最小值范围,并与试验结果进行对比分析,结果表明:实测土体抗剪强度增加值全部在理论计算范围以内,说明模型计算方法的合理性,为实际工程植被护坡效应的评价提供理论依据。     

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。     

红柳根系对塔里木河岸坡土体起动规律影响研究

为了研究红柳根系对塔里木河岸坡土体起动的影响规律,对不同植被根系体积密度及不同的根系分布方式下的根-土复合体进行起动特性试验,并分析植被根系影响下起动切应力变化规律,得到了根系影响下河岸土体起动切应力与植被根系体积密度及土体干密度的定量关系式。试验结果表明:不同根系放置形式土体抗水流冲刷的由大到小分别为相交放置,竖直放置,倾斜放置。当有红柳根系覆盖河岸土体时,土体的起动切应力得到了明显提高。     

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。