土石壩背坡植被抗沖蝕能力試驗(yàn)研究

郭 輝，沈育民，李 飛，唐文堅(jiān)

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院a．水力學(xué)研究所；b．武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010；2．長(zhǎng)江水利委員會(huì)a．規(guī)劃計(jì)劃局；b．國(guó)際合作與科技局，武漢 430010；）

土石壩背坡植被抗沖蝕能力試驗(yàn)研究

郭 輝1a，沈育民1b，李 飛2a，唐文堅(jiān)2b

（1．長(zhǎng)江科學(xué)院a．水力學(xué)研究所；b．武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010；2．長(zhǎng)江水利委員會(huì)a．規(guī)劃計(jì)劃局；b．國(guó)際合作與科技局，武漢 430010；）

基于水槽試驗(yàn)，探求不同種類、高度、密度植被防護(hù)條件下，土石壩背坡的抗沖蝕能力。研究發(fā)現(xiàn)，植被主要從莖葉護(hù)土和根系固土兩方面增強(qiáng)土石壩背坡的抗沖蝕能力。不同種類植被的物理性狀差別較大，植被株高越高，土石壩背坡形成毯狀保護(hù)層越厚實(shí)，根系也越發(fā)達(dá)，護(hù)土和固土能力都更好，其抗沖能力亦越強(qiáng)；植被密度越高，土石壩背坡的覆蓋度越高，根系密度也越高，護(hù)土和固土能力同樣會(huì)增強(qiáng)，其抗沖能力亦越強(qiáng)。通過多組試驗(yàn)成果的對(duì)比分析，采自浙江瑞安八十畝碼頭附近的狗牙根抗沖蝕能力最好。

土石壩背坡；植被；抗沖蝕；水槽試驗(yàn)

1 研究前景

土石壩背坡漫頂歷來為工程大忌，特別是小型土石壩防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，易漫頂漬壩。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土石壩溢流問題的研究多采用工程材料，對(duì)植物護(hù)坡措施的研究尚屬少見。在道路、河流護(hù)岸工程建設(shè)中，為防止降雨徑流造成的水土流失和恢復(fù)原有的生態(tài)環(huán)境，常利用植被進(jìn)行生態(tài)坡面防護(hù)［1－3］，具有較好的抗沖蝕效果［4］。然而，土石壩漫頂過程具有流量大、流速急的特點(diǎn)，專門針對(duì)土石壩遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫頂時(shí)護(hù)坡植被對(duì)土石壩壩體抗沖蝕能力影響的系統(tǒng)研究很少。20世紀(jì)80年代末期，山西相關(guān)科研人員進(jìn)行了土壩植被防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明土石壩背坡植被對(duì)提高壩體抗沖蝕能力有益［5－6］，然而試驗(yàn)植被不適合南方地區(qū)生長(zhǎng)。

尋求經(jīng)濟(jì)有效易于推廣的植物防護(hù)措施，避免或減輕洪水漫頂時(shí)的壩體破壞損失，已成為土石壩工程建設(shè)中亟待解決的重要問題之一。本文采用水槽概化試驗(yàn)，探求南方地區(qū)不同種類、株高和密度的土石壩背坡防護(hù)植被的抗沖蝕能力，以期為建立經(jīng)濟(jì)有效的土石壩背坡植被防護(hù)技術(shù)提供支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．1 試驗(yàn)對(duì)象

委托中國(guó)科學(xué)院武漢植物園在1 m×0．3 m× 0．25 m規(guī)格的試驗(yàn)箱內(nèi)專業(yè)培植試驗(yàn)植被，種植了9種（編號(hào)1?！?＃）不同株高和密度的植被，另有一個(gè)裸土試驗(yàn)箱（編號(hào)10＃），同步進(jìn)行澆水施肥等養(yǎng)護(hù)流程，供試驗(yàn)對(duì)比參照。其中狗牙根4種，結(jié)縷草1種，均為南方地區(qū)常見的多年生草本植被，分別采取自江蘇、浙江和安徽等地，具有廣泛的代表性，如表1所示。

2．2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

試驗(yàn)在順直的平坡矩形水槽中進(jìn)行，通過高水箱提高水頭的方式在水槽試驗(yàn)段產(chǎn)生較大流速，以滿足試驗(yàn)要求。水槽長(zhǎng)4．25 m，寬0．31 m，高1 m，水槽進(jìn)水口寬0．31 m，高0．15 m。水槽上游與高水箱連接，通過地下水庫(kù)及水泵供水，給試驗(yàn)段提供足夠高的水頭。水流由高水箱經(jīng)管道進(jìn)入水槽，經(jīng)過調(diào)整后進(jìn)入試驗(yàn)段。試驗(yàn)段長(zhǎng)1 m，底部設(shè)有凹槽，用于放置植被培養(yǎng)箱，植被培養(yǎng)箱土壤表面與水槽底部齊平。模型布置見圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig．1 Profile and p lan view of the testm odel

采用鋼尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量植被物理尺寸參數(shù)，利用萬(wàn)分之一天平稱取根系鮮重；采用高清攝像機(jī)拍攝植被抗沖過程，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝沖刷前后植被狀態(tài)，使用鋼尺測(cè)量沖蝕后土壤地形變化并計(jì)算沖刷土壤體積；采用水位測(cè)針測(cè)量試驗(yàn)段前后水位變化，利用畢托管測(cè)量沖刷流速。

2．3 試驗(yàn)觀測(cè)

植被物理參數(shù)觀測(cè)內(nèi)容包括：株高、葉長(zhǎng)、葉寬、莖長(zhǎng)、莖粗、莖節(jié)長(zhǎng)、根系長(zhǎng)、根系鮮重、密度、覆蓋度等。

沖刷過程觀測(cè)內(nèi)容包括：水位變化、流態(tài)變化、植被破壞特性、土壤沖蝕特性等。

抗沖參數(shù)觀測(cè)內(nèi)容包括：各沖刷階段歷時(shí)、總抗沖歷時(shí)等。另外，土壤抗沖強(qiáng)度可由單位體積水量所沖刷的土壤質(zhì)量［7］或單位面積單位時(shí)間內(nèi)所沖刷的土壤質(zhì)量［4］等多種參數(shù)來表征，考慮到本試驗(yàn)的具體特點(diǎn)及相關(guān)條件制約，參照土壤抗沖強(qiáng)度的概念，引入時(shí)間尺度上的無量綱沖蝕模數(shù)K，亦可實(shí)現(xiàn)植被抗沖能力的表征，

式中：K為沖蝕模數(shù)（h－1）；V沖為土壤沖刷量（m3）；V為試驗(yàn)段總土壤量（m3）；T為沖刷歷時(shí)（h）。

表2 植被地上物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of vegetation’s physical parameters on the ground

3 植被特性分析

不同種類植被的物理性狀差別較大，如表2所示，從株高方面看，7＃，8＃＞3＃，4＃＞5＃，6＃＞9＃＞1＃，2＃；其他莖葉生物量與株高關(guān)系密切，較高的株高的植被其莖葉生物量亦較大；植被根系發(fā)達(dá)程度與株高關(guān)系亦較密切，株高較高的植被，其根系生物量亦較多，根系更加發(fā)達(dá)。

4 試驗(yàn)成果

4．1 沖蝕過程

2＃植被和4＃植被因在2．9 m／s來流條件下進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，因此其沖刷過程和其他各組植被有明顯區(qū)別。以下成果不對(duì)2＃和4＃植被的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。其他各組植被均在5 m／s來流條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，其沖蝕過程均可劃分為植被倒伏、沖刷平衡和沖蝕破壞3個(gè)階段。①植被倒伏階段：該階段起始時(shí)刻植被直立，由于草皮阻水效應(yīng)，試驗(yàn)段前部水面不斷雍高，在水流剪切力的作用下，草皮逐漸伏倒。②沖刷平衡階段：由于伏倒植被在試驗(yàn)段前部的挑流作用，試驗(yàn)段前部水深迅速下降，試驗(yàn)段中后部水深逐漸雍高。除試驗(yàn)段前部土壤存在一定淘蝕現(xiàn)象外，該階段在植被仍能抵抗水流的沖刷，基本處于相對(duì)平衡狀態(tài)。③沖蝕破壞階段：由于水流的持續(xù)沖刷和浸泡，植被的固土能力開始下降，試驗(yàn)段前部植被被破環(huán)，土壤開始被卷入水體，水土平衡狀態(tài)被打破。隨后沖刷破環(huán)程度逐漸增強(qiáng)，試驗(yàn)段表層土壤不斷從植被根系間被剝離。各組試驗(yàn)每個(gè)沖蝕階段的水流特性、植被沖蝕特性均有一定差別，受篇幅所限不再一一描述。而裸土試驗(yàn)過程在經(jīng)歷短暫的雍水階段后，隨即轉(zhuǎn)入劇烈的沖蝕破壞階段，抗沖能力很弱。

各組試驗(yàn)對(duì)象在各個(gè)沖蝕階段的抗沖歷時(shí)如圖2所示。各組試驗(yàn)對(duì)象的綜合抗沖能力由圖3所示的沖蝕模數(shù)表征。

圖2 各組植被各沖刷階段歷時(shí)對(duì)比Fig．2 Comparison of the scouring periods at different stages

圖3 各組植被沖蝕模數(shù)對(duì)比Fig．3 Com parison of the scouring m oduli of different vegetation

4．2 不同種類植被抗沖特性

灌木類和喬木類植被莖葉在枝干頂部，由于其枝干是剛性的，不能形成覆蓋土石壩背坡表層的植被保護(hù)層；另外剛性的枝干在水流的作用下會(huì)增強(qiáng)局部沖蝕能力，造成局部沖蝕破壞，形成沖槽或沖坑的突破口，加速壩體破壞［6］；因此灌木類和喬木類植被一般不能增強(qiáng)土石壩背坡的抗沖能力。

草本類植被密度高，莖葉是柔性的，可在土石壩背坡形成毯狀保護(hù)層，另外其根系密度高，相互交錯(cuò)，有較強(qiáng)的固土能力。草本植被抗沖特性主要由植被的莖葉及根系物理特性決定，不同種類草本植被具有不同的株高、密度、根系分布以及莖葉特性，一般而言，株高較高的植被，及根系亦比較發(fā)達(dá)（表2），莖葉尺寸也較大（表2）。因此不同種類草本植被的抗沖特性最終還是通過分析密度、高度、根系特性等參數(shù)，并結(jié)合抗沖試驗(yàn)結(jié)果來表征。

4．3 不同高度植被抗沖特性

從沖刷過程看，7＃和8＃植被株高最大，平均達(dá)32．49 cm，經(jīng)過植被伏倒階段后，柔性的莖葉覆蓋在土層之上，形成毯狀保護(hù)層，大大降低水流對(duì)土壤的直接沖蝕作用；由于株高和根系具有正比關(guān)系，因此7＃和8＃植被根系也最發(fā)達(dá)，平均根長(zhǎng)達(dá)41．5 cm，固土能力較強(qiáng)，沖刷過程比較均勻穩(wěn)定，植被沒有明顯局部破壞。其他高度較低植被，一方面若植被密度較低，其植被莖葉護(hù)土能力有限；另一方面，其根系較短，生物量大多分布在10cm以內(nèi)的表層土壤中，固土能力有限，植被很容易發(fā)生局部破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)段的迅速破壞。

從沖刷歷時(shí)看（圖2），7＃和8＃植被株高最高，總沖刷歷時(shí)最長(zhǎng)；各組植被在植被伏倒階段和沖刷平衡階段的歷史均較短；植被高度越高，沖蝕破壞階段歷時(shí)越長(zhǎng)，說明其抗沖能力越強(qiáng)。

從沖蝕模數(shù)看（圖3），7＃和8＃植被沖蝕模數(shù)（2．44／h和5．49／h）顯著低于其他各組植被，裸土的沖蝕模數(shù)最高（95．26／h）。如圖4所示，各組植被的沖蝕模數(shù)基本與植被株高呈反序，這說明土石壩背坡種植植被可明顯增強(qiáng)其抗沖性能，植被其他物理特性差別不大的條件下，植被株高越高，抗沖性能也越強(qiáng)。

圖4 植被株高與抗沖模數(shù)關(guān)系Fig．4 Curve of vegetation height vs．scouring m odulus

4．4 不同密度植被抗沖特性

5＃和6＃植被、7＃和8＃植被分別為同一種類不同種植密度的植被。在同一種類植被條件下，對(duì)比分析其抗沖特性。其中5＃和8＃是低密度植被，6＃和7＃是高密度植被。

從沖刷過程看，密度較高的植被，沖蝕平衡階段和沖蝕破壞階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且破壞過程較均勻。密度低的植被，水土平衡可輕易被打破，很容易發(fā)生局部沖蝕破壞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)段的迅速破壞。例如植被5＃密度較低，局部沖刷破壞迅速產(chǎn)生，沖刷過程直接從植被伏倒階段過渡到?jīng)_刷破壞階段，而6＃植被密度相對(duì)較高，經(jīng)歷了完整的植被伏、沖刷平衡和沖刷破壞3個(gè)階段，其抗沖能力要強(qiáng)于5＃植被。

從沖刷歷時(shí)看（圖2），密度高的植被，各沖刷階段的沖刷歷時(shí)均較高。7＃植被密度最高，各階段及總沖刷歷時(shí)均最長(zhǎng)，8＃植被密度稍低于7＃植被，各階段沖刷歷時(shí)均低于7＃植被。5＃和6＃植被之間顯示出同樣的規(guī)律。從沖蝕模數(shù)看（圖3），7＃植被密度最高，沖蝕模數(shù)最小，8＃植被密度稍低于7＃植被，因此其沖蝕模數(shù)也要高于7＃植被；5＃和6＃植被之間顯示出同樣的規(guī)律。如圖5所示，除1＃植被外，各組植被的沖蝕模數(shù)與植被密度呈較好的反序關(guān)系，這說明土石壩背坡種植植被可明顯增強(qiáng)其抗沖性能，植被其他物理特性差別不大的條件下，植被密度越高，抗沖性能也越強(qiáng)。

圖5 覆蓋度與抗沖模數(shù)關(guān)系Fig．5 Curve of vegetation coverage vs．scouring modulus

4．5 抗沖機(jī)理

植被主要從兩方面增強(qiáng)土石壩背坡的抗沖能力：①植被的護(hù)土能力，主要表現(xiàn)為植被柔性莖葉直接覆蓋土石壩背坡，阻擾水流，在土石壩背坡形成毯狀保護(hù)層，減緩表層土壤的沖刷；②植被的固土能力，主要表現(xiàn)為植被根系相互交錯(cuò)，通過草根加固和約制土體，形成了一層土、根的復(fù)合護(hù)面層，同時(shí)草的深根亦可錨固基土，減緩壩體土壤的沖蝕。

植被被沖蝕破壞是因?yàn)橹参锔康耐寥辣粵_走，以及水流對(duì)植物的拖曳力所造成的，在水流的持續(xù)作用下，由于草根周圍土壤的沖蝕而使草皮發(fā)生破壞，因此將削弱草的錨固作用，直至草被水流曳引力帶走。決定土石壩背坡植被抗沖蝕的物理特性主要由植物的種類、高度和密度3個(gè)特征來表征。

株高較小的植被，其根系亦較短，護(hù)土與固土能力較弱，容易發(fā)生嚴(yán)重的局部破壞，床面出現(xiàn)大的沖刷坑，局部草皮全部沖走，并迅速波及整塊草皮，水流異常紊亂，抗沖歷時(shí)較短；株高較大的植被，其根系亦較長(zhǎng)，護(hù)土與固土能力均較強(qiáng)，沖刷破壞比較均勻，床面泥沙沖刷可以達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)，抗沖歷時(shí)較長(zhǎng)。

另外在相同株高條件下，密度越高的植被，其對(duì)土石壩壩體的覆蓋越完全，可以阻擾水流直接沖刷表層土壤，避免嚴(yán)重的局部破壞，因此其護(hù)土能力更強(qiáng)，相較于低密度土石壩抗沖植被抗沖歷時(shí)更長(zhǎng)。

5 結(jié) 論

（1）植被主要從兩方面增強(qiáng)土石壩背坡的抗沖能力：第一，植被的護(hù)土能力，主要表現(xiàn)為植被柔性莖葉在土石壩背坡形成毯狀保護(hù)層，減緩表層土壤的沖刷；第二，植被的固土能力，主要表現(xiàn)為植被根系相互交錯(cuò)，有較強(qiáng)的固土能力，減緩壩體土壤的沖蝕。

（2）草本類植被有較強(qiáng)的護(hù)土和固土能力，其抗沖特性主要由植被的莖葉及根系物理特性決定，不同種類草本植被具有不同的株高、密度、根系分布以及莖葉特性。

（3）植被高度越高，土石壩背坡形成毯狀保護(hù)層越厚實(shí)，根系也約發(fā)達(dá)，護(hù)土和固土能力都更好，其抗沖能力亦越強(qiáng)。

（4）植被密度越高，土石壩背坡的覆蓋度越高，根系密度也越高，護(hù)土和固土能力同樣會(huì)增強(qiáng)，其抗沖能力亦越強(qiáng)。

（5）通過多種土石壩抗沖植被試驗(yàn)成果的對(duì)比分析，采自浙江瑞安八十畝碼頭附近的狗牙根抗沖蝕能力最強(qiáng)，可作為土石壩背坡防護(hù)植被選擇之一。

致謝：長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所潘保柱、黃明海、張?jiān)嫉韧氯虆⑴c了試驗(yàn)實(shí)施過程，并提供了有益的建議，特此致謝。

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（編輯：曾小漢）

Experiment on the Scouring Resistance of Vegetation Cover on the Back Slope of Earth Rockfill Dam

GUO Hui1，SHEN Yu min2，LIFei3，TANGWen jian4
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Kechuang Science and Technology Development Co．Ltd．，Wuhan 430010，China；3．Planning Bureau of ChangjiangWater Resources Commission，Wuhan 430010，China；4．International Corporation Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

The scouring resistance of the back slope of earth rockfill dam covered by vegetation of different type，height and density is investigated by using flume experiment．It is concluded that vegetation can enhance the scou ring resistance from two aspects：retaining soil by stems and leaves，reinforcing soil by roots．Different types of veg etation have different physical properties．Higher vegetation stem means that the vegetation rootswill bemore devel oped，the protection layer on the back slopewill be thicker，hence the capacity of retaining and reinforcing soilwill be stronger．Similarly，higher vegetation densitymeans that the vegetation rootswill be denser，and the coverage on back slope will be wider，thus，the capacity of retaining and reinforcing soilwill also be stronger．By analyzing the experiment results，it’s found that Bermuda Grass collected from the area adjacent to Bashimu dock in Ruian，Zhe jiang Province has strong scouring resistance．

back slope of earth rockfill dam；vegetation；scouring resistance；flume experiment

S157．1；S157．433

A

1001－5485（2013）08－0122－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．026

2013，30（08）：122－126

2012－07－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11202037）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAK10B04）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（CKSF2012026SL和CKSF2011013／SL）；水利行業(yè)專項(xiàng)（201001033）

郭 輝（1982－），男，安徽霍邱人，工程師，主要從事環(huán)境與生態(tài)水力學(xué)研究，（電話）027－82829761（電子信箱）huigcky＠gmail．com。