植被護坡水流沖刷穩(wěn)定性試驗研究

張術(shù)彬，田振華，韓 雷

（黑龍江省水利科學(xué)研究院，150080，哈爾濱）

近年隨著我國水利投入的加大，植被護坡技術(shù)越來越多地應(yīng)用于護坡工程中。植被護坡的形式也由單一護坡向復(fù)合護坡發(fā)展，不同類型的植被護坡抗水流沖刷侵蝕程度有著顯著的不同。對于植被護坡可抵御的最大破壞水流速度的研究，英國CIRIA認為加筋草皮在水流較深情況下的極限抗沖流速可以達到6 m/s，荷蘭DELFT的研究得出最大抵抗侵蝕速度為7 m/s。美國水土保持局數(shù)據(jù)顯示，基于抗侵蝕土壤單一形式的植被護坡測得最大抗沖流速為2.74 m/s，澳大利亞測得的數(shù)據(jù)則為2.44 m/s。我國已有規(guī)范中雖然未明確給出相應(yīng)的最大抗沖流速，但毛昶熙等的研究得出了在水力荷載作用下發(fā)生嚴重侵蝕破壞時的水流流速范圍為2～4 m/s，并且得出了臨界流速與坡角及土體內(nèi)摩擦角的相關(guān)關(guān)系。

作用于植被護坡上的水流破壞形式主要有降雨以及降雨引起的坡面流和河道徑流。與降雨及坡面流相比，河道徑流具有流速大、作用歷時長等特點，降雨引起的坡面流則主要表現(xiàn)出隨機性大、短時間內(nèi)流速變化較大、沖刷具有間歇性等特點。對于這兩類水流破壞形式開展相關(guān)植被護坡穩(wěn)定性研究很有必要。

一、坡面流沖刷試驗

為了重現(xiàn)降雨引起的坡面流對植被護坡的沖刷影響，選取東北地區(qū)常見的典型植被護坡渠道，多年生紫羊茅覆蓋的渠道邊坡作為研究對象，邊坡高度2.7m，坡長7.2 m，邊坡系數(shù)為2.5。采用立體水箱蓄滿一定量水，水箱單側(cè)面底部開口泄水的方式來模擬大流量下的坡面流，通過記錄放水沖刷過程中護坡草皮的侵蝕破壞過程以及坡面流瞬間可達到的最大流速值和單次坡面流的沖刷歷時等數(shù)據(jù)，評價天然植被護坡的坡面流沖刷破壞現(xiàn)象。

1.試驗內(nèi)容

試驗采用容量為3.0 m3的長方體水箱儲水，水箱內(nèi)徑尺寸1.0 m×1.0 m×3.2 m。水箱側(cè)壁底部開一泄水口，泄水口尺寸為0.9 m×0.3 m。試驗開始前，關(guān)閉泄水口，水箱內(nèi)注水3.0 m3，待各項準備工作就緒之后，瞬間開啟泄水口，箱內(nèi)水體從泄水口噴出，平均泄量可達0.3 m3/s，直接沖向待沖刷的草皮護坡。

試驗放水前預(yù)先對所要沖刷的草皮進行割弋整平養(yǎng)護，并清理草叢間的小石塊等雜物，保證草皮坡面上沒有明顯的影響坡面流的障礙物出現(xiàn)。試驗過程采取間歇式放水，注滿水箱所需時間約為15 min，放空水箱所需時間僅為10 s。試驗測得瞬間最大流速可達6.0 m/s。試驗全程由攝像機拍攝記錄并采用螺旋槳測速儀測量預(yù)估最可能破壞位置處的流速值。試驗中發(fā)現(xiàn)，泄水口開啟后的前4 s內(nèi)，箱內(nèi)水體以水舌狀急速噴射出，試驗段內(nèi)頓時水花四濺，水流從泄水口至坡底時間僅為1.1 s。隨箱內(nèi)水體的減少，坡面流由紊亂狀態(tài)逐漸恢復(fù)至平順，至坡道上無明顯流動的水流，總計為15 s。

2.試驗結(jié)果

針對寬度為1.0 m的多年生紫羊茅天然植被護坡，采用8次間歇式?jīng)_刷后，最終發(fā)現(xiàn)護坡草皮嚴重破壞，停止沖刷。每次沖刷之后的草皮破壞形態(tài)如表1所示。由表1及試驗全過程的追蹤記錄得出以下結(jié)論：坡面流沖刷時間短暫，單次沖刷時間在10～15 s，瞬時流速可達6.0 m/s。坡面流流速分布不均勻，草皮破壞點位置在水舌落點以下2.0 m范圍內(nèi)。前4次沖刷后，累積沖刷時間55s，草皮未發(fā)現(xiàn)有明顯的侵蝕破壞現(xiàn)象。第5～8次沖刷后，局部沖刷面積逐漸增大，沖坑加深，且最終達到草皮連根拔起，完全沖離原草皮。本試驗條件下，坡面流沖刷8次，累積沖刷時間120 s，沖蝕破壞面積約為0.65 m2，沖蝕破壞體積約為0.20 m3，覆蓋度為佳的紫羊茅草皮可完全沖蝕破壞。

二、有壓流沖刷試驗

1.試驗設(shè)計

試驗流程如圖1所示，水流由地下水庫—水泵—高位水箱—蝶閥—電磁流量計—有壓流試驗段—尾水—地下水庫循環(huán)。有壓流試驗段采用有機玻璃板制作，便于試驗中觀察試驗現(xiàn)象，其余部分采用鋼材及建筑材料與試驗段拼接。試驗有壓段有機玻璃長3.70 m，內(nèi)壁寬0.20 m，高0.10 m。試驗段中間底部預(yù)留有長0.50 m、寬0.20 m的鏤空區(qū)域。此區(qū)域由待沖刷的植被草皮試樣盒填補。試樣裝置采用可拆卸軌道液壓升降臺設(shè)計，方便試驗裝置的安裝拆卸。有機玻璃水槽與可拆卸試驗裝置之間嵌入一止水橡膠圈，并通過螺栓將兩者緊密固結(jié)，以防漏水漏氣。

2.試驗方案與方法

有壓流下的植被護坡類型選取長勢均勻茂密的東北地區(qū)常見的典型早熟禾草皮，先根據(jù)試樣盒的尺寸，用鋼板尺在草皮上劃定取樣范圍，采用土工切刀、壁紙刀、鐵鍬等工具將草皮整塊取出，然后將取出的草皮按照試樣盒內(nèi)體積尺寸裁剪，使得草皮完全置入試樣盒，并保證試樣盒上邊緣與草皮表面齊平。草皮試樣盒采用厚度為10 mm的有機玻璃制作采用長方體設(shè)計，其內(nèi)壁尺寸長寬高分別為 500 mm、100 mm、200 mm。

將草皮試樣安裝固定完畢后開始試驗，開啟進水管前的閥門手柄，根據(jù)所需的水流流量，開啟閥門開度，流量由電磁流量計量測。自水流充滿整個試驗裝置始至草皮試樣發(fā)生沖刷破壞止，記錄沖刷歷時。試驗過程中通過連接在有機玻璃水槽底部的測壓管，測出有壓流流經(jīng)草皮后的水頭損失，繼而計算出水流流經(jīng)試樣時的平均剪應(yīng)力。同時整個試驗過程中采用攝像機攝錄草皮試樣在有壓流沖刷時的變化狀態(tài)。

表1 坡面流沖刷結(jié)果統(tǒng)計表

圖1 有壓流試驗流程示意圖

由于本試驗的有機玻璃水槽內(nèi)壁為矩形，且在有效試驗段內(nèi)截面尺寸未發(fā)生變化，因此選用斷面平均流速作為試驗所需的水流速度，通過控制管道內(nèi)的流量繼而控制斷面平均流速。本裝置可提供的流速范圍為1.5～6.0 m/s。

3.試驗分析與結(jié)果

本試驗所選取的早熟禾草皮屬覆蓋度特優(yōu)的草皮類型，由于根系交織覆蓋層橫向發(fā)達，以至于覆蓋層以下的土體顆粒難以受到水流的直接淘刷作用，同時根系之間縱橫交織成網(wǎng)，增強了早熟禾草皮的整體性和穩(wěn)定性。對植被護坡草皮抗沖刷破壞程度的判定，目前尚無統(tǒng)一的量化標(biāo)準。根據(jù)試驗中觀察到的破壞現(xiàn)象將破壞程度分為三等：

①輕微破壞，植被完全倒伏，表層細顆粒泥沙起動，草根部分裸露；

②中等破壞，大量泥沙起動，大部分根系裸露，出現(xiàn)凹凸不平?jīng)_刷坑；

③完全破壞，整塊草皮出現(xiàn)大面積淘刷，之后被水流沖散分離卷走。

表2及圖2給出了本試驗所選用的早熟禾草皮在有壓流下抗沖歷時—水流流速—破壞程度三者之間的關(guān)系。試驗測得早熟禾草皮的極限抗沖流速為5 m/s，抗沖歷時為1 h，其發(fā)生沖刷破壞的摩阻流速為0.32 m/s,此時的床面切應(yīng)力為103.13 Pa，即在采用同樣的早熟禾草皮時，在生長條件及淹沒條件均相同的條件下，當(dāng)河道的摩阻流速不超過0.32 m/s時，該類草皮可抵抗最大約1 h的水流沖刷。當(dāng)摩阻流速超過0.32 m/s時，該早熟禾草皮將發(fā)生III級以上的瞬時破壞。

圖2中的虛線分別表示覆蓋度良、中、差時的植被護坡在某一流速下的抗沖歷時,其數(shù)據(jù)源于CIRIA的研究。

將本試驗所得出的曲線與CIRIA比較發(fā)現(xiàn)，CIRIA的數(shù)據(jù)主要源于工程上的特定區(qū)域試驗所測數(shù)據(jù)，其所測數(shù)據(jù)對所在國的工程設(shè)計更具有廣泛性與指導(dǎo)意義。而本試驗是針對同類特定草皮得出的水流侵蝕破壞的極限抗沖流速與抗沖歷時曲線，明顯高于CIRIA數(shù)據(jù)，但其曲線走勢與其相比保持了一致性。在一定意義上來講，本試驗所得出的數(shù)據(jù)對于植被護坡上所采用的同類型草皮的抗沖刷侵蝕方面，更具有可靠可信的參考價值。

表2 早熟禾草皮護坡沖刷破壞結(jié)果

三、結(jié) 論

①根據(jù)試樣草皮的水流沖刷破壞程度，坡面流沖刷下的紫羊茅草皮的破壞程度分4個等級，而有壓流沖刷下的早熟禾草皮分為3個等級來描述。

②坡面流沖刷8次，瞬時流速達6.0 m/s，累積沖刷時間 120 s，沖蝕破壞面積約為0.65 m2，沖蝕破壞體積約為0.20 m3，覆蓋度等級為佳的紫羊茅草皮可發(fā)生第IV級的沖蝕破壞。

③有壓流對早熟禾草皮的沖刷，得出最大抗沖流速為5 m/s時，抗沖歷時約為1 h，發(fā)生破壞時的床面剪應(yīng)力為103.13 Pa,摩阻流速為0.32 m/s，發(fā)生沖蝕破壞的級別為III級。

④有壓流試驗所得出的流速—抗沖歷時曲線高于CIRIA提供數(shù)據(jù)，但其曲線走勢與其相比保持了一致性。

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