日本植生毯抗沖流速試驗及評價

葉合欣，黃錦林，王德昊，袁以美，陳建生

(1.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣東 廣州 510635；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；3.大連格賓環(huán)境技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116019；4.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；5.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

植生毯邊坡防護(hù)是一種新型的邊坡防護(hù)技術(shù)，該技術(shù)與傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)技術(shù)及其他生物防護(hù)技術(shù)相比較，具有一定的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢，有良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益[1]，在邊坡生態(tài)防護(hù)中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[2]。植生毯是將種子、肥料、保水劑、土壤改良劑等與纖維網(wǎng)、可降解生態(tài)布整體黏合后緊密貼合于地表，適宜植被生長的毯狀物[3]，即“復(fù)合織物+草”。先期通過纖維網(wǎng)、生態(tài)布達(dá)到防止水土流失的目的，在植物生長后，通過植被和根系起到深層防止沖刷、抑制水土流失的作用，且具有施工簡易、造價低廉、綠化效果好等優(yōu)點[4]。植生毯常用于道路邊坡[5]、路基邊溝[6]、渠道邊坡[7]、廢棄礦山[8]甚至石質(zhì)邊坡[9]等部位的生態(tài)防護(hù)。當(dāng)植生毯用于河道堤岸生態(tài)護(hù)坡時[10]，應(yīng)考慮其抗水流沖刷能力。

日本植生毯技術(shù)產(chǎn)品走在世界前列，中國引進(jìn)使用后，雖然在不同行業(yè)得到很好的應(yīng)用，并開展了相關(guān)研究工作[11-12]，但對其抗沖流速的認(rèn)識還有些模糊，特別是對在多大河道流速下適宜采用植生毯進(jìn)行護(hù)坡還沒有一個清晰的概念，導(dǎo)致在實際工程中出現(xiàn)被水流沖毀等效果不理想的情況。因此，研究其抗沖流速是很有必要的。本文主要介紹(株)建設(shè)技術(shù)研究所的日本植生毯室內(nèi)抗沖流速試驗成果(2003年10月)，分析試驗條件與實際工程條件相差較大的客觀差異性，并結(jié)合國內(nèi)應(yīng)用情況，提出抗沖流速建議值。

1 試驗基本情況

1.1 試驗工況設(shè)計

試驗工況共分為6種。首先是在產(chǎn)品施工后養(yǎng)護(hù)達(dá)到最佳狀態(tài)下在高流速封閉水槽中進(jìn)行抗沖試驗，以便展現(xiàn)產(chǎn)品實施后的效果。同時，增加了充分預(yù)測對產(chǎn)品不利條件下的試驗工況，如鼴鼠洞、草體長勢普通、草體枯萎、雜草叢生等，以模擬產(chǎn)品實施后的可能遇到的各種情況，分別代表植生毯破損、越冬、養(yǎng)護(hù)不到位等情況。作為對比，增加了僅有復(fù)合織物、僅有雜草這2種工況，分別代表施工后植生毯尚未長出草、雜草自然生長狀態(tài)。表1列出了試驗具體工況。

表1 試驗工況

1.2 試驗裝置

試驗使用高流速試驗裝置，封閉水槽長3.0 m，斷面尺寸為0.3 m×0.3 m(圖1)。在滿管狀態(tài)下，按設(shè)定的流量通水，可得到設(shè)定的流速。流量與流速的關(guān)系如下：

Q=a2v

(1)

式中Q——設(shè)定的流量，m3/s；a——水槽邊長，取0.3 m；v——設(shè)定的流速，m/s。

a)結(jié)構(gòu)示意(mm)

b)試驗體段實物圖1 試驗裝置示意

根據(jù)式(1)，本試驗流量流速關(guān)系列于表2中。

表2 試驗中流量流速對應(yīng)關(guān)系

1.3 試驗流速

河道水流速度一般小于4.0 m/s，考慮到試驗條件與天然河道邊界條件如受力、外物沖擊、自然或人為破壞等方面相差較大，試驗設(shè)定流速最大值比一般河道可達(dá)到的流速的上限增加75%，即取7.0 m/s。試驗設(shè)定流速為1.0～7.0 m/s，流速跨度為1.0 m/s，每個流速等級保持通水時長為30 min，觀察有無析出、翻卷等破壞現(xiàn)象。當(dāng)沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時，通水維持30 min后提高一級流速等級。當(dāng)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時，把此流速定位為最終流速進(jìn)行觀察，在此現(xiàn)象穩(wěn)定前一直通水。當(dāng)流速達(dá)到 7.0 m/s還沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時，在流速7.0 m/s條件下通水維持 1～2 h。

2 試驗結(jié)果

2.1 工況1：復(fù)合織物+草

在填土表面鋪設(shè)植生毯(復(fù)合織物+草)，養(yǎng)護(hù)2個月，草的根部充分生長至試驗體的平板上，且長勢良好。將試驗體安裝于水槽進(jìn)行通水試驗。試驗前預(yù)測試驗結(jié)果為：試驗體受水流沖刷導(dǎo)致土粒析出、河床下降或表層植生毯翻卷。

按設(shè)定的通水條件，試驗通水時間過程見圖2。在試驗流速從1.0 m/s 增加到7.0 m/s 過程中，并在7.0 m/s 維持通水1 h，均沒有發(fā)生沖刷、析出或翻卷現(xiàn)象，同時也觀察不出試驗體前后有明顯變化，說明完整的植生毯與長勢良好的草能夠起到很好的固土護(hù)沖作用。

圖2 試驗通水時間過程

2.2 工況2：復(fù)合織物+草+鼴鼠洞

在試驗體中央剪開直徑7.5 cm、深10 cm的假設(shè)鼴鼠洞，其表面積約占總面積的0.5%，其余條件同工況1。當(dāng)發(fā)生析出等破壞現(xiàn)象時，通水至析出現(xiàn)象穩(wěn)定為止。試驗前，預(yù)測鼴鼠洞變大或加深。

開始通水后，逐級加大流速至7.0 m/s，穩(wěn)定90 min，沒有發(fā)現(xiàn)鼴鼠洞加大或加深現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)沖刷、析出或翻卷。經(jīng)實測對比確認(rèn)，試驗前后鼴鼠洞尺寸沒有明顯變化，說明由于復(fù)合織物對土粒及草的約束作用，局部小規(guī)模的破損并不影響植生毯的整體抗沖功效。

2.3 工況3：復(fù)合織物+草+雜草

在填土表面鋪設(shè)植生毯(復(fù)合織物+草)，撒入混有野草根的砂土，養(yǎng)護(hù)6個月，草的根部充分生長至試驗體平板上，且長勢良好。經(jīng)統(tǒng)計，雜草(鬼針草占優(yōu))占總表面積15%左右。工況3在實際養(yǎng)護(hù)不到位情況中形成的可能性很大。試驗前，將高于30 cm的雜草剪留至30 cm高。試驗前，預(yù)測可能出現(xiàn)的試驗現(xiàn)象有：①野草的根部被拔起而流失，其粗糙度的變化導(dǎo)致植生毯的草被翻卷；②野草增強了抗沖能力。

試驗表明，根莖粗的野草隨著流速增加，在流水中的振動幅度也增大，但沒有造成根部拔起。在流速4.0 m/s以上時，大部分野草倒伏，貼覆在地表上，從而削弱了水流對植生毯的直接沖擊力，反而對表層草起到保護(hù)作用。流速在7.0 m/s下通水2 h，沒有發(fā)現(xiàn)河床變動(沖刷、析出、翻卷等)。試驗結(jié)果否定了預(yù)測①而印證了預(yù)測②，即野草增強了抗沖能力，至少沒有降低植生毯的抗沖能力。

2.4 工況4：復(fù)合織物+草+枯草

將植生毯(復(fù)合織物+草)鋪設(shè)于土體表面，放置約6個月，待長勢良好的草完全黃枯時，在冬季2月下旬做抗沖試驗。這種狀態(tài)可模擬冬季河岸植物特征。

試驗結(jié)果表明，流速從1.0 m/s增加到7.0 m/s中，并在7.0 m/s維持2 h，沒有發(fā)現(xiàn)草葉被剪切、流失的現(xiàn)象，與工況1的試驗結(jié)果大致相同。試驗說明即使草葉枯萎，其發(fā)達(dá)的草根與復(fù)合織物仍然能起到足夠的固土防沖作用。

2.5 工況5：僅復(fù)合織物

在土體表層只鋪設(shè)植生毯，無草，用于觀察僅有復(fù)合織物時抗沖特性，特別是考察什么程度的流速能抑制析出現(xiàn)象。用于模擬施工后不久、草體尚未長出的情況。

試驗表明，當(dāng)流速1.0 m/s時，河床維持不動；當(dāng)流速達(dá)到2.0 m/s時，出現(xiàn)析出現(xiàn)象。將發(fā)生析出現(xiàn)象的流速2.0 m/s確定為最終流速，并在此流速條件下通水2 h，觀察河床變動狀況。隨著時間的延長，沖刷深度在不斷增加，河床最終下降約2～3 cm，同時，被析出的土砂在其下游堆積，或是流向下游(圖3工況5)。說明僅有復(fù)合織物而沒有草體時，固土防沖作用大大削弱。

圖3 通水后最深河床縱斷面(工況5、6)

2.6 工況6：僅茂盛野草

在土體表層撒上混入野草種子的土砂，放置約7個月，待野草充分生長后，把高于0.3 cm部分剪切，僅保留30 cm以下部分，以此為試驗體。經(jīng)統(tǒng)計，試驗體野草中鬼針草占優(yōu)，其他植物為紅桿、月見草、艾草、馬唐、公牛蕁麻、具芒碎米莎草、酢漿草、鴨跖草、一枝黃花、斑地錦等。試驗?zāi)康氖悄M自然狀態(tài)護(hù)岸，與采用植生毯防護(hù)的效果進(jìn)行比對。試驗前預(yù)測：水流使野草劇烈振動，根部土砂流失，隨后，根露出表層，被拔出后沖到下游。

試驗表明，流速增大到3.0 m/s時，河床無變動；流速4.0 m/s時，野草(特別是一枝黃花)的上游側(cè)根部的砂土流出現(xiàn)象顯著。將4.0 m/s作為最終流速，通水2 h，正如試驗前預(yù)測的那樣，驗證了野草靠上游側(cè)根部的砂土流失顯著，河床下降約4～5 cm(圖3工況6)。

對比工況5、6試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，僅有復(fù)合織物的抗沖流速遠(yuǎn)小于僅有茂盛野草的抗沖流速；而沒有復(fù)合織物的茂盛野草，抗沖能力遠(yuǎn)小于草體長勢良好的植生毯。

2.7 試驗成果總結(jié)

需要說明的是，本試驗設(shè)備采用丙烯材料制作，即使微小的河床變動都能目測到，當(dāng)外力一定時，如果試驗體無變化(析出等)，圖像走勢平穩(wěn)，不隨時間而變；若與時間成函數(shù)關(guān)系，則必然能觀察到試驗體微小的變化。各工況試驗成果匯總于表3中。

表3 各工況試驗成果

根據(jù)上述試驗過程及表3，可知：①植生毯鋪設(shè)在土壤上，待草體充分培養(yǎng)好后，即使有鼴鼠洞等破損(大約是全體面積的0.5%)，或葉子枯黃，在流速7.0 m/s的條件下，具有90 min以上的耐久力；②即使混有雜草(面積約15%)，耐久力并沒有下降；③只有復(fù)合織物的情況下，由于土壤析出導(dǎo)致河床降低，僅可抵抗1.0 m/s的流速；④只有野草的情況下，可抵抗3.0 m/s的流速；⑤僅有復(fù)合織物的抗沖流速遠(yuǎn)小于僅有茂盛野草的抗沖流速；⑥沒有復(fù)合織物的茂盛野草，抗沖能力遠(yuǎn)小于草體長勢良好的植生毯；⑦草體長勢良好的植生毯抗沖流速(7.0 m/s)，遠(yuǎn)大于僅有復(fù)合織物(1.0 m/s)與僅有茂盛野草的抗沖流速(3.0 m/s)之和，植生毯抗沖能力不只是2種物體的簡單疊加，而是一個相互作用的有機整體。

3 評價及展望

3.1 試驗成果評價

日本植生毯的抗水流沖刷能力來源于復(fù)合織物與根植于其中的草叢，且遠(yuǎn)大于2項個體抗沖能力之和。日本(株)建設(shè)技術(shù)研究所測試抗沖流速的試驗設(shè)備與國內(nèi)的基本相同[13]。然而，試驗條件與河道實際邊界條件尚存在較大差距，如：①試驗體位于水槽底部，其有效重力增加了抗沖能力，而天然斜坡不僅使有效重力減少，還增加了沿坡面向外的滑動力，這2項均是不利因素；②水槽斷面僅0.3 m×0.3 m，四周均有約束力，與天然河道岸坡差別很大；③規(guī)整的室內(nèi)設(shè)備難以模擬天然河道復(fù)雜的邊界條件，如冰凍、波浪、外物撞擊、迎流頂沖等；④試驗中指定流速是根據(jù)流量按均勻流計算出來的，沒有考慮邊界層的影響，因此，試驗體抵抗的流速小于平均流速，即試驗結(jié)果偏大；⑤由于實際護(hù)坡可能出現(xiàn)遠(yuǎn)大于鼴鼠洞規(guī)模及試驗所占比例的破損情況，對這種大尺度破損造成的實際影響尚不得而知。

因此，應(yīng)用于河道護(hù)坡的植生毯設(shè)計抗沖流速應(yīng)考慮諸多實際不利因素，試驗中可抵抗7.0 m/s的流速如用于河道護(hù)坡將偏于不安全。由于復(fù)合織物的存在，植生毯設(shè)計抗沖流速顯然高于護(hù)坡草皮的抗沖流速。根據(jù)國標(biāo)灌溉與排水設(shè)計規(guī)范，渠道現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡允許不沖流速不超過8.0 m/s，預(yù)制鋪砌混凝土護(hù)坡不超過5.0 m/s[14]，植生毯設(shè)計抗沖流速應(yīng)小于混凝土的不沖流速。由于普通草皮護(hù)坡可抵抗2.0 m/s的流速，結(jié)合日本河川災(zāi)害修復(fù)方針及在國內(nèi)具體工程應(yīng)用實例，建議植生毯用于設(shè)計流速為2.0～3.0 m/s的生態(tài)護(hù)坡，且應(yīng)避開迎流頂沖河段。

3.2 展望

植生毯以其施工簡易、造價低廉、綠化效果好脫穎而出，能有效防止雨水沖刷、抑制水土流失和環(huán)境生態(tài)化，但也有其適用條件。文中試驗成果僅局限于室內(nèi)較為理想的試驗條件，與實際條件相差較大。有條件時，建議做現(xiàn)場原位試驗，以驗證其抗沖流速。原位試驗可選在水庫放水涵或溢洪道下游河渠內(nèi)，通過庫水位及閘門開度控制下泄流量與流速，實測植生毯的抗沖流速。