寒區(qū)河道不同模式生態(tài)護(hù)坡抗水流沖刷試驗(yàn)研究

郭顯鋒，王笑峰，韓 雷，鄭子金，徐維群

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2．黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；3鶴崗綠森林業(yè)有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

河流除具備行洪、航運(yùn)的基本功能之外，還具有維持水生生物多樣性、凈化水質(zhì)等重要的生態(tài)服務(wù)功能。自然河道的岸坡作為河流生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)帶，具有通水透氣性和較高的生物多樣性，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能[1-4]。傳統(tǒng)河道護(hù)岸，為達(dá)到增大斷面流量和降低工程造價(jià)的目的，通常在結(jié)構(gòu)和斷面設(shè)計(jì)上裁彎取直并選擇較小的水力糙率，選用預(yù)制混凝土塊、現(xiàn)澆混凝土等硬質(zhì)建材進(jìn)行建設(shè)，造成河流與陸地之間的阻隔，甚至造成河岸帶生物多樣性的消失，阻礙了河岸帶生態(tài)功能的發(fā)揮[5-11]。

生態(tài)護(hù)坡建設(shè)時(shí)采用生態(tài)型建筑材料并栽植綠色植物，通過坡面多孔化、粗糙化以及營造多變的近岸流態(tài)等措施滿足河流的生態(tài)需求，以保證河岸帶生態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)[5，12-13]。不同植物類型對(duì)生態(tài)護(hù)坡的抗侵蝕性影響較大[14-18]。本文通過水流沖刷試驗(yàn)，分析不同生態(tài)護(hù)坡模式在不同流速下的抗侵蝕能力，為寒區(qū)河道生態(tài)護(hù)坡建設(shè)提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于松花江中游左岸通河縣(N45°52′30″～46°37′30″，E128°7′30″～129°24′30″)松花江干流堤防。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，最低氣溫-40 ℃以下；春季干燥多風(fēng)；夏季炎熱多雨，最高氣溫40 ℃以上；秋季降溫急劇，常有凍害發(fā)生。降水的年際變化較大，多年平均年降水量為553 mm，最大年降水量為823 mm，最小年降水量320 mm。最大年平均風(fēng)速為4 m·s-1以上，最大風(fēng)速為40 m·s-1，每年4—5月風(fēng)速最大。

2 材料與方法

2.1 試樣制備

2019年5月在松花江干流堤防通河縣火炬村子堤進(jìn)行5種模式生態(tài)護(hù)坡植被建設(shè)(表1)，每種護(hù)坡建設(shè)面積為15 m×25 m，8月中旬植物生長(zhǎng)發(fā)育至成熟期后，制作鋼板取樣器，在建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取樣，取樣規(guī)格25 cm×55 cm×25 cm，取樣時(shí)保證土體及植物完整，取樣后試樣外包泡沫，防止運(yùn)輸震動(dòng)的影響。每種模式取3組試樣。

表1 不同生態(tài)護(hù)坡模式建設(shè)情況

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖1，包括水泵、壓力鋼管、高位水箱、電磁流量計(jì)、閥門、測(cè)壓管(空氣壓差計(jì))、鋼尺、有機(jī)玻璃有壓水槽和試樣盒等。有壓流試驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃板制作，便于試驗(yàn)中觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，其余部分采用鋼材等建筑材料與試驗(yàn)段拼接。試驗(yàn)有壓段有機(jī)玻璃內(nèi)界面尺寸3.70 m×0.20 m×0.20 m。有壓流試驗(yàn)段中段底部預(yù)留0.50 m×0.20 m×0.20 m的鏤空區(qū)域，此區(qū)域?yàn)樵嚇雍邪卜艆^(qū)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

2.3 試驗(yàn)步驟

1)試驗(yàn)流速設(shè)計(jì)：在1.0～5.0 m·s-1范圍內(nèi)，以0.5 m·s-1流速梯級(jí)遞增，設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)流速。

2)設(shè)備安裝與調(diào)試：在無沖刷試樣的情況下，通過量水堰觀測(cè)并計(jì)算確定各設(shè)計(jì)流速對(duì)應(yīng)的閥門開度，并在閥門處進(jìn)行標(biāo)記。

3)試樣試驗(yàn)前期處理：試驗(yàn)前，對(duì)試樣土體上生長(zhǎng)的植物統(tǒng)一修剪，以保證試驗(yàn)過程的一致性，然后將試樣轉(zhuǎn)移到有機(jī)玻璃試樣盒內(nèi)，置于靜水中淹沒浸泡12 h，使土體充分浸潤。

4)沖刷試驗(yàn)：將3)所得試樣盒置于沖刷裝置的鏤空區(qū)域，底部采用法蘭盤及螺栓與有壓水槽固定，按2)確定的標(biāo)記位置逐級(jí)調(diào)節(jié)閥門，待水流穩(wěn)定后開始記錄測(cè)壓管讀數(shù)，全程觀察試驗(yàn)中試樣的沖刷狀況并進(jìn)行記錄和拍照、錄像。試驗(yàn)時(shí)測(cè)定并計(jì)算試驗(yàn)時(shí)有壓段壁面平均切應(yīng)力。

圖2 測(cè)壓孔孔口布置Fig.2 Layout drawing of pressure hole

2.4 糙率計(jì)算

測(cè)壓孔孔口布置見圖2。糙率具體計(jì)算步驟如下：

1)壁面切應(yīng)力計(jì)算：試驗(yàn)裝置的有機(jī)玻璃水槽在某個(gè)穩(wěn)定流量沖刷時(shí)，壁面切應(yīng)力τ壁為

(1)

(2)

式中:n為糙率；f為阻力系數(shù)；ρ為水的密度；v為斷面平均流速。

3 結(jié)果與分析

3.1 糙率測(cè)定結(jié)果分析

規(guī)范規(guī)定，有壓流試驗(yàn)段管壁糙率應(yīng)為0.008～0.010[19-20]。本試驗(yàn)裝置測(cè)定的試驗(yàn)段管壁糙率n為0.008 0～0.008 6，平均值為0.008 3，滿足規(guī)范要求。

采用同樣的計(jì)算方法測(cè)得的不同護(hù)坡模式的糙率值為0.012～0.019(表2)，各生態(tài)護(hù)坡平均曼寧糙率系數(shù)由大到小依次為：環(huán)保草毯混種護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡、原土射干護(hù)坡。結(jié)果表明，植物生長(zhǎng)密度與各護(hù)坡模式的糙率值成正比，且植生毯混種護(hù)坡與環(huán)保草毯混種護(hù)坡的糙率略大于其他護(hù)坡模式。

表2 5種生態(tài)護(hù)坡模式曼寧糙率結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 抗水流沖刷能力分析

3.2.1 吸水率及水土流失率分析

針對(duì)5種生態(tài)護(hù)坡模式，分別稱取試驗(yàn)浸潤前、浸潤后以及沖刷后試樣重量，從而計(jì)算出每種生態(tài)護(hù)坡的吸水量及土體損失量。吸水量可側(cè)面反映試樣的吸水和持水能力；土體損失量可反映試樣在水流沖刷作用下的抗侵蝕能力，土壤損失量越大，其抗水流沖刷侵蝕能力越小，反之亦然。各生態(tài)護(hù)坡模式的吸水率及水土流失率見表3。

表3 5種生態(tài)護(hù)坡模式吸水率及水土流失率統(tǒng)計(jì)

圖3 5種生態(tài)護(hù)坡模式抗水流沖刷柱狀圖Fig.3 Column diagram of flow erosion resistance of five ecological slope protection modes

由表3可見，試樣吸水率由大到小排序?yàn)椋涵h(huán)保草毯混種護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土射干護(hù)坡、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡，其平均吸水率為22.87%。水土流失率由小到大依次為：環(huán)保草毯混種護(hù)坡、原土射干護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡。

3.2.2 抗沖性能分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。結(jié)果表明，最大抗沖流速由強(qiáng)至弱排序?yàn)椋涵h(huán)保草毯混種護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土射干護(hù)坡=原土紫花苜蓿護(hù)坡=自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡。原土射干護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡與自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡最大抗沖流速均為2.5 m·s-1，但由于原土射干護(hù)坡與原土紫花苜蓿護(hù)坡生長(zhǎng)的植物根系發(fā)達(dá)，增強(qiáng)了土體的抗沖能力，其抗沖歷時(shí)超過自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡1 h，而自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡在試驗(yàn)流速達(dá)到2.5 m·s-1后，5 min內(nèi)試樣土體完全被水流淘刷殆盡。

4種人工建設(shè)生態(tài)護(hù)坡模式抗沖歷時(shí)為3.7～9.0 h，平均抗沖歷時(shí)為6.1 h，為自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡的1.98倍?？箾_歷時(shí)最長(zhǎng)為環(huán)保草毯混種護(hù)坡，達(dá)9.0 h，為自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡的2.92倍；抗沖歷時(shí)由長(zhǎng)至短依次為：環(huán)保草毯混種護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土射干護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡。

3.3 水流沖刷破壞等級(jí)與判定標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)護(hù)坡模式?jīng)_刷破壞等級(jí)的判定，目前尚無統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)在參考現(xiàn)有研究成果[21-27]，結(jié)合試驗(yàn)中觀察到的破壞現(xiàn)象，將破壞等級(jí)劃分為Ⅰ～Ⅳ級(jí)(表4)。

表4 沖刷破壞等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表4標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)參試5種類型生態(tài)護(hù)坡破壞等級(jí)進(jìn)行確定(表5)，環(huán)保草毯混種護(hù)坡破壞等級(jí)為Ⅱ級(jí)，原土射干護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡的破壞等級(jí)為Ⅲ級(jí)，自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡的破壞等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

4 結(jié) 論

1)各護(hù)坡模式糙率由大到小排序?yàn)椋涵h(huán)保草毯混種護(hù)坡、植生毯混種護(hù)坡、原土紫花苜蓿護(hù)坡、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡、原土射干護(hù)坡。

表5 5種生態(tài)護(hù)坡模式破壞等級(jí)比對(duì)表

2)各生態(tài)護(hù)坡模式水土流失率為12.06%～78.15%，平均為54.15%。相對(duì)自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡，人工建設(shè)的生態(tài)護(hù)坡可以提高坡面抗水土流失能力近1倍。

3)人工建設(shè)的生態(tài)護(hù)坡，可以有效提高坡面抗沖刷能力，最大抗沖流速和累積抗沖歷時(shí)分別為5.0 m·s-1和9 h，平均比自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡分別提高1.44倍和1.98倍。

4)各生態(tài)護(hù)坡模式按破壞等級(jí)由弱到強(qiáng)依次為：環(huán)保草毯混種護(hù)坡Ⅱ、原土射干護(hù)坡Ⅲ、植生毯混種護(hù)坡Ⅲ、原土紫花苜蓿護(hù)坡Ⅲ、自然生長(zhǎng)荒草護(hù)坡Ⅳ。

5)環(huán)保草毯混種護(hù)坡在吸水性、保土性、抗沖性等方面綜合優(yōu)勢(shì)較大，可作為寒區(qū)河道生態(tài)護(hù)坡建設(shè)的優(yōu)選模式。