一種新型泥砌石生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

胡 淼，翁 湛，劉立軍

（1.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)是生態(tài)河道治理的重要內(nèi)容，隨著生態(tài)理念的推廣，被廣泛應(yīng)用于工程中。目前生態(tài)護(hù)坡主要類(lèi)型有生態(tài)金屬網(wǎng)墊、加筋麥克墊護(hù)坡、三維土工網(wǎng)護(hù)坡、生態(tài)混凝土護(hù)坡等，但其缺點(diǎn)明顯：抗沖能力較弱、經(jīng)濟(jì)性較差、需要頻繁養(yǎng)護(hù)，同時(shí)上述生態(tài)護(hù)坡都具有特異性，不能廣泛應(yīng)用于不同的河道環(huán)境。因此對(duì)以土、石等原材料為主體，具有一定泛用性的護(hù)坡結(jié)構(gòu)的研究越來(lái)越重要。為此提出一種以土、石、植物為載體的泥石生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、沖刷對(duì)比、規(guī)律找尋，得到該新型生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的抗沖效果、綠化效果及適用條件，為生態(tài)護(hù)坡在浙江省河道建設(shè)中的推廣、改良、標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

2 新型生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的理論研究

2.1 植物對(duì)邊坡防護(hù)的影響

植物是生態(tài)護(hù)坡的重要組成部分，不僅可以提升河道整體效果、增強(qiáng)河道觀賞體驗(yàn)，其本身也具有一定的邊坡防護(hù)能力。

在河道徑流作用下，草皮對(duì)邊坡的保護(hù)主要體現(xiàn)在：1植被增加坡面的糙率，增加坡面徑流阻力，降低流速；2草本植物分蘗多，叢狀生長(zhǎng)，水流在草叢中受到莖葉的阻截和分散，迂回流動(dòng)，流程增大，水力坡降減小，水流的作用力被分散和消耗在覆蓋的徑葉中，地表覆蓋物基本承擔(dān)原來(lái)作用在土壤顆粒上的力，削弱徑流的侵蝕能力[1]；3草本植物的根系對(duì)土壤起到加筋和錨固作用，土壤顆粒和結(jié)構(gòu)之間的相互連接增強(qiáng)，土壤的物理力學(xué)性能改善，從而提高土壤的抗沖蝕能力[2]；4草本植物的截留徑雨、削弱雨滴濺蝕和增加入滲、消減超滲徑流的功能，可有效降低暴雨對(duì)坡面的侵蝕作用，起到保護(hù)邊坡的作用[3]。

同時(shí)工程實(shí)踐表明，植物的防護(hù)作用存在一定的流速閾值，當(dāng)流速超出一定范圍時(shí)，會(huì)造成植物破壞及邊坡土壤流失。

2.2 塊石對(duì)邊坡防護(hù)的影響

塊石作為新型生態(tài)護(hù)坡的骨架，在邊坡防護(hù)方面主要作用有：1依靠自重滿(mǎn)足其自身在水流沖刷條件下的穩(wěn)定；2水流經(jīng)植物莖葉擴(kuò)散后，底流擴(kuò)散至塊石表面，不易發(fā)生沖損[4]；3塊石限制了土體的變形、擾動(dòng)，并通過(guò)塊石間的擠壓，使土體不易發(fā)生流失[5]。

通過(guò)對(duì)山溪性河道邊坡沖損規(guī)律的研究，結(jié)合上述植物、塊石對(duì)邊坡防護(hù)影響的理論基礎(chǔ)，本文提出一種新型泥石生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)，護(hù)坡厚度為35~45 cm，以塊石和土為主體，在塊石孔隙內(nèi)填充土壤，通過(guò)種植草本植物進(jìn)一步強(qiáng)化護(hù)坡的抗沖能力。新型生態(tài)護(hù)坡主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 新型生態(tài)護(hù)坡主體結(jié)構(gòu)圖 單位：cm

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)圍堰及實(shí)驗(yàn)主槽的設(shè)置，將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)河道上游來(lái)水束攏，達(dá)到?jīng)_刷實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)水深，同時(shí)通過(guò)調(diào)整上游水位、主槽上下游高差，將主槽內(nèi)流速調(diào)整至不同流速。通過(guò)各個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比組的設(shè)置，研究不同含土率、有無(wú)植物固坡等變量，對(duì)其抗沖能力、影響因子等進(jìn)行研究。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

安吉縣大河口水庫(kù)庫(kù)尾河道水利條件較適合開(kāi)展新型泥石生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。大河口水庫(kù)主要功能為發(fā)電、灌溉，灌溉期放水流量為1 m3/s、放水時(shí)間為12 h/d，在不影響水庫(kù)水利用的前提下實(shí)驗(yàn)時(shí)間較為充裕。經(jīng)水利計(jì)算復(fù)核，庫(kù)尾河道通過(guò)設(shè)置圍堰，調(diào)整上游水位、主槽上下游高差，可滿(mǎn)足3~5 m/s的實(shí)驗(yàn)用流速需求。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)主槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主槽采用鋼結(jié)構(gòu)，寬1.70 m、長(zhǎng)10.00 m，兩側(cè)設(shè)置擋板束攏水流。主槽下游7.00 m處設(shè)置1.02 m×1.02 m槽孔，供放置實(shí)驗(yàn)樣品箱使用。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)上下游設(shè)置混凝土墊塊調(diào)整高差調(diào)整流速。實(shí)驗(yàn)主槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)主槽結(jié)構(gòu)圖 單位：cm

3.1.3 樣品箱及實(shí)驗(yàn)分組

為避免實(shí)驗(yàn)中單次實(shí)驗(yàn)差異影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)樣品，共設(shè)置15組、45個(gè)試驗(yàn)樣品箱，尺寸為1.00 m×1.00 m×0.40 m，樣品箱內(nèi)材料主要為塊石、土壤、草本植物?？紤]到樣品箱出現(xiàn)邊界效應(yīng)影響流態(tài)，例如樣品箱兩側(cè)由于植物生長(zhǎng)或流態(tài)原因沖刷較嚴(yán)重，選擇樣品箱中間的70 cm×70 cm范圍作為有效樣本采集范圍。實(shí)驗(yàn)分組情況見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)分組表

3.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）將實(shí)驗(yàn)槽安放在河床上，固定實(shí)驗(yàn)槽；

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)前數(shù)據(jù)收集；

（3）將樣品箱吊裝入實(shí)驗(yàn)槽，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)槽下部墊塊將試驗(yàn)槽內(nèi)樣品箱處流速固定至某一流速（3，4，5 m/s）；

（4）3 h后取出樣品箱，觀察水流沖刷對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)據(jù)采集，以及各種難以量化的護(hù)坡破壞（例如塊石被沖走、出現(xiàn)沖坑等），并記錄圖像；在同樣流速情況下更換實(shí)驗(yàn)組，進(jìn)行對(duì)比分析；

（5）待同一流速的各實(shí)驗(yàn)組完成實(shí)驗(yàn)后，調(diào)整實(shí)驗(yàn)槽上下游高差從而調(diào)整樣品箱處流速，重復(fù)步驟（3）、（4）；

（6）數(shù)據(jù)處理：分析含土率、植被等對(duì)該護(hù)坡抗沖能力的影響，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、美觀性選擇最優(yōu)組作為推薦生態(tài)護(hù)坡型式。

3.1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化

實(shí)驗(yàn)引入沖損率概念，針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)樣品特征及實(shí)際情況，設(shè)計(jì)沖損率計(jì)算公式為：

式中：P為沖損率，%；S為取樣范圍內(nèi)表土厚度≥5 cm的覆蓋面積，cm2；∑S10≥h≥5為取樣范 圍 內(nèi) 掏 空 厚 度10≥h≥5 cm的 面 積，cm2；∑Sh≥10為取樣范圍內(nèi)掏空厚度h≥10 cm的面積，cm2。

當(dāng)P≥30時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)較明顯沖刷破壞。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)2019年8月22日—9月25日的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)樣品沖損情況見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)樣品沖損率統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.2.1 植物固坡作用分析

根據(jù)EL1~EL3、EM1~EM3、EH1~EH3及其余對(duì)比組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可看出植物根系在防沖中起到積極作用，不含植物的樣品組護(hù)坡內(nèi)土壤掏空深度平均達(dá)到23 cm。

3.2.2.2 植物成活率分析

植物成活率統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖3。從圖3中可看出：對(duì)于沖損率≤30%的樣品組植物存活率可以達(dá)到50%以上，說(shuō)明植物對(duì)于抑制沖損率起積極作用；另一方面表明，以30%沖損率標(biāo)準(zhǔn)定義護(hù)坡是否損壞是較為合理的。

圖3 植物成活率統(tǒng)計(jì)圖

3.2.2.3 含土率與沖損關(guān)系分析

當(dāng)實(shí)驗(yàn)流速為3，4，5 m/s時(shí)，沖損率與樣品箱內(nèi)含土率分布統(tǒng)計(jì)比較見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

（1）在3 m/s實(shí)驗(yàn)組中，當(dāng)含土率≥40%時(shí)（最優(yōu)含土率為40%~60%），沖損率能維持在較低水平（≤30%），即認(rèn)為護(hù)坡未被破壞，植物固坡能滿(mǎn)足3 m/s的水流沖擊。當(dāng)含土率≤40%時(shí)，沖損率高，植物未能起到固坡作用。

（2）在4 m/s實(shí)驗(yàn)組中，最優(yōu)含土率為45%~55%，沖損率能維持在較低水平（≤30%），護(hù)坡未被破壞。當(dāng)含土率達(dá)到100%時(shí)，土壤幾乎完全流失，即4 m/s已經(jīng)達(dá)到單純植物固坡的極限流速。當(dāng)含土率≤40%時(shí)，由于植物生長(zhǎng)空間不足，反而降低護(hù)坡防沖效果，沖損率提高至40%~60%。

（3）在5 m/s實(shí)驗(yàn)組中，最優(yōu)的含土率為42%左右，此時(shí)護(hù)坡處于破壞的臨界狀態(tài)，沖損率為30%~35%。證明5 m/s的水流已經(jīng)超出該護(hù)坡結(jié)構(gòu)的防沖能力范圍。

3.2.2.4 沖損幾何特征分析

對(duì)沖損區(qū)域的幾何特征分析主要通過(guò)沖損區(qū)域分布S縱、S橫及S橫平均順?biāo)鏖L(zhǎng)度L及其分析，沖損區(qū)域定義為沖損深度≥5 cm的區(qū)域，分析該護(hù)坡填筑對(duì)其抗沖性能的影響。沖損幾何特征分析見(jiàn)圖5。

圖5 沖損幾何特征分析圖

由圖5可看出，S縱區(qū)域沖損占比較小，是由于植物莖葉對(duì)底流存在一定的分散作用，底流分散至植物周邊的塊石表面，由于其糙率小于植物根莖，形成底流通道，使護(hù)坡中塊石承擔(dān)大部分沖刷作用。而S橫區(qū)域則沖損占比較大，是由于該區(qū)域位于底流通道中，受沖刷作用較強(qiáng)，沖損嚴(yán)重。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)各實(shí)驗(yàn)樣品的S橫與順?biāo)鏖L(zhǎng)度L進(jìn)行測(cè)量、比對(duì)、分析，圖6為S橫與順?biāo)鏖L(zhǎng)度L分析圖。從圖6可看出，當(dāng)L=12 cm時(shí)，由于植物的生長(zhǎng)及下游塊石的約束，沖損現(xiàn)象較少；但隨著L的增加，塊石的約束作用降低，沖損現(xiàn)象越來(lái)越頻繁。

圖6 S橫與順?biāo)鏖L(zhǎng)度L分析圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證一種新型泥石生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)：1由塊石、土壤、植物組成；2護(hù)坡厚度約40 cm；3含土率為（45±5）%；4適用于設(shè)計(jì)流速≤4 m/s的工況。

其主要優(yōu)勢(shì)為在相同抗沖能力的前提下，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，較傳統(tǒng)干砌石護(hù)坡和漿砌石護(hù)坡具有更好的生態(tài)性。主要原料皆可由當(dāng)?shù)靥峁?，可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)河道治理工程中。