三維生態(tài)保護毯護坡沖刷試驗裝置設計與研究

王燦，黃銘 （合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

我國地表水資源豐富，天然河流眾多，近幾十年來隨著南水北調工程、膠東引黃調水工程、引江濟淮工程等調水工程的大批興建，形成了人工河道與天然河道錯綜復雜的局面，邊坡問題成為學者們關注的重要問題。21世紀隨著生態(tài)水利的全面提出與發(fā)展，生態(tài)護坡技術已經(jīng)成為水利與生態(tài)環(huán)境相結合的重要技術領域。

生態(tài)護坡技術不斷革新與發(fā)展，近年來，新型柔性三維生態(tài)保護毯在河道邊坡防護工程中得到了廣泛關注，研究其抗沖刷性能具有重要工程意義。現(xiàn)用于模擬平原河道的試驗模型裝置大多為明渠均勻流緩坡水槽，其流速一般較低，不易滿足高流速試驗要求。為此，本文設計了一套復合水槽沖刷試驗裝置，既能實現(xiàn)較大流速條件下的水流沖刷，又能模擬河道明渠水流，使試驗結果更加全面。通過對三維生態(tài)保護毯護坡的抗沖刷性能進行試驗研究，結合理論公式推導，分析不同水流條件下植被區(qū)床面切應力的變化趨勢以及在護坡抗沖刷性能方面的作用。

1 三維生態(tài)保護毯護坡模型試驗設計

1.1 試驗裝置設計

試驗裝置整體結構布置如圖1所示，整個裝置形成一個獨立的循環(huán)系統(tǒng)，上游水頭高度由高位水箱內水位控制，當水泵提供水量大于沖刷試驗所需水量時，超出部分水通過回流管道返回地下水庫，使水箱高度穩(wěn)定在某一恒定值。高位水箱后通過管道連接沖刷試驗水槽，沖刷試驗水槽采用有機玻璃加工制作，可以清楚地觀察到裝置內試樣的變化，管道與沖刷試驗水槽的連接處布設圓管變方管的異形管道，以便銜接。整個試驗過程中水流通過循環(huán)槽道重新流入地下水庫，保證水流循環(huán)。

圖1 整體結構布置示意圖

沖刷試驗水槽流量控制采用閥門調節(jié)的方式，后接電磁流量計，以確定不同時刻、不同閥門開度下流經(jīng)整個試驗裝置的斷面流量，有機玻璃矩形水槽上方安裝測壓裝置。沖刷試驗水槽實體模型圖如圖2所示。

圖2 沖刷試驗水槽

本研究所設計的復合水槽沖刷試驗裝置具有有壓與無壓相結合的特點，水槽中部設置有機玻璃隔板，當安裝隔板時，水流從水槽下半部分經(jīng)過，整個試驗段保持有壓狀態(tài)；當拆卸隔板時，試驗水槽呈類似明渠型式，試驗段為無壓狀態(tài)。

1.2 三維生態(tài)保護毯護坡前期準備

三維生態(tài)保護毯護坡植被選用狗牙根、高羊茅混播，由于狗牙根是一種生長迅速，掠奪性和侵略性都極強的草本植物，所以混播中用量一定要做到嚴格控制，結合工程實際，試驗研究中采用狗牙根和高羊茅的混播比例為1：3，種植密度為20～25g/m。將草種放入特制的植被槽中進行種植，按照平整坡面→鋪設柔性三維生態(tài)保護毯→播撒草種→覆土這一操作流程，種植完成后注意澆水和前期養(yǎng)護。待植被生長1.5個月后，根系平均長度約8cm，能夠與柔性三維生態(tài)保護毯緊密地纏繞在一起，滿足試驗要求，將混播植被進行修剪處理，平均高度約10cm，即可開展試驗。試驗中選用的柔性三維生態(tài)保護毯主要材質為聚酰胺，厚度為17mm，單位克重約400g/m。

2 沖坑深度分析

本研究所設計的沖刷試驗裝置采用有壓與無壓復合型式，因有壓型式拆裝復雜，沖坑深度測量不便，而在試驗裝置無壓狀態(tài)下可便捷實現(xiàn)沖坑情況的連續(xù)測量。在0.5m/s和1m/s兩個流速條件下，以無壓狀態(tài)進行三維生態(tài)保護毯護坡沖刷試驗測量沖坑深度，分析沖坑深度與沖刷歷時之間的關系，如圖3所示。

圖3 沖坑深度-沖刷歷時曲線

沖坑深度數(shù)據(jù)采用多點測量求平均值的方式確定，根據(jù)圖3曲線，沖坑深度的數(shù)值隨沖刷歷時的增加不斷增大，且增長速率逐漸變慢。分析主要原因：①接近三維生態(tài)保護毯網(wǎng)墊的位置，土體較為集中，植被根系以及保護毯上層網(wǎng)包對土體的保護作用更加明顯，使其抗沖刷性能得到提升；②由于土體的自然沉降以及固結作用，深度越深的土體緊實度越高，抵抗水流沖刷的能力也就越強。

3 植被區(qū)床面切應力分析

3.1 理論公式推導

在采用生態(tài)護坡的河道中，護坡的抗沖刷性能主要體現(xiàn)在處于淹沒狀態(tài)的植物莖葉以及床面基土對水流的阻力作用。根據(jù)牛頓第三定律，生態(tài)護坡對水流的阻力等于水流對生態(tài)護坡植被床面的切應力，無論在試驗水槽以及實際河道中，對于坡面條件、植被條件相同的護坡，水力條件一定時，產(chǎn)生的床面切應力也是相同的。圖4為本研究所設計的沖刷試驗裝置壓差測量示意圖，根據(jù)植被區(qū)前后壓差數(shù)值，對有壓狀態(tài)下植被區(qū)床面切應力進行計算。

圖4 壓差測量示意圖

當試驗裝置處于有壓封閉狀態(tài)時，有機玻璃水槽斷面形狀和尺寸沿程不變，水槽中水流可近似看作均勻流，對于均勻流，壁面平均切應力的計算公式為：

式中：ρ為水流密度，取1.0×10kg/m；g為重力加速度，取9.8m/s；R為水力半徑；J為水力坡度；L為試驗段長度；Δh為試驗段水頭損失。

首先進行無植被槽的光滑有機玻璃壁面切應力計算，試樣箱位置放置同樣材質有機玻璃板，在某一穩(wěn)定的流速下，用壓差計測出1、4斷面之間的水頭差（1，2，3，4為順水流方向4個斷面，具體位置如圖6所示），則根據(jù)式（1）可求得1、4斷面之間壁面平均切應力τ為：

在試樣箱中放入植被槽進行三維生態(tài)保護毯護坡沖刷試驗，待水流穩(wěn)定后保持流速與光滑有機玻璃壁面試驗相同，則1、4斷面的平均切應力 τ亦可根據(jù)壓差表測量數(shù)據(jù)由式（1）求得：

試驗各流速下切應力數(shù)值

計算植被槽床面切應力時，須扣除有機玻璃水槽壁面的影響，故植被區(qū)床面切應力可以表示為：

式中：B、H分別為有機玻璃水槽處于有壓狀態(tài)時內徑的寬度和高度；l、l、l、l分別為圖6所示斷面之間的距離。

根據(jù)達西-魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：

式中：h為沿程水頭損失；λ為沿程水頭損失系數(shù)；v為斷面平均流度。

結合式（1），可得到植被區(qū)床面切應力與斷面平均流速之間應具有如下關系：

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

將試驗監(jiān)測得到的壓差數(shù)據(jù)采用式（2）、式（3）和式（4）進行處理計算，得到有壓狀態(tài)各流速下植被區(qū)床面切應力具體數(shù)值，如下表所示，并繪制植被區(qū)床面切應力與水流流速關系曲線。

圖5 床面切應力-流速曲線

水流對三維生態(tài)保護毯植被護坡表面的切應力等于保護毯護坡對水流的阻力，是三維生態(tài)保護毯護坡抗沖刷性能的直觀體現(xiàn)。根據(jù)圖5曲線可以看出，在本試驗的流速條件下，植被區(qū)床面切應力隨流速的增大而增大，且與流速之間存在非線性關系，與理論推導得到的式（6）規(guī)律相符。

進行不同流速條件下植被區(qū)床面切應力隨沖刷時間變化相關試驗并繪制圖6所示曲線，在1.5m/s和3m/s兩個流速下，三維生態(tài)保護毯護坡試樣床面切應力隨沖刷時間的增加而逐漸減小，而后保持在一個比較穩(wěn)定的數(shù)值。分析主要原因：由于植被生長情況有所差異，排列不均，初期對水流阻力明顯，歷經(jīng)長時間的水流沖刷后，植被莖干在水流持續(xù)沖刷下彎曲程度增加，莖葉之間的排列趨于順滑和平整，對水流阻力有所減小，在試驗時段后期維持相對穩(wěn)定。

圖6 床面切應力-沖刷歷時曲線

4 結論

①設計一套三維生態(tài)保護毯護坡沖刷試驗裝置，可在有壓和無壓兩種狀態(tài)下進行試驗。

②由于三維生態(tài)保護毯對邊坡土體的保護作用，本試驗在兩種情況下測得的沖坑深度隨沖刷歷時的增加不斷增大，且增長速率逐漸變慢。

③改變流速對三維生態(tài)保護毯護坡進行沖刷試驗，得到床面切應力隨流速的增大而增大，且與流速之間存在非線性關系，與式（6）規(guī)律相符。

④在1.5m/s和3m/s兩個流速下進行沖刷試驗，植被區(qū)床面切應力前期有較明顯減小；在試驗時段后期，切應力無明顯變化，植被處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。