草本植被控制堤防漫頂水流的水槽試驗研究

郭峰

（塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

我國地域廣闊，地質(zhì)條件復雜，常有暴雨、山洪暴發(fā)[1]，導致洪水侵蝕和風暴潮等反復循環(huán)，在沿河各地不斷發(fā)生河岸侵蝕及滑坡破壞等，導致河岸沿線的土地和人民生計受到嚴重影響[2，3]。為解決上述工程中存在的問題及經(jīng)濟上的矛盾，本文研究將植被作為一種生物工程技術(shù)建立在剛性或硬結(jié)構(gòu)上，由于植物經(jīng)濟成本低和壽命長而被全世界接受并推廣。

目前，國內(nèi)現(xiàn)存的大量河堤潰決大多是由水流漫溢引起的[4]。為了最大限度地減少自然災害的影響并實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標，這些堤防在充分保證其可持續(xù)性的基礎上應同時具有成本效益。對于土堤或河堤，漫頂是對下游斜坡破壞最大的因素之一，由于后期下游斜坡的破壞從而導致堤壩的破壞[5]。在下游斜坡種植植被對減少漫頂侵蝕有相當大的作用，植被會增加表面粗糙度并減慢流速，通過消散水流能量保護斜坡免受侵蝕。

案例研究表明，草本植被可以用作保護堤防的有效方法[6]。成熟的草本植物能夠抵抗高速流動的沖刷，相關(guān)研究表明，草本植物能在0.6～0.8 m 深和3.5 m/s 水流速度的水中保持穩(wěn)定[7]。本文主要目的是在溢流期間引入草本植被保護河岸堤防，通過試驗研究，分析草本植被作為堤防防護解決方案的可行性。

1 材料和方法

通過小規(guī)模物理模型試驗，以研究溢流期間保護堤壩或河堤下游斜坡的效果。試驗水槽深0.50 m、寬0.70 m、長5.00 m，進水口長1.00 m，如圖1 所示。將一定比例規(guī)模的模型河堤放置在水槽的中間，沿著水槽的長度將水槽分開，形成一側(cè)的主流（稱為上游）和另一側(cè)的漫灘（稱為下游）。堤防尺寸為高0.25 m、頂寬0.25 m、長1.50 m，上游和下游坡度分別為3∶1 和2∶1（圖1）。

圖1 試驗設備剖面圖（單位：m）

研究使用電磁流量計測量；電磁速度計測量通道和模型中心線處的流速。水面高程是通過點規(guī)（精度高達0.10 mm）測量的，固定并安裝在可移動的滑架上。

草本植物種植在一起，能有效防止土體侵蝕，因此，實驗使用固定在木質(zhì)模型下游斜坡上的植被模型（商用聚丙烯，孔隙率為80%）進行。植被模型的高度保持在0.10 m，寬度和長度保持與路堤模型的下游斜坡側(cè)相同。在實驗中，采用了3 種不同單位流量（0.018，0.013 和0.010 m3/s，即流量1，2 和3）的穩(wěn)定流。沿水槽中心線在27 個點測量縱向流速和水位，間隔0.10 m，從上游波峰至水槽下游坡端0.05 m 間隔直至穩(wěn)定流動條件成立。比例尺（模型中的變量與其原型中的相應變量的比率）0.062 5 在整個測試過程中保持恒定。

拖曳力測量使用分辨率為1/1 000 的雙軸稱重傳感器（流向（X）和橫向（Y）方向，LB60 型），可測量最大載荷為10.0 N，用于測量植物粗糙度模型上的阻力。

2 結(jié)果討論

2.1 流量參數(shù)分析

用3 種不同的流量測量溢出深度、溢出速度、弗勞德數(shù)Fr、雷諾數(shù)(Re )等流動參數(shù)（表1）。通過模型和原型之間的弗勞德相似定律檢查越頂高度、速度和流量的值進行比較，結(jié)果見表1。

表1 實驗的水力參數(shù)

無植被覆蓋下漫頂水流的水力特性表明，上游初期水流是靜態(tài)的，通過溢流堰上的臨界流和堰頂剩余部分上的超臨界流，以及下游斜坡上的超臨界流，進一步向下延伸。另一方面，有植被覆蓋下漫頂水流的水力特性表明，上游開始時水流是靜態(tài)的，加速了河堤頂部和下游邊坡的亞臨界水流狀態(tài)。在無植被的情況下，弗勞德數(shù)沿斜坡變化從2.0 到5.0 不等，在有植被的情況下，弗勞德數(shù)從0.4 到0.6 不等。由于陡坡和茂密植被覆蓋的綜合影響，植被模式下的水流比沒有植被的水流高出2 倍以上（表1，圖2）。

表1 滲流復核計算成果

圖2 漫流水力特征

圖3（a）和（b）顯示了不同流量下沿水槽的水深和流速變化。無植被覆蓋的水深沿下游斜坡下降，從坡腳到下游進一步增加，因此，水沿著斜坡向下流動，水流速度增加，但趨勢并不一致，在有植被覆蓋下的植被內(nèi)部，水深和流速的變化更為復雜。在植被模型的中心線打了一些洞來測量模型內(nèi)部的水深和流速，這可能是造成模型均勻性（孔隙度）紊亂的原因，在一定程度上影響了測試結(jié)果。

圖3 不同流量下沿水槽的水深和速度變化

植被可以通過多種方式保護堤防，但最重要的一種是將土壤表面的水流速度降低，從而防止河堤被水流侵蝕。圖4 顯示了不同流量下沿堤防坡度的平均速度和水深的百分比變化。植被顯然降低了水流速度（3 次分別為68%～70%），并且由于植被的阻塞和阻力，水深增加的幅度大于速度降低幅度（超過400%）。

圖4 不同流量下堤防邊坡的流速和水深百分比變化

2.2 有效剪應力計算

為簡化計算，考慮穩(wěn)定非均勻流來計算有效剪應力。這種情況下，總剪應力等于河床剪應力和植被阻力引起的等效剪應力之和：

式中：τw為水體重量流向分量，MPa；τb為河床剪應力，MPa；τv為由于植被周圍的水流阻力，MPa。

單位河床面積水體重量的流向重量分量：

式中：ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度；h為水深，m；ie為重量方向單位向量；λ為植被占區(qū)域比例。

根據(jù)公式（2），直接傳遞至土壤的有效剪應力結(jié)果如表2 和圖5 所示。植被的總剪應力明顯高于無植被的情況，總剪應力的很大一部分作用在植被上。由于植被形成的阻力，使得有植被覆蓋產(chǎn)生的有效剪應力遠低于無植被覆蓋的情況。研究表明，植被顯著降低了有效剪應力75%左右，尤其是在流量較低時，但在流量較高的情況下，有效剪應力僅降低了31%。

圖5 不同流量下剪應力的變化

上述計算是基于與無植被覆蓋和有植被覆蓋情況的相同流量進行的。但在此次小尺度模型試驗中（水槽長度僅5.0 m），模型位于水槽中心，水槽上游點回水效應較大（表2），這可能會影響有效剪應力的計算結(jié)果。圖6 為無植被覆蓋和有植被覆蓋情況下，考慮相同流量、相同水位時的有效剪應力對比。結(jié)果表明，考慮相同的水位和沒有植被的情況下，有植被覆蓋情況顯著降低了剪切應力（68%～89%）。土質(zhì)路堤的漫頂在下游邊坡產(chǎn)生快速的湍流速度，在超臨界流區(qū)內(nèi)，特別是在下游邊坡坡頂或下游邊坡堤腳等坡面不連續(xù)點處，可能會發(fā)生初始侵蝕。但小規(guī)模的室內(nèi)水槽試驗表明，在下游斜坡上采用有植被覆蓋的堤壩，沒有超臨界條件。此外，植被顯著降低地表的過頂速度和有效切應力，而這些都是侵蝕的主要原因。

表2 不同排放量下的拖曳力和有效剪應力

圖6 剪切應力隨流量水位的變化

3 結(jié)語

文中提出了一種利用土壤生物工程穩(wěn)定堤壩的新方法。為了解草本植被護坡的堤壩下游斜坡上溢流水力的過程和特性，通過使用3 種不同的流速（0.018，0.013 和0.010 m3/s）研究探討了在水槽內(nèi)保持溢流亞臨界狀態(tài)期間，植被條件對路堤下游邊坡的有效性，并與無植被條件進行了比較。研究表明，植被顯著降低了漫頂速度和地表剪應力，從而限制了洪水/侵蝕的范圍。通過在路堤下游斜坡上提供植被覆蓋，可顯著降低溢流造成的破壞和破壞風險，更好地解決水力作用引起的侵蝕。