深入论述内河航道生态护坡的防冲效果

梁伯龙

摘 要：内河航道与城市河道的主要区别在于内河航道流速大、受船行波冲击，对岸坡的冲刷作用强。因此，内河航道生态护坡的防冲效果十分重要。对此，本文就内河航道生态护坡的防冲效果进行了深入的探析，希望能给同行人员提供一点参考。

关键词：内河航道；生态护坡；防冲效果

引 言

目前对传统的刚性护坡的防冲研究较多，但是对于生态护坡的防冲效果研究较少。张芳枝等分析了堤岸土体在河流冲刷作用下起动时的受力特点和运动形式，论述了堤防在河流冲刷作用下的破坏机理，概括了近岸水流冲刷力和堤岸土体的抗冲力计算方法，着重论述了计算堤岸土体横向冲刷的计算方法，介绍了冲刷作用下的堤岸稳定分析模型，指出了有待研究的问题及其方法[1]。高明波等列举了斜坡式护岸和直立式护岸的几种型式，并分析了这几种护岸的破坏因素，探讨了它们的失稳形式[2]。一般而言，内河航道护坡经常受到高速水流、地表水径流、波浪冲击及地下水渗流等的作用，往往会发生表面侵蚀、崩塌等形式的破坏现象。这些不仅影响了护坡工程的整体性，更降低了工程的强度，对防洪、排涝和航运等都是不利的[3]。因此，有必要对内河航道护坡工程的抗冲刷效果进行研究。

1 生态护坡防冲设计条件

生态护坡的设计必须满足以下两个条件：

（1）稳定性要求。要求生态护坡必须能起到传统护坡的防洪、排涝以及过流等作用，同时能有效控制坡面水土流失、有效防治崩塌和浅层滑坡等。

（2）生态平衡要求。建立良性的岸坡生态系统，由乔木、低矮灌木、花草、鱼巢、水草、动物沿滩地、迎水边坡、坡脚及近岸水体组成岸坡立体生态体系，是陆地生态系统和河流生态系统的过渡带，兼具两者的性质与功能，让两者之间保持物质、能量以及信息的良好流通。

2 影响航道岸坡冲蚀的因素[3～4]

内河航道护坡的侵蚀机理较复杂，影响因素众多，其中航道边坡特性、土壤特性、水流条件、河床冲淤演变特性等在航道护坡冲蚀发生过程中起到了重要的作用，而且这些因素在不同的时期、不同的边界条件下所发挥的作用也是不同的。综合起来，影响内河航道护坡冲蚀的主要因素有以下几种：

2.1 坡 度

航道护坡的稳定取决于土体的抗剪强度和其内部所承受的剪切力之间的相对大小关系；当土体内部所受的剪切力大于土体的抗剪强度时，则将引起土体的破坏。根据摩尔库伦理论，坡度不同，土体的抗剪强度也有所不同。另外，坡度与径流冲刷能力也有关系。研究表明，在一定范围内，径流冲刷能力随坡度的增大而增强，侵蚀量也就越大，对岸坡的破坏力也就越。

2.2 土壤特性

研究表明，护坡土壤特性是影响岸坡稳定的重要因素。土壤的抗侵蚀能力与土壤容重、土壤机械组成、有机质含量等因素有关系。容重越大，抗冲性越强；沙性越小，抗冲性越强；有机质含量高的土壤抗蚀性强于有机质含量低的土壤。另外，土壤的抗侵蚀能力还受人为活动的影响。

没有经过工程手段处理的航道护坡，其表面粘结力较强的粘性土颗粒在高速水流、波浪、地表径流及地下水渗流等的作用下被不断带走，造成土体抗渗透能力和抗冲蚀能力降低，使坡面容易遭受侵蚀；当护坡坡面植被覆盖率较低时这种侵蚀就会更加严重。随着时间的推移，风化作用及植被生长腐殖质增多时，土壤的性质也会发生变化，团粒间的粘聚力减弱，岸坡抗冲蚀能力会不断降低。

2.3 波 浪

波浪是产生内河航道护坡侵蚀的一个重要因素。波浪冲刷初期，护坡表面会产生微小的剥蚀，完整的坡面会呈现麻面状；进一步的冲刷会使得护坡表面静水面线附近形成小坑；随着波浪作用次数的增加，冲刷坑逐渐发展并连成一片，形成沿水面线的槽状破坏带，并不断加深增宽。当护坡表面有防护层时，波浪的不断冲刷会将防护层逐渐冲蚀掉，然后不断深入形成贯通缝，里面的土壤颗粒经过通缝被不断吸出、带走、掏空，最终使得护坡失稳。

2.4 降 雨

当雨水直接降到表层土壤时，雨滴下落的力量对土壤起着打击和飞溅的作用，土壤结构遭到破坏，发生分离、破裂、位移并溅起，降雨径流则把土壤颗粒带走，这也是裸露表土流失的主要方式。溅蚀破坏土壤的表层结构以后，会堵塞土壤空隙，阻止雨水下渗，為产生坡面径流和层状侵蚀创造了条件。降雨是坡面侵蚀的主要外营力，坡面侵蚀量随着降雨强度、降雨量的增大而增大。二者相比，降雨强度对坡面侵蚀的影响最为重要。

2.5 风

内河航道护坡由于突出于周围水面和陆地，使得坡面遭风侵蚀现象严重，因此，风成为影响航道护坡侵蚀的另一重要因素。尤其是在冬季和春季，土壤干旱，含水量较低，植被枯萎，在3m/s的风速条件下，散离的表土就会被风吹离带走。在风与降雨径流等共同的作用下，表土逐渐被剥离带走，造成土壤大量流失。

3 水工模型抗冲试验

为较清晰直观的研究航道生态护坡抗冲效果，采用概化航道模型进行生态护坡抗冲试验。

3.1 试验内容

根据相似原理，建造水工模型，选用四种不同型式的生态护坡作为试验对象，四种生态护坡型式分别为：植草护坡、预制球形生态混凝土护坡、混凝土方格植草护坡、抛石+植草护坡。在航道水工模型中近似模拟实际航道中的流速条件，进行冲刷模型试验。比较这四种型式的护坡的抗冲刷能力，选择出抗冲刷性能较好的护坡型式，为后面的生态护坡型式综合评价和选择提供依据。

3.2 试验步骤

（1）试验模型设计及建造

根据设计图，见图1（a），在某大学水工模型试验大厅建造航道模型如图1（b）。

（2）生态护坡型式设计

根据护坡型式初步拟选结果，试验选用植草护坡、预制球形生态混凝土、混凝土方格植草、抛石+植草四种护坡型式。

（3）植被种植

每种型式的护坡上种上密度相同的植被，养护至试验要求。

（4）冲刷试验

向航道模型水槽内放水至一定深度，开启推流器，设定功率下水流对护坡冲刷12h。

（5）地形测量

冲刷试验结束后，测定不同断面的坡面冲刷深度，绘制冲刷前后坡面地形图。

4 结果与分析

本试验选用植草护坡、预制球形生态混凝土护坡、混凝土方格植草护坡、抛石+植草护坡四种护坡型式作为研究对象。推流器的频率设为45Hz，每次试验结束后，将模型槽内的水流放空，采用地形仪测定不同断面的坡面冲刷深度，根据多次试验观测数据，绘制冲刷前后坡面地形图。若以坡脚为原点，水平方向为x轴，竖向为y轴，将冲刷前的坡面侧向投影至平面上，则得到一条过原点的直线，将冲刷后的坡面投影至同一侧向平面，则得到的地形曲线见图2。

为了更清楚的反应生态护坡的抗冲效果，设置裸坡与之对比，裸坡冲刷前后地形变化见图3。

比较图2～图3，可得到如下结论：

（1）与裸坡冲刷前后坡面地形变化相比，生态护坡冲刷前后坡面地形变化明显要小，说明生态护坡能有效减小水流对岸坡的冲刷。

（2）比较各生态护坡冲刷前后坡面地形变化，可知，不同护坡型式抗冲刷性能不同，植草护坡、预制球形生态混凝土护坡、混凝土方格植草护坡三种护坡坡脚处冲刷相对较严重，坡面顶端冲刷相对较弱；而抛石+植草护坡坡脚处、坡面顶端的冲刷都相对较弱，坡面中段的冲刷相对较强。

（3）混凝土方格植草护坡和植草护坡的抗冲刷效果较好。植草护坡由于种植的麦冬植株较密、茎叶覆盖面积大；混凝土方格植草护坡整体性较好，加上种植的植被的覆盖，土壤裸露面积小，故这两种型式护坡表现出的抗冲效果较好。

（4）植草护坡、预制球形生态混凝土护坡和混凝土方格植草護坡冲刷后坡脚处的高程都出现了负值，说明这三种护坡坡脚处淘蚀比较严重。原因可能为：植草护坡种植的麦冬茎叶较坚韧，且茎叶茂盛，对水流形态影响较大；预制球形生态混凝土护坡表面凹凸不平，混凝土球之间空隙处种植物，混凝土球与坡面有高差，水流经过时会形成跌水、壅水；混凝土方格植草护坡混凝土方格中间种植有植物，植物的高度会起到阻水作用，同时会将水流挑起，在无植物段形成跌水，如此反复，故淘蚀比较严重。

5 结束语

综上所述可知，内河航道岸坡受船行波的冲击，水流流速快，兼具有防洪、排涝和通航等功能，因此，对岸坡的要求较高。根据试验研究成果，内河航道生态护坡的选择应综合考虑地形地貌、植物分布、岸坡坡度、波浪、降雨、风、社会效益等诸多因素，选择合适的生态护坡型式。选择生命力顽强、抗逆性好、易于维护管理的本地植被作为护坡植物。

参考文献

[1]张芳枝，陈晓平.河流冲刷作用下堤岸稳定性研究进展[J].水利水电科技进展，29（4）：84～88.

[2]高明波，刘建新.浅析河道护岸破坏因素[J].水利科技与经济，17（8）：70～71.

[3]赵良举.城市河道生态护坡技术研究[D].北京：北京交通大学，2005.

[4]李海东，林杰，张金池，等.生态护坡技术在河道边坡水土保持中的应用[J].南京农业大学学报，2008，32（1）：119～123.