寒区河道不同模式生态护坡抗水流冲刷试验研究

郭显锋，王笑峰，韩 雷，郑子金，徐维群

(1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080；2．黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；3鹤岗绿森林业有限公司，黑龙江 鹤岗 154100)

0 引 言

河流除具备行洪、航运的基本功能之外，还具有维持水生生物多样性、净化水质等重要的生态服务功能。自然河道的岸坡作为河流生态系统与陆地生态系统的交错带，具有通水透气性和较高的生物多样性，发挥着重要的生态功能[1-4]。传统河道护岸，为达到增大断面流量和降低工程造价的目的，通常在结构和断面设计上裁弯取直并选择较小的水力糙率，选用预制混凝土块、现浇混凝土等硬质建材进行建设，造成河流与陆地之间的阻隔，甚至造成河岸带生物多样性的消失，阻碍了河岸带生态功能的发挥[5-11]。

生态护坡建设时采用生态型建筑材料并栽植绿色植物，通过坡面多孔化、粗糙化以及营造多变的近岸流态等措施满足河流的生态需求，以保证河岸带生态功能的实现[5，12-13]。不同植物类型对生态护坡的抗侵蚀性影响较大[14-18]。本文通过水流冲刷试验，分析不同生态护坡模式在不同流速下的抗侵蚀能力，为寒区河道生态护坡建设提供一定的理论和实践依据。

1 试验区概况

试验区位于松花江中游左岸通河县(N45°52′30″～46°37′30″，E128°7′30″～129°24′30″)松花江干流堤防。该区属大陆性季风气候，冬季严寒漫长，最低气温-40 ℃以下；春季干燥多风；夏季炎热多雨，最高气温40 ℃以上；秋季降温急剧，常有冻害发生。降水的年际变化较大，多年平均年降水量为553 mm，最大年降水量为823 mm，最小年降水量320 mm。最大年平均风速为4 m·s-1以上，最大风速为40 m·s-1，每年4—5月风速最大。

2 材料与方法

2.1 试样制备

2019年5月在松花江干流堤防通河县火炬村子堤进行5种模式生态护坡植被建设(表1)，每种护坡建设面积为15 m×25 m，8月中旬植物生长发育至成熟期后，制作钢板取样器，在建设现场进行取样，取样规格25 cm×55 cm×25 cm，取样时保证土体及植物完整，取样后试样外包泡沫，防止运输震动的影响。每种模式取3组试样。

表1 不同生态护坡模式建设情况

2.2 试验装置

试验装置见图1，包括水泵、压力钢管、高位水箱、电磁流量计、阀门、测压管(空气压差计)、钢尺、有机玻璃有压水槽和试样盒等。有压流试验段采用有机玻璃板制作，便于试验中观察试验现象，其余部分采用钢材等建筑材料与试验段拼接。试验有压段有机玻璃内界面尺寸3.70 m×0.20 m×0.20 m。有压流试验段中段底部预留0.50 m×0.20 m×0.20 m的镂空区域，此区域为试样盒安放区。

图1 实验装置Fig.1 Test device

2.3 试验步骤

1)试验流速设计：在1.0～5.0 m·s-1范围内，以0.5 m·s-1流速梯级递增，设计9组试验流速。

2)设备安装与调试：在无冲刷试样的情况下，通过量水堰观测并计算确定各设计流速对应的阀门开度，并在阀门处进行标记。

3)试样试验前期处理：试验前，对试样土体上生长的植物统一修剪，以保证试验过程的一致性，然后将试样转移到有机玻璃试样盒内，置于静水中淹没浸泡12 h，使土体充分浸润。

4)冲刷试验：将3)所得试样盒置于冲刷装置的镂空区域，底部采用法兰盘及螺栓与有压水槽固定，按2)确定的标记位置逐级调节阀门，待水流稳定后开始记录测压管读数，全程观察试验中试样的冲刷状况并进行记录和拍照、录像。试验时测定并计算试验时有压段壁面平均切应力。

图2 测压孔孔口布置Fig.2 Layout drawing of pressure hole

2.4 糙率计算

测压孔孔口布置见图2。糙率具体计算步骤如下：

1)壁面切应力计算：试验装置的有机玻璃水槽在某个稳定流量冲刷时，壁面切应力τ壁为

(1)

(2)

式中:n为糙率；f为阻力系数；ρ为水的密度；v为断面平均流速。

3 结果与分析

3.1 糙率测定结果分析

规范规定，有压流试验段管壁糙率应为0.008～0.010[19-20]。本试验装置测定的试验段管壁糙率n为0.008 0～0.008 6，平均值为0.008 3，满足规范要求。

采用同样的计算方法测得的不同护坡模式的糙率值为0.012～0.019(表2)，各生态护坡平均曼宁糙率系数由大到小依次为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡、原土射干护坡。结果表明，植物生长密度与各护坡模式的糙率值成正比，且植生毯混种护坡与环保草毯混种护坡的糙率略大于其他护坡模式。

表2 5种生态护坡模式曼宁糙率结果统计

3.2 抗水流冲刷能力分析

3.2.1 吸水率及水土流失率分析

针对5种生态护坡模式，分别称取试验浸润前、浸润后以及冲刷后试样重量，从而计算出每种生态护坡的吸水量及土体损失量。吸水量可侧面反映试样的吸水和持水能力；土体损失量可反映试样在水流冲刷作用下的抗侵蚀能力，土壤损失量越大，其抗水流冲刷侵蚀能力越小，反之亦然。各生态护坡模式的吸水率及水土流失率见表3。

表3 5种生态护坡模式吸水率及水土流失率统计

图3 5种生态护坡模式抗水流冲刷柱状图Fig.3 Column diagram of flow erosion resistance of five ecological slope protection modes

由表3可见，试样吸水率由大到小排序为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土射干护坡、自然生长荒草护坡、原土紫花苜蓿护坡，其平均吸水率为22.87%。水土流失率由小到大依次为：环保草毯混种护坡、原土射干护坡、植生毯混种护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡。

3.2.2 抗冲性能分析

试验数据见图3。结果表明，最大抗冲流速由强至弱排序为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土射干护坡=原土紫花苜蓿护坡=自然生长荒草护坡。原土射干护坡、原土紫花苜蓿护坡与自然生长荒草护坡最大抗冲流速均为2.5 m·s-1，但由于原土射干护坡与原土紫花苜蓿护坡生长的植物根系发达，增强了土体的抗冲能力，其抗冲历时超过自然生长荒草护坡1 h，而自然生长荒草护坡在试验流速达到2.5 m·s-1后，5 min内试样土体完全被水流淘刷殆尽。

4种人工建设生态护坡模式抗冲历时为3.7～9.0 h，平均抗冲历时为6.1 h，为自然生长荒草护坡的1.98倍。抗冲历时最长为环保草毯混种护坡，达9.0 h，为自然生长荒草护坡的2.92倍；抗冲历时由长至短依次为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土射干护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡。

3.3 水流冲刷破坏等级与判定标准

生态护坡模式冲刷破坏等级的判定，目前尚无统一的量化标准。本试验在参考现有研究成果[21-27]，结合试验中观察到的破坏现象，将破坏等级划分为Ⅰ～Ⅳ级(表4)。

表4 冲刷破坏等级判定标准

根据表4标准，对参试5种类型生态护坡破坏等级进行确定(表5)，环保草毯混种护坡破坏等级为Ⅱ级，原土射干护坡、植生毯混种护坡、原土紫花苜蓿护坡的破坏等级为Ⅲ级，自然生长荒草护坡的破坏等级为Ⅳ级。

4 结 论

1)各护坡模式糙率由大到小排序为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡、原土射干护坡。

表5 5种生态护坡模式破坏等级比对表

2)各生态护坡模式水土流失率为12.06%～78.15%，平均为54.15%。相对自然生长荒草护坡，人工建设的生态护坡可以提高坡面抗水土流失能力近1倍。

3)人工建设的生态护坡，可以有效提高坡面抗冲刷能力，最大抗冲流速和累积抗冲历时分别为5.0 m·s-1和9 h，平均比自然生长荒草护坡分别提高1.44倍和1.98倍。

4)各生态护坡模式按破坏等级由弱到强依次为：环保草毯混种护坡Ⅱ、原土射干护坡Ⅲ、植生毯混种护坡Ⅲ、原土紫花苜蓿护坡Ⅲ、自然生长荒草护坡Ⅳ。

5)环保草毯混种护坡在吸水性、保土性、抗冲性等方面综合优势较大，可作为寒区河道生态护坡建设的优选模式。