一种新型泥砌石生态护坡系统的实验研究

胡 淼，翁 湛，刘立军

（1.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

生态护坡结构是生态河道治理的重要内容，随着生态理念的推广，被广泛应用于工程中。目前生态护坡主要类型有生态金属网垫、加筋麦克垫护坡、三维土工网护坡、生态混凝土护坡等，但其缺点明显：抗冲能力较弱、经济性较差、需要频繁养护，同时上述生态护坡都具有特异性，不能广泛应用于不同的河道环境。因此对以土、石等原材料为主体，具有一定泛用性的护坡结构的研究越来越重要。为此提出一种以土、石、植物为载体的泥石生态护坡系统，并通过实验设计、冲刷对比、规律找寻，得到该新型生态护坡系统的抗冲效果、绿化效果及适用条件，为生态护坡在浙江省河道建设中的推广、改良、标准化奠定基础。

2 新型生态护坡系统的理论研究

2.1 植物对边坡防护的影响

植物是生态护坡的重要组成部分，不仅可以提升河道整体效果、增强河道观赏体验，其本身也具有一定的边坡防护能力。

在河道径流作用下，草皮对边坡的保护主要体现在：1植被增加坡面的糙率，增加坡面径流阻力，降低流速；2草本植物分蘖多，丛状生长，水流在草丛中受到茎叶的阻截和分散，迂回流动，流程增大，水力坡降减小，水流的作用力被分散和消耗在覆盖的径叶中，地表覆盖物基本承担原来作用在土壤颗粒上的力，削弱径流的侵蚀能力[1]；3草本植物的根系对土壤起到加筋和锚固作用，土壤颗粒和结构之间的相互连接增强，土壤的物理力学性能改善，从而提高土壤的抗冲蚀能力[2]；4草本植物的截留径雨、削弱雨滴溅蚀和增加入渗、消减超渗径流的功能，可有效降低暴雨对坡面的侵蚀作用，起到保护边坡的作用[3]。

同时工程实践表明，植物的防护作用存在一定的流速阈值，当流速超出一定范围时，会造成植物破坏及边坡土壤流失。

2.2 块石对边坡防护的影响

块石作为新型生态护坡的骨架，在边坡防护方面主要作用有：1依靠自重满足其自身在水流冲刷条件下的稳定；2水流经植物茎叶扩散后，底流扩散至块石表面，不易发生冲损[4]；3块石限制了土体的变形、扰动，并通过块石间的挤压，使土体不易发生流失[5]。

通过对山溪性河道边坡冲损规律的研究，结合上述植物、块石对边坡防护影响的理论基础，本文提出一种新型泥石生态护坡系统，护坡厚度为35~45 cm，以块石和土为主体，在块石孔隙内填充土壤，通过种植草本植物进一步强化护坡的抗冲能力。新型生态护坡主体结构见图1。

图1 新型生态护坡主体结构图 单位：cm

3 实验论证

3.1 实验设计

实验通过围堰及实验主槽的设置，将实验场地内河道上游来水束拢，达到冲刷实验所需的实验水深，同时通过调整上游水位、主槽上下游高差，将主槽内流速调整至不同流速。通过各个实验对比组的设置，研究不同含土率、有无植物固坡等变量，对其抗冲能力、影响因子等进行研究。

3.1.1 实验场地

安吉县大河口水库库尾河道水利条件较适合开展新型泥石生态护坡系统的实验。大河口水库主要功能为发电、灌溉，灌溉期放水流量为1 m3/s、放水时间为12 h/d，在不影响水库水利用的前提下实验时间较为充裕。经水利计算复核，库尾河道通过设置围堰，调整上游水位、主槽上下游高差，可满足3~5 m/s的实验用流速需求。

3.1.2 实验主槽结构设计

实验主槽采用钢结构，宽1.70 m、长10.00 m，两侧设置挡板束拢水流。主槽下游7.00 m处设置1.02 m×1.02 m槽孔，供放置实验样品箱使用。实验时通过上下游设置混凝土垫块调整高差调整流速。实验主槽结构见图2。

图2 实验主槽结构图 单位：cm

3.1.3 样品箱及实验分组

为避免实验中单次实验差异影响实验结果的准确性，每组实验设置3个样品，共设置15组、45个试验样品箱，尺寸为1.00 m×1.00 m×0.40 m，样品箱内材料主要为块石、土壤、草本植物。考虑到样品箱出现边界效应影响流态，例如样品箱两侧由于植物生长或流态原因冲刷较严重，选择样品箱中间的70 cm×70 cm范围作为有效样本采集范围。实验分组情况见表1。

表1 实验分组表

3.1.4 实验步骤

实验步骤为：

（1）将实验槽安放在河床上，固定实验槽；

（2）对实验样品进行试验前数据收集；

（3）将样品箱吊装入实验槽，通过调节实验槽下部垫块将试验槽内样品箱处流速固定至某一流速（3，4，5 m/s）；

（4）3 h后取出样品箱，观察水流冲刷对护坡结构的影响，数据采集，以及各种难以量化的护坡破坏（例如块石被冲走、出现冲坑等），并记录图像；在同样流速情况下更换实验组，进行对比分析；

（5）待同一流速的各实验组完成实验后，调整实验槽上下游高差从而调整样品箱处流速，重复步骤（3）、（4）；

（6）数据处理：分析含土率、植被等对该护坡抗冲能力的影响，根据经济性、稳定性、美观性选择最优组作为推荐生态护坡型式。

3.1.5 实验结果量化

实验引入冲损率概念，针对本次实验样品特征及实际情况，设计冲损率计算公式为：

式中：P为冲损率，%；S为取样范围内表土厚度≥5 cm的覆盖面积，cm2；∑S10≥h≥5为取样范 围 内 掏 空 厚 度10≥h≥5 cm的 面 积，cm2；∑Sh≥10为取样范围内掏空厚度h≥10 cm的面积，cm2。

当P≥30时，认为出现较明显冲刷破坏。

3.2 实验结果及分析

3.2.1 实验结果

通过2019年8月22日—9月25日的现场实验，各实验样品冲损情况见表2。

表2 试验样品冲损率统计表

3.2.2 实验结果分析

3.2.2.1 植物固坡作用分析

根据EL1~EL3、EM1~EM3、EH1~EH3及其余对比组实验结果，可看出植物根系在防冲中起到积极作用，不含植物的样品组护坡内土壤掏空深度平均达到23 cm。

3.2.2.2 植物成活率分析

植物成活率统计分析见图3。从图3中可看出：对于冲损率≤30%的样品组植物存活率可以达到50%以上，说明植物对于抑制冲损率起积极作用；另一方面表明，以30%冲损率标准定义护坡是否损坏是较为合理的。

图3 植物成活率统计图

3.2.2.3 含土率与冲损关系分析

当实验流速为3，4，5 m/s时，冲损率与样品箱内含土率分布统计比较见图4。

图4 实验结果统计图

（1）在3 m/s实验组中，当含土率≥40%时（最优含土率为40%~60%），冲损率能维持在较低水平（≤30%），即认为护坡未被破坏，植物固坡能满足3 m/s的水流冲击。当含土率≤40%时，冲损率高，植物未能起到固坡作用。

（2）在4 m/s实验组中，最优含土率为45%~55%，冲损率能维持在较低水平（≤30%），护坡未被破坏。当含土率达到100%时，土壤几乎完全流失，即4 m/s已经达到单纯植物固坡的极限流速。当含土率≤40%时，由于植物生长空间不足，反而降低护坡防冲效果，冲损率提高至40%~60%。

（3）在5 m/s实验组中，最优的含土率为42%左右，此时护坡处于破坏的临界状态，冲损率为30%~35%。证明5 m/s的水流已经超出该护坡结构的防冲能力范围。

3.2.2.4 冲损几何特征分析

对冲损区域的几何特征分析主要通过冲损区域分布S纵、S横及S横平均顺水流长度L及其分析，冲损区域定义为冲损深度≥5 cm的区域，分析该护坡填筑对其抗冲性能的影响。冲损几何特征分析见图5。

图5 冲损几何特征分析图

由图5可看出，S纵区域冲损占比较小，是由于植物茎叶对底流存在一定的分散作用，底流分散至植物周边的块石表面，由于其糙率小于植物根茎，形成底流通道，使护坡中块石承担大部分冲刷作用。而S横区域则冲损占比较大，是由于该区域位于底流通道中，受冲刷作用较强，冲损严重。

在此基础上，对各实验样品的S横与顺水流长度L进行测量、比对、分析，图6为S横与顺水流长度L分析图。从图6可看出，当L=12 cm时，由于植物的生长及下游块石的约束，冲损现象较少；但随着L的增加，块石的约束作用降低，冲损现象越来越频繁。

图6 S横与顺水流长度L分析图

4 结 语

本文通过实验论证一种新型泥石生态护坡系统：1由块石、土壤、植物组成；2护坡厚度约40 cm；3含土率为（45±5）%；4适用于设计流速≤4 m/s的工况。

其主要优势为在相同抗冲能力的前提下，具有较好的经济性，较传统干砌石护坡和浆砌石护坡具有更好的生态性。主要原料皆可由当地提供，可广泛应用于各类河道治理工程中。