郭顯鋒，王笑峰，韓 雷，鄭子金，徐維群

(1.黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080；2．黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080；3鶴崗綠森林業(yè)有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

0 引 言

河流除具備行洪、航運的基本功能之外，還具有維持水生生物多樣性、凈化水質(zhì)等重要的生態(tài)服務(wù)功能。自然河道的岸坡作為河流生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交錯帶，具有通水透氣性和較高的生物多樣性，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能[1-4]。傳統(tǒng)河道護岸，為達到增大斷面流量和降低工程造價的目的，通常在結(jié)構(gòu)和斷面設(shè)計上裁彎取直并選擇較小的水力糙率，選用預(yù)制混凝土塊、現(xiàn)澆混凝土等硬質(zhì)建材進行建設(shè)，造成河流與陸地之間的阻隔，甚至造成河岸帶生物多樣性的消失，阻礙了河岸帶生態(tài)功能的發(fā)揮[5-11]。

生態(tài)護坡建設(shè)時采用生態(tài)型建筑材料并栽植綠色植物，通過坡面多孔化、粗糙化以及營造多變的近岸流態(tài)等措施滿足河流的生態(tài)需求，以保證河岸帶生態(tài)功能的實現(xiàn)[5，12-13]。不同植物類型對生態(tài)護坡的抗侵蝕性影響較大[14-18]。本文通過水流沖刷試驗，分析不同生態(tài)護坡模式在不同流速下的抗侵蝕能力，為寒區(qū)河道生態(tài)護坡建設(shè)提供一定的理論和實踐依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于松花江中游左岸通河縣(N45°52′30″～46°37′30″，E128°7′30″～129°24′30″)松花江干流堤防。該區(qū)屬大陸性季風氣候，冬季嚴寒漫長，最低氣溫-40 ℃以下；春季干燥多風；夏季炎熱多雨，最高氣溫40 ℃以上；秋季降溫急劇，常有凍害發(fā)生。降水的年際變化較大，多年平均年降水量為553 mm，最大年降水量為823 mm，最小年降水量320 mm。最大年平均風速為4 m·s-1以上，最大風速為40 m·s-1，每年4—5月風速最大。

2 材料與方法

2.1 試樣制備

2019年5月在松花江干流堤防通河縣火炬村子堤進行5種模式生態(tài)護坡植被建設(shè)(表1)，每種護坡建設(shè)面積為15 m×25 m，8月中旬植物生長發(fā)育至成熟期后，制作鋼板取樣器，在建設(shè)現(xiàn)場進行取樣，取樣規(guī)格25 cm×55 cm×25 cm，取樣時保證土體及植物完整，取樣后試樣外包泡沫，防止運輸震動的影響。每種模式取3組試樣。

表1 不同生態(tài)護坡模式建設(shè)情況

2.2 試驗裝置

試驗裝置見圖1，包括水泵、壓力鋼管、高位水箱、電磁流量計、閥門、測壓管(空氣壓差計)、鋼尺、有機玻璃有壓水槽和試樣盒等。有壓流試驗段采用有機玻璃板制作，便于試驗中觀察試驗現(xiàn)象，其余部分采用鋼材等建筑材料與試驗段拼接。試驗有壓段有機玻璃內(nèi)界面尺寸3.70 m×0.20 m×0.20 m。有壓流試驗段中段底部預(yù)留0.50 m×0.20 m×0.20 m的鏤空區(qū)域，此區(qū)域為試樣盒安放區(qū)。

圖1 實驗裝置Fig.1 Test device

2.3 試驗步驟

1)試驗流速設(shè)計：在1.0～5.0 m·s-1范圍內(nèi)，以0.5 m·s-1流速梯級遞增，設(shè)計9組試驗流速。

2)設(shè)備安裝與調(diào)試：在無沖刷試樣的情況下，通過量水堰觀測并計算確定各設(shè)計流速對應(yīng)的閥門開度，并在閥門處進行標記。

3)試樣試驗前期處理：試驗前，對試樣土體上生長的植物統(tǒng)一修剪，以保證試驗過程的一致性，然后將試樣轉(zhuǎn)移到有機玻璃試樣盒內(nèi)，置于靜水中淹沒浸泡12 h，使土體充分浸潤。

4)沖刷試驗：將3)所得試樣盒置于沖刷裝置的鏤空區(qū)域，底部采用法蘭盤及螺栓與有壓水槽固定，按2)確定的標記位置逐級調(diào)節(jié)閥門，待水流穩(wěn)定后開始記錄測壓管讀數(shù)，全程觀察試驗中試樣的沖刷狀況并進行記錄和拍照、錄像。試驗時測定并計算試驗時有壓段壁面平均切應(yīng)力。

圖2 測壓孔孔口布置Fig.2 Layout drawing of pressure hole

2.4 糙率計算

測壓孔孔口布置見圖2。糙率具體計算步驟如下：

1)壁面切應(yīng)力計算：試驗裝置的有機玻璃水槽在某個穩(wěn)定流量沖刷時，壁面切應(yīng)力τ壁為

(1)

(2)

式中:n為糙率；f為阻力系數(shù)；ρ為水的密度；v為斷面平均流速。

3 結(jié)果與分析

3.1 糙率測定結(jié)果分析

規(guī)范規(guī)定，有壓流試驗段管壁糙率應(yīng)為0.008～0.010[19-20]。本試驗裝置測定的試驗段管壁糙率n為0.008 0～0.008 6，平均值為0.008 3，滿足規(guī)范要求。

采用同樣的計算方法測得的不同護坡模式的糙率值為0.012～0.019(表2)，各生態(tài)護坡平均曼寧糙率系數(shù)由大到小依次為：環(huán)保草毯混種護坡、植生毯混種護坡、原土紫花苜蓿護坡、自然生長荒草護坡、原土射干護坡。結(jié)果表明，植物生長密度與各護坡模式的糙率值成正比，且植生毯混種護坡與環(huán)保草毯混種護坡的糙率略大于其他護坡模式。

表2 5種生態(tài)護坡模式曼寧糙率結(jié)果統(tǒng)計

3.2 抗水流沖刷能力分析

3.2.1 吸水率及水土流失率分析

針對5種生態(tài)護坡模式，分別稱取試驗浸潤前、浸潤后以及沖刷后試樣重量，從而計算出每種生態(tài)護坡的吸水量及土體損失量。吸水量可側(cè)面反映試樣的吸水和持水能力；土體損失量可反映試樣在水流沖刷作用下的抗侵蝕能力，土壤損失量越大，其抗水流沖刷侵蝕能力越小，反之亦然。各生態(tài)護坡模式的吸水率及水土流失率見表3。

表3 5種生態(tài)護坡模式吸水率及水土流失率統(tǒng)計

圖3 5種生態(tài)護坡模式抗水流沖刷柱狀圖Fig.3 Column diagram of flow erosion resistance of five ecological slope protection modes

由表3可見，試樣吸水率由大到小排序為：環(huán)保草毯混種護坡、植生毯混種護坡、原土射干護坡、自然生長荒草護坡、原土紫花苜蓿護坡，其平均吸水率為22.87%。水土流失率由小到大依次為：環(huán)保草毯混種護坡、原土射干護坡、植生毯混種護坡、原土紫花苜蓿護坡、自然生長荒草護坡。

3.2.2 抗沖性能分析

試驗數(shù)據(jù)見圖3。結(jié)果表明，最大抗沖流速由強至弱排序為：環(huán)保草毯混種護坡、植生毯混種護坡、原土射干護坡=原土紫花苜蓿護坡=自然生長荒草護坡。原土射干護坡、原土紫花苜蓿護坡與自然生長荒草護坡最大抗沖流速均為2.5 m·s-1，但由于原土射干護坡與原土紫花苜蓿護坡生長的植物根系發(fā)達，增強了土體的抗沖能力，其抗沖歷時超過自然生長荒草護坡1 h，而自然生長荒草護坡在試驗流速達到2.5 m·s-1后，5 min內(nèi)試樣土體完全被水流淘刷殆盡。

4種人工建設(shè)生態(tài)護坡模式抗沖歷時為3.7～9.0 h，平均抗沖歷時為6.1 h，為自然生長荒草護坡的1.98倍?？箾_歷時最長為環(huán)保草毯混種護坡，達9.0 h，為自然生長荒草護坡的2.92倍；抗沖歷時由長至短依次為：環(huán)保草毯混種護坡、植生毯混種護坡、原土射干護坡、原土紫花苜蓿護坡、自然生長荒草護坡。

3.3 水流沖刷破壞等級與判定標準

生態(tài)護坡模式?jīng)_刷破壞等級的判定，目前尚無統(tǒng)一的量化標準。本試驗在參考現(xiàn)有研究成果[21-27]，結(jié)合試驗中觀察到的破壞現(xiàn)象，將破壞等級劃分為Ⅰ～Ⅳ級(表4)。

表4 沖刷破壞等級判定標準

根據(jù)表4標準，對參試5種類型生態(tài)護坡破壞等級進行確定(表5)，環(huán)保草毯混種護坡破壞等級為Ⅱ級，原土射干護坡、植生毯混種護坡、原土紫花苜蓿護坡的破壞等級為Ⅲ級，自然生長荒草護坡的破壞等級為Ⅳ級。

4 結(jié) 論

1)各護坡模式糙率由大到小排序為：環(huán)保草毯混種護坡、植生毯混種護坡、原土紫花苜蓿護坡、自然生長荒草護坡、原土射干護坡。

表5 5種生態(tài)護坡模式破壞等級比對表

2)各生態(tài)護坡模式水土流失率為12.06%～78.15%，平均為54.15%。相對自然生長荒草護坡，人工建設(shè)的生態(tài)護坡可以提高坡面抗水土流失能力近1倍。

3)人工建設(shè)的生態(tài)護坡，可以有效提高坡面抗沖刷能力，最大抗沖流速和累積抗沖歷時分別為5.0 m·s-1和9 h，平均比自然生長荒草護坡分別提高1.44倍和1.98倍。

4)各生態(tài)護坡模式按破壞等級由弱到強依次為：環(huán)保草毯混種護坡Ⅱ、原土射干護坡Ⅲ、植生毯混種護坡Ⅲ、原土紫花苜蓿護坡Ⅲ、自然生長荒草護坡Ⅳ。

5)環(huán)保草毯混種護坡在吸水性、保土性、抗沖性等方面綜合優(yōu)勢較大，可作為寒區(qū)河道生態(tài)護坡建設(shè)的優(yōu)選模式。