植被护坡水流冲刷稳定性试验研究

张术彬，田振华，韩 雷

（黑龙江省水利科学研究院，150080，哈尔滨）

近年随着我国水利投入的加大，植被护坡技术越来越多地应用于护坡工程中。植被护坡的形式也由单一护坡向复合护坡发展，不同类型的植被护坡抗水流冲刷侵蚀程度有着显著的不同。对于植被护坡可抵御的最大破坏水流速度的研究，英国CIRIA认为加筋草皮在水流较深情况下的极限抗冲流速可以达到6 m/s，荷兰DELFT的研究得出最大抵抗侵蚀速度为7 m/s。美国水土保持局数据显示，基于抗侵蚀土壤单一形式的植被护坡测得最大抗冲流速为2.74 m/s，澳大利亚测得的数据则为2.44 m/s。我国已有规范中虽然未明确给出相应的最大抗冲流速，但毛昶熙等的研究得出了在水力荷载作用下发生严重侵蚀破坏时的水流流速范围为2～4 m/s，并且得出了临界流速与坡角及土体内摩擦角的相关关系。

作用于植被护坡上的水流破坏形式主要有降雨以及降雨引起的坡面流和河道径流。与降雨及坡面流相比，河道径流具有流速大、作用历时长等特点，降雨引起的坡面流则主要表现出随机性大、短时间内流速变化较大、冲刷具有间歇性等特点。对于这两类水流破坏形式开展相关植被护坡稳定性研究很有必要。

一、坡面流冲刷试验

为了重现降雨引起的坡面流对植被护坡的冲刷影响，选取东北地区常见的典型植被护坡渠道，多年生紫羊茅覆盖的渠道边坡作为研究对象，边坡高度2.7m，坡长7.2 m，边坡系数为2.5。采用立体水箱蓄满一定量水，水箱单侧面底部开口泄水的方式来模拟大流量下的坡面流，通过记录放水冲刷过程中护坡草皮的侵蚀破坏过程以及坡面流瞬间可达到的最大流速值和单次坡面流的冲刷历时等数据，评价天然植被护坡的坡面流冲刷破坏现象。

1.试验内容

试验采用容量为3.0 m3的长方体水箱储水，水箱内径尺寸1.0 m×1.0 m×3.2 m。水箱侧壁底部开一泄水口，泄水口尺寸为0.9 m×0.3 m。试验开始前，关闭泄水口，水箱内注水3.0 m3，待各项准备工作就绪之后，瞬间开启泄水口，箱内水体从泄水口喷出，平均泄量可达0.3 m3/s，直接冲向待冲刷的草皮护坡。

试验放水前预先对所要冲刷的草皮进行割弋整平养护，并清理草丛间的小石块等杂物，保证草皮坡面上没有明显的影响坡面流的障碍物出现。试验过程采取间歇式放水，注满水箱所需时间约为15 min，放空水箱所需时间仅为10 s。试验测得瞬间最大流速可达6.0 m/s。试验全程由摄像机拍摄记录并采用螺旋桨测速仪测量预估最可能破坏位置处的流速值。试验中发现，泄水口开启后的前4 s内，箱内水体以水舌状急速喷射出，试验段内顿时水花四溅，水流从泄水口至坡底时间仅为1.1 s。随箱内水体的减少，坡面流由紊乱状态逐渐恢复至平顺，至坡道上无明显流动的水流，总计为15 s。

2.试验结果

针对宽度为1.0 m的多年生紫羊茅天然植被护坡，采用8次间歇式冲刷后，最终发现护坡草皮严重破坏，停止冲刷。每次冲刷之后的草皮破坏形态如表1所示。由表1及试验全过程的追踪记录得出以下结论：坡面流冲刷时间短暂，单次冲刷时间在10～15 s，瞬时流速可达6.0 m/s。坡面流流速分布不均匀，草皮破坏点位置在水舌落点以下2.0 m范围内。前4次冲刷后，累积冲刷时间55s，草皮未发现有明显的侵蚀破坏现象。第5～8次冲刷后，局部冲刷面积逐渐增大，冲坑加深，且最终达到草皮连根拔起，完全冲离原草皮。本试验条件下，坡面流冲刷8次，累积冲刷时间120 s，冲蚀破坏面积约为0.65 m2，冲蚀破坏体积约为0.20 m3，覆盖度为佳的紫羊茅草皮可完全冲蚀破坏。

二、有压流冲刷试验

1.试验设计

试验流程如图1所示，水流由地下水库—水泵—高位水箱—蝶阀—电磁流量计—有压流试验段—尾水—地下水库循环。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，其余部分采用钢材及建筑材料与试验段拼接。试验有压段有机玻璃长3.70 m，内壁宽0.20 m，高0.10 m。试验段中间底部预留有长0.50 m、宽0.20 m的镂空区域。此区域由待冲刷的植被草皮试样盒填补。试样装置采用可拆卸轨道液压升降台设计，方便试验装置的安装拆卸。有机玻璃水槽与可拆卸试验装置之间嵌入一止水橡胶圈，并通过螺栓将两者紧密固结，以防漏水漏气。

2.试验方案与方法

有压流下的植被护坡类型选取长势均匀茂密的东北地区常见的典型早熟禾草皮，先根据试样盒的尺寸，用钢板尺在草皮上划定取样范围，采用土工切刀、壁纸刀、铁锹等工具将草皮整块取出，然后将取出的草皮按照试样盒内体积尺寸裁剪，使得草皮完全置入试样盒，并保证试样盒上边缘与草皮表面齐平。草皮试样盒采用厚度为10 mm的有机玻璃制作采用长方体设计，其内壁尺寸长宽高分别为 500 mm、100 mm、200 mm。

将草皮试样安装固定完毕后开始试验，开启进水管前的阀门手柄，根据所需的水流流量，开启阀门开度，流量由电磁流量计量测。自水流充满整个试验装置始至草皮试样发生冲刷破坏止，记录冲刷历时。试验过程中通过连接在有机玻璃水槽底部的测压管，测出有压流流经草皮后的水头损失，继而计算出水流流经试样时的平均剪应力。同时整个试验过程中采用摄像机摄录草皮试样在有压流冲刷时的变化状态。

表1 坡面流冲刷结果统计表

图1 有压流试验流程示意图

由于本试验的有机玻璃水槽内壁为矩形，且在有效试验段内截面尺寸未发生变化，因此选用断面平均流速作为试验所需的水流速度，通过控制管道内的流量继而控制断面平均流速。本装置可提供的流速范围为1.5～6.0 m/s。

3.试验分析与结果

本试验所选取的早熟禾草皮属覆盖度特优的草皮类型，由于根系交织覆盖层横向发达，以至于覆盖层以下的土体颗粒难以受到水流的直接淘刷作用，同时根系之间纵横交织成网，增强了早熟禾草皮的整体性和稳定性。对植被护坡草皮抗冲刷破坏程度的判定，目前尚无统一的量化标准。根据试验中观察到的破坏现象将破坏程度分为三等：

①轻微破坏，植被完全倒伏，表层细颗粒泥沙起动，草根部分裸露；

②中等破坏，大量泥沙起动，大部分根系裸露，出现凹凸不平冲刷坑；

③完全破坏，整块草皮出现大面积淘刷，之后被水流冲散分离卷走。

表2及图2给出了本试验所选用的早熟禾草皮在有压流下抗冲历时—水流流速—破坏程度三者之间的关系。试验测得早熟禾草皮的极限抗冲流速为5 m/s，抗冲历时为1 h，其发生冲刷破坏的摩阻流速为0.32 m/s,此时的床面切应力为103.13 Pa，即在采用同样的早熟禾草皮时，在生长条件及淹没条件均相同的条件下，当河道的摩阻流速不超过0.32 m/s时，该类草皮可抵抗最大约1 h的水流冲刷。当摩阻流速超过0.32 m/s时，该早熟禾草皮将发生III级以上的瞬时破坏。

图2中的虚线分别表示覆盖度良、中、差时的植被护坡在某一流速下的抗冲历时,其数据源于CIRIA的研究。

将本试验所得出的曲线与CIRIA比较发现，CIRIA的数据主要源于工程上的特定区域试验所测数据，其所测数据对所在国的工程设计更具有广泛性与指导意义。而本试验是针对同类特定草皮得出的水流侵蚀破坏的极限抗冲流速与抗冲历时曲线，明显高于CIRIA数据，但其曲线走势与其相比保持了一致性。在一定意义上来讲，本试验所得出的数据对于植被护坡上所采用的同类型草皮的抗冲刷侵蚀方面，更具有可靠可信的参考价值。

表2 早熟禾草皮护坡冲刷破坏结果

三、结 论

①根据试样草皮的水流冲刷破坏程度，坡面流冲刷下的紫羊茅草皮的破坏程度分4个等级，而有压流冲刷下的早熟禾草皮分为3个等级来描述。

②坡面流冲刷8次，瞬时流速达6.0 m/s，累积冲刷时间 120 s，冲蚀破坏面积约为0.65 m2，冲蚀破坏体积约为0.20 m3，覆盖度等级为佳的紫羊茅草皮可发生第IV级的冲蚀破坏。

③有压流对早熟禾草皮的冲刷，得出最大抗冲流速为5 m/s时，抗冲历时约为1 h，发生破坏时的床面剪应力为103.13 Pa,摩阻流速为0.32 m/s，发生冲蚀破坏的级别为III级。

④有压流试验所得出的流速—抗冲历时曲线高于CIRIA提供数据，但其曲线走势与其相比保持了一致性。

[1]刘世奇.植被护坡技术及综合防护体系研究 [D].中国科学院武汉岩土力学研究所硕士论文，2004.

[2]钟春欣.生态型护岸抗侵蚀性能及水力特性研究[D].河海大学博士论文，2006.

[3]毛昶熙.堤防工程手册 （第一版）[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]吴持恭.水力学 （第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5]钟春欣，等.植被护坡抗冲模型试验方法与装置研究[J].河海大学学报（自然科学版），Vol.36 No.2,Mar.2008.

[6]HW M Hewlett,L A Boorman,M E Bramley.Design of reinforced grass waterways[R].CIRIA 1987：31.