梁伯龍

摘 要：內(nèi)河航道與城市河道的主要區(qū)別在于內(nèi)河航道流速大、受船行波沖擊，對(duì)岸坡的沖刷作用強(qiáng)。因此，內(nèi)河航道生態(tài)護(hù)坡的防沖效果十分重要。對(duì)此，本文就內(nèi)河航道生態(tài)護(hù)坡的防沖效果進(jìn)行了深入的探析，希望能給同行人員提供一點(diǎn)參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道；生態(tài)護(hù)坡；防沖效果

引 言

目前對(duì)傳統(tǒng)的剛性護(hù)坡的防沖研究較多，但是對(duì)于生態(tài)護(hù)坡的防沖效果研究較少。張芳枝等分析了堤岸土體在河流沖刷作用下起動(dòng)時(shí)的受力特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)形式，論述了堤防在河流沖刷作用下的破壞機(jī)理，概括了近岸水流沖刷力和堤岸土體的抗沖力計(jì)算方法，著重論述了計(jì)算堤岸土體橫向沖刷的計(jì)算方法，介紹了沖刷作用下的堤岸穩(wěn)定分析模型，指出了有待研究的問(wèn)題及其方法[1]。高明波等列舉了斜坡式護(hù)岸和直立式護(hù)岸的幾種型式，并分析了這幾種護(hù)岸的破壞因素，探討了它們的失穩(wěn)形式[2]。一般而言，內(nèi)河航道護(hù)坡經(jīng)常受到高速水流、地表水徑流、波浪沖擊及地下水滲流等的作用，往往會(huì)發(fā)生表面侵蝕、崩塌等形式的破壞現(xiàn)象。這些不僅影響了護(hù)坡工程的整體性，更降低了工程的強(qiáng)度，對(duì)防洪、排澇和航運(yùn)等都是不利的[3]。因此，有必要對(duì)內(nèi)河航道護(hù)坡工程的抗沖刷效果進(jìn)行研究。

1 生態(tài)護(hù)坡防沖設(shè)計(jì)條件

生態(tài)護(hù)坡的設(shè)計(jì)必須滿足以下兩個(gè)條件：

（1）穩(wěn)定性要求。要求生態(tài)護(hù)坡必須能起到傳統(tǒng)護(hù)坡的防洪、排澇以及過(guò)流等作用，同時(shí)能有效控制坡面水土流失、有效防治崩塌和淺層滑坡等。

（2）生態(tài)平衡要求。建立良性的岸坡生態(tài)系統(tǒng)，由喬木、低矮灌木、花草、魚巢、水草、動(dòng)物沿灘地、迎水邊坡、坡腳及近岸水體組成岸坡立體生態(tài)體系，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡帶，兼具兩者的性質(zhì)與功能，讓兩者之間保持物質(zhì)、能量以及信息的良好流通。

2 影響航道岸坡沖蝕的因素[3～4]

內(nèi)河航道護(hù)坡的侵蝕機(jī)理較復(fù)雜，影響因素眾多，其中航道邊坡特性、土壤特性、水流條件、河床沖淤演變特性等在航道護(hù)坡沖蝕發(fā)生過(guò)程中起到了重要的作用，而且這些因素在不同的時(shí)期、不同的邊界條件下所發(fā)揮的作用也是不同的。綜合起來(lái)，影響內(nèi)河航道護(hù)坡沖蝕的主要因素有以下幾種：

2.1 坡 度

航道護(hù)坡的穩(wěn)定取決于土體的抗剪強(qiáng)度和其內(nèi)部所承受的剪切力之間的相對(duì)大小關(guān)系；當(dāng)土體內(nèi)部所受的剪切力大于土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，則將引起土體的破壞。根據(jù)摩爾庫(kù)倫理論，坡度不同，土體的抗剪強(qiáng)度也有所不同。另外，坡度與徑流沖刷能力也有關(guān)系。研究表明，在一定范圍內(nèi)，徑流沖刷能力隨坡度的增大而增強(qiáng)，侵蝕量也就越大，對(duì)岸坡的破壞力也就越。

2.2 土壤特性

研究表明，護(hù)坡土壤特性是影響岸坡穩(wěn)定的重要因素。土壤的抗侵蝕能力與土壤容重、土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量等因素有關(guān)系。容重越大，抗沖性越強(qiáng)；沙性越小，抗沖性越強(qiáng)；有機(jī)質(zhì)含量高的土壤抗蝕性強(qiáng)于有機(jī)質(zhì)含量低的土壤。另外，土壤的抗侵蝕能力還受人為活動(dòng)的影響。

沒(méi)有經(jīng)過(guò)工程手段處理的航道護(hù)坡，其表面粘結(jié)力較強(qiáng)的粘性土顆粒在高速水流、波浪、地表徑流及地下水滲流等的作用下被不斷帶走，造成土體抗?jié)B透能力和抗沖蝕能力降低，使坡面容易遭受侵蝕；當(dāng)護(hù)坡坡面植被覆蓋率較低時(shí)這種侵蝕就會(huì)更加嚴(yán)重。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)化作用及植被生長(zhǎng)腐殖質(zhì)增多時(shí)，土壤的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，團(tuán)粒間的粘聚力減弱，岸坡抗沖蝕能力會(huì)不斷降低。

2.3 波 浪

波浪是產(chǎn)生內(nèi)河航道護(hù)坡侵蝕的一個(gè)重要因素。波浪沖刷初期，護(hù)坡表面會(huì)產(chǎn)生微小的剝蝕，完整的坡面會(huì)呈現(xiàn)麻面狀；進(jìn)一步的沖刷會(huì)使得護(hù)坡表面靜水面線附近形成小坑；隨著波浪作用次數(shù)的增加，沖刷坑逐漸發(fā)展并連成一片，形成沿水面線的槽狀破壞帶，并不斷加深增寬。當(dāng)護(hù)坡表面有防護(hù)層時(shí)，波浪的不斷沖刷會(huì)將防護(hù)層逐漸沖蝕掉，然后不斷深入形成貫通縫，里面的土壤顆粒經(jīng)過(guò)通縫被不斷吸出、帶走、掏空，最終使得護(hù)坡失穩(wěn)。

2.4 降 雨

當(dāng)雨水直接降到表層土壤時(shí)，雨滴下落的力量對(duì)土壤起著打擊和飛濺的作用，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生分離、破裂、位移并濺起，降雨徑流則把土壤顆粒帶走，這也是裸露表土流失的主要方式。濺蝕破壞土壤的表層結(jié)構(gòu)以后，會(huì)堵塞土壤空隙，阻止雨水下滲，為產(chǎn)生坡面徑流和層狀侵蝕創(chuàng)造了條件。降雨是坡面侵蝕的主要外營(yíng)力，坡面侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度、降雨量的增大而增大。二者相比，降雨強(qiáng)度對(duì)坡面侵蝕的影響最為重要。

2.5 風(fēng)

內(nèi)河航道護(hù)坡由于突出于周圍水面和陸地，使得坡面遭風(fēng)侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，風(fēng)成為影響航道護(hù)坡侵蝕的另一重要因素。尤其是在冬季和春季，土壤干旱，含水量較低，植被枯萎，在3m/s的風(fēng)速條件下，散離的表土就會(huì)被風(fēng)吹離帶走。在風(fēng)與降雨徑流等共同的作用下，表土逐漸被剝離帶走，造成土壤大量流失。

3 水工模型抗沖試驗(yàn)

為較清晰直觀的研究航道生態(tài)護(hù)坡抗沖效果，采用概化航道模型進(jìn)行生態(tài)護(hù)坡抗沖試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)相似原理，建造水工模型，選用四種不同型式的生態(tài)護(hù)坡作為試驗(yàn)對(duì)象，四種生態(tài)護(hù)坡型式分別為：植草護(hù)坡、預(yù)制球形生態(tài)混凝土護(hù)坡、混凝土方格植草護(hù)坡、拋石+植草護(hù)坡。在航道水工模型中近似模擬實(shí)際航道中的流速條件，進(jìn)行沖刷模型試驗(yàn)。比較這四種型式的護(hù)坡的抗沖刷能力，選擇出抗沖刷性能較好的護(hù)坡型式，為后面的生態(tài)護(hù)坡型式綜合評(píng)價(jià)和選擇提供依據(jù)。

3.2 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及建造

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖1（a），在某大學(xué)水工模型試驗(yàn)大廳建造航道模型如圖1（b）。

（2）生態(tài)護(hù)坡型式設(shè)計(jì)

根據(jù)護(hù)坡型式初步擬選結(jié)果，試驗(yàn)選用植草護(hù)坡、預(yù)制球形生態(tài)混凝土、混凝土方格植草、拋石+植草四種護(hù)坡型式。

（3）植被種植

每種型式的護(hù)坡上種上密度相同的植被，養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)要求。

（4）沖刷試驗(yàn)

向航道模型水槽內(nèi)放水至一定深度，開(kāi)啟推流器，設(shè)定功率下水流對(duì)護(hù)坡沖刷12h。

（5）地形測(cè)量

沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定不同斷面的坡面沖刷深度，繪制沖刷前后坡面地形圖。

4 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)選用植草護(hù)坡、預(yù)制球形生態(tài)混凝土護(hù)坡、混凝土方格植草護(hù)坡、拋石+植草護(hù)坡四種護(hù)坡型式作為研究對(duì)象。推流器的頻率設(shè)為45Hz，每次試驗(yàn)結(jié)束后，將模型槽內(nèi)的水流放空，采用地形儀測(cè)定不同斷面的坡面沖刷深度，根據(jù)多次試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制沖刷前后坡面地形圖。若以坡腳為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎向?yàn)閥軸，將沖刷前的坡面?zhèn)认蛲队爸疗矫嫔?，則得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線，將沖刷后的坡面投影至同一側(cè)向平面，則得到的地形曲線見(jiàn)圖2。

為了更清楚的反應(yīng)生態(tài)護(hù)坡的抗沖效果，設(shè)置裸坡與之對(duì)比，裸坡沖刷前后地形變化見(jiàn)圖3。

比較圖2～圖3，可得到如下結(jié)論：

（1）與裸坡沖刷前后坡面地形變化相比，生態(tài)護(hù)坡沖刷前后坡面地形變化明顯要小，說(shuō)明生態(tài)護(hù)坡能有效減小水流對(duì)岸坡的沖刷。

（2）比較各生態(tài)護(hù)坡沖刷前后坡面地形變化，可知，不同護(hù)坡型式抗沖刷性能不同，植草護(hù)坡、預(yù)制球形生態(tài)混凝土護(hù)坡、混凝土方格植草護(hù)坡三種護(hù)坡坡腳處沖刷相對(duì)較嚴(yán)重，坡面頂端沖刷相對(duì)較弱；而拋石+植草護(hù)坡坡腳處、坡面頂端的沖刷都相對(duì)較弱，坡面中段的沖刷相對(duì)較強(qiáng)。

（3）混凝土方格植草護(hù)坡和植草護(hù)坡的抗沖刷效果較好。植草護(hù)坡由于種植的麥冬植株較密、莖葉覆蓋面積大；混凝土方格植草護(hù)坡整體性較好，加上種植的植被的覆蓋，土壤裸露面積小，故這兩種型式護(hù)坡表現(xiàn)出的抗沖效果較好。

（4）植草護(hù)坡、預(yù)制球形生態(tài)混凝土護(hù)坡和混凝土方格植草護(hù)坡沖刷后坡腳處的高程都出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明這三種護(hù)坡坡腳處淘蝕比較嚴(yán)重。原因可能為：植草護(hù)坡種植的麥冬莖葉較堅(jiān)韌，且莖葉茂盛，對(duì)水流形態(tài)影響較大；預(yù)制球形生態(tài)混凝土護(hù)坡表面凹凸不平，混凝土球之間空隙處種植物，混凝土球與坡面有高差，水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)形成跌水、壅水；混凝土方格植草護(hù)坡混凝土方格中間種植有植物，植物的高度會(huì)起到阻水作用，同時(shí)會(huì)將水流挑起，在無(wú)植物段形成跌水，如此反復(fù)，故淘蝕比較嚴(yán)重。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述可知，內(nèi)河航道岸坡受船行波的沖擊，水流流速快，兼具有防洪、排澇和通航等功能，因此，對(duì)岸坡的要求較高。根據(jù)試驗(yàn)研究成果，內(nèi)河航道生態(tài)護(hù)坡的選擇應(yīng)綜合考慮地形地貌、植物分布、岸坡坡度、波浪、降雨、風(fēng)、社會(huì)效益等諸多因素，選擇合適的生態(tài)護(hù)坡型式。選擇生命力頑強(qiáng)、抗逆性好、易于維護(hù)管理的本地植被作為護(hù)坡植物。

參考文獻(xiàn)

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