胡玉植，潘　毅，陳永平

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室，江蘇南京　210098; 2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京　210098)

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海堤背水坡加筋草皮抗沖蝕能力試驗研究

胡玉植1,2，潘毅1,2，陳永平1,2

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室，江蘇南京210098; 2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098)

摘要：在臺風(fēng)和寒潮等極端事件條件下海堤背水坡易受到越浪和溢流的侵蝕作用，海堤背水坡的保護越來越受到重視；同時人們對海岸工程也提出了更多的生態(tài)和景觀要求。加筋草皮作為一種新興的護坡方式，發(fā)揮了土工織物防沖固草和草根系固土的作用，既提高了植被護坡的抗水力侵蝕能力，也滿足生態(tài)功能。為研究背水坡加筋草皮的護坡性能，基于室內(nèi)水槽試驗，探究了不同加筋草皮方式在背水坡遭受高速持續(xù)水流沖刷和越浪水體斜向沖刷兩種作用下抗侵蝕性能。試驗結(jié)果表明：不同方式的加筋草皮抗侵蝕有差異，抗侵蝕性能由強到弱為三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋、三維土工網(wǎng)墊>土工格柵>天然草皮。相同流量下卷破波斜向沖刷作用下較持續(xù)水流正向沖刷破壞更為強烈。

關(guān)鍵詞：護坡； 抗沖蝕能力； 加筋草皮； 背水坡； 越浪； 土工織物

1研究背景

海堤是為防御風(fēng)暴潮水和波浪對防護區(qū)的危害而修筑的堤防工程，是沿海地區(qū)人類生命及財產(chǎn)安全的重要屏障，海堤的潰決和破壞將導(dǎo)致嚴重后果。風(fēng)暴潮越過堤防和防洪墻后產(chǎn)生沖刷，隨后導(dǎo)致堤防和防洪墻破壞和決口。由強風(fēng)暴引起的特大海岸災(zāi)害中，很大一部分海堤潰決都是因為海堤越浪和溢流造成。試驗結(jié)果和現(xiàn)場分析調(diào)查表明，越浪和溢流首先造成海堤背水坡的侵蝕，進而侵蝕擴大，潰堤發(fā)生[1-6]。傳統(tǒng)的堤防工程往往注重海堤向海側(cè)的防御而忽視了背水坡的防御，在大風(fēng)暴潮災(zāi)害下造成了非常大的潰堤風(fēng)險，因此海堤背水坡的防御越來越得到重視。

風(fēng)暴潮中，海水越過堤防的方式可大致分為3種[7]：溢流、越浪和波浪溢流。其中，海堤上游靜水位高于堤頂高程時發(fā)生的波浪溢流，背水坡既受到溢流產(chǎn)生的高速水流沖刷作用，也會受到波浪破碎產(chǎn)生的卷破波斜向沖刷作用，這種情況下背水坡受到更快的水流沖刷侵蝕作用。

海堤護坡按護坡位置可分為向海側(cè)、堤頂和背水坡護坡。向海側(cè)由于受到潮流、海流、波浪、水位變動等水力因素影響很大，護坡常采用干砌塊石(或條石)、漿砌塊石、拋石、混凝土板、混凝土異性塊體等工程措施護面。堤頂和背水坡護坡與否與防浪墻設(shè)置、堤身填料、允許越浪量等因素有關(guān)。在海堤背水坡上，傳統(tǒng)的砌石或混凝土護坡雖然有足夠的抗越浪溢流強度，但造價較高且缺乏自然性；在越來越注重工程的生態(tài)性和自然性的今天，人們更加喜歡使用植被護坡，然而天然植被護坡在抗水力侵蝕能力方面的能力遠遠低于砌石或混凝土護坡，很多地方無法滿足海堤的設(shè)計要求。

加筋草皮可以有效地解決這一矛盾。加筋草皮，指的是利用活性植物并結(jié)合土工合成材料等，在坡面構(gòu)建一個具有自身生長能力的防護系統(tǒng)，通過植物的生長對邊坡進行綠化與加固[8]。常見的土工織物包括有三維植被網(wǎng)、土工格柵、土工格室等。土工織物在種植草皮之前被預(yù)置于土壤中，在植被生長過程中草的根莖穿過土工織物生長，使土壤、植被、土工織物三者緊密結(jié)合在一起。加筋材料可以大大提高天然草皮的抗坡面侵蝕性能，其作用機理表現(xiàn)為：提高邊坡土體的黏聚力、限制網(wǎng)下大于網(wǎng)眼尺寸土塊起動的覆蓋防護作用以及提高草間的側(cè)向連續(xù)性3個方面[9]。

國外學(xué)者對加筋草皮的研究集中在加筋草皮的抗侵蝕臨界流速和臨界剪切力方面。如Nelson對加筋草皮進行了溢流的現(xiàn)場試驗研究，定義加筋草皮的破壞為12.7 mm(0.5 inch)的侵蝕，按此標準測試得到加筋草皮的容忍剪切力為900 Pa[10]。Y. Pan等通過原物尺寸的越浪試驗對高性能加筋草皮(HPTRM)的水力學(xué)性能和抗侵蝕性能進行了初步探討[11-12]，提出了加筋草皮“侵蝕上限”的概念，并將加筋草皮的破壞機制總結(jié)為水流的持續(xù)沖刷作用和波浪力對土工網(wǎng)墊的撕離作用。國內(nèi)對于加筋草皮的研究多數(shù)是基于工程概念實踐提出，主要集中在加筋草皮的施工工藝和成本控制方面的探討[13-14]。也有學(xué)者基于室內(nèi)外試驗?zāi)M研究了加筋草皮在降雨、徑流等水流沖刷作用下侵蝕變化規(guī)律和水流特性[15-18]，但是多為河道、路基的邊坡保護，并沒有考慮在海堤背水坡的應(yīng)用。鑒于加筋草皮在保持植被護坡的生態(tài)和景觀功能的前提下比普通草皮的抗侵蝕能力可提高十倍以上，在海堤防護上有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1　海堤背水坡受水流作用形式Fig.1　 Acting forms of flow on land side slope of sea 　embankment

風(fēng)暴潮期間，海堤背水坡可能受到的水流作用可分為兩種。一是溢流水體的高速水流沖刷作用，此時水流平行于坡面進行沖刷，如圖1(a)[12]所示；在文獻[12]中，使用了1∶1正態(tài)模型的溢流試驗對順坡的沖刷作用做了探討。二是水流流速與坡面成一定角度的沖刷，如圖1(b)[7]所示卷越破波越過堤頂斜向沖刷背水坡坡面和圖1(c)[2]所示的背水坡水流斜向沖刷復(fù)式平臺；文獻[7]指出，在波浪溢流的情況下，易形成卷躍破波對海堤護坡的斜向沖刷；文獻[2]利用現(xiàn)場試驗對草皮護坡進行測試，發(fā)現(xiàn)在海堤坡度改變處易造成草皮護坡的初始破壞。

本文主要關(guān)注兩種因素對加筋草皮抗侵蝕性能的影響。第1個因素是加筋草皮護坡型式，其草皮加筋土工材料包括三維土工網(wǎng)墊、土工格柵等，不同的土工材料加筋方式其保護效果也不同。第2個因素是越浪水流對背水坡的作用方式，背水坡可能受到的水力作用按水流方向與坡面的夾角可分為兩種：高速持續(xù)水流順坡沖刷和水流流速與坡面成一定角度的沖刷，海堤背水坡上的高速水流會引起背水坡的順坡沖刷，而當卷躍破波發(fā)生時或背水坡坡度改變時(如復(fù)式斷面)，發(fā)生水流流速與坡面成一定角度的沖刷(即斜向沖刷，水流流速存在一個垂直于背水坡坡面的分量)。通過物理試驗研究不同加筋草皮方式在背水坡遭受高速持續(xù)水流沖刷和越浪水體斜向沖刷兩種作用下抗侵蝕性能，為海堤防護中加筋草皮護坡的設(shè)計和使用提供技術(shù)支持。

2試驗設(shè)計

2.1試驗樣品

圖2　各類加筋草皮型式Fig.2　 Different types of reinforced turf

4月份在室外進行試驗草皮的播種，在0.61 m×0.2 m×0.2 m規(guī)格的試驗箱內(nèi)培植常用于生態(tài)護坡的狗牙根(Bermuda grass)試驗草皮，設(shè)計了3類不同的草皮加筋方式，各類加筋方式和試驗箱數(shù)分別是：土工格柵加筋草皮3箱(編號為G-1，G-2和G-3)、三維土工網(wǎng)墊加筋草皮3箱(編號為T1，T2，T3)和土工格柵與三維土工網(wǎng)墊聯(lián)合加筋草皮4箱(編號為C-1，C-2，C-3，C-4)，加筋草皮示意圖見圖2。同時設(shè)有1箱天然草皮(編號為N-1)，供試驗對比參照。所有試驗樣品均在相同條件下進行培植，試驗樣品實物如圖3所示。通過澆水、施肥等日常管理，等到草皮完全成熟后10月份在室內(nèi)進行物理試驗。同一種加筋方式的不同樣品為采取同等條件培植的加筋草皮樣品，培植過程中盡量保證草株密度、草高等因素的一致性。用以進行重復(fù)性的試驗以排除因偶然因素造成的試驗結(jié)果偏差。

圖3　試驗樣品Fig.3　 Experiment samples

2.2試驗裝置

試驗裝置由地下水庫、水泵、輸水管道、超聲波流量計、有機玻璃水槽、PVC板模型箱和移動式草箱支架等組成，通過提高水頭和設(shè)置斜坡的方式在有機玻璃水槽試驗段產(chǎn)生高速水流，以滿足試驗要求。試驗過程中，通過調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速赫茲數(shù)控制流量大小，轉(zhuǎn)速越大，流量越大。水流由輸水管道進入有機玻璃水槽水平段，經(jīng)過斜坡加速進入試驗段，斜坡坡度為1∶3。試驗裝置如圖4所示，D為測試區(qū)。試驗時，通過水泵提供流量，水流在儀器里面形成自由溢流。測試順坡水流時，樣品安置在測試區(qū)；測試斜向水流時，樣品平放在試驗區(qū)以下的水槽中。

圖4　試驗?zāi)Ｐ筒贾肍ig.4　 Experiment layout

2.3試驗觀測

草皮物理參數(shù)觀測內(nèi)容主要是株高與密度。株高由直尺直接讀數(shù)，試驗草皮草高變化范圍為25～29 cm，各草箱草高差異很小。草皮密度通過取草箱前后7.6 cm×7.6 cm正方形區(qū)域人工統(tǒng)計草根數(shù)得到，試驗草皮密度變化范圍為12 000～16 000 株/m2。

水流過程觀測內(nèi)容主要包括：超聲波流量計測流量，攝像機記錄水位變化和草皮上方的水流流態(tài)變化。

草皮觀測內(nèi)容主要是草皮破壞特性和土壤沖蝕特性，草皮抗水流沖刷強度以侵蝕度為表征。每次沖刷試驗后，各取草箱前后9個點通過電子游標卡尺架接觸土層測量高程變化，取平均值得到草箱前后(草箱前后是指順水流方向，草箱首先被沖刷部位為草箱前部)的侵蝕度大小，電子游標卡尺的精度為0.01 mm。

2.4試驗流程

所有試驗草皮均按以下流程進行試驗：①測量草高和草密度；②將草箱固定在有機玻璃水槽內(nèi)斜坡上，測量其初始土層高度；③36 L/s流量下沖刷10 min，沖刷完后測量土層高度；④41 L/s流量下沖刷10 min，沖刷完后測量土層高度；⑤45 L/s流量下沖刷10 min，沖刷完后測量土層高度；⑥草箱水平放置與斜坡底部進行斜沖，水泵在45 L/s流量下沖刷10 min，沖刷完后測量土層高度；⑦試驗結(jié)束，換草箱重復(fù)1～7步驟。

步驟③～⑤模擬溢流情況下背水坡高流速沖刷，步驟⑥模擬水流斜向沖刷。試驗中，沖刷流量的變化通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速赫茲數(shù)達到，設(shè)置水泵的轉(zhuǎn)速赫茲數(shù)分別為40，45和50，分別對應(yīng)步驟③～⑤的36，41和45 L/s流量。

3試驗結(jié)果及分析

3.1試驗結(jié)果

試驗得到了加筋草皮試驗樣品在不同流量沖刷下，土壤侵蝕度隨時間的變化過程，圖5為草皮在斜坡高速溢流沖刷作用下的侵蝕度發(fā)展歷時曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，沖刷試驗后天然草皮的最終侵蝕度最大，表明加筋草皮對提高草皮的抗侵蝕性能是有作用的，而不同土工織物的加筋草皮其抗侵蝕性也有差異。相同加筋方式下各樣品的侵蝕量發(fā)展曲線比較接近，為了進一步研究不同加筋方式對侵蝕度的影響，將同一類加筋方式下的所有草皮樣品的侵蝕度平均，得到斜坡高速溢流沖刷作用下不同加筋方式的草皮土壤侵蝕度隨時間的變化過程(如圖6)。從圖6可見，土工格柵與三維土工網(wǎng)墊聯(lián)合加筋草皮的侵蝕度最小，三維土工網(wǎng)墊加筋草皮侵蝕度小于土工格柵加筋草皮。

圖5　各草皮試件土壤侵蝕度發(fā)展Fig.5　 Development of soil erosion degree of turf samples

圖6　不同加筋方式下土壤侵蝕度發(fā)展均值Fig.6　 Development of average soil erosion degree for different types of reinforced turf

在10 min高速水流斜向沖刷作用下，各草皮試件的侵蝕度見表1。由表1可見，在高速水流的斜向沖刷作用下，各類型加筋草皮試件侵蝕度明顯增加，天然草皮則發(fā)生破壞。

表1　斜向沖刷作用下草皮試件的侵蝕度

3.2討論分析

由圖5和6可見，天然草皮樣品侵蝕度明顯大于所有形式的加筋草皮，表明在高速持續(xù)水流沖刷作用下，對于天然草皮，在相同階段沖刷下，侵蝕度要大于加筋草皮，加筋材料對于提高草皮的抗侵蝕性能作用明顯。比較不同的加筋草皮侵蝕度，可以發(fā)現(xiàn)加筋材料的保護作用有差異。由圖6可知，抗侵蝕性能由強到弱為三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋>三維土工網(wǎng)墊>土工格柵>天然草皮。

在高速水流斜向沖刷作用下，天然草皮試件發(fā)生破壞，其他加筋草皮雖然發(fā)生侵蝕但并未發(fā)生整體性破壞，這也證明了加筋草皮確實有效提高了草皮抗侵蝕性能。對比草皮在高速持續(xù)水流沖刷作用和高速水流斜向沖刷作用下侵蝕度，可以發(fā)現(xiàn)在水流斜向沖刷作用下的侵蝕度明顯增加，表明水流斜向沖刷作用強于持續(xù)水流沖刷作用。由表1的平均侵蝕度得知，高速水流斜向沖刷作用下不同加筋材料的保護差異性更加顯著，土工格柵加筋草皮的最大侵蝕度達10.3 mm，三維土工網(wǎng)墊加筋草皮最大侵蝕度為4.16 mm，而三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋草皮最大侵蝕度僅為2.1 mm。與高速持續(xù)水流沖刷作用下的結(jié)論一致，總體上來說，抗侵蝕性能由強到弱為三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋，三維土工網(wǎng)墊>土工格柵>天然草皮。

總體來說，草皮的根系互相纏繞形成具有一定抗張拉強度的根系網(wǎng)，將根系土壤固結(jié)為一個整體；同時根系把淺層土壤錨固到深處較穩(wěn)定的土層中去，也增加了土體的穩(wěn)定性。而加筋材料一方面發(fā)揮著類似草皮根系作用，另一方面三維土工網(wǎng)墊又可以限制網(wǎng)下大于網(wǎng)眼尺寸的土塊起動。試驗表明，水流斜向沖刷后三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋草皮、三維土工網(wǎng)墊加筋草皮雖有侵蝕，但情況良好。而土工格柵加筋草皮直接受斜向水流沖擊部分有明顯土坑出現(xiàn)，天然草皮則直接破壞。當水流順坡沖刷時，傾倒的草株能夠很大程度上減緩高速水流對土壤的侵蝕；當水流斜向沖刷時，水流對土壤的破壞力更加集中，產(chǎn)生局部破壞，容易導(dǎo)致接下來的整體破壞。

4結(jié)語

本文利用針對生態(tài)護坡設(shè)計的抗侵蝕性能測試儀，對3種不同的加筋草皮護坡及對照組(天然草皮護坡)進行了順坡水流和斜向水流沖刷作用下的試驗測試。對不同生態(tài)護坡的抗順坡水流及斜向水流沖刷的能力進行了比較分析，通過試驗測試了不同流量下不同種類加筋草皮的抗侵蝕能力，試驗水流的主要控制變量為流量Q。得到的基本結(jié)論如下：

海堤背水坡采用草皮護坡型式下，溢流水體產(chǎn)生的高速持續(xù)水流沖刷作用或越浪水體斜向沖刷作用都會侵蝕草皮土體，相同流量情況下斜向沖刷作用下破壞更為強烈，海堤保護設(shè)計中要予以重視。橫向比較3種不同方式的加筋草皮，抗侵蝕性能由強到弱為三維土工網(wǎng)墊與土工格柵聯(lián)合加筋，三維土工網(wǎng)墊>土工格柵>天然草皮。

本研究對不同加筋方式的加筋草皮在順坡水流和斜向水流的抗侵蝕作用做了縱向和橫向的初步比較。今后的研究可以在草皮上方水流結(jié)構(gòu)、草皮侵蝕速率與流速、剪切力等水力要素關(guān)系等問題上展開。另外加筋材料的老化以及隨著材料老化性能的下降程度、不同草種之間的差異也是加筋草皮護坡需要解答的問題。

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Experimental studies on scouring resistance of reinforced turf on land-side slope

HU Yu-zhi1,2， PAN Yi1,2， CHEN Yong-ping1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China； 2.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The land-side slope of a sea embankment would suffer from erosion induced by overtopping and overflow when extreme events such as typhoon and cold wave happen. Previous studies have shown that the protection of the land-side slope of the earthen levees against wave and surge overtopping during large storm surges is of great importance. Recently more attentions have been paid by engineers and researchers to the land-side slope protection. Different types of strengthening systems were introduced to protect the crest and land-side slope of the levees against surge overflow and wave overtopping after Hurricane Katrina. Meanwhile ecological and landscape requirements were put up for coastal engineering construction. As an innovative side slope protection way, reinforced turf has the advantages of fixing the plants, which in turn fix the soil. The reinforced turf protection can strengthen the erosion resistance and meet the requirements of ecological function as well. The scouring resistance of the land-side slope protected by different types of the reinforced turf under high velocity flow parallel to the land-side slope as well as oblique to the land-side slope was investigated by using flume experiments. The samples with different strengthening methods were tested under high speed open flow. After the tests, the erosion of the turf samples was measured. The depths of the erosion of the samples were plotted versus the rates of discharge. Experiment results show that scouring resistance of different types of the reinforced turf are not the same. The reinforcement effects of combined geogrid and three-dimensional geomats are better than those of the geogrid and natural turf. Comparisons are also made between the erosion resistances against the scouring of parallel flow and oblique flow. Scouring oblique to the land-side slope causes worse damage than parallel scouring to the land-side slope under the same flow discharge rate.

Key words：slope protection; erosion resistance; reinforced turf; land-side slope; overtopping; geotextiles

中圖分類號：TV871

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0051-07

通信作者：潘毅(E-mail：panyi21hhu@gmail.com)

作者簡介：胡玉植(1991—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事海岸防災(zāi)研究。E-mail：ianhuhhu@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51309092)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130833)

收稿日期：2015-05-16

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X. 2016.01.008

胡玉植， 潘毅， 陳永平. 海堤背水坡加筋草皮抗沖蝕能力試驗研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2016(1): 51-57. (HU Yu-zhi, PAN Yi, CHEN Yong-ping. Experimental studies on scouring resistance of reinforced turf on land-side slope[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 51-57.)