夏雪峰，杭中強(qiáng)，邵帥琦，施建業(yè)

(1.宜興市芳橋街道水利站，江蘇 宜興 214200；2.揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

河岸侵蝕和堤壩潰決是地方性經(jīng)常發(fā)生的自然災(zāi)害之一，其往往造成主要河流土地和民生經(jīng)濟(jì)的大量損失[1-2]。其中，溢流是下游斜坡土壩上最具破壞性的因素，因?yàn)檎麄€(gè)下游斜坡上過高的河床剪應(yīng)力和超臨界流使得河床表面物質(zhì)發(fā)生侵蝕。為了保護(hù)河岸路堤，應(yīng)減少河床剪應(yīng)力。此時(shí)有幾種傳統(tǒng)的路堤防護(hù)工程可供選擇，如混凝土砌塊、土工袋等硬工程，從經(jīng)濟(jì)角度來看，緩解這些問題的成本很高。且用于此類工程的國家預(yù)算不充足，只能將剛性結(jié)構(gòu)保護(hù)措施限制在最需要的部分，而不是整個(gè)河岸路堤。不僅如此，堅(jiān)硬的工程結(jié)構(gòu)破壞了風(fēng)景優(yōu)美的環(huán)境，將問題轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方，如對面的場地或下游，這只是加劇了矛盾而不是減少矛盾，這種繃帶方法使問題變得更加復(fù)雜。

已知河堤出現(xiàn)損壞大部分是由波浪或水流漫頂引起的。對于土質(zhì)河岸堤壩，漫頂是造成下游邊坡破壞最主要的因素之一。下游斜坡破壞可能導(dǎo)致堤壩潰決，當(dāng)水滲入堤頂、下游斜坡處土壤的抗剪強(qiáng)度會降低。有學(xué)者觀察到，初始侵蝕過程開始于超臨界流動區(qū)域內(nèi)的任何地方，特別是在斜坡不連續(xù)點(diǎn)處，即路堤下游斜坡的頂部和坡腳。

治理與修復(fù)河流的科學(xué)家認(rèn)為，河流中不僅包含非生物物質(zhì)(水流、泥沙)，還包含生物，因此，河道中的植被應(yīng)納入河流動力學(xué)系統(tǒng)。與此同時(shí)，植被還能增大水流阻力、提高水位、降低泄流能力[3-5]。在有重要基礎(chǔ)設(shè)施的地方，土堤或路堤的上游用石頭或混凝土塊覆蓋，下游斜坡通常被草覆蓋。種植在下游斜坡處的植被對減少侵蝕有相當(dāng)大的作用，因?yàn)橹参锲琳蠒黾雍哟脖砻娲植诙?，降低水流流速，消耗能量，保護(hù)斜坡免受侵蝕。生物工程作為穩(wěn)定河岸和堤岸、控制侵蝕程度的傳統(tǒng)技術(shù)，生態(tài)友好型的香根草已經(jīng)在120多個(gè)國家成功使用了一個(gè)多世紀(jì)，故可將香根草種植在下游斜坡處來保護(hù)河堤。最近研究結(jié)果表明，應(yīng)用香根草保護(hù)河岸線或堤岸時(shí)所需成本較低。成熟的香根草能承受高速水流的沖刷，在水深0.6～0.8 m、水流速度3.5 m/s的條件下，其堅(jiān)硬的枝條和強(qiáng)壯的根系能使植物在水中穩(wěn)定地站立。然而，目前針對植被控制水流阻力和河床剪應(yīng)力的相關(guān)研究較少，對水流與香根草間的相互作用和特性了解也有限，為了最大限度減少自然災(zāi)害的影響、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)。本研究的主要目的是引入自然資源，如植被，以在溢流期間保護(hù)路堤或河堤的下游邊坡，并控制減少河床剪應(yīng)力，該河床剪應(yīng)力從高流量區(qū)域即超臨界流動狀態(tài)開始對路堤造成侵蝕。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 測試設(shè)施剖面圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

用電磁流量計(jì)測量流量(型號：MK-515/8510-XX，槳式流量傳感器)；用電磁速度計(jì)(主放大器型號：VM-2000；傳感器類型：VMT2-200-04P)測量通道中心線和模型處的流速；用安裝在速度剖面相同位置可移動滑架上的測針來測量水面高程，精度可達(dá)0.1 mm。

2.3 阻力測量

雙軸測壓元件用分辨率為1/1 000、最大負(fù)載為10.0N的LB-60型測量植被模型上縱向(X)和橫向(Y)兩個(gè)方向的阻力。如圖3所示，(a)是下游斜坡和河床上為全植被設(shè)置的拖曳力測量裝置，(b)為行植被(2D型)設(shè)置的拖曳力測量裝置

圖3 阻力測量裝置

2.4 有效剪應(yīng)力的計(jì)算

試驗(yàn)期間，在模型上游形成穩(wěn)定的均勻溢流狀態(tài)，水流漫頂期間，流動狀態(tài)逐漸隨之改變，變得不穩(wěn)定和不均勻。為了簡單起見，考慮用穩(wěn)定的非均勻流計(jì)算有效剪應(yīng)力。在這種情況下，總剪應(yīng)力等于河床剪應(yīng)力和植被阻力引起的等效剪應(yīng)力之和：

τe=τb+τv

(1)

式中：τw為水流重量的縱向分量；τb為傳遞至土壤的河床剪應(yīng)力；τv為植被引起的阻力。如前所述，拖曳力由雙軸測壓元件裝置直接測量。

河床單位面積水流重量的縱向分量可由下式表示：

τw=ρghic(1-λ)

(2)

式中：λ為植被的集中面積。根據(jù)方程(2)可知，直接傳遞到土壤的有效床面剪應(yīng)力是通過減去不同流量下的植被阻力來計(jì)算的。

3 結(jié)果和討論

土堤上發(fā)生水流漫頂時(shí)，可分為以下兩種情況：第一種為沒有植被的情況下，試驗(yàn)結(jié)果表明：水流在上游開始時(shí)是靜止的，加速了堤頂部分的亞臨界水流狀態(tài)，然后通過波峰上的臨界流、波峰剩余部分上的超臨界流和下游斜坡上的超臨界流，最后延伸到與先前研究中相同且更向下的地方。第二種為有植被的情況下，此時(shí)的水流特性表明：水流在上游開始時(shí)也是靜止的，在堤頂和下游斜坡處加速了亞臨界水流狀態(tài)。

很明顯，初始侵蝕過程開始于超臨界流區(qū)域內(nèi)的任何地方，這是由于河床剪切應(yīng)力過高。特別是路堤，從斜坡的不連續(xù)點(diǎn)開始，即從下游斜坡到下游坡腳區(qū)域。實(shí)際傳遞到土壤表面的有效河床剪應(yīng)力遠(yuǎn)低于沒有植被情況下產(chǎn)生的剪應(yīng)力，這是由于種植的植被產(chǎn)生阻力消耗了部分剪應(yīng)力。

植被一般種植在下游斜坡和河床上，對兩位置下的行植被(2D型)和網(wǎng)格型3D植被的河床剪應(yīng)力進(jìn)行比較，其中模型的阻塞程度均為20%，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。在行植被(2D型)中，植被行后面的流速較大；而在網(wǎng)格型3D植被中，植被行之間的流速較大，植被行后面的流速較小，則網(wǎng)格型3D植被行后面的河床剪應(yīng)力隨之較小。比較兩種密度植被行后面的河床剪應(yīng)力可知，網(wǎng)格型3D植被在具有20%的阻塞和0.25的比率時(shí)，可在下游斜坡處最多減少40%的河床剪應(yīng)力，在下游河床處最多減少54%的河床剪應(yīng)力。

圖4 比較下游斜坡上行植被(2D型)和網(wǎng)格型3D植被的河床剪應(yīng)力

圖5 比較下游河床上行植被(2D型)和網(wǎng)格型3D植被的河床剪應(yīng)力

圖6 比較下游斜坡上網(wǎng)格型3D植被和交錯(cuò)型3D植被的河床剪應(yīng)力

與上相同，植被種植在下游斜坡和河床上，此時(shí)對網(wǎng)格型3D植被和交錯(cuò)型3D植被的河床剪應(yīng)力進(jìn)行比較，其中模型的阻塞程度也均為20%，結(jié)果如圖6和圖7所示。對于網(wǎng)格型3D植被，植被行內(nèi)的水流流動速度較快，河床剪應(yīng)力較大。因此，在下游坡度以及河床上種植網(wǎng)格型3D植被后，河床剪應(yīng)力隨植被行內(nèi)的流速增加而增加。對于5 cm和15 cm的行間距(比率分別為0.25和0.75)，河床剪應(yīng)力在下游坡度上從10%增加到27%，在下游河床上從22%增加到35%。

另一方面，在交錯(cuò)型3D植被中，水流在植被行內(nèi)不能直接加速，因?yàn)檫@種類型的交錯(cuò)行阻礙水流流動，降低了流速，從而降低了下游斜坡和河床上的有效河床剪應(yīng)力。因此交錯(cuò)型3D植被的有效河床剪應(yīng)力在下游斜坡和河床上分別降低了30%和61%。

圖7 比較下游河床上網(wǎng)格型3D植被和交錯(cuò)型3D植被的河床剪應(yīng)力

對種植在下游斜坡和河床上不同間距的行植被(2D型)和全植被的有效河床剪應(yīng)力進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8和圖9所示。發(fā)現(xiàn)行植被(2D型)在比率為0.25、阻塞為20%時(shí)，可以最大程度的降低有效河床剪應(yīng)力；全植被在阻塞為20%時(shí)，也能夠最大程度的降低有效河床剪應(yīng)力。則比較行植被(2D型)和全植被在下游斜坡上的有效河床剪應(yīng)力后得出以下結(jié)果：兩種密度的植被均在阻塞為20%時(shí)可以最大限度的減少有效河床剪應(yīng)力，全植被有效河床剪應(yīng)力在下游斜坡上的最大減少量為61%，下游河床上的最大減少量為48%。種植在下游河床上也有相同的效果，在20%的阻塞作用下，全植被種植后減少的河床剪應(yīng)力大約為47%；與行植被(2D型)相比，在5%的阻塞條件下，全植被下游河床的河床剪應(yīng)力降低了35%。

圖8 比較下游斜坡上行植被(2D型)和全植被模型的有效河床剪應(yīng)力

圖9 比較下游河床上行植被(2D型)和全植被模型的有效河床剪應(yīng)力

4 結(jié)語

本文提出了一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的土路堤加固方案。通過試驗(yàn)得知，植被可顯著降低地表的有效河床剪切應(yīng)力，表明在路堤的下游斜坡或河床上進(jìn)行植被覆蓋，可以減少漫頂水流造成的損害和破壞風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)文中試驗(yàn)結(jié)果，還可以得出以下結(jié)論：

(1)網(wǎng)格型3D植被行后的河床剪應(yīng)力較低，行植被(2D型)的河床剪應(yīng)力值較高。

(2)對比網(wǎng)格型3D植被和交錯(cuò)型3D植被的河床剪應(yīng)力，可知網(wǎng)格型3D植被中行內(nèi)水流流動速度較快，導(dǎo)致河床剪應(yīng)力隨之增加；而交錯(cuò)型3D植被中的交替行阻礙了水流的流動，因此在下游坡度和河床上的河床剪應(yīng)力都降低。

(3)觀察對比種植在下游斜坡和河床上的植被，得出全植被在阻塞程度為20%時(shí)，能最大程度的降低河床剪應(yīng)力。

(4)此外，植被間距也是影響河床剪應(yīng)力的因素之一。因此針對穩(wěn)定河岸的方法，種植植被是一種有效且創(chuàng)新的解決方案。