張志華,楊 晶,汪 倩,黃金權(quán),鄧靈敏,許文盛

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所,武漢 430010;2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010)

0 引 言

護(hù)岸工程作為貫穿于河道整個(gè)區(qū)段的人造水利設(shè)施,其構(gòu)造對維持整個(gè)河岸帶的生物多樣性及生態(tài)功能有著重要影響。因此,如何在保證護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全的前提下保護(hù)好河岸帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,是目前河道水利工程建設(shè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]。

傳統(tǒng)的護(hù)岸方式(如漿砌石、混凝土、鋼筋格子籠、木樁、格賓網(wǎng)等)雖考慮河道行洪速度和岸坡穩(wěn)定性,但容易造成護(hù)岸材料的硬質(zhì)化、河流形態(tài)平直化、河道斷面的規(guī)則化,也阻斷了岸坡與空氣、水之間的直接聯(lián)系,破壞了水陸域生物棲息和繁衍場所,阻礙了流域內(nèi)水、營養(yǎng)物質(zhì)的交換,進(jìn)而影響生物多樣性及生態(tài)服務(wù)功能[2]。生態(tài)護(hù)岸可彌補(bǔ)傳統(tǒng)護(hù)岸的缺陷,兼具防洪和生態(tài)功能,將植物等環(huán)境友好的自然材料引入其中,在維護(hù)岸坡足夠強(qiáng)度的同時(shí),保持良好生態(tài)環(huán)境[3-4]。生態(tài)護(hù)岸具有“可滲透性”特點(diǎn),能夠滿足生物生活習(xí)性,保證邊坡形態(tài)穩(wěn)定并具有一定的抗干擾和生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力,增強(qiáng)水陸域動植物棲息地的連續(xù)性,提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-6]。

生態(tài)無砂混凝土具有大孔、多孔結(jié)構(gòu),透氣透水性強(qiáng),為植物生長提供水分、土壤、空氣及植物根系的聯(lián)通區(qū)域[7],已在國內(nèi)外各大河道人工生態(tài)護(hù)岸工程中廣泛應(yīng)用,在穩(wěn)定性及生態(tài)修復(fù)能力上比其他類型的人工生態(tài)護(hù)岸更具有綜合優(yōu)勢[2]。生態(tài)無砂混凝土為滿足植物生長環(huán)境,需進(jìn)行降堿處理,一般采用添加外加劑、運(yùn)用酸堿中和原理、碳化處理及物理降堿等方法[8-10]。當(dāng)植物生長至一定覆蓋度后,其不僅能夠改變水流結(jié)構(gòu),同時(shí)對河道周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響[11]。Kouwen等[12]對柔性植物水流阻力及流速分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出柔性植物下垂直流速存在分區(qū)。李冬等[13]通過進(jìn)一步建立植物層斷面垂直流速函數(shù)關(guān)系式,將植物層斷面流速分布分為S型(植物層)及J型(植物層上方)。不同植物特性對水流紊動強(qiáng)度影響較大,如植物密度增大加大了水流分界處剪切層,繼而增大了水流紊流強(qiáng)度[14]。同時(shí),浸沒在水流中的植物區(qū)域,具有一定的壅水功能,降低水流流速并滯留水中的污染物質(zhì)和泥沙[15-16]。然而,上述針對植物降低水流流速特性的研究均基于植物本身,未考慮生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)與其植物生長習(xí)性,針對基于生態(tài)無砂混凝土結(jié)構(gòu)的植物抗沖刷能力的研究還較少。

本文通過制作生態(tài)無砂混凝土,播撒狗牙根草種和鋪植馬尼拉草皮,概化設(shè)計(jì)室內(nèi)沖刷試驗(yàn),分析生態(tài)無砂混凝土不同植物對水位及流速的影響,揭示不同植物壅水機(jī)理,探究基于生態(tài)無砂混凝土護(hù)岸的植物抗沖刷性能,以期為江河岸坡生態(tài)護(hù)岸技術(shù)提供參考。

1 生態(tài)無砂混凝土基本特性

生態(tài)無砂混凝土多是采用水泥、粗骨料以及降堿摻和料按照一定的水灰比和灰骨比制作而成,為增大其透氣性,摻拌材料不采用河沙。與普通混凝土有較大不同的是生態(tài)無砂混凝土酸堿度一般維持在5.5～8.5,利于植物生長。為保證植物草種或草皮能夠生長,在鋪筑生態(tài)無砂混凝土后,需在其上覆蓋一層一定厚度的營養(yǎng)土,作為植物的初期生長環(huán)境。待植物根系穿透營養(yǎng)土層及生態(tài)無砂混凝土層,扎入原始土體,植物存活耐久性將大大提高。本文將研制的生態(tài)無砂混凝土示范應(yīng)用于汨羅江新市段,為防止植物物種入侵,通過現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)汨羅江區(qū)域植物多以馬尼拉、狗牙根、百慕大、高羊茅等植物為主。為分析在生態(tài)無砂混凝土上鋪設(shè)草皮和播撒草種的植物生長習(xí)性及抗沖刷性能,選擇根系發(fā)育旺盛的狗牙根草種作為播撒方式,以植被覆蓋度較高、病蟲害少的馬尼拉植物作為鋪設(shè)草皮方式,開展現(xiàn)場示范試驗(yàn)。通過施工場地平整、生態(tài)無砂混凝土鋪筑、生態(tài)無砂混凝土養(yǎng)護(hù)、覆蓋營養(yǎng)土、播撒草種或鋪設(shè)草皮、植物養(yǎng)護(hù)等施工工序,待植物生長1 a后,在現(xiàn)場通過切割取其試驗(yàn)塊體及室內(nèi)制備標(biāo)準(zhǔn)試塊,進(jìn)行孔隙率、滲透系數(shù)、植被覆蓋率及抗壓強(qiáng)度等參數(shù)測定。示范現(xiàn)場植物在生態(tài)無砂混凝土中的生長及根系發(fā)育如圖1所示。

圖1 示范現(xiàn)場植物在生態(tài)無砂混凝土中的生長及根系發(fā)育

對現(xiàn)場切割取得的野外生態(tài)無砂混凝土樣品,進(jìn)行植被覆蓋率等參數(shù)測定。植被覆蓋率測定后,對樣品上的覆土和植被進(jìn)行清理,進(jìn)行孔隙率和滲透系數(shù)參數(shù)測定;對于室內(nèi)制備的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)無砂混凝土試塊(150 mm×150 mm×150 mm(長×寬×高)),采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(YAW4306)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定。生態(tài)無砂混凝土主要參數(shù)見表1。

表1 生態(tài)無砂混凝土基本特性

2 沖刷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

本次沖刷試驗(yàn)在長江科學(xué)院高速水流實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)所用裝置為12 m× 1 m× 1 m(長 × 寬 × 高) 的鋼化玻璃水槽。沖刷試驗(yàn)樣品取自現(xiàn)場示范1 a后的生態(tài)無砂混凝土塊體(包括植物、覆土及生態(tài)無砂混凝土為一體),長95 cm、寬37 cm,根據(jù)現(xiàn)場生態(tài)無砂混凝土板及覆土厚度不同,樣品高度(不含植物高度)為9.3～22.3 cm,裝入特制的木質(zhì)樣品盒內(nèi),運(yùn)回長江科學(xué)院高速水流實(shí)驗(yàn)室。為避免混凝土樣品試驗(yàn)時(shí)在高速水流沖刷下發(fā)生空蝕,樣品取回后,需要對鋼化玻璃水槽進(jìn)行改造,改造時(shí)將鋼化玻璃水槽用磚砌一半寬度,留出0.5 m寬的水槽;同時(shí),用磚將水槽底部填高,留出長1.1 m×0.5 m×0.25 m(長 × 寬 × 深)的樣品槽,以備試驗(yàn)時(shí)放置樣品,樣品槽距離出水口2.5 m;所有磚砌表面均用水泥漿抹面,以減小糙率。本文模擬的水流沖刷是基于江水水流方向,與現(xiàn)場岸坡實(shí)際坡度無關(guān),因此未考慮鋼化玻璃水槽的坡度。改造后的玻璃水槽如圖2所示。

圖2 沖刷試驗(yàn)水槽示意圖

2.2 流速控制及試樣

試驗(yàn)時(shí)水流采用循環(huán)供水系統(tǒng),流速控制通過水塔(即進(jìn)水池)加壓以孔口出流的方式實(shí)現(xiàn)。流量通過閥門進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。試驗(yàn)前,先通過閥門調(diào)節(jié)水塔內(nèi)水位(即水壓),同時(shí)控制下游的尾門,進(jìn)而調(diào)節(jié)水流流速?？紤]非汛期與汛期江水水流流速一般為2～3 m/s和5～8 m/s,同時(shí)受室內(nèi)試驗(yàn)條件限制(室內(nèi)模擬水流流速最大為5 m/s),室內(nèi)沖刷試驗(yàn)水流流速設(shè)定為5 級,即1、2、3、4、5 m/s,在水塔上記錄每一級流速所對應(yīng)的水位,以備后續(xù)試驗(yàn)可重復(fù)調(diào)節(jié)。采用電子流速計(jì)測量流速。

為研究植物壅水機(jī)理,探究基于生態(tài)無砂混凝土護(hù)岸的植物抗沖刷性能,沖刷試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場取回的生態(tài)無砂混凝土試驗(yàn)樣品需保持不變,即樣品中保存有完好的植物、覆土及生態(tài)無砂混凝土。因此,在樣品槽內(nèi)填裝試驗(yàn)樣品時(shí),根據(jù)現(xiàn)場取得的生態(tài)無砂混凝土試塊總厚度,在試塊下方鋪墊均勻砂,保證鋼化玻璃水槽底部與裝入樣品槽內(nèi)的生態(tài)無砂混凝土覆土表層平齊,使得每個(gè)試驗(yàn)樣品在沖刷試驗(yàn)前的初始條件保持一致。每一個(gè)試驗(yàn)樣品裝填好后,分別將流速由1 m/s 逐級升至5 m/s,每級流速持續(xù)0.5 h,測量每一級流速下生態(tài)無砂混凝土樣品前部、中部和尾部斷面處的水位高度及其高層、中層和底層區(qū)域流速,揭示植物壅水現(xiàn)象及降低水流流速效果,并觀察生態(tài)無砂混凝土及植物被水流沖刷破壞情況。沖刷試驗(yàn)中生態(tài)無砂混凝土及植物特征如表2所示。

表2 沖刷試驗(yàn)中生態(tài)無砂混凝土及植物特征

2.3 測定點(diǎn)位分布及數(shù)據(jù)處理

在沖刷過程中對每個(gè)生態(tài)無砂混凝土試驗(yàn)樣品前端、中部、尾端3個(gè)斷面處的水位高速進(jìn)行測定,揭示生態(tài)無砂混凝土植物壅水機(jī)理;對每個(gè)斷面處水流中的高、中、低位置進(jìn)行流速測定,分析水流流經(jīng)植物區(qū)域時(shí)的流速空間變化規(guī)律,探究植物降低水流流速效果。其中各斷面處的高位置區(qū)域處于水流表面,中位置區(qū)域處于水流中間區(qū)域,低位置區(qū)域臨近植物頂部區(qū)域。各斷面及其位置點(diǎn)位分布如圖3所示。

圖3 沖刷試驗(yàn)過程中水流流速測定點(diǎn)位分布

采用水位高度差進(jìn)行對比分析不同斷面處的水位高度,以期揭示植物壅水效果。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：Δh2-1、Δh3-1分別為斷面2與斷面1處、斷面3與斷面1處的水位高度相對差(%);H斷面1、H斷面2、H斷面3分別表示斷面1、斷面2、斷面3處的水位高度(cm)。

表3 不同設(shè)計(jì)流速下不同斷面處的水位高度差

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水位分布

不同混凝土厚度和覆土厚度下生態(tài)無砂混凝土上方水位分布如圖4所示。當(dāng)生態(tài)無砂混凝土上種植狗牙根時(shí)(圖4(a)—圖4(c)),不同設(shè)計(jì)流速下植物上方水位變化有很大差別。其中,G1條件下隨著設(shè)計(jì)流速的增大,不同斷面處植物上方水位逐漸降低,G2條件下設(shè)計(jì)流速與植物上方水位的關(guān)系并不明顯,G3條件下植物上方水位隨設(shè)計(jì)流速的增大而增大。造成該結(jié)果的原因可能是G1條件下植物覆土厚度僅為0.5 cm,植物高度(包括植物根莖)比G2、G3要高(見表2),較小流速的水流流經(jīng)植物區(qū)域時(shí)受植物根莖及枝葉影響,存在一定的壅水現(xiàn)象[13],使得G1條件下設(shè)計(jì)流速為1 m/s時(shí)的植物上方水位最大。當(dāng)生態(tài)無砂混凝土上鋪植馬尼拉草皮(M1-M3)時(shí)(圖4(d)—圖4(f)),植物上方水位均隨著設(shè)計(jì)流速的增大而降低。

圖4 不同設(shè)計(jì)流速下生態(tài)無砂混凝土試樣斷面處水位高度

不同設(shè)計(jì)流速下不同斷面處的水位高度差如表3所示。從表3可以看出當(dāng)生態(tài)無砂混凝土上種植狗牙根植物時(shí),斷面3與斷面1的水位高度差均大于斷面2與斷面1的水位高度差(除G2設(shè)計(jì)流速為1 m/s外),表明水流流經(jīng)植物區(qū)域,壅水存在一個(gè)區(qū)間過程,沿水流方向植物壅水效果越好。當(dāng)生態(tài)無砂混凝土上鋪設(shè)馬尼拉草皮時(shí),各斷面處的水位高度差絕大多數(shù)均>0,但沒有明顯規(guī)律,表明馬尼拉草皮也具有一定的壅水效果。對比狗牙根植草和馬尼拉草皮各斷面處的水位高度差可知,狗牙根植物壅水效果優(yōu)于馬尼拉草皮。這是由于狗牙根植物高度大于馬尼拉,使得狗牙根植物易倒伏程度大于馬尼拉植物,狗牙根植物倒伏后其頂端葉片改變了水流方向[13],導(dǎo)致植物區(qū)域中部及尾部區(qū)域水位升高。

從表2中可以看出各試驗(yàn)樣品中的覆土厚度并不同,根據(jù)表3中各斷面處的水位高度差可知,植物壅水效果與覆土厚度關(guān)聯(lián)性不大。

3.2 流速降低率

河道植物可保持水土并凈化水質(zhì),對生態(tài)系統(tǒng)有良好的修復(fù)作用,同時(shí)河道植物會降低河道的輸水和泄洪能力,能夠降低河道水流流速[17]。如圖5所示,不同種植條件和種類下植物降低流速效果不同。G1條件下受植物壅水影響,設(shè)計(jì)流速為1 m/s時(shí)的植物降低水流流速效果最佳,流速降低率最高達(dá)40%。隨著流速的增大,植物壅水效果及降低流速方面效果均較好,除設(shè)計(jì)流速為3 m/s外,不同設(shè)計(jì)流速下生態(tài)無砂混凝土各斷面處測得的水流流速均小于設(shè)計(jì)流速。M1—M3條件下,鋪植馬尼拉草皮的植物措施降低水流流速效果優(yōu)于狗牙根草種植物(圖5(d)—圖5(f)),不同斷面處的水流流速大部分小于設(shè)計(jì)流速。

圖5 不同植物生態(tài)無砂混凝土試樣斷面處垂直方向的流速降低率

此次對不同斷面垂直方向高、中、低處的水流流速進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)不同斷面垂直方向的水流流速值不同。從圖5中還可以看出,每個(gè)斷面高、中、低處的水流流速沿垂直方向向下呈線性下降趨勢,也就是越靠近植物層區(qū)域,水流流速越低,表明植物措施具有較好的降低流速作用[18]。同時(shí),當(dāng)生態(tài)無砂混凝土上鋪植馬尼拉草皮,除部分?jǐn)嗝娓咚惶幍乃髁魉偻?靠近植物層區(qū)域的水流流速均小于設(shè)計(jì)流速,且當(dāng)M3條件下設(shè)計(jì)流速為3 m/s時(shí),靠近植物層區(qū)域的水流流速降低率高達(dá)75.24%。對比狗牙根(G1—G3)和馬尼拉(M1—M3)結(jié)果可知,鋪植草皮降低流速效果優(yōu)于播撒草種。結(jié)合3.1節(jié)植物措施壅水效果分析,馬尼拉植物高度小于狗牙根,其易倒伏性小于狗牙根,使得植物密度較大的馬尼拉植物對水流紊動強(qiáng)度的影響加大[14]。

3.3 植物類型對流速的影響

植物具有自身的生長特點(diǎn)和韌性,在水流作用下其對水流流速的影響也各不相同。在種植狗牙根和鋪植馬尼拉草皮的生態(tài)無砂混凝土樣品沖刷試驗(yàn)過程中,其降低水流流速效果并不相同。從圖6中可以看出,當(dāng)混凝土種植狗牙根植物,水流流速降低率平均值由正值變?yōu)樨?fù)值時(shí)的設(shè)計(jì)流速為2～3 m/s,表明狗牙根在設(shè)計(jì)流速<3 m/s時(shí)降低流速效果并不明顯。當(dāng)混凝土上鋪植馬尼拉草皮,不同設(shè)計(jì)流速下植物上方不同高度處的水流流速降低率平均值均<0,表明水流流速<5 m/s時(shí),馬尼拉草皮鋪設(shè)方式降低流速效果優(yōu)于狗牙根植草方式。造成上述結(jié)果的原因可能是狗牙根為多年生草本植物,具有根狀莖和匍匐枝,須根細(xì)而堅(jiān)韌,直立部分高 10～30 cm,且稈壁較厚,直徑1～1.5 mm,由于采用草種播撒形式,其植物密度小,在設(shè)計(jì)流速較小時(shí)水流從植物縫隙中流過,其降低流速效果不明顯;馬尼拉具有匍匐莖,莖葉和稈纖細(xì),高 5～10 cm,形成的草皮具有一定的彈性且植被覆蓋率高,植物稈間縫隙小,導(dǎo)致過水?dāng)嗝孀枇υ龃骩14,19],使得馬尼拉草皮對較小的設(shè)計(jì)流速也具有一定的降低流速效果。

圖6 不同植物類型降低流速效果

3.4 植物抗沖刷性能

此次沖刷試驗(yàn)最大流速達(dá)為5 m/s,持續(xù)沖刷3 h后的生態(tài)無砂混凝土植物狀態(tài)如圖7所示。

圖7 沖刷3 h后的生態(tài)無砂混凝土植物樣品

從圖7可知,隨著高速水流持續(xù)沖刷,生態(tài)無砂混凝土表面營養(yǎng)土逐漸被水流沖蝕,包括混凝土空隙內(nèi)部土壤。然而由于植物根系已扎入混凝土內(nèi)部且穿透混凝土,使得混凝土表面植物并未被高速水流沖走。經(jīng)測定,沖刷前后狗牙根及馬尼拉植被覆蓋度分別為91.2%、90.8%及100%、100%。因此,基于本文研究結(jié)果,以狗牙根草種和馬尼拉草皮的生態(tài)無砂混凝土,可承受的最大高速水流流速為5 m/s。受室內(nèi)試驗(yàn)條件限制,水流流速>5 m/s時(shí)的生態(tài)無砂混凝土植物抗沖刷性能有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文概化設(shè)計(jì)了生態(tài)無砂混凝土植物抗沖刷室內(nèi)模擬試驗(yàn),探究了狗牙根草種植物和馬尼拉草皮在不同設(shè)計(jì)流速下的水位、流速分布規(guī)律,對比分析了2種植物降低水流流速效果及抗沖刷性能。主要結(jié)論如下：

(1)水流流經(jīng)植物區(qū)域,壅水存在一個(gè)區(qū)間過程,沿水流方向植物壅水效果越好。由于狗牙根植物高度大于馬尼拉,使得狗牙根植物易倒伏程度大于馬尼拉植物,在水流沖刷下狗牙根植物頂端葉片改變了水流流向,導(dǎo)致植物區(qū)域中部及尾部區(qū)域水位升高,致使狗牙根植物壅水效果優(yōu)于馬尼拉草皮。同時(shí),植物壅水效果與覆土厚度無較大的關(guān)聯(lián)性。

(2)同一斷面處,沿垂直方向向下水流流速逐漸降低,即距離植物層越近的區(qū)域,植物降低流速效果越明顯,流速降低率最高達(dá)75.24%。

(3)受植物密度對水流紊動強(qiáng)度的影響,當(dāng)水流流速<5 m/s時(shí),生態(tài)無砂混凝土上鋪設(shè)的馬尼拉草皮降低水流流速效果優(yōu)于狗牙根植物。