三维生态保护毯护坡冲刷试验装置设计与研究

2021-10-22王灿黄铭合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

安徽建筑 2021年10期

王灿，黄铭（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

我国地表水资源丰富，天然河流众多，近几十年来随着南水北调工程、胶东引黄调水工程、引江济淮工程等调水工程的大批兴建，形成了人工河道与天然河道错综复杂的局面，边坡问题成为学者们关注的重要问题。21世纪随着生态水利的全面提出与发展，生态护坡技术已经成为水利与生态环境相结合的重要技术领域。

生态护坡技术不断革新与发展，近年来，新型柔性三维生态保护毯在河道边坡防护工程中得到了广泛关注，研究其抗冲刷性能具有重要工程意义。现用于模拟平原河道的试验模型装置大多为明渠均匀流缓坡水槽，其流速一般较低，不易满足高流速试验要求。为此，本文设计了一套复合水槽冲刷试验装置，既能实现较大流速条件下的水流冲刷，又能模拟河道明渠水流，使试验结果更加全面。通过对三维生态保护毯护坡的抗冲刷性能进行试验研究，结合理论公式推导，分析不同水流条件下植被区床面切应力的变化趋势以及在护坡抗冲刷性能方面的作用。

1 三维生态保护毯护坡模型试验设计

1.1 试验装置设计

试验装置整体结构布置如图1所示，整个装置形成一个独立的循环系统，上游水头高度由高位水箱内水位控制，当水泵提供水量大于冲刷试验所需水量时，超出部分水通过回流管道返回地下水库，使水箱高度稳定在某一恒定值。高位水箱后通过管道连接冲刷试验水槽，冲刷试验水槽采用有机玻璃加工制作，可以清楚地观察到装置内试样的变化，管道与冲刷试验水槽的连接处布设圆管变方管的异形管道，以便衔接。整个试验过程中水流通过循环槽道重新流入地下水库，保证水流循环。

图1 整体结构布置示意图

冲刷试验水槽流量控制采用阀门调节的方式，后接电磁流量计，以确定不同时刻、不同阀门开度下流经整个试验装置的断面流量，有机玻璃矩形水槽上方安装测压装置。冲刷试验水槽实体模型图如图2所示。

图2 冲刷试验水槽

本研究所设计的复合水槽冲刷试验装置具有有压与无压相结合的特点，水槽中部设置有机玻璃隔板，当安装隔板时，水流从水槽下半部分经过，整个试验段保持有压状态；当拆卸隔板时，试验水槽呈类似明渠型式，试验段为无压状态。

1.2 三维生态保护毯护坡前期准备

三维生态保护毯护坡植被选用狗牙根、高羊茅混播，由于狗牙根是一种生长迅速，掠夺性和侵略性都极强的草本植物，所以混播中用量一定要做到严格控制，结合工程实际，试验研究中采用狗牙根和高羊茅的混播比例为1：3，种植密度为20～25g/m。将草种放入特制的植被槽中进行种植，按照平整坡面→铺设柔性三维生态保护毯→播撒草种→覆土这一操作流程，种植完成后注意浇水和前期养护。待植被生长1.5个月后，根系平均长度约8cm，能够与柔性三维生态保护毯紧密地缠绕在一起，满足试验要求，将混播植被进行修剪处理，平均高度约10cm，即可开展试验。试验中选用的柔性三维生态保护毯主要材质为聚酰胺，厚度为17mm，单位克重约400g/m。

2 冲坑深度分析

本研究所设计的冲刷试验装置采用有压与无压复合型式，因有压型式拆装复杂，冲坑深度测量不便，而在试验装置无压状态下可便捷实现冲坑情况的连续测量。在0.5m/s和1m/s两个流速条件下，以无压状态进行三维生态保护毯护坡冲刷试验测量冲坑深度，分析冲坑深度与冲刷历时之间的关系，如图3所示。

图3 冲坑深度-冲刷历时曲线

冲坑深度数据采用多点测量求平均值的方式确定，根据图3曲线，冲坑深度的数值随冲刷历时的增加不断增大，且增长速率逐渐变慢。分析主要原因：①接近三维生态保护毯网垫的位置，土体较为集中，植被根系以及保护毯上层网包对土体的保护作用更加明显，使其抗冲刷性能得到提升；②由于土体的自然沉降以及固结作用，深度越深的土体紧实度越高，抵抗水流冲刷的能力也就越强。

3 植被区床面切应力分析

3.1 理论公式推导

在采用生态护坡的河道中，护坡的抗冲刷性能主要体现在处于淹没状态的植物茎叶以及床面基土对水流的阻力作用。根据牛顿第三定律，生态护坡对水流的阻力等于水流对生态护坡植被床面的切应力，无论在试验水槽以及实际河道中，对于坡面条件、植被条件相同的护坡，水力条件一定时，产生的床面切应力也是相同的。图4为本研究所设计的冲刷试验装置压差测量示意图，根据植被区前后压差数值，对有压状态下植被区床面切应力进行计算。

图4 压差测量示意图

当试验装置处于有压封闭状态时，有机玻璃水槽断面形状和尺寸沿程不变，水槽中水流可近似看作均匀流，对于均匀流，壁面平均切应力的计算公式为：

式中：ρ为水流密度，取1.0×10kg/m；g为重力加速度，取9.8m/s；R为水力半径；J为水力坡度；L为试验段长度；Δh为试验段水头损失。

首先进行无植被槽的光滑有机玻璃壁面切应力计算，试样箱位置放置同样材质有机玻璃板，在某一稳定的流速下，用压差计测出1、4断面之间的水头差（1，2，3，4为顺水流方向4个断面，具体位置如图6所示），则根据式（1）可求得1、4断面之间壁面平均切应力τ为：

在试样箱中放入植被槽进行三维生态保护毯护坡冲刷试验，待水流稳定后保持流速与光滑有机玻璃壁面试验相同，则1、4断面的平均切应力 τ亦可根据压差表测量数据由式（1）求得：

试验各流速下切应力数值

计算植被槽床面切应力时，须扣除有机玻璃水槽壁面的影响，故植被区床面切应力可以表示为：

式中：B、H分别为有机玻璃水槽处于有压状态时内径的宽度和高度；l、l、l、l分别为图6所示断面之间的距离。

根据达西-魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：

式中：h为沿程水头损失；λ为沿程水头损失系数；v为断面平均流度。

结合式（1），可得到植被区床面切应力与断面平均流速之间应具有如下关系：

3.2 试验数据分析

将试验监测得到的压差数据采用式（2）、式（3）和式（4）进行处理计算，得到有压状态各流速下植被区床面切应力具体数值，如下表所示，并绘制植被区床面切应力与水流流速关系曲线。

图5 床面切应力-流速曲线

水流对三维生态保护毯植被护坡表面的切应力等于保护毯护坡对水流的阻力，是三维生态保护毯护坡抗冲刷性能的直观体现。根据图5曲线可以看出，在本试验的流速条件下，植被区床面切应力随流速的增大而增大，且与流速之间存在非线性关系，与理论推导得到的式（6）规律相符。

进行不同流速条件下植被区床面切应力随冲刷时间变化相关试验并绘制图6所示曲线，在1.5m/s和3m/s两个流速下，三维生态保护毯护坡试样床面切应力随冲刷时间的增加而逐渐减小，而后保持在一个比较稳定的数值。分析主要原因：由于植被生长情况有所差异，排列不均，初期对水流阻力明显，历经长时间的水流冲刷后，植被茎干在水流持续冲刷下弯曲程度增加，茎叶之间的排列趋于顺滑和平整，对水流阻力有所减小，在试验时段后期维持相对稳定。