无芒雀麦草皮护坡抗水流侵蚀试验研究

田振华,韩 雷,狄高健,李 洋

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

无芒雀麦为禾本科雀麦属多年生草本植物，喜冷凉湿润气候，在温度、雨量适中地区生长良好。又因其根系发达、入土深、能耐长期干旱；耐严寒，不喜高温潮湿气候，在东北、内蒙古、青海等地，气温在-40 ℃左右，亦能安全过冬；其在排水良好的肥沃壤土和黏性土均生长良好，且具有耐湿、耐瘠、耐盐碱的特性。因此无芒雀麦在植被护坡领域受到越来越多的青睐，但是作为一种优良的护坡植物，其在水流冲刷作用下的抗侵蚀作用如何，近年来鲜有报道。有学者认为床面切应力对植被的曳引作用是造成草皮护坡破坏的直接原因[1],而与床面切应力相关且可以直接测得参数为摩阻流速，故测得草皮护坡所能抵抗的最大水流流速成为重点。毛昶熙[2]等研究得出了在水力荷载作用下发生严重侵蚀破坏时的流速范围为2～4 m/s。英国CIRIA[3]测得加筋草皮较深水位下可抵抗极限抗冲流速为6.00 m/s的短期冲刷。美国水土保持局[4]测得单一型式的植被护坡最大的抗冲流速为2.74 m/s。

本文采用文献[5]所述的试验装置，对多年生无芒雀麦草皮护坡进行抗水流冲刷试验研究，得出该草皮护坡在不同流速下的抗冲历时、破坏程度等重要参数。为水土保持、植被护坡领域的草类选型提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 有压流冲刷装置简介

该冲刷装置的工作流程图如图1所示。该套设备由供水系统、量测系统、试验段、尾水回流段组成。

图1 有压流冲刷装置示意图

本文所采用的装配式有压流冲刷试验装置，可实现不同类型草皮护坡的抗冲刷试验，可对草皮试样的方便安装与拆卸。其工作段采用厚度为12 mm的透明有机玻璃板制作，截面为矩形，其内壁尺寸为长5.0 m×宽0.2 m×高0.1 m，流量范围30～120 L/s，其断面平均流速可达6.0 m/s。试验槽盒亦采用有机玻璃制作，槽盒内壁尺寸为0.5 m×0.2 m×0.2 m。槽盒装配置有压段后，其内壁与水槽底面保持齐平，如图2所示。

图2 有机玻璃试验段及可拆卸试样槽盒

1.2 无芒雀麦草皮护坡的选取

选用黑龙江省黑壤土作为无芒雀麦草皮护坡的土体，选用优良无芒雀麦草籽人工播种。选取合理的种植区域，5月份对所选土地进行人工平整、去除杂草、采用撒播方式进行种植。在无芒雀麦草皮的生长过程中，根据气候条件，对无芒雀麦草皮本身进行保温、浇水、去除杂草等人工养护措施，以保证无芒雀麦草皮的良好长势。由于无芒雀麦为多年生草本植物，为了避免其根系生长不充分产生试验误差，经过两年的生长期之后，对无芒雀麦草皮护坡再进行有压流试验。结合无芒雀麦草皮的生长周期及气候条件，在9月份对所种植的无芒雀麦草皮进行比选，并采取合理的取样措施对无芒雀麦草皮进行裁剪。选取长势均匀茂密的无芒雀麦草皮，如图3所示，先根据试样盒的尺寸，在草皮上划定取样范围，采用土工切刀、铁锹等工具将草皮整块取出，然后将取出的草皮按照试样盒内体积尺寸裁剪，使得草皮完全置入试样盒，并保证试样盒上边缘与草皮表面齐平。取样过程中应尽量避免破坏草皮整体的完整性。草皮试样盒采用厚度为10 mm的有机玻璃制作采用长方体设计，其内壁尺寸长宽高分别为500 mm×100 mm×200 mm。

图3 两年生无芒雀麦草皮护坡

1.3 试验过程

(1)设备合理性检验、安装与调试。启动水泵，在无冲刷试样的情况下调节阀门，通过量水堰计算各级流速对应的阀门开度，并标记。

(2)试样制作。将图3所示的试样置于静水中淹没浸泡12 h，使土体充分浸润。

(3)冲刷试验。将(2)所得试样置于冲刷装置相应位置，采用法兰盘及螺栓固定，启动水泵，按(1)成果调节阀门开度，待水流稳定后开始记录测压管读数，观察试验过程中草皮的冲刷状况并记录。按0.5 m/s逐级增加流速，完成各级流速的冲刷试验后，关闭水泵。对冲刷过程进行录像及拍照。

(4)试验过程中测定并计算试验草皮段壁面平均切应力。

(5)试样草皮抗水流冲刷破坏评价。根据径流冲刷下天然草皮破坏程度、植被存活情况、基土冲蚀情况将整个破坏过程分为四个阶段：微弱破坏、轻度破坏、中度破坏、完全破坏。

2 试验成果与讨论

本试验采用有压流冲刷装置，不同于以往的无压开敞式渠道流，因此在正式开始试验之前，需要对有机玻璃管壁及选用的草皮试样的水力糙率测定，来检验试验设计的合理性。

试验前，将有机玻璃试验段内的镂空部分即图2所示的部分，采用预先设计好的凸型补板，将其封补密实，保证有压段内部过水断面保持在同一水平面上。在试样镂空处前后水槽底部中线处各设计测压管，来测量测点间水头损失，计算糙率。测压孔孔口布置如图4所示。具体计算步骤如下：

图4 测压孔孔口布置图

在某一稳定流量下，有机玻璃水槽的壁面切应力τ壁用式(1)计算

(1)

根据曼宁公式、谢才公式可得到曼宁糙率与床面切应力的关系式(2)：

(2)

式中：f为阻力系数。

将图2所示的试样槽盒位置，安装上预先裁剪完成的无芒雀麦草皮试样盒，重复率定有机玻璃管试样的糙率步骤，得出无芒雀麦草皮的综合曼宁糙率系数。

试验测得有机玻璃水槽内壁的糙率n范围在0.008～0.010之间。满足规范所规定的最小值0.008，最大值0.010，正常值0.009的要求。采用同样的方法测得的无芒雀麦草皮护坡的糙率值在0.019～0.022之间。

在植被护坡中，植草的主要作用是阻挠水流保护岸坡，植被覆盖面积大，从而可以防止水土流失，而植物根系一般穿透力强，能向面层以下土体发育，可以减弱雨水、河流及地表径流对岸坡表面的冲蚀。表面草根形成了一层土-根的复合护面层，可增强裸露基土的抗冲蚀能力，而深层根系起着锚固基土的作用。植被护坡的破坏主要是因为植物根部的土壤被水流冲走剥离以及水流对植物本身的曳引力所造成的。水流的持续冲刷作用下，使得草根周围土壤发生侵蚀剥离，逐渐削弱了植物根系的锚固作用，直至植被整体被水流曳引力带走。决定草皮护岸有效性的物理特性有：①草的长度与劲度；②草的叶片表面面积；③草根的结构与深度；④地下茎，匍匐茎及表面根结构的稠密度。对于无芒雀麦草皮护坡，试验浸润前、浸润后以及冲刷后分别称取了试样重量，从而得到了草皮护坡的吸水量及土体损失量。吸水量可侧面反映护坡土体对水体的吸附及保水能力，而土体损失量，可反映护坡在水流冲刷作用下的抗侵蚀能力，一般认为，土壤损失量越大，其抗水流冲刷侵蚀能力越小。表1为无芒雀麦草皮护坡的吸水率及水土流失率成果表。

表1 无芒雀麦草皮护坡吸水率及水土流失率统计表

对于无芒雀麦草皮护坡，自1.0 m/s起冲，以0.5 m/s的流速逐级递增，每级流速冲刷历时1 h。试验结果表明，无芒雀麦草皮护坡的最大抗冲历时约为3 h；最大抗冲流速可达5.0 m/s。水土流失率为12.06%。表2给出了本试验所选取的无芒雀麦草皮在有压流冲刷下的破坏成果。试验所选取的无芒雀麦草皮护坡为覆盖度很高的草皮类型，由于其根系纵横向较发育，以至于覆盖层以下的土体颗粒难以受到水流的直接淘刷作用，同时根系之间纵横交织成网，增强了无芒雀麦草皮的稳定性与整体性。由于对草皮护坡抗冲刷破坏程度的判定，目前国内外尚无统一的判定标准。笔者参考文献[6]中的判定标准，将草皮护坡破坏现象按破坏程度分为三级：Ⅰ级轻微破坏：植物茎叶部分完全倒伏，表层细颗粒泥沙起动，草根部分裸露。Ⅱ级中等破坏：大量泥沙起动，大部分根系裸露，出现凹凸不平冲刷坑。Ⅲ级完全破坏：整体草皮出现大面积淘刷，之后被水流冲散分离卷走，草皮整体破坏。此时无芒雀麦草皮护坡呈现中度破坏等级(Ⅱ级)，具体表现为，覆土层细颗粒土壤起动，小部分草根裸露。

表2 无芒雀麦草皮护坡冲刷破坏成果

3 结 论

基于文献[1]所述的草皮护坡抗侵蚀破坏相关理论，自行研制一款有压流冲蚀装置，对两年生无芒雀麦草皮护坡的抗水流侵蚀性能进行试验研究，得出最大抗冲流速为5 m/s时，其累计抗冲历时约3 h，发生破坏的床面切应力为106.5 Pa，摩阻流速为0.33 m/s，发生冲蚀破坏的级别为Ⅱ级，其水土流失率仅为12.06%。因此，无芒雀麦草皮护坡具有较强的抗水流侵蚀能力及固土固沙能力，可以作为植被护坡方面的推荐草皮类型。