植被密度对降低土堤下游边坡河床剪应力的影响研究

夏雪峰，杭中强，邵帅琦，施建业

(1.宜兴市芳桥街道水利站，江苏 宜兴 214200；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

河岸侵蚀和堤坝溃决是地方性经常发生的自然灾害之一，其往往造成主要河流土地和民生经济的大量损失[1-2]。其中，溢流是下游斜坡土坝上最具破坏性的因素，因为整个下游斜坡上过高的河床剪应力和超临界流使得河床表面物质发生侵蚀。为了保护河岸路堤，应减少河床剪应力。此时有几种传统的路堤防护工程可供选择，如混凝土砌块、土工袋等硬工程，从经济角度来看，缓解这些问题的成本很高。且用于此类工程的国家预算不充足，只能将刚性结构保护措施限制在最需要的部分，而不是整个河岸路堤。不仅如此，坚硬的工程结构破坏了风景优美的环境，将问题转移到另一个地方，如对面的场地或下游，这只是加剧了矛盾而不是减少矛盾，这种绷带方法使问题变得更加复杂。

已知河堤出现损坏大部分是由波浪或水流漫顶引起的。对于土质河岸堤坝，漫顶是造成下游边坡破坏最主要的因素之一。下游斜坡破坏可能导致堤坝溃决，当水渗入堤顶、下游斜坡处土壤的抗剪强度会降低。有学者观察到，初始侵蚀过程开始于超临界流动区域内的任何地方，特别是在斜坡不连续点处，即路堤下游斜坡的顶部和坡脚。

治理与修复河流的科学家认为，河流中不仅包含非生物物质(水流、泥沙)，还包含生物，因此，河道中的植被应纳入河流动力学系统。与此同时，植被还能增大水流阻力、提高水位、降低泄流能力[3-5]。在有重要基础设施的地方，土堤或路堤的上游用石头或混凝土块覆盖，下游斜坡通常被草覆盖。种植在下游斜坡处的植被对减少侵蚀有相当大的作用，因为植物屏障会增加河床表面粗糙度，降低水流流速，消耗能量，保护斜坡免受侵蚀。生物工程作为稳定河岸和堤岸、控制侵蚀程度的传统技术，生态友好型的香根草已经在120多个国家成功使用了一个多世纪，故可将香根草种植在下游斜坡处来保护河堤。最近研究结果表明，应用香根草保护河岸线或堤岸时所需成本较低。成熟的香根草能承受高速水流的冲刷，在水深0.6～0.8 m、水流速度3.5 m/s的条件下，其坚硬的枝条和强壮的根系能使植物在水中稳定地站立。然而，目前针对植被控制水流阻力和河床剪应力的相关研究较少，对水流与香根草间的相互作用和特性了解也有限，为了最大限度减少自然灾害的影响、实现农业生产目标。本研究的主要目的是引入自然资源，如植被，以在溢流期间保护路堤或河堤的下游边坡，并控制减少河床剪应力，该河床剪应力从高流量区域即超临界流动状态开始对路堤造成侵蚀。

1 材料和方法

1.1 实验装置

图1 测试设施剖面图

图2 实验装置俯视图

2.2 数据采集

用电磁流量计测量流量(型号：MK-515/8510-XX，桨式流量传感器)；用电磁速度计(主放大器型号：VM-2000；传感器类型：VMT2-200-04P)测量通道中心线和模型处的流速；用安装在速度剖面相同位置可移动滑架上的测针来测量水面高程，精度可达0.1 mm。

2.3 阻力测量

双轴测压元件用分辨率为1/1 000、最大负载为10.0N的LB-60型测量植被模型上纵向(X)和横向(Y)两个方向的阻力。如图3所示，(a)是下游斜坡和河床上为全植被设置的拖曳力测量装置，(b)为行植被(2D型)设置的拖曳力测量装置

图3 阻力测量装置

2.4 有效剪应力的计算

试验期间，在模型上游形成稳定的均匀溢流状态，水流漫顶期间，流动状态逐渐随之改变，变得不稳定和不均匀。为了简单起见，考虑用稳定的非均匀流计算有效剪应力。在这种情况下，总剪应力等于河床剪应力和植被阻力引起的等效剪应力之和：

τe=τb+τv

(1)

式中：τw为水流重量的纵向分量；τb为传递至土壤的河床剪应力；τv为植被引起的阻力。如前所述，拖曳力由双轴测压元件装置直接测量。

河床单位面积水流重量的纵向分量可由下式表示：

τw=ρghic(1-λ)

(2)

式中：λ为植被的集中面积。根据方程(2)可知，直接传递到土壤的有效床面剪应力是通过减去不同流量下的植被阻力来计算的。

3 结果和讨论

土堤上发生水流漫顶时，可分为以下两种情况：第一种为没有植被的情况下，试验结果表明：水流在上游开始时是静止的，加速了堤顶部分的亚临界水流状态，然后通过波峰上的临界流、波峰剩余部分上的超临界流和下游斜坡上的超临界流，最后延伸到与先前研究中相同且更向下的地方。第二种为有植被的情况下，此时的水流特性表明：水流在上游开始时也是静止的，在堤顶和下游斜坡处加速了亚临界水流状态。

很明显，初始侵蚀过程开始于超临界流区域内的任何地方，这是由于河床剪切应力过高。特别是路堤，从斜坡的不连续点开始，即从下游斜坡到下游坡脚区域。实际传递到土壤表面的有效河床剪应力远低于没有植被情况下产生的剪应力，这是由于种植的植被产生阻力消耗了部分剪应力。

植被一般种植在下游斜坡和河床上，对两位置下的行植被(2D型)和网格型3D植被的河床剪应力进行比较，其中模型的阻塞程度均为20%，试验结果如图4和图5所示。在行植被(2D型)中，植被行后面的流速较大；而在网格型3D植被中，植被行之间的流速较大，植被行后面的流速较小，则网格型3D植被行后面的河床剪应力随之较小。比较两种密度植被行后面的河床剪应力可知，网格型3D植被在具有20%的阻塞和0.25的比率时，可在下游斜坡处最多减少40%的河床剪应力，在下游河床处最多减少54%的河床剪应力。

图4 比较下游斜坡上行植被(2D型)和网格型3D植被的河床剪应力

图5 比较下游河床上行植被(2D型)和网格型3D植被的河床剪应力

图6 比较下游斜坡上网格型3D植被和交错型3D植被的河床剪应力

与上相同，植被种植在下游斜坡和河床上，此时对网格型3D植被和交错型3D植被的河床剪应力进行比较，其中模型的阻塞程度也均为20%，结果如图6和图7所示。对于网格型3D植被，植被行内的水流流动速度较快，河床剪应力较大。因此，在下游坡度以及河床上种植网格型3D植被后，河床剪应力随植被行内的流速增加而增加。对于5 cm和15 cm的行间距(比率分别为0.25和0.75)，河床剪应力在下游坡度上从10%增加到27%，在下游河床上从22%增加到35%。

另一方面，在交错型3D植被中，水流在植被行内不能直接加速，因为这种类型的交错行阻碍水流流动，降低了流速，从而降低了下游斜坡和河床上的有效河床剪应力。因此交错型3D植被的有效河床剪应力在下游斜坡和河床上分别降低了30%和61%。

图7 比较下游河床上网格型3D植被和交错型3D植被的河床剪应力

对种植在下游斜坡和河床上不同间距的行植被(2D型)和全植被的有效河床剪应力进行比较，结果如图8和图9所示。发现行植被(2D型)在比率为0.25、阻塞为20%时，可以最大程度的降低有效河床剪应力；全植被在阻塞为20%时，也能够最大程度的降低有效河床剪应力。则比较行植被(2D型)和全植被在下游斜坡上的有效河床剪应力后得出以下结果：两种密度的植被均在阻塞为20%时可以最大限度的减少有效河床剪应力，全植被有效河床剪应力在下游斜坡上的最大减少量为61%，下游河床上的最大减少量为48%。种植在下游河床上也有相同的效果，在20%的阻塞作用下，全植被种植后减少的河床剪应力大约为47%；与行植被(2D型)相比，在5%的阻塞条件下，全植被下游河床的河床剪应力降低了35%。

图8 比较下游斜坡上行植被(2D型)和全植被模型的有效河床剪应力

图9 比较下游河床上行植被(2D型)和全植被模型的有效河床剪应力

4 结语

本文提出了一种经济、环保的土路堤加固方案。通过试验得知，植被可显著降低地表的有效河床剪切应力，表明在路堤的下游斜坡或河床上进行植被覆盖，可以减少漫顶水流造成的损害和破坏风险。根据文中试验结果，还可以得出以下结论：

(1)网格型3D植被行后的河床剪应力较低，行植被(2D型)的河床剪应力值较高。

(2)对比网格型3D植被和交错型3D植被的河床剪应力，可知网格型3D植被中行内水流流动速度较快，导致河床剪应力随之增加；而交错型3D植被中的交替行阻碍了水流的流动，因此在下游坡度和河床上的河床剪应力都降低。

(3)观察对比种植在下游斜坡和河床上的植被，得出全植被在阻塞程度为20%时，能最大程度的降低河床剪应力。

(4)此外，植被间距也是影响河床剪应力的因素之一。因此针对稳定河岸的方法，种植植被是一种有效且创新的解决方案。