基于生态无砂混凝土护岸的植物抗冲刷性能

张志华,杨 晶,汪 倩,黄金权,邓灵敏,许文盛

(1.长江科学院 水土保持研究所,武汉 430010;2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心,武汉 430010)

0 引 言

护岸工程作为贯穿于河道整个区段的人造水利设施,其构造对维持整个河岸带的生物多样性及生态功能有着重要影响。因此,如何在保证护岸结构稳定和安全的前提下保护好河岸带生态系统结构与功能,是目前河道水利工程建设所面临的巨大挑战[1]。

传统的护岸方式(如浆砌石、混凝土、钢筋格子笼、木桩、格宾网等)虽考虑河道行洪速度和岸坡稳定性,但容易造成护岸材料的硬质化、河流形态平直化、河道断面的规则化,也阻断了岸坡与空气、水之间的直接联系,破坏了水陆域生物栖息和繁衍场所,阻碍了流域内水、营养物质的交换,进而影响生物多样性及生态服务功能[2]。生态护岸可弥补传统护岸的缺陷,兼具防洪和生态功能,将植物等环境友好的自然材料引入其中,在维护岸坡足够强度的同时,保持良好生态环境[3-4]。生态护岸具有“可渗透性”特点,能够满足生物生活习性,保证边坡形态稳定并具有一定的抗干扰和生态系统自我修复能力,增强水陆域动植物栖息地的连续性,提高生态系统的稳定性[5-6]。

生态无砂混凝土具有大孔、多孔结构,透气透水性强,为植物生长提供水分、土壤、空气及植物根系的联通区域[7],已在国内外各大河道人工生态护岸工程中广泛应用,在稳定性及生态修复能力上比其他类型的人工生态护岸更具有综合优势[2]。生态无砂混凝土为满足植物生长环境,需进行降碱处理,一般采用添加外加剂、运用酸碱中和原理、碳化处理及物理降碱等方法[8-10]。当植物生长至一定覆盖度后,其不仅能够改变水流结构,同时对河道周边生态环境产生一定影响[11]。Kouwen等[12]对柔性植物水流阻力及流速分布进行了试验研究,得出柔性植物下垂直流速存在分区。李冬等[13]通过进一步建立植物层断面垂直流速函数关系式,将植物层断面流速分布分为S型(植物层)及J型(植物层上方)。不同植物特性对水流紊动强度影响较大,如植物密度增大加大了水流分界处剪切层,继而增大了水流紊流强度[14]。同时,浸没在水流中的植物区域,具有一定的壅水功能,降低水流流速并滞留水中的污染物质和泥沙[15-16]。然而,上述针对植物降低水流流速特性的研究均基于植物本身,未考虑生态护岸结构与其植物生长习性,针对基于生态无砂混凝土结构的植物抗冲刷能力的研究还较少。

本文通过制作生态无砂混凝土,播撒狗牙根草种和铺植马尼拉草皮,概化设计室内冲刷试验,分析生态无砂混凝土不同植物对水位及流速的影响,揭示不同植物壅水机理,探究基于生态无砂混凝土护岸的植物抗冲刷性能,以期为江河岸坡生态护岸技术提供参考。

1 生态无砂混凝土基本特性

生态无砂混凝土多是采用水泥、粗骨料以及降碱掺和料按照一定的水灰比和灰骨比制作而成,为增大其透气性,掺拌材料不采用河沙。与普通混凝土有较大不同的是生态无砂混凝土酸碱度一般维持在5.5～8.5,利于植物生长。为保证植物草种或草皮能够生长,在铺筑生态无砂混凝土后,需在其上覆盖一层一定厚度的营养土,作为植物的初期生长环境。待植物根系穿透营养土层及生态无砂混凝土层,扎入原始土体,植物存活耐久性将大大提高。本文将研制的生态无砂混凝土示范应用于汨罗江新市段,为防止植物物种入侵,通过现场查勘发现汨罗江区域植物多以马尼拉、狗牙根、百慕大、高羊茅等植物为主。为分析在生态无砂混凝土上铺设草皮和播撒草种的植物生长习性及抗冲刷性能,选择根系发育旺盛的狗牙根草种作为播撒方式,以植被覆盖度较高、病虫害少的马尼拉植物作为铺设草皮方式,开展现场示范试验。通过施工场地平整、生态无砂混凝土铺筑、生态无砂混凝土养护、覆盖营养土、播撒草种或铺设草皮、植物养护等施工工序,待植物生长1 a后,在现场通过切割取其试验块体及室内制备标准试块,进行孔隙率、渗透系数、植被覆盖率及抗压强度等参数测定。示范现场植物在生态无砂混凝土中的生长及根系发育如图1所示。

图1 示范现场植物在生态无砂混凝土中的生长及根系发育

对现场切割取得的野外生态无砂混凝土样品,进行植被覆盖率等参数测定。植被覆盖率测定后,对样品上的覆土和植被进行清理,进行孔隙率和渗透系数参数测定;对于室内制备的标准生态无砂混凝土试块(150 mm×150 mm×150 mm(长×宽×高)),采用微机控制电液伺服万能试验机(YAW4306)进行抗压强度测定。生态无砂混凝土主要参数见表1。

表1 生态无砂混凝土基本特性

2 冲刷试验

2.1 试验装置

本次冲刷试验在长江科学院高速水流实验室内进行。试验所用装置为12 m× 1 m× 1 m(长 × 宽 × 高) 的钢化玻璃水槽。冲刷试验样品取自现场示范1 a后的生态无砂混凝土块体(包括植物、覆土及生态无砂混凝土为一体),长95 cm、宽37 cm,根据现场生态无砂混凝土板及覆土厚度不同,样品高度(不含植物高度)为9.3～22.3 cm,装入特制的木质样品盒内,运回长江科学院高速水流实验室。为避免混凝土样品试验时在高速水流冲刷下发生空蚀,样品取回后,需要对钢化玻璃水槽进行改造,改造时将钢化玻璃水槽用砖砌一半宽度,留出0.5 m宽的水槽;同时,用砖将水槽底部填高,留出长1.1 m×0.5 m×0.25 m(长 × 宽 × 深)的样品槽,以备试验时放置样品,样品槽距离出水口2.5 m;所有砖砌表面均用水泥浆抹面,以减小糙率。本文模拟的水流冲刷是基于江水水流方向,与现场岸坡实际坡度无关,因此未考虑钢化玻璃水槽的坡度。改造后的玻璃水槽如图2所示。

图2 冲刷试验水槽示意图

2.2 流速控制及试样

试验时水流采用循环供水系统,流速控制通过水塔(即进水池)加压以孔口出流的方式实现。流量通过阀门进行人工调节。试验前,先通过阀门调节水塔内水位(即水压),同时控制下游的尾门,进而调节水流流速。考虑非汛期与汛期江水水流流速一般为2～3 m/s和5～8 m/s,同时受室内试验条件限制(室内模拟水流流速最大为5 m/s),室内冲刷试验水流流速设定为5 级,即1、2、3、4、5 m/s,在水塔上记录每一级流速所对应的水位,以备后续试验可重复调节。采用电子流速计测量流速。

为研究植物壅水机理,探究基于生态无砂混凝土护岸的植物抗冲刷性能,冲刷试验时现场取回的生态无砂混凝土试验样品需保持不变,即样品中保存有完好的植物、覆土及生态无砂混凝土。因此,在样品槽内填装试验样品时,根据现场取得的生态无砂混凝土试块总厚度,在试块下方铺垫均匀砂,保证钢化玻璃水槽底部与装入样品槽内的生态无砂混凝土覆土表层平齐,使得每个试验样品在冲刷试验前的初始条件保持一致。每一个试验样品装填好后,分别将流速由1 m/s 逐级升至5 m/s,每级流速持续0.5 h,测量每一级流速下生态无砂混凝土样品前部、中部和尾部断面处的水位高度及其高层、中层和底层区域流速,揭示植物壅水现象及降低水流流速效果,并观察生态无砂混凝土及植物被水流冲刷破坏情况。冲刷试验中生态无砂混凝土及植物特征如表2所示。

表2 冲刷试验中生态无砂混凝土及植物特征

2.3 测定点位分布及数据处理

在冲刷过程中对每个生态无砂混凝土试验样品前端、中部、尾端3个断面处的水位高速进行测定,揭示生态无砂混凝土植物壅水机理;对每个断面处水流中的高、中、低位置进行流速测定,分析水流流经植物区域时的流速空间变化规律,探究植物降低水流流速效果。其中各断面处的高位置区域处于水流表面,中位置区域处于水流中间区域,低位置区域临近植物顶部区域。各断面及其位置点位分布如图3所示。

图3 冲刷试验过程中水流流速测定点位分布

采用水位高度差进行对比分析不同断面处的水位高度,以期揭示植物壅水效果。计算公式如下：

(1)

(2)

式中：Δh2-1、Δh3-1分别为断面2与断面1处、断面3与断面1处的水位高度相对差(%);H断面1、H断面2、H断面3分别表示断面1、断面2、断面3处的水位高度(cm)。

表3 不同设计流速下不同断面处的水位高度差

3 试验结果分析

3.1 水位分布

不同混凝土厚度和覆土厚度下生态无砂混凝土上方水位分布如图4所示。当生态无砂混凝土上种植狗牙根时(图4(a)—图4(c)),不同设计流速下植物上方水位变化有很大差别。其中,G1条件下随着设计流速的增大,不同断面处植物上方水位逐渐降低,G2条件下设计流速与植物上方水位的关系并不明显,G3条件下植物上方水位随设计流速的增大而增大。造成该结果的原因可能是G1条件下植物覆土厚度仅为0.5 cm,植物高度(包括植物根茎)比G2、G3要高(见表2),较小流速的水流流经植物区域时受植物根茎及枝叶影响,存在一定的壅水现象[13],使得G1条件下设计流速为1 m/s时的植物上方水位最大。当生态无砂混凝土上铺植马尼拉草皮(M1-M3)时(图4(d)—图4(f)),植物上方水位均随着设计流速的增大而降低。

图4 不同设计流速下生态无砂混凝土试样断面处水位高度

不同设计流速下不同断面处的水位高度差如表3所示。从表3可以看出当生态无砂混凝土上种植狗牙根植物时,断面3与断面1的水位高度差均大于断面2与断面1的水位高度差(除G2设计流速为1 m/s外),表明水流流经植物区域,壅水存在一个区间过程,沿水流方向植物壅水效果越好。当生态无砂混凝土上铺设马尼拉草皮时,各断面处的水位高度差绝大多数均>0,但没有明显规律,表明马尼拉草皮也具有一定的壅水效果。对比狗牙根植草和马尼拉草皮各断面处的水位高度差可知,狗牙根植物壅水效果优于马尼拉草皮。这是由于狗牙根植物高度大于马尼拉,使得狗牙根植物易倒伏程度大于马尼拉植物,狗牙根植物倒伏后其顶端叶片改变了水流方向[13],导致植物区域中部及尾部区域水位升高。

从表2中可以看出各试验样品中的覆土厚度并不同,根据表3中各断面处的水位高度差可知,植物壅水效果与覆土厚度关联性不大。

3.2 流速降低率

河道植物可保持水土并净化水质,对生态系统有良好的修复作用,同时河道植物会降低河道的输水和泄洪能力,能够降低河道水流流速[17]。如图5所示,不同种植条件和种类下植物降低流速效果不同。G1条件下受植物壅水影响,设计流速为1 m/s时的植物降低水流流速效果最佳,流速降低率最高达40%。随着流速的增大,植物壅水效果及降低流速方面效果均较好,除设计流速为3 m/s外,不同设计流速下生态无砂混凝土各断面处测得的水流流速均小于设计流速。M1—M3条件下,铺植马尼拉草皮的植物措施降低水流流速效果优于狗牙根草种植物(图5(d)—图5(f)),不同断面处的水流流速大部分小于设计流速。

图5 不同植物生态无砂混凝土试样断面处垂直方向的流速降低率

此次对不同断面垂直方向高、中、低处的水流流速进行测定,发现不同断面垂直方向的水流流速值不同。从图5中还可以看出,每个断面高、中、低处的水流流速沿垂直方向向下呈线性下降趋势,也就是越靠近植物层区域,水流流速越低,表明植物措施具有较好的降低流速作用[18]。同时,当生态无砂混凝土上铺植马尼拉草皮,除部分断面高水位处的水流流速外,靠近植物层区域的水流流速均小于设计流速,且当M3条件下设计流速为3 m/s时,靠近植物层区域的水流流速降低率高达75.24%。对比狗牙根(G1—G3)和马尼拉(M1—M3)结果可知,铺植草皮降低流速效果优于播撒草种。结合3.1节植物措施壅水效果分析,马尼拉植物高度小于狗牙根,其易倒伏性小于狗牙根,使得植物密度较大的马尼拉植物对水流紊动强度的影响加大[14]。

3.3 植物类型对流速的影响

植物具有自身的生长特点和韧性,在水流作用下其对水流流速的影响也各不相同。在种植狗牙根和铺植马尼拉草皮的生态无砂混凝土样品冲刷试验过程中,其降低水流流速效果并不相同。从图6中可以看出,当混凝土种植狗牙根植物,水流流速降低率平均值由正值变为负值时的设计流速为2～3 m/s,表明狗牙根在设计流速<3 m/s时降低流速效果并不明显。当混凝土上铺植马尼拉草皮,不同设计流速下植物上方不同高度处的水流流速降低率平均值均<0,表明水流流速<5 m/s时,马尼拉草皮铺设方式降低流速效果优于狗牙根植草方式。造成上述结果的原因可能是狗牙根为多年生草本植物,具有根状茎和匍匐枝,须根细而坚韧,直立部分高 10～30 cm,且秆壁较厚,直径1～1.5 mm,由于采用草种播撒形式,其植物密度小,在设计流速较小时水流从植物缝隙中流过,其降低流速效果不明显;马尼拉具有匍匐茎,茎叶和秆纤细,高 5～10 cm,形成的草皮具有一定的弹性且植被覆盖率高,植物秆间缝隙小,导致过水断面阻力增大[14,19],使得马尼拉草皮对较小的设计流速也具有一定的降低流速效果。

图6 不同植物类型降低流速效果

3.4 植物抗冲刷性能

此次冲刷试验最大流速达为5 m/s,持续冲刷3 h后的生态无砂混凝土植物状态如图7所示。

图7 冲刷3 h后的生态无砂混凝土植物样品

从图7可知,随着高速水流持续冲刷,生态无砂混凝土表面营养土逐渐被水流冲蚀,包括混凝土空隙内部土壤。然而由于植物根系已扎入混凝土内部且穿透混凝土,使得混凝土表面植物并未被高速水流冲走。经测定,冲刷前后狗牙根及马尼拉植被覆盖度分别为91.2%、90.8%及100%、100%。因此,基于本文研究结果,以狗牙根草种和马尼拉草皮的生态无砂混凝土,可承受的最大高速水流流速为5 m/s。受室内试验条件限制,水流流速>5 m/s时的生态无砂混凝土植物抗冲刷性能有待进一步研究。

4 结 论

本文概化设计了生态无砂混凝土植物抗冲刷室内模拟试验,探究了狗牙根草种植物和马尼拉草皮在不同设计流速下的水位、流速分布规律,对比分析了2种植物降低水流流速效果及抗冲刷性能。主要结论如下：

(1)水流流经植物区域,壅水存在一个区间过程,沿水流方向植物壅水效果越好。由于狗牙根植物高度大于马尼拉,使得狗牙根植物易倒伏程度大于马尼拉植物,在水流冲刷下狗牙根植物顶端叶片改变了水流流向,导致植物区域中部及尾部区域水位升高,致使狗牙根植物壅水效果优于马尼拉草皮。同时,植物壅水效果与覆土厚度无较大的关联性。

(2)同一断面处,沿垂直方向向下水流流速逐渐降低,即距离植物层越近的区域,植物降低流速效果越明显,流速降低率最高达75.24%。

(3)受植物密度对水流紊动强度的影响,当水流流速<5 m/s时,生态无砂混凝土上铺设的马尼拉草皮降低水流流速效果优于狗牙根植物。