深入論述內河航道生態護坡的防沖效果

梁伯龍

摘 要：內河航道與城市河道的主要區別在于內河航道流速大、受船行波沖擊，對岸坡的沖刷作用強。因此，內河航道生態護坡的防沖效果十分重要。對此，本文就內河航道生態護坡的防沖效果進行了深入的探析，希望能給同行人員提供一點參考。

關鍵詞：內河航道；生態護坡；防沖效果

引 言

目前對傳統的剛性護坡的防沖研究較多，但是對于生態護坡的防沖效果研究較少。張芳枝等分析了堤岸土體在河流沖刷作用下起動時的受力特點和運動形式，論述了堤防在河流沖刷作用下的破壞機理，概括了近岸水流沖刷力和堤岸土體的抗沖力計算方法，著重論述了計算堤岸土體橫向沖刷的計算方法，介紹了沖刷作用下的堤岸穩定分析模型，指出了有待研究的問題及其方法[1]。高明波等列舉了斜坡式護岸和直立式護岸的幾種型式，并分析了這幾種護岸的破壞因素，探討了它們的失穩形式[2]。一般而言，內河航道護坡經常受到高速水流、地表水徑流、波浪沖擊及地下水滲流等的作用，往往會發生表面侵蝕、崩塌等形式的破壞現象。這些不僅影響了護坡工程的整體性，更降低了工程的強度，對防洪、排澇和航運等都是不利的[3]。因此，有必要對內河航道護坡工程的抗沖刷效果進行研究。

1 生態護坡防沖設計條件

生態護坡的設計必須滿足以下兩個條件：

（1）穩定性要求。要求生態護坡必須能起到傳統護坡的防洪、排澇以及過流等作用，同時能有效控制坡面水土流失、有效防治崩塌和淺層滑坡等。

（2）生態平衡要求。建立良性的岸坡生態系統，由喬木、低矮灌木、花草、魚巢、水草、動物沿灘地、迎水邊坡、坡腳及近岸水體組成岸坡立體生態體系，是陸地生態系統和河流生態系統的過渡帶，兼具兩者的性質與功能，讓兩者之間保持物質、能量以及信息的良好流通。

2 影響航道岸坡沖蝕的因素[3～4]

內河航道護坡的侵蝕機理較復雜，影響因素眾多，其中航道邊坡特性、土壤特性、水流條件、河床沖淤演變特性等在航道護坡沖蝕發生過程中起到了重要的作用，而且這些因素在不同的時期、不同的邊界條件下所發揮的作用也是不同的。綜合起來，影響內河航道護坡沖蝕的主要因素有以下幾種：

2.1 坡 度

航道護坡的穩定取決于土體的抗剪強度和其內部所承受的剪切力之間的相對大小關系；當土體內部所受的剪切力大于土體的抗剪強度時，則將引起土體的破壞。根據摩爾庫倫理論，坡度不同，土體的抗剪強度也有所不同。另外，坡度與徑流沖刷能力也有關系。研究表明，在一定范圍內，徑流沖刷能力隨坡度的增大而增強，侵蝕量也就越大，對岸坡的破壞力也就越。

2.2 土壤特性

研究表明，護坡土壤特性是影響岸坡穩定的重要因素。土壤的抗侵蝕能力與土壤容重、土壤機械組成、有機質含量等因素有關系。容重越大，抗沖性越強；沙性越小，抗沖性越強；有機質含量高的土壤抗蝕性強于有機質含量低的土壤。另外，土壤的抗侵蝕能力還受人為活動的影響。

沒有經過工程手段處理的航道護坡，其表面粘結力較強的粘性土顆粒在高速水流、波浪、地表徑流及地下水滲流等的作用下被不斷帶走，造成土體抗滲透能力和抗沖蝕能力降低，使坡面容易遭受侵蝕；當護坡坡面植被覆蓋率較低時這種侵蝕就會更加嚴重。隨著時間的推移，風化作用及植被生長腐殖質增多時，土壤的性質也會發生變化，團粒間的粘聚力減弱，岸坡抗沖蝕能力會不斷降低。

2.3 波 浪

波浪是產生內河航道護坡侵蝕的一個重要因素。波浪沖刷初期，護坡表面會產生微小的剝蝕，完整的坡面會呈現麻面狀；進一步的沖刷會使得護坡表面靜水面線附近形成小坑；隨著波浪作用次數的增加，沖刷坑逐漸發展并連成一片，形成沿水面線的槽狀破壞帶，并不斷加深增寬。當護坡表面有防護層時，波浪的不斷沖刷會將防護層逐漸沖蝕掉，然后不斷深入形成貫通縫，里面的土壤顆粒經過通縫被不斷吸出、帶走、掏空，最終使得護坡失穩。

2.4 降 雨

當雨水直接降到表層土壤時，雨滴下落的力量對土壤起著打擊和飛濺的作用，土壤結構遭到破壞，發生分離、破裂、位移并濺起，降雨徑流則把土壤顆粒帶走，這也是裸露表土流失的主要方式。濺蝕破壞土壤的表層結構以后，會堵塞土壤空隙，阻止雨水下滲，為產生坡面徑流和層狀侵蝕創造了條件。降雨是坡面侵蝕的主要外營力，坡面侵蝕量隨著降雨強度、降雨量的增大而增大。二者相比，降雨強度對坡面侵蝕的影響最為重要。

2.5 風

內河航道護坡由于突出于周圍水面和陸地，使得坡面遭風侵蝕現象嚴重，因此，風成為影響航道護坡侵蝕的另一重要因素。尤其是在冬季和春季，土壤干旱，含水量較低，植被枯萎，在3m/s的風速條件下，散離的表土就會被風吹離帶走。在風與降雨徑流等共同的作用下，表土逐漸被剝離帶走，造成土壤大量流失。

3 水工模型抗沖試驗

為較清晰直觀的研究航道生態護坡抗沖效果，采用概化航道模型進行生態護坡抗沖試驗。

3.1 試驗內容

根據相似原理，建造水工模型，選用四種不同型式的生態護坡作為試驗對象，四種生態護坡型式分別為：植草護坡、預制球形生態混凝土護坡、混凝土方格植草護坡、拋石+植草護坡。在航道水工模型中近似模擬實際航道中的流速條件，進行沖刷模型試驗。比較這四種型式的護坡的抗沖刷能力，選擇出抗沖刷性能較好的護坡型式，為后面的生態護坡型式綜合評價和選擇提供依據。

3.2 試驗步驟

（1）試驗模型設計及建造

根據設計圖，見圖1（a），在某大學水工模型試驗大廳建造航道模型如圖1（b）。

（2）生態護坡型式設計

根據護坡型式初步擬選結果，試驗選用植草護坡、預制球形生態混凝土、混凝土方格植草、拋石+植草四種護坡型式。

（3）植被種植

每種型式的護坡上種上密度相同的植被，養護至試驗要求。

（4）沖刷試驗

向航道模型水槽內放水至一定深度，開啟推流器，設定功率下水流對護坡沖刷12h。

（5）地形測量

沖刷試驗結束后，測定不同斷面的坡面沖刷深度，繪制沖刷前后坡面地形圖。

4 結果與分析

本試驗選用植草護坡、預制球形生態混凝土護坡、混凝土方格植草護坡、拋石+植草護坡四種護坡型式作為研究對象。推流器的頻率設為45Hz，每次試驗結束后，將模型槽內的水流放空，采用地形儀測定不同斷面的坡面沖刷深度，根據多次試驗觀測數據，繪制沖刷前后坡面地形圖。若以坡腳為原點，水平方向為x軸，豎向為y軸，將沖刷前的坡面側向投影至平面上，則得到一條過原點的直線，將沖刷后的坡面投影至同一側向平面，則得到的地形曲線見圖2。

為了更清楚的反應生態護坡的抗沖效果，設置裸坡與之對比，裸坡沖刷前后地形變化見圖3。

比較圖2～圖3，可得到如下結論：

（1）與裸坡沖刷前后坡面地形變化相比，生態護坡沖刷前后坡面地形變化明顯要小，說明生態護坡能有效減小水流對岸坡的沖刷。

（2）比較各生態護坡沖刷前后坡面地形變化，可知，不同護坡型式抗沖刷性能不同，植草護坡、預制球形生態混凝土護坡、混凝土方格植草護坡三種護坡坡腳處沖刷相對較嚴重，坡面頂端沖刷相對較弱；而拋石+植草護坡坡腳處、坡面頂端的沖刷都相對較弱，坡面中段的沖刷相對較強。

（3）混凝土方格植草護坡和植草護坡的抗沖刷效果較好。植草護坡由于種植的麥冬植株較密、莖葉覆蓋面積大；混凝土方格植草護坡整體性較好，加上種植的植被的覆蓋，土壤裸露面積小，故這兩種型式護坡表現出的抗沖效果較好。

（4）植草護坡、預制球形生態混凝土護坡和混凝土方格植草護坡沖刷后坡腳處的高程都出現了負值，說明這三種護坡坡腳處淘蝕比較嚴重。原因可能為：植草護坡種植的麥冬莖葉較堅韌，且莖葉茂盛，對水流形態影響較大；預制球形生態混凝土護坡表面凹凸不平，混凝土球之間空隙處種植物，混凝土球與坡面有高差，水流經過時會形成跌水、壅水；混凝土方格植草護坡混凝土方格中間種植有植物，植物的高度會起到阻水作用，同時會將水流挑起，在無植物段形成跌水，如此反復，故淘蝕比較嚴重。

5 結束語

綜上所述可知，內河航道岸坡受船行波的沖擊，水流流速快，兼具有防洪、排澇和通航等功能，因此，對岸坡的要求較高。根據試驗研究成果，內河航道生態護坡的選擇應綜合考慮地形地貌、植物分布、岸坡坡度、波浪、降雨、風、社會效益等諸多因素，選擇合適的生態護坡型式。選擇生命力頑強、抗逆性好、易于維護管理的本地植被作為護坡植物。

參考文獻

[1]張芳枝，陳曉平.河流沖刷作用下堤岸穩定性研究進展[J].水利水電科技進展，29（4）：84～88.

[2]高明波，劉建新.淺析河道護岸破壞因素[J].水利科技與經濟，17（8）：70～71.

[3]趙良舉.城市河道生態護坡技術研究[D].北京：北京交通大學，2005.

[4]李海東，林杰，張金池，等.生態護坡技術在河道邊坡水土保持中的應用[J].南京農業大學學報，2008，32（1）：119～123.