日本植生毯抗沖流速試驗及評價

葉合欣，黃錦林，王德昊，袁以美，陳建生

(1.廣東省水利水電技術中心，廣東 廣州 510635；2.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；3.大連格賓環境技術有限公司，遼寧 大連 116019；4.廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635；5.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

植生毯邊坡防護是一種新型的邊坡防護技術，該技術與傳統的邊坡防護技術及其他生物防護技術相比較，具有一定的經濟和技術優勢，有良好的生態效益、經濟效益和社會效益[1]，在邊坡生態防護中呈現出廣闊的應用前景[2]。植生毯是將種子、肥料、保水劑、土壤改良劑等與纖維網、可降解生態布整體黏合后緊密貼合于地表，適宜植被生長的毯狀物[3]，即“復合織物+草”。先期通過纖維網、生態布達到防止水土流失的目的，在植物生長后，通過植被和根系起到深層防止沖刷、抑制水土流失的作用，且具有施工簡易、造價低廉、綠化效果好等優點[4]。植生毯常用于道路邊坡[5]、路基邊溝[6]、渠道邊坡[7]、廢棄礦山[8]甚至石質邊坡[9]等部位的生態防護。當植生毯用于河道堤岸生態護坡時[10]，應考慮其抗水流沖刷能力。

日本植生毯技術產品走在世界前列，中國引進使用后，雖然在不同行業得到很好的應用，并開展了相關研究工作[11-12]，但對其抗沖流速的認識還有些模糊，特別是對在多大河道流速下適宜采用植生毯進行護坡還沒有一個清晰的概念，導致在實際工程中出現被水流沖毀等效果不理想的情況。因此，研究其抗沖流速是很有必要的。本文主要介紹(株)建設技術研究所的日本植生毯室內抗沖流速試驗成果(2003年10月)，分析試驗條件與實際工程條件相差較大的客觀差異性，并結合國內應用情況，提出抗沖流速建議值。

1 試驗基本情況

1.1 試驗工況設計

試驗工況共分為6種。首先是在產品施工后養護達到最佳狀態下在高流速封閉水槽中進行抗沖試驗，以便展現產品實施后的效果。同時，增加了充分預測對產品不利條件下的試驗工況，如鼴鼠洞、草體長勢普通、草體枯萎、雜草叢生等，以模擬產品實施后的可能遇到的各種情況，分別代表植生毯破損、越冬、養護不到位等情況。作為對比，增加了僅有復合織物、僅有雜草這2種工況，分別代表施工后植生毯尚未長出草、雜草自然生長狀態。表1列出了試驗具體工況。

表1 試驗工況

1.2 試驗裝置

試驗使用高流速試驗裝置，封閉水槽長3.0 m，斷面尺寸為0.3 m×0.3 m(圖1)。在滿管狀態下，按設定的流量通水，可得到設定的流速。流量與流速的關系如下：

Q=a2v

(1)

式中Q——設定的流量，m3/s；a——水槽邊長，取0.3 m；v——設定的流速，m/s。

a)結構示意(mm)

b)試驗體段實物圖1 試驗裝置示意

根據式(1)，本試驗流量流速關系列于表2中。

表2 試驗中流量流速對應關系

1.3 試驗流速

河道水流速度一般小于4.0 m/s，考慮到試驗條件與天然河道邊界條件如受力、外物沖擊、自然或人為破壞等方面相差較大，試驗設定流速最大值比一般河道可達到的流速的上限增加75%，即取7.0 m/s。試驗設定流速為1.0～7.0 m/s，流速跨度為1.0 m/s，每個流速等級保持通水時長為30 min，觀察有無析出、翻卷等破壞現象。當沒有出現破壞現象時，通水維持30 min后提高一級流速等級。當出現破壞現象時，把此流速定位為最終流速進行觀察，在此現象穩定前一直通水。當流速達到 7.0 m/s還沒有出現破壞現象時，在流速7.0 m/s條件下通水維持 1～2 h。

2 試驗結果

2.1 工況1：復合織物+草

在填土表面鋪設植生毯(復合織物+草)，養護2個月，草的根部充分生長至試驗體的平板上，且長勢良好。將試驗體安裝于水槽進行通水試驗。試驗前預測試驗結果為：試驗體受水流沖刷導致土粒析出、河床下降或表層植生毯翻卷。

按設定的通水條件，試驗通水時間過程見圖2。在試驗流速從1.0 m/s 增加到7.0 m/s 過程中，并在7.0 m/s 維持通水1 h，均沒有發生沖刷、析出或翻卷現象，同時也觀察不出試驗體前后有明顯變化，說明完整的植生毯與長勢良好的草能夠起到很好的固土護沖作用。

圖2 試驗通水時間過程

2.2 工況2：復合織物+草+鼴鼠洞

在試驗體中央剪開直徑7.5 cm、深10 cm的假設鼴鼠洞，其表面積約占總面積的0.5%，其余條件同工況1。當發生析出等破壞現象時，通水至析出現象穩定為止。試驗前，預測鼴鼠洞變大或加深。

開始通水后，逐級加大流速至7.0 m/s，穩定90 min，沒有發現鼴鼠洞加大或加深現象，也沒有出現沖刷、析出或翻卷。經實測對比確認，試驗前后鼴鼠洞尺寸沒有明顯變化，說明由于復合織物對土粒及草的約束作用，局部小規模的破損并不影響植生毯的整體抗沖功效。

2.3 工況3：復合織物+草+雜草

在填土表面鋪設植生毯(復合織物+草)，撒入混有野草根的砂土，養護6個月，草的根部充分生長至試驗體平板上，且長勢良好。經統計，雜草(鬼針草占優)占總表面積15%左右。工況3在實際養護不到位情況中形成的可能性很大。試驗前，將高于30 cm的雜草剪留至30 cm高。試驗前，預測可能出現的試驗現象有：①野草的根部被拔起而流失，其粗糙度的變化導致植生毯的草被翻卷；②野草增強了抗沖能力。

試驗表明，根莖粗的野草隨著流速增加，在流水中的振動幅度也增大，但沒有造成根部拔起。在流速4.0 m/s以上時，大部分野草倒伏，貼覆在地表上，從而削弱了水流對植生毯的直接沖擊力，反而對表層草起到保護作用。流速在7.0 m/s下通水2 h，沒有發現河床變動(沖刷、析出、翻卷等)。試驗結果否定了預測①而印證了預測②，即野草增強了抗沖能力，至少沒有降低植生毯的抗沖能力。

2.4 工況4：復合織物+草+枯草

將植生毯(復合織物+草)鋪設于土體表面，放置約6個月，待長勢良好的草完全黃枯時，在冬季2月下旬做抗沖試驗。這種狀態可模擬冬季河岸植物特征。

試驗結果表明，流速從1.0 m/s增加到7.0 m/s中，并在7.0 m/s維持2 h，沒有發現草葉被剪切、流失的現象，與工況1的試驗結果大致相同。試驗說明即使草葉枯萎，其發達的草根與復合織物仍然能起到足夠的固土防沖作用。

2.5 工況5：僅復合織物

在土體表層只鋪設植生毯，無草，用于觀察僅有復合織物時抗沖特性，特別是考察什么程度的流速能抑制析出現象。用于模擬施工后不久、草體尚未長出的情況。

試驗表明，當流速1.0 m/s時，河床維持不動；當流速達到2.0 m/s時，出現析出現象。將發生析出現象的流速2.0 m/s確定為最終流速，并在此流速條件下通水2 h，觀察河床變動狀況。隨著時間的延長，沖刷深度在不斷增加，河床最終下降約2～3 cm，同時，被析出的土砂在其下游堆積，或是流向下游(圖3工況5)。說明僅有復合織物而沒有草體時，固土防沖作用大大削弱。

圖3 通水后最深河床縱斷面(工況5、6)

2.6 工況6：僅茂盛野草

在土體表層撒上混入野草種子的土砂，放置約7個月，待野草充分生長后，把高于0.3 cm部分剪切，僅保留30 cm以下部分，以此為試驗體。經統計，試驗體野草中鬼針草占優，其他植物為紅桿、月見草、艾草、馬唐、公牛蕁麻、具芒碎米莎草、酢漿草、鴨跖草、一枝黃花、斑地錦等。試驗目的是模擬自然狀態護岸，與采用植生毯防護的效果進行比對。試驗前預測：水流使野草劇烈振動，根部土砂流失，隨后，根露出表層，被拔出后沖到下游。

試驗表明，流速增大到3.0 m/s時，河床無變動；流速4.0 m/s時，野草(特別是一枝黃花)的上游側根部的砂土流出現象顯著。將4.0 m/s作為最終流速，通水2 h，正如試驗前預測的那樣，驗證了野草靠上游側根部的砂土流失顯著，河床下降約4～5 cm(圖3工況6)。

對比工況5、6試驗結果可以發現，僅有復合織物的抗沖流速遠小于僅有茂盛野草的抗沖流速；而沒有復合織物的茂盛野草，抗沖能力遠小于草體長勢良好的植生毯。

2.7 試驗成果總結

需要說明的是，本試驗設備采用丙烯材料制作，即使微小的河床變動都能目測到，當外力一定時，如果試驗體無變化(析出等)，圖像走勢平穩，不隨時間而變；若與時間成函數關系，則必然能觀察到試驗體微小的變化。各工況試驗成果匯總于表3中。

表3 各工況試驗成果

根據上述試驗過程及表3，可知：①植生毯鋪設在土壤上，待草體充分培養好后，即使有鼴鼠洞等破損(大約是全體面積的0.5%)，或葉子枯黃，在流速7.0 m/s的條件下，具有90 min以上的耐久力；②即使混有雜草(面積約15%)，耐久力并沒有下降；③只有復合織物的情況下，由于土壤析出導致河床降低，僅可抵抗1.0 m/s的流速；④只有野草的情況下，可抵抗3.0 m/s的流速；⑤僅有復合織物的抗沖流速遠小于僅有茂盛野草的抗沖流速；⑥沒有復合織物的茂盛野草，抗沖能力遠小于草體長勢良好的植生毯；⑦草體長勢良好的植生毯抗沖流速(7.0 m/s)，遠大于僅有復合織物(1.0 m/s)與僅有茂盛野草的抗沖流速(3.0 m/s)之和，植生毯抗沖能力不只是2種物體的簡單疊加，而是一個相互作用的有機整體。

3 評價及展望

3.1 試驗成果評價

日本植生毯的抗水流沖刷能力來源于復合織物與根植于其中的草叢，且遠大于2項個體抗沖能力之和。日本(株)建設技術研究所測試抗沖流速的試驗設備與國內的基本相同[13]。然而，試驗條件與河道實際邊界條件尚存在較大差距，如：①試驗體位于水槽底部，其有效重力增加了抗沖能力，而天然斜坡不僅使有效重力減少，還增加了沿坡面向外的滑動力，這2項均是不利因素；②水槽斷面僅0.3 m×0.3 m，四周均有約束力，與天然河道岸坡差別很大；③規整的室內設備難以模擬天然河道復雜的邊界條件，如冰凍、波浪、外物撞擊、迎流頂沖等；④試驗中指定流速是根據流量按均勻流計算出來的，沒有考慮邊界層的影響，因此，試驗體抵抗的流速小于平均流速，即試驗結果偏大；⑤由于實際護坡可能出現遠大于鼴鼠洞規模及試驗所占比例的破損情況，對這種大尺度破損造成的實際影響尚不得而知。

因此，應用于河道護坡的植生毯設計抗沖流速應考慮諸多實際不利因素，試驗中可抵抗7.0 m/s的流速如用于河道護坡將偏于不安全。由于復合織物的存在，植生毯設計抗沖流速顯然高于護坡草皮的抗沖流速。根據國標灌溉與排水設計規范，渠道現澆混凝土護坡允許不沖流速不超過8.0 m/s，預制鋪砌混凝土護坡不超過5.0 m/s[14]，植生毯設計抗沖流速應小于混凝土的不沖流速。由于普通草皮護坡可抵抗2.0 m/s的流速，結合日本河川災害修復方針及在國內具體工程應用實例，建議植生毯用于設計流速為2.0～3.0 m/s的生態護坡，且應避開迎流頂沖河段。

3.2 展望

植生毯以其施工簡易、造價低廉、綠化效果好脫穎而出，能有效防止雨水沖刷、抑制水土流失和環境生態化，但也有其適用條件。文中試驗成果僅局限于室內較為理想的試驗條件，與實際條件相差較大。有條件時，建議做現場原位試驗，以驗證其抗沖流速。原位試驗可選在水庫放水涵或溢洪道下游河渠內，通過庫水位及閘門開度控制下泄流量與流速，實測植生毯的抗沖流速。