植被防護土堤溢流的試驗研究

劉景青，劉 真

(1.澇坡水利服務中心，山東 莒南 276600；2.日照市水利局，山東 日照 276800)

香根草作為一種禾本科植物原產印度和非洲大陸，由于它具有根系發達，且向地下縱深發展的生物學特性，近年來，在生物工程及水土保持中受到越來越多的重視，有些工程已將香根草種植在下游斜坡上，用于海堤或河堤保護。目前，河流管理的可持續發展越來越受到世界各國的重視。在這方面，由于我國國土廣袤，河流及地質問題復雜，在河流管理及水土保持方面還不完善，河岸及海岸侵蝕問題時有發生，小部分堤壩安全隱患尚未完全排除。考慮到經濟性因素，剛性結構保護措施只能被運用于重要的結構分段，難以被運用于河岸、海岸線和堤岸的全長。此外，堅硬的工程結構通常并不美觀，難以同時兼顧美化環境的需求。

眾所周知，河流不僅包括無生命物質(水流、沉積物)，還包括有機體。植被會產生流動阻力， 造成河流流速降低，水位上升。因此，在對河流動力系統進行研究的時候，應該考慮河道中的植被。凡姚申等學者觀察到初始侵蝕過程開始于超臨界流動區域內從坡頂和坡腳處的任何地方。大量的海堤或河堤的破壞是由波浪或水流漫溢破壞引起的。為了盡量減少自然災害的影響并實現農業生產的目標，必須重視堤防的維護。對于土堤或河堤，漫頂是對下游斜坡破壞最大的因素之一。水滲入堤頂、下游斜坡，會降低土體的抗剪阻力，造成下游斜坡的破壞，最終可能導致整個堤壩的破壞。

在下游邊坡種植植被，可以利用植物屏障增加表面粗糙度，減慢流速，增加水流的能量消散，從而減少水流對斜坡的漫頂侵蝕。近年來，香根草作為海堤或河堤的防護植物被廣泛應用于預防土地漫流防護。然而，對于水流與香根草相互影響的過程和特性，以及覆蓋草的海堤或河流堤岸在溢流過程中堤坡的流動特性的了解仍然有限。為了進一步研究香根草對降低水流流速的作用，本研究的重點是探討有植被覆蓋的明渠水流阻力及其水力特性。

1 材料及方法

1.1 實驗水槽中的材料設置

本研究通過在實驗室設計建造水循環水槽，進行了一個小規模的物理模型試驗，研究了植被(5%和20%阻塞的商業可用植被模型)對水流特性的影響。考慮到坡面上流量不同，在室內進行了不同密度的植被覆蓋試驗如圖1所示。植被覆蓋的3個不同階段是：①無植被情況；②行植被類型或2D植被情況，保持比率分別為0.25(5cm間距情況)和0.75(15cm間距情況)(其中，比率=植被行內間距寬度與植被行寬度之比，此處使用5cm和15cm間距以及20cm固定植被寬度)；③全植被情況，即邊坡和河床上有植被覆蓋，最后將所有結果與無植被情況進行比較。在水槽的中部建造了一個木堤模型，沿著水槽的長度將其分開，形成一側的主流(稱為上游)和另一側的漫灘(稱為下游)。模型尺寸為高0.25m，頂寬0.25m，長1.5m，上游和下游坡度分別為3H∶1V和2H∶1V，如圖2所示。

圖1 實驗裝置俯視圖

圖2 試驗設備剖面圖(a)正視圖和(b)俯視圖

實驗取0.018、0.013、0.010m3/s三種不同單位流量(下文流量1、流量2、流量3)的穩態流。縱向流速和水深沿水槽中心線在26個點測量，間隔0.10m，直到模型上游波峰，隨后從波峰到水槽末端間隔0.05m，實驗直到建立穩定的流動條件后停止。在整個測試過程中，比例因子(模型中的變量與其原型的相應變量的比率)0.0625保持恒定。本實驗測量了水槽中有和沒有植被的情況下的水流速度和水深。植被模型的高度保持不變，為0.05m，寬度和長度保持與考慮到緊急水流條件的路堤模型相同。

1.2 數據采集

本文實驗采用電磁流量計測量流量大小；使用電磁速度計測量通道和模型中心線處的流速。水面高程在與速度剖面相同的位置通過點規(精度高達0.1mm)測量，點規固定并安裝在可移動的滑架上，如圖3所示。

圖3 數據測量裝置

2 結果分析與討論

流動阻力是植被流動參數的強函數。流動參數，即溢流深度、溢流速度、弗勞德數(Fr)、雷諾數(Re)等，用前面部分提到的3種不同流量測量。模型和原型之間通過弗勞德相似定律檢驗的越頂高度、速度和流量的閾值進行比較，并在前人研究和案例研究的基礎上得出實驗結果在允許范圍內。

如圖4(a)所示，在無植被條件下，上游水流是靜態的，在壩頂前端至壩頂段為加速亞臨界流狀態，通過波峰上的水流為臨界流，而波峰其余部分為超臨界流狀態，同時下游斜坡上的超臨界流進一步向下延伸。

圖4 溢流的水力特性

如圖4(b)所示，在有植被覆蓋的條件下，上游水流是靜態的，增加了路堤頂部和下游斜坡的亞臨界流。兩種情況下的流動本質上都是湍流，但由于陡坡和茂密植被覆蓋的共同作用，有植被覆蓋的情況比沒有植被的情況亞臨界區高出2倍以上。分析表明，植被可以通過多種方式保護堤防，但最重要的一種是將土壤表面的水流速度降低到導致侵蝕所需值以下。

由于植被阻塞影響倒水造成的漫頂速度百分比變化如圖5所示。在80%孔隙度(20%堵塞)的情況下，由于堵塞和植被的阻力，通過增加水深(無植被覆蓋工況的1.5倍)，發現平均漫頂速度顯著降低(50%)。對于行距為5cm的植被，行型或2D植被的漫頂速度降低也很大。而在行型或2D(15cm間距或0.75比率)和稀疏植被密度情況下的全植被效應中，漫頂速度降低和水深增加都很小。最大漫頂速度的降低是由于20%的植被阻擋和阻力的全植被效應。

圖5 不同行型和二維植被的漫頂速度與部分植被覆蓋情況下全植被效應的比較

不同流量情況下，與無植被覆蓋的情況相比，由于行類型或2D和全覆蓋植被效應，導致沿路堤坡面平均流速隨水深增加而減小，百分比如圖6所示。無論是行類型植被還是間距為5cm(比率為0.25)的二維植被，以及5%阻塞的全覆蓋植被，坡面速度的降低幾乎相同。研究表明植被覆蓋顯著降低了水的平均坡速，在80%孔隙率(即20%阻塞率)的情況下，與無植被覆蓋狀況相比，植被覆蓋增加了4倍的水深，使平均坡速降低了65%。

圖6 不同行型或2D植被與無植被覆蓋情況下全植被效應的坡速比較

與無植被覆蓋情況相比，由于行類型或2D和全植被效應，不同流量下河床流速的降低百分比變化如圖7所示。由圖7可知，其下降趨勢與斜坡流速幾乎相同。然而，由于植被的阻力，在孔隙度為80%(即堵塞率為20%)的情況下，回水效應增加了6倍，平均河床流速降低了78%。

圖7 不同行型或2D植被與無植被覆蓋情況下全植被效應下游河床流速比較

如圖8所示，由于20%阻塞，土堤漫頂在邊坡上產生較大的紊流速度，并且在超臨界流區域內，特別是在邊坡不連續點，即壩頂或壩堤坡腳處，可能發生初始侵蝕。弗勞德數(Fr)在斜坡上的變化范圍為2.32～4.66，在無植被覆蓋情況下，在河床上的變化范圍為3.96～5.36。由圖8可知，由于稀疏空間內的高流速，15cm行距(比率0.75)植被的斜坡上出現超臨界流，但是由于5cm行距(比率0.25)時，通過密集植被控制流量，整個斜坡和河床的流量是次臨界流，圖中，距離1、2、3分別表示行間距5、15、20cm植被情況，以下圖中所示意義相同，不再贅述。另一方面，對于5%和20%的阻塞率，亞臨界流出現在斜坡和植被覆蓋的河床上，但是與所有情況相比，20%阻塞的速度降低要高得多，如圖9所示。

圖8 與無植被覆蓋情況相比，20%阻塞的行類型2D植被效應的弗勞德數沿邊坡距離變化圖

如圖9—10所示，對于5cm和15cm間距(0.25和0.75比率)的行植被類型，河床上的2D類型行植被以及斜坡和河床上的所有植被情況都沒有超臨界條件。室內試驗結果表明，路堤邊坡、坡腳和路基均未出現超臨界流現象，特別是在行距為5cm或植被覆蓋面積為20%的情況下。因此，通過增加植被的阻塞效應，可以顯著降低在斜坡、趾部和河床處的流速。

圖9 與無植被覆蓋狀況相比，由于不同的阻塞效應，全覆蓋植被的弗勞德數沿坡度變化規律圖

圖10 與無植被覆蓋情況相比，20%阻塞的行類型2D植被效應在壩趾和下游河床的弗勞德數變化規律圖

3 結語

在土堤上種植植被具有經濟性且環保性的特點。本研究探討了不同植被條件對斜坡漫流水力特性的影響，并得出以下結論。

(1) 在路堤邊坡和河床的整個植被阻塞率為20%時，平均漫頂、坡度和河床水流速度的最大降幅最大。

(2) 無論是行距為5cm的2D植被還是全分布植被的情況，20%的阻塞植被覆蓋都表明在路堤的邊坡、壩趾和河床都沒有超臨界流動條件。

(3) 5cm間距(0.25比率)的行類型2D植被比其他類型的植被更有效。

(4) 粗糙度單元間距也是減小路堤坡面流速以保持亞臨界流的影響因素。

(5) 研究結果表明，植被是穩定河堤或海岸堤防的有效和創新的解決方案。