無芒雀麥草皮護坡抗水流侵蝕試驗研究

田振華,韓 雷,狄高健,李 洋

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

無芒雀麥為禾本科雀麥屬多年生草本植物，喜冷涼濕潤氣候，在溫度、雨量適中地區生長良好。又因其根系發達、入土深、能耐長期干旱；耐嚴寒，不喜高溫潮濕氣候，在東北、內蒙古、青海等地，氣溫在-40 ℃左右，亦能安全過冬；其在排水良好的肥沃壤土和黏性土均生長良好，且具有耐濕、耐瘠、耐鹽堿的特性。因此無芒雀麥在植被護坡領域受到越來越多的青睞，但是作為一種優良的護坡植物，其在水流沖刷作用下的抗侵蝕作用如何，近年來鮮有報道。有學者認為床面切應力對植被的曳引作用是造成草皮護坡破壞的直接原因[1],而與床面切應力相關且可以直接測得參數為摩阻流速，故測得草皮護坡所能抵抗的最大水流流速成為重點。毛昶熙[2]等研究得出了在水力荷載作用下發生嚴重侵蝕破壞時的流速范圍為2～4 m/s。英國CIRIA[3]測得加筋草皮較深水位下可抵抗極限抗沖流速為6.00 m/s的短期沖刷。美國水土保持局[4]測得單一型式的植被護坡最大的抗沖流速為2.74 m/s。

本文采用文獻[5]所述的試驗裝置，對多年生無芒雀麥草皮護坡進行抗水流沖刷試驗研究，得出該草皮護坡在不同流速下的抗沖歷時、破壞程度等重要參數。為水土保持、植被護坡領域的草類選型提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 有壓流沖刷裝置簡介

該沖刷裝置的工作流程圖如圖1所示。該套設備由供水系統、量測系統、試驗段、尾水回流段組成。

圖1 有壓流沖刷裝置示意圖

本文所采用的裝配式有壓流沖刷試驗裝置，可實現不同類型草皮護坡的抗沖刷試驗，可對草皮試樣的方便安裝與拆卸。其工作段采用厚度為12 mm的透明有機玻璃板制作，截面為矩形，其內壁尺寸為長5.0 m×寬0.2 m×高0.1 m，流量范圍30～120 L/s，其斷面平均流速可達6.0 m/s。試驗槽盒亦采用有機玻璃制作，槽盒內壁尺寸為0.5 m×0.2 m×0.2 m。槽盒裝配置有壓段后，其內壁與水槽底面保持齊平，如圖2所示。

圖2 有機玻璃試驗段及可拆卸試樣槽盒

1.2 無芒雀麥草皮護坡的選取

選用黑龍江省黑壤土作為無芒雀麥草皮護坡的土體，選用優良無芒雀麥草籽人工播種。選取合理的種植區域，5月份對所選土地進行人工平整、去除雜草、采用撒播方式進行種植。在無芒雀麥草皮的生長過程中，根據氣候條件，對無芒雀麥草皮本身進行保溫、澆水、去除雜草等人工養護措施，以保證無芒雀麥草皮的良好長勢。由于無芒雀麥為多年生草本植物，為了避免其根系生長不充分產生試驗誤差，經過兩年的生長期之后，對無芒雀麥草皮護坡再進行有壓流試驗。結合無芒雀麥草皮的生長周期及氣候條件，在9月份對所種植的無芒雀麥草皮進行比選，并采取合理的取樣措施對無芒雀麥草皮進行裁剪。選取長勢均勻茂密的無芒雀麥草皮，如圖3所示，先根據試樣盒的尺寸，在草皮上劃定取樣范圍，采用土工切刀、鐵鍬等工具將草皮整塊取出，然后將取出的草皮按照試樣盒內體積尺寸裁剪，使得草皮完全置入試樣盒，并保證試樣盒上邊緣與草皮表面齊平。取樣過程中應盡量避免破壞草皮整體的完整性。草皮試樣盒采用厚度為10 mm的有機玻璃制作采用長方體設計，其內壁尺寸長寬高分別為500 mm×100 mm×200 mm。

圖3 兩年生無芒雀麥草皮護坡

1.3 試驗過程

(1)設備合理性檢驗、安裝與調試。啟動水泵，在無沖刷試樣的情況下調節閥門，通過量水堰計算各級流速對應的閥門開度，并標記。

(2)試樣制作。將圖3所示的試樣置于靜水中淹沒浸泡12 h，使土體充分浸潤。

(3)沖刷試驗。將(2)所得試樣置于沖刷裝置相應位置，采用法蘭盤及螺栓固定，啟動水泵，按(1)成果調節閥門開度，待水流穩定后開始記錄測壓管讀數，觀察試驗過程中草皮的沖刷狀況并記錄。按0.5 m/s逐級增加流速，完成各級流速的沖刷試驗后，關閉水泵。對沖刷過程進行錄像及拍照。

(4)試驗過程中測定并計算試驗草皮段壁面平均切應力。

(5)試樣草皮抗水流沖刷破壞評價。根據徑流沖刷下天然草皮破壞程度、植被存活情況、基土沖蝕情況將整個破壞過程分為四個階段：微弱破壞、輕度破壞、中度破壞、完全破壞。

2 試驗成果與討論

本試驗采用有壓流沖刷裝置，不同于以往的無壓開敞式渠道流，因此在正式開始試驗之前，需要對有機玻璃管壁及選用的草皮試樣的水力糙率測定，來檢驗試驗設計的合理性。

試驗前，將有機玻璃試驗段內的鏤空部分即圖2所示的部分，采用預先設計好的凸型補板，將其封補密實，保證有壓段內部過水斷面保持在同一水平面上。在試樣鏤空處前后水槽底部中線處各設計測壓管，來測量測點間水頭損失，計算糙率。測壓孔孔口布置如圖4所示。具體計算步驟如下：

圖4 測壓孔孔口布置圖

在某一穩定流量下，有機玻璃水槽的壁面切應力τ壁用式(1)計算

(1)

根據曼寧公式、謝才公式可得到曼寧糙率與床面切應力的關系式(2)：

(2)

式中：f為阻力系數。

將圖2所示的試樣槽盒位置，安裝上預先裁剪完成的無芒雀麥草皮試樣盒，重復率定有機玻璃管試樣的糙率步驟，得出無芒雀麥草皮的綜合曼寧糙率系數。

試驗測得有機玻璃水槽內壁的糙率n范圍在0.008～0.010之間。滿足規范所規定的最小值0.008，最大值0.010，正常值0.009的要求。采用同樣的方法測得的無芒雀麥草皮護坡的糙率值在0.019～0.022之間。

在植被護坡中，植草的主要作用是阻撓水流保護岸坡，植被覆蓋面積大，從而可以防止水土流失，而植物根系一般穿透力強，能向面層以下土體發育，可以減弱雨水、河流及地表徑流對岸坡表面的沖蝕。表面草根形成了一層土-根的復合護面層，可增強裸露基土的抗沖蝕能力，而深層根系起著錨固基土的作用。植被護坡的破壞主要是因為植物根部的土壤被水流沖走剝離以及水流對植物本身的曳引力所造成的。水流的持續沖刷作用下，使得草根周圍土壤發生侵蝕剝離，逐漸削弱了植物根系的錨固作用，直至植被整體被水流曳引力帶走。決定草皮護岸有效性的物理特性有：①草的長度與勁度；②草的葉片表面面積；③草根的結構與深度；④地下莖，匍匐莖及表面根結構的稠密度。對于無芒雀麥草皮護坡，試驗浸潤前、浸潤后以及沖刷后分別稱取了試樣重量，從而得到了草皮護坡的吸水量及土體損失量。吸水量可側面反映護坡土體對水體的吸附及保水能力，而土體損失量，可反映護坡在水流沖刷作用下的抗侵蝕能力，一般認為，土壤損失量越大，其抗水流沖刷侵蝕能力越小。表1為無芒雀麥草皮護坡的吸水率及水土流失率成果表。

表1 無芒雀麥草皮護坡吸水率及水土流失率統計表

對于無芒雀麥草皮護坡，自1.0 m/s起沖，以0.5 m/s的流速逐級遞增，每級流速沖刷歷時1 h。試驗結果表明，無芒雀麥草皮護坡的最大抗沖歷時約為3 h；最大抗沖流速可達5.0 m/s。水土流失率為12.06%。表2給出了本試驗所選取的無芒雀麥草皮在有壓流沖刷下的破壞成果。試驗所選取的無芒雀麥草皮護坡為覆蓋度很高的草皮類型，由于其根系縱橫向較發育，以至于覆蓋層以下的土體顆粒難以受到水流的直接淘刷作用，同時根系之間縱橫交織成網，增強了無芒雀麥草皮的穩定性與整體性。由于對草皮護坡抗沖刷破壞程度的判定，目前國內外尚無統一的判定標準。筆者參考文獻[6]中的判定標準，將草皮護坡破壞現象按破壞程度分為三級：Ⅰ級輕微破壞：植物莖葉部分完全倒伏，表層細顆粒泥沙起動，草根部分裸露。Ⅱ級中等破壞：大量泥沙起動，大部分根系裸露，出現凹凸不平沖刷坑。Ⅲ級完全破壞：整體草皮出現大面積淘刷，之后被水流沖散分離卷走，草皮整體破壞。此時無芒雀麥草皮護坡呈現中度破壞等級(Ⅱ級)，具體表現為，覆土層細顆粒土壤起動，小部分草根裸露。

表2 無芒雀麥草皮護坡沖刷破壞成果

3 結 論

基于文獻[1]所述的草皮護坡抗侵蝕破壞相關理論，自行研制一款有壓流沖蝕裝置，對兩年生無芒雀麥草皮護坡的抗水流侵蝕性能進行試驗研究，得出最大抗沖流速為5 m/s時，其累計抗沖歷時約3 h，發生破壞的床面切應力為106.5 Pa，摩阻流速為0.33 m/s，發生沖蝕破壞的級別為Ⅱ級，其水土流失率僅為12.06%。因此，無芒雀麥草皮護坡具有較強的抗水流侵蝕能力及固土固沙能力，可以作為植被護坡方面的推薦草皮類型。