無芒雀麥草皮護(hù)坡抗水流侵蝕試驗(yàn)研究

田振華,韓 雷,狄高健,李 洋

(黑龍江省水利科學(xué)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(rùn)氣候，在溫度、雨量適中地區(qū)生長(zhǎng)良好。又因其根系發(fā)達(dá)、入土深、能耐長(zhǎng)期干旱；耐嚴(yán)寒，不喜高溫潮濕氣候，在東北、內(nèi)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(zhǎng)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(hù)坡領(lǐng)域受到越來越多的青睞，但是作為一種優(yōu)良的護(hù)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(bào)道。有學(xué)者認(rèn)為床面切應(yīng)力對(duì)植被的曳引作用是造成草皮護(hù)坡破壞的直接原因[1],而與床面切應(yīng)力相關(guān)且可以直接測(cè)得參數(shù)為摩阻流速，故測(cè)得草皮護(hù)坡所能抵抗的最大水流流速成為重點(diǎn)。毛昶熙[2]等研究得出了在水力荷載作用下發(fā)生嚴(yán)重侵蝕破壞時(shí)的流速范圍為2～4 m/s。英國(guó)CIRIA[3]測(cè)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(guó)水土保持局[4]測(cè)得單一型式的植被護(hù)坡最大的抗沖流速為2.74 m/s。

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

1 材料與方法

1.1 有壓流沖刷裝置簡(jiǎn)介

該沖刷裝置的工作流程圖如圖1所示。該套設(shè)備由供水系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)、試驗(yàn)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(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)不同類型草皮護(hù)坡的抗沖刷試驗(yàn)，可對(duì)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(jī)玻璃板制作，截面為矩形，其內(nèi)壁尺寸為長(zhǎng)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(dá)6.0 m/s。試驗(yàn)槽盒亦采用有機(jī)玻璃制作，槽盒內(nèi)壁尺寸為0.5 m×0.2 m×0.2 m。槽盒裝配置有壓段后，其內(nèi)壁與水槽底面保持齊平，如圖2所示。

圖2 有機(jī)玻璃試驗(yàn)段及可拆卸試樣槽盒

1.2 無芒雀麥草皮護(hù)坡的選取

選用黑龍江省黑壤土作為無芒雀麥草皮護(hù)坡的土體，選用優(yōu)良無芒雀麥草籽人工播種。選取合理的種植區(qū)域，5月份對(duì)所選土地進(jìn)行人工平整、去除雜草、采用撒播方式進(jìn)行種植。在無芒雀麥草皮的生長(zhǎng)過程中，根據(jù)氣候條件，對(duì)無芒雀麥草皮本身進(jìn)行保溫、澆水、去除雜草等人工養(yǎng)護(hù)措施，以保證無芒雀麥草皮的良好長(zhǎng)勢(shì)。由于無芒雀麥為多年生草本植物，為了避免其根系生長(zhǎng)不充分產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，經(jīng)過兩年的生長(zhǎng)期之后，對(duì)無芒雀麥草皮護(hù)坡再進(jìn)行有壓流試驗(yàn)。結(jié)合無芒雀麥草皮的生長(zhǎng)周期及氣候條件，在9月份對(duì)所種植的無芒雀麥草皮進(jìn)行比選，并采取合理的取樣措施對(duì)無芒雀麥草皮進(jìn)行裁剪。選取長(zhǎng)勢(shì)均勻茂密的無芒雀麥草皮，如圖3所示，先根據(jù)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(nèi)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(yīng)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(jī)玻璃制作采用長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)，其內(nèi)壁尺寸長(zhǎng)寬高分別為500 mm×100 mm×200 mm。

圖3 兩年生無芒雀麥草皮護(hù)坡

1.3 試驗(yàn)過程

(1)設(shè)備合理性檢驗(yàn)、安裝與調(diào)試。啟動(dòng)水泵，在無沖刷試樣的情況下調(diào)節(jié)閥門，通過量水堰計(jì)算各級(jí)流速對(duì)應(yīng)的閥門開度，并標(biāo)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(rùn)。

(3)沖刷試驗(yàn)。將(2)所得試樣置于沖刷裝置相應(yīng)位置，采用法蘭盤及螺栓固定，啟動(dòng)水泵，按(1)成果調(diào)節(jié)閥門開度，待水流穩(wěn)定后開始記錄測(cè)壓管讀數(shù)，觀察試驗(yàn)過程中草皮的沖刷狀況并記錄。按0.5 m/s逐級(jí)增加流速，完成各級(jí)流速的沖刷試驗(yàn)后，關(guān)閉水泵。對(duì)沖刷過程進(jìn)行錄像及拍照。

(4)試驗(yàn)過程中測(cè)定并計(jì)算試驗(yàn)草皮段壁面平均切應(yīng)力。

(5)試樣草皮抗水流沖刷破壞評(píng)價(jià)。根據(jù)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(gè)破壞過程分為四個(gè)階段：微弱破壞、輕度破壞、中度破壞、完全破壞。

2 試驗(yàn)成果與討論

本試驗(yàn)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(yàn)之前，需要對(duì)有機(jī)玻璃管壁及選用的草皮試樣的水力糙率測(cè)定，來檢驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

試驗(yàn)前，將有機(jī)玻璃試驗(yàn)段內(nèi)的鏤空部分即圖2所示的部分，采用預(yù)先設(shè)計(jì)好的凸型補(bǔ)板，將其封補(bǔ)密實(shí)，保證有壓段內(nèi)部過水?dāng)嗝姹３衷谕凰矫嫔?。在試樣鏤空處前后水槽底部中線處各設(shè)計(jì)測(cè)壓管，來測(cè)量測(cè)點(diǎn)間水頭損失，計(jì)算糙率。測(cè)壓孔孔口布置如圖4所示。具體計(jì)算步驟如下：

圖4 測(cè)壓孔孔口布置圖

在某一穩(wěn)定流量下，有機(jī)玻璃水槽的壁面切應(yīng)力τ壁用式(1)計(jì)算

(1)

根據(jù)曼寧公式、謝才公式可得到曼寧糙率與床面切應(yīng)力的關(guān)系式(2)：

(2)

式中：f為阻力系數(shù)。

將圖2所示的試樣槽盒位置，安裝上預(yù)先裁剪完成的無芒雀麥草皮試樣盒，重復(fù)率定有機(jī)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(shù)。

試驗(yàn)測(cè)得有機(jī)玻璃水槽內(nèi)壁的糙率n范圍在0.008～0.010之間。滿足規(guī)范所規(guī)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(cè)得的無芒雀麥草皮護(hù)坡的糙率值在0.019～0.022之間。

在植被護(hù)坡中，植草的主要作用是阻撓水流保護(hù)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(qiáng)，能向面層以下土體發(fā)育，可以減弱雨水、河流及地表徑流對(duì)岸坡表面的沖蝕。表面草根形成了一層土-根的復(fù)合護(hù)面層，可增強(qiáng)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(hù)坡的破壞主要是因?yàn)橹参锔康耐寥辣凰鳑_走剝離以及水流對(duì)植物本身的曳引力所造成的。水流的持續(xù)沖刷作用下，使得草根周圍土壤發(fā)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(hù)岸有效性的物理特性有：①草的長(zhǎng)度與勁度；②草的葉片表面面積；③草根的結(jié)構(gòu)與深度；④地下莖，匍匐莖及表面根結(jié)構(gòu)的稠密度。對(duì)于無芒雀麥草皮護(hù)坡，試驗(yàn)浸潤(rùn)前、浸潤(rùn)后以及沖刷后分別稱取了試樣重量，從而得到了草皮護(hù)坡的吸水量及土體損失量。吸水量可側(cè)面反映護(hù)坡土體對(duì)水體的吸附及保水能力，而土體損失量，可反映護(hù)坡在水流沖刷作用下的抗侵蝕能力，一般認(rèn)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(hù)坡的吸水率及水土流失率成果表。

表1 無芒雀麥草皮護(hù)坡吸水率及水土流失率統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于無芒雀麥草皮護(hù)坡，自1.0 m/s起沖，以0.5 m/s的流速逐級(jí)遞增，每級(jí)流速?zèng)_刷歷時(shí)1 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，無芒雀麥草皮護(hù)坡的最大抗沖歷時(shí)約為3 h；最大抗沖流速可達(dá)5.0 m/s。水土流失率為12.06%。表2給出了本試驗(yàn)所選取的無芒雀麥草皮在有壓流沖刷下的破壞成果。試驗(yàn)所選取的無芒雀麥草皮護(hù)坡為覆蓋度很高的草皮類型，由于其根系縱橫向較發(fā)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(shí)根系之間縱橫交織成網(wǎng)，增強(qiáng)了無芒雀麥草皮的穩(wěn)定性與整體性。由于對(duì)草皮護(hù)坡抗沖刷破壞程度的判定，目前國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)。筆者參考文獻(xiàn)[6]中的判定標(biāo)準(zhǔn)，將草皮護(hù)坡破壞現(xiàn)象按破壞程度分為三級(jí)：Ⅰ級(jí)輕微破壞：植物莖葉部分完全倒伏，表層細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)，草根部分裸露。Ⅱ級(jí)中等破壞：大量泥沙起動(dòng)，大部分根系裸露，出現(xiàn)凹凸不平?jīng)_刷坑。Ⅲ級(jí)完全破壞：整體草皮出現(xiàn)大面積淘刷，之后被水流沖散分離卷走，草皮整體破壞。此時(shí)無芒雀麥草皮護(hù)坡呈現(xiàn)中度破壞等級(jí)(Ⅱ級(jí))，具體表現(xiàn)為，覆土層細(xì)顆粒土壤起動(dòng)，小部分草根裸露。

表2 無芒雀麥草皮護(hù)坡沖刷破壞成果

3 結(jié) 論

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