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基于试验的生态块石护坡抗冲能力分析与应用

2024-11-02 92 上传者：管理员

摘要：生态块石护坡是一种由块石、土体和植物三种组分构成的护坡型式，是在自然生态护坡的基础上发展而来的一种抗冲性能更强、兼有生态功能的天然护坡结构。研究基于惠州市金山新城的防洪工程，采用该种护坡型式，通过现场试验的方法，对此类护坡进行抗冲试验。结果表明，该护坡型式可以有效防冲，且造价低廉，可以适应河流的冲淤规律。研究结果可以为采用类似护坡的工程提供借鉴。

关键词：
土壤损失率
最佳含土率
现场试验
生态护坡
生态环境
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近年来随着国家对生态环境越来越重视，尤其随着广东省内水利工程对美丽河湖建设的推进，在河道治理过程中，生态护坡的利用变得越来越广泛，但当前能够利用的生态护坡类型较为单一，市场有技术创新的需求。

生态块石护坡是块石、土体和植物组合的护坡型式，其提出是基于自然生态护坡的理念，在传统块石护坡技术上进行创新，块石和泥土混合后形成护面保护结构，其上植物生长增强了湖面结构的抗冲能力和生态功能，是一种天然的生态护坡结构，其施工边界，维护简单，而且造价低廉，具有较强的抗冲性能[1]。

文章基于惠州市金山新城防洪工程中的生态块石护坡，对比选取护坡草种的类型，以及所需土壤，通过现场使用，利用水渠天然的河道冲刷条件，设计相应的试验方和装置，对生态块石护坡进行抗冲能力试验。

1、生态块石护坡

生态护坡的关键是如何在满足防洪安全的前提下，营造适合于动植物和水生生物生长的、贴近自然的环境。根据生态学食物链的理论，采取植物措施护坡是保证河道生态功能的首要条件。通过在岸坡上种植植物，可以使得土体和水体之间、水体和生物之间相互涵养，河岸带生物间产生密切的相互依存关系，从而形成动态的生态平衡[2]。

目前主要的生态护坡型式主要分为以下几类：①纯植物固土护坡：在岸坡上种植各种适合当地气候、水土的植物，利用植物自身抵抗水流的能力和加筋固土的作用，抵抗冲刷，防止水土流失；②自然型护坡：在用植物进行固土护坡的基础上同时还采用了石料和木材等天然材料，从而提高护坡坡面抗冲刷能力；③复合型护坡：在自然型护岸的基础上，使用混凝土、钢筋混凝土等硬质材料确保护岸工程的稳定性[3-5]。然而，生态护坡的研究在国内仍处于初级阶段。由于受植物种类、气候、土壤和地形等因素的影响，对生态护坡尚缺少全面系统的研究，理论研究滞后于工程实践。在不同的水力条件下，对生态护坡的抗冲能力的计算，目前仍然没有一个统一的规范和标准，同时对植物固土护坡的机理研究较少，尤其是对植物护坡抗冲性能这一问题缺少定量依据，导致生态护坡设计，施工无规范可循，生态护坡设计基本凭借设计者的经验和判断，主观随意性大，设计水平参差不齐；其安全和可靠性也有待验证。这些原因导致目前在实际工程中仍然以传统护坡为主导。

生态块石护坡是块石、土体和植物组合的护坡型式，护坡中的块石本身具有一定的抗冲能力，同时块石通过分隔、约束限制和支撑土壤变形，增强土壤的稳定性，提高土壤抗冲能力。植被增加了坡面的糙率，增加了坡面径流阻力，降低了流速，植被根系对起到锚固的作用，进一步提高土壤的抗冲能力。

2、抗冲试验

2.1试验场地

在护坡研究过程中，需要恒定的、可调节的、水量充沛的水流条件进行实验，一般情况下通常选用物理模型的方式进行水力模型试验，通过将原型实物按照一定的比例缩放，在模型中模拟相似的自然现象并进行观测，将模型试验得到的结果分析推测出实际原型试验的结论[6]。但是本次试验的主体是植物、块石和土壤三者之间对护坡抗冲能力的影响，植物拥有的柔韧性、自然排列的状态和根系的结构很难被模拟，因此本次试验只能使用真实的植被进行研究，导致无法把原型进行一定比例的缩放。而块石本身体积较为巨大，且整体试验样品箱整体质量较大，进行室内冲刷试验很难，因此本次试验采用现场试验的方式进行护坡的抗冲研究。

通过调研发现，惠州市金山新城的防洪工程部分河道水利条件较适合本次实验、且流态完全还原实际冲刷环境，综合考虑经济性、合理性，本次选择工程地作为试验场地。

2.2试验材料

本次利用惠州市金山新城防洪工程这一实验场地，对不同含土率、有无植物固坡条件下，生态块石护坡抗冲能力进行研究。主要的试验材料包括对植物，土壤和块石。

2.2.1草种

草种选择的基本原则是生态适应性原则，即根据所在地区的地带性气候、土壤等特征、以及具体地点特定的局部小气候、土壤类型、地形、地貌和水文等特点，筛选出适宜当地种植的优质草种[7]。草种宜选取适合当地气候环境，根系发达，抗逆性好，具有较强的防冲、耐淹同时耐旱、耐贫瘠能力。因为河岸和堤防工程的水位变化较大，汛期洪水位较高，水流流速大，冲刷严重，护坡植物要经受水泡，所以要选择能耐2～3h水泡的耐洪涝的植物。汛期过后，水位下落，地下水位下降，植物面临着干旱的考验，应选择耐干旱的植物。由于耐冲刷要求，护坡植物应是根系发达，须根茂盛。由于耐干旱要求，护堤植物主根应深长，枝叶应有良好的保水性。根据当地河道现状，选择50%狗牙根+高羊茅草籽混播、50%本地植物移栽的植物配置。

2.2.2土壤

对于护坡工程而言，种植士与草本植物间通过根系的结合和植物的生长，形成河堤防边坡的保护层。从草皮护坡破坏的形式来看，护坡破坏多是从土壤颗粒被带走开种植土自身的抗冲消能，不仅在植物的生长初期比较重要，而且在植物生长后，也会对护坡的综合抗冲性能产生影响[8]。综上考所述和考虑到经济和运输问题本次试验用种植土选择试验场地区域分布较广且物理化性质较好有机质含量较高的黄壤。

2.2.3块石

块石在边坡防护方面主要有3个作用：靠自重满足水流冲刷条件下的稳定；经植物茎叶后底流扩散至块石表面，降低冲损；块石限制土体变形扰动，并通过挤压使土体不易流失。

试验用用块石应新鲜、坚硬，块石最小厚度≥20cm,单重≥25kg,石料容重≥25kN/m3,软化系数> 0.75,饱和抗压强度≥40MPa;面石要求基本有两个平整面，块石使用前必须浇水湿润，表面应清洗干净。

块石在样品箱中摆放时应注意块石面层应摆放平行，大致平整，无尖角、薄边；块石间应由土壤填充，避免块石直接接触堆砌。

2.3试验装置

试验装置包括围堰、主槽以及下游样品箱。试验槽主要由钢板焊接而成，长10.0 m,宽1.7 m,顺水流方向为宽1.5 m,深0.4 m的引水槽，其与围堰配合，可以将河道中的水收拢。控制引水槽深度，可以调节坡度，调整来流大小。主槽下游连接试验样品箱。试验装置如图1所示。试验样品箱尺寸为1.00m×1.00m×0.40 m,样品箱内材料主要为块石、土壤、草本植物。

图1实验设施

2.4工况设置

试验设置样品的不同含土率、土壤类型、植物等变量，每种组合设置3个样品以避免样品制作中的偏差。样品设置三个不同的含水率，记为A、B、C,同时设置两组对照组，分别代表有草皮护坡和无植物护坡的工况，共设置三个河道流速，7 m/s、6 m/s和5 m/s,具体分组见表1。

表1试验分组

3、试验成果

3.1样品统计

要想把块石较为均匀的在试验箱中摆放一层，块石的大小较难把握，所以试验箱的含土率与理论值存在一定偏差，偏差尽量控制在±5%以内，实验样品的具体情况见表2。

表2试验前样品统计

结果显示，5 m/s流速下实验组均只有在试验箱前沿处微弱破坏，对照组D实验箱也未被完全破坏，对照组E(45%含土率无植被)被完全破坏；6 m/s流速下A组(含土率30%)试验箱前沿处发生了轻度破坏外，B(45%)C(60%)两组均只有微弱度破坏，C组略优于B组，对照组实验箱均被完全破坏；7 m/s流速下，A组试验箱前沿处发生了中度破坏或完全破坏，部分根系较浅的草被连根拔出冲走，BC两组均只有一个试验箱整体发生中度破坏，其余两组除冲刷前沿处有轻度破坏，中部有部分冲坑，草根有少量裸露，对照组试验箱均完全破坏。

3.2冲损率

试验所选用的植物其株状形态不明显，混播后很难进行植被数据统计，通过重量、面积统计也较为困难，考虑以冲损率作为主要收集数据，冲损率表达式为：

式中：p为冲损率，%;S为取样范围内表土厚度>5 cm覆盖面积，cm2;S10≥h≥5为取样范围内掏空厚度10≥h≥5的面积，cm2;S10≥h≥5为取样范围内掏空厚度h≥10的面积，cm2。

试验结束后，样品的冲损率见表3。

表3试验样品冲损情况

部分样品在高流速(7 m/s)下出现了冲毁现象，相较于生态块石护坡，草皮植物护坡和无植物护坡出现了显著的流失现象，大部分无法计算冲损率。而随着流速的降低，各含土率情况下，生态块石护坡的冲损率均出现了下降。

含土率和冲损率的关系如图2所示。含土率≥40%时，在不同冲刷流速下，样品的冲损率相较于<40%含土率的工况相对更低，而含土率高于50%后，冲损率又呈现上升趋势，因此生态块石护坡存在一个最佳的含土率，在40%～50%之间。对于低流速工况(5 m/s),样品含土率对冲损率的影响区别不大，护坡基本均可满足未出现破坏的情况。而样品含土率越低，其冲损率越高，分析认为其土壤含量无法满足植物根系固土需求，降低了植物的护坡效果。对于草皮植物护坡而言(含土率100%),其仅在低流速情况下可以计算冲损率，对于高流速状态，已被完全冲毁，表明此类护坡已经无法满足当前河道流速需求，同时，也反应出块石在护坡中发挥了良好的抵抗水流的能力。

图2含土率与冲损率关系

4、结论

文章基于惠州市金山新城的防洪工程，对河道生态块石护坡抗冲能力进行了试验研究，研究结果表明，该类型护坡相较于草皮护坡表现出了良好的防冲能力，同时其含土率在40%～50%时，可以显著降低土壤的冲损率，对护岸保护能力最佳。考虑到此类护坡施工便捷，经济成本低，可以有效推广，研究结果可以为类似护坡提供工程借鉴。

参考文献:

[1]杜技能,王中珏,段继琪,等.生态护坡理论及技术研究现状综述[J].水利与建筑工程学报,2023,21(06):211-220.

[2]祝天新.生态护坡结构在河道整治中的研究及应用[J].水利科技与经济,2023,29(12):78-82,93.

[3]付江涛,李光莹,虎啸天,等.植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势[J].工程地质学报,2014,22(06):1135-1146.

[4]刘文斌.生态护坡在城市河道堤岸防洪整治工程中的应用[J].价值工程,2019,38(34):145-148.

[5]王溪平.复合型生态护坡植生层降雨渗流试验研究[J].中国水能及电气化,2017(04):61-64.

[6]付旭辉,田佳慧,程一烋,等.土质岸坡复合水力侵蚀模型试验研究[J].水运工程,2023(08):163-169.

[7]閤海峰,潘锋,付峥,等.透水植生混凝土生态护坡植草试验研究[J].新世纪水泥导报,2021,27(06):64-68.

[8]张志刚,王立峰,寿凌超,等.生态护坡植物配置研究现状及趋势分析[J].环境科学与管理,2023,48(11):137-142.

文章来源:范宇威.基于试验的生态块石护坡抗冲能力分析与应用[J].黑龙江水利科技,2024,52(10):125-128.