探索草皮护坡破坏临界水流条件试验研究
摘要：
对应于草皮护坡破坏时的床面切应力值，可以用冲刷历时和摩阻流速来描述草皮护坡破坏时的临界水流条件。室内水槽冲刷试验表明，草皮护坡可能出现两种破坏情况：发生严重的局部破坏，或发生均匀破坏。试验得到的植被区床面切应力与流速平方之间存在非线性关系，与理论推导相符。在草皮护坡破坏之前植被区床面切应力先随冲刷时间的增加而减小，而后趋于稳定。发生局部破坏时，植被区床面切应力产生突变，发生均匀破坏时，植被区床面切应力保持稳定。在同等水流条件下，加筋草皮护坡较之天然草皮护坡具有更大的破坏临界床面切应力值。对于同种护坡形式，破坏点的床面切应力值随着流速的增大而增大。
关键词：三维植被网；加筋草皮；临界水流条件；破坏点；床面切应力；摩阻流速；试验研究
1 前言
在河渠护岸工程中，常用草对低渗透性的土坡进行衬护。草皮能承受一定强度的水流冲刷，作为抵抗外部流场的表面防冲层十分有效。草皮被水流破坏是因为植物根部的土壤被冲走，以及水流对植物的曳引力所造成的。在水流的作用下，由于草根周围土壤的侵蚀而使草皮发生冲刷，因此将削弱草的锚固作用，直至草被水流曳引力带走[1]。草皮的冲刷状况与岸坡的安全稳定密切相关，因此确定草皮护坡破坏时的临界水流条件至关重要。
不论是在试验水槽还是在实际的明渠河道中，草皮护坡被破坏都是因为床面切应力对植被的曳引作用造成的。因而对于同种坡面条件及植被条件的草皮护坡，其破坏时的临界床面切应力值应当是绝对的。因此可以通过室内水槽冲刷试验得出草皮护坡破坏时的临界床面切应力值，并用相应的摩阻流速* U 及冲刷历时来描述实际河道中草皮护坡破坏时的临界水流条件。
2 试验设计与方法
本次试验选用的低渗透性土壤为水稻土，属于壤土类重壤土，其性质指标见表1 和表2。采用分层填充砸实的方法使土壤容重上下均匀，容重控制在1.5g/cm左右。考虑到实际河道中水位变动以及降雨入渗对边坡土体强度及植被生存的影响，试验前将箱内土体及植被用静水淹没浸泡，使边坡土体充分浸润。
试验植被选用耐淹性强且易于繁殖的狗芽根(Cynodon dactylon)和高羊茅(Festuca arundinacea)，按照狗芽根75％、高羊茅25％的比例进行混播。植被平均高度10cm（经过修剪处理），在特制的模型箱内进行室外养护，草皮养护时间4 个月。试验使用的加筋材料为EM3 型绿色三维土工网垫，其性能参数见表3。
试验用三维植被网加筋草皮（及天然草皮）试件的制备工序为：模型箱内充填土壤（铺网覆土）播种前期养护。
试验设备由离心式清水泵、配水管路及地下回水廊道、LDZ-4B 型电磁流量计、阀门、空气压差计、PVC 板模型箱和封闭有机玻璃水槽（断面尺寸为200mm×100mm）等构成，试验装置如图1 所示。试验过程中观察草皮的冲刷情况，测量植被区的水头损失，记录相应的试验现象及冲刷时间。
3 基本理论
3.1 雷诺数
由文献[1]可知雷诺数计算式为式中ν 为水的运动粘滞系数，本试验温度为25℃，此时水的运动粘性系数ν = 0.897 ×106m2 / s；R 为试验水槽水力半径，R = A χ = BH 2(B + H)，H、B分别为水槽的断面高度和宽度；v 为试验断面平均流速。
3.2 床面切应力与摩阻流速
无植被时光滑水槽的壁面切应力 侧τ 用下式计算：
式中'
w Δh 为测点间水头差，l'为测点间距，γ = 9800N / m3为水的容重。
有植被时的床面切应力 V τ 计算式为式中w Δh 为植被区测点间水头差，l为测点间距。
底床摩阻流速按下式计算[1]
式中ρ = 1000kg / m3为水的密度。
4 试验结果与分析
4.1 草皮护坡的破坏点
根据试验现象，天然草皮或加筋草皮护坡可能出现两种破坏情况[2]：① 发生严重的局部破坏。床面出现大的冲刷坑，局部草皮全部冲走，并迅速波及整块草皮，水流异常紊乱，床面糙率突增，在试验观测中表现为植被区的水头损失陡然增大，抗冲历时较短（当流速足够大时发生）；② 发生均匀破坏。床面冲刷均匀，所有起动均完成，床面泥沙冲刷达到平衡状态，在试验观测中表现为植被区的水头损失先略有下降后趋于稳定，抗冲历时较长（一般在小流速情况下发生）。
4.2 床面切应力与流速的关系
根据均匀流基本方程及达西－魏斯巴赫(Darcy-Weisbach)公式其中f h 为沿程水头损失，λ 为沿程损失系数，推导出植被区床面切应力与断面平均流速应具有如下关系由文献[1]可知，当沿程损失f h 具有式（6）的一般形式时，λ 不可能是常数，通常λ 与流态、壁面状态、断面特性有关。
以试验中的流速平方v2为坐标横轴，以式（3）计算所得的植被区床面切应力值为坐标纵轴，将各级流速所对应的切应力值点绘于图2，得到植被区床面切应力与流速平方的关系曲线。由图可见，试验中得到的V τ 与v2之间存在如式（7）所示的非线性关系。
4.3 床面切应力随时间变化的趋势
将植被区床面切应力随时间变化的曲线绘于图 3。图中曲线显示，在草皮破坏之前植被区床面切应力先随冲刷时间的增加而减小，而后趋于稳定。
植被产生较大的水流阻力是由于植被茎叶排列不均，长短不齐，使流经叶面的水流受到较大的阻碍作用。冲刷时间的增加使得草叶间排列趋向顺滑、平整，同时茎干在水流持续的冲击下弯曲度增加，从而减小了床面糙率，并趋于稳定。
同时，试验现象显示，冲刷过程中植被叶片被水流剪断冲走，也减小了床面糙率。
因此水流对床面的冲刷作用随着冲刷时间的增加而减小，并逐步趋于稳定。
4.4 破坏点的切应力值及摩阻流速
在草皮护坡破坏点前后，植被区床面切应力也将发生变化。发生局部破坏时，切应力产生突增；发生均匀破坏时，切应力保持稳定（见图3）。对应于破坏点处的切应力值V τ ，用冲刷历时和摩阻流速* U 来描述草皮护坡破坏时的临界水流条件。摩阻流速按式（3）计算。试验得到了各组草皮护坡破坏点处的床面切应力和相应的摩阻流速及冲刷历时，见表3。表中数据显示，在同等水流条件下，加筋草皮护坡较之天然草皮护坡，其破坏点的床面切应力值明显更大，说明加筋草皮护坡具有更高的抗冲性能。对于同种护坡形式，破坏点的床面切应力值随着流速的增大而增大。
5 结论
（1） 天然草皮或加筋草皮护坡可能出现两种破坏情况：发生严重的局部破坏，或发生均匀破坏；
（2） 试验得到的植被区床面切应力与流速平方之间存在非线性关系，与理论推导相符；
（3） 在草皮护坡破坏之前植被区床面切应力先随冲刷时间的增加而减小，而后趋于稳定；
（4） 发生局部破坏时，植被区床面切应力产生突增，发生均匀破坏时，植被区床面切应力保持稳定。
（5） 在同等水流条件下，加筋草皮护坡较之天然草皮护坡具有更大的破坏临界床面切应力值。对于同种护坡形式，破坏点的床面切应力值随着流速的增大而增大。
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