海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究

胡玉植，潘　毅，陈永平

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，江苏南京　210098; 2. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京　210098)



海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究

胡玉植1,2，潘毅1,2，陈永平1,2

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，江苏南京210098; 2. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098)

摘要：在台风和寒潮等极端事件条件下海堤背水坡易受到越浪和溢流的侵蚀作用，海堤背水坡的保护越来越受到重视；同时人们对海岸工程也提出了更多的生态和景观要求。加筋草皮作为一种新兴的护坡方式，发挥了土工织物防冲固草和草根系固土的作用，既提高了植被护坡的抗水力侵蚀能力，也满足生态功能。为研究背水坡加筋草皮的护坡性能，基于室内水槽试验，探究了不同加筋草皮方式在背水坡遭受高速持续水流冲刷和越浪水体斜向冲刷两种作用下抗侵蚀性能。试验结果表明：不同方式的加筋草皮抗侵蚀有差异，抗侵蚀性能由强到弱为三维土工网垫与土工格栅联合加筋、三维土工网垫>土工格栅>天然草皮。相同流量下卷破波斜向冲刷作用下较持续水流正向冲刷破坏更为强烈。

关键词：护坡； 抗冲蚀能力； 加筋草皮； 背水坡； 越浪； 土工织物

1研究背景

海堤是为防御风暴潮水和波浪对防护区的危害而修筑的堤防工程，是沿海地区人类生命及财产安全的重要屏障，海堤的溃决和破坏将导致严重后果。风暴潮越过堤防和防洪墙后产生冲刷，随后导致堤防和防洪墙破坏和决口。由强风暴引起的特大海岸灾害中，很大一部分海堤溃决都是因为海堤越浪和溢流造成。试验结果和现场分析调查表明，越浪和溢流首先造成海堤背水坡的侵蚀，进而侵蚀扩大，溃堤发生[1-6]。传统的堤防工程往往注重海堤向海侧的防御而忽视了背水坡的防御，在大风暴潮灾害下造成了非常大的溃堤风险，因此海堤背水坡的防御越来越得到重视。

风暴潮中，海水越过堤防的方式可大致分为3种[7]：溢流、越浪和波浪溢流。其中，海堤上游静水位高于堤顶高程时发生的波浪溢流，背水坡既受到溢流产生的高速水流冲刷作用，也会受到波浪破碎产生的卷破波斜向冲刷作用，这种情况下背水坡受到更快的水流冲刷侵蚀作用。

海堤护坡按护坡位置可分为向海侧、堤顶和背水坡护坡。向海侧由于受到潮流、海流、波浪、水位变动等水力因素影响很大，护坡常采用干砌块石(或条石)、浆砌块石、抛石、混凝土板、混凝土异性块体等工程措施护面。堤顶和背水坡护坡与否与防浪墙设置、堤身填料、允许越浪量等因素有关。在海堤背水坡上，传统的砌石或混凝土护坡虽然有足够的抗越浪溢流强度，但造价较高且缺乏自然性；在越来越注重工程的生态性和自然性的今天，人们更加喜欢使用植被护坡，然而天然植被护坡在抗水力侵蚀能力方面的能力远远低于砌石或混凝土护坡，很多地方无法满足海堤的设计要求。

加筋草皮可以有效地解决这一矛盾。加筋草皮，指的是利用活性植物并结合土工合成材料等，在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统，通过植物的生长对边坡进行绿化与加固[8]。常见的土工织物包括有三维植被网、土工格栅、土工格室等。土工织物在种植草皮之前被预置于土壤中，在植被生长过程中草的根茎穿过土工织物生长，使土壤、植被、土工织物三者紧密结合在一起。加筋材料可以大大提高天然草皮的抗坡面侵蚀性能，其作用机理表现为：提高边坡土体的黏聚力、限制网下大于网眼尺寸土块起动的覆盖防护作用以及提高草间的侧向连续性3个方面[9]。

国外学者对加筋草皮的研究集中在加筋草皮的抗侵蚀临界流速和临界剪切力方面。如Nelson对加筋草皮进行了溢流的现场试验研究，定义加筋草皮的破坏为12.7 mm(0.5 inch)的侵蚀，按此标准测试得到加筋草皮的容忍剪切力为900 Pa[10]。Y. Pan等通过原物尺寸的越浪试验对高性能加筋草皮(HPTRM)的水力学性能和抗侵蚀性能进行了初步探讨[11-12]，提出了加筋草皮“侵蚀上限”的概念，并将加筋草皮的破坏机制总结为水流的持续冲刷作用和波浪力对土工网垫的撕离作用。国内对于加筋草皮的研究多数是基于工程概念实践提出，主要集中在加筋草皮的施工工艺和成本控制方面的探讨[13-14]。也有学者基于室内外试验模拟研究了加筋草皮在降雨、径流等水流冲刷作用下侵蚀变化规律和水流特性[15-18]，但是多为河道、路基的边坡保护，并没有考虑在海堤背水坡的应用。鉴于加筋草皮在保持植被护坡的生态和景观功能的前提下比普通草皮的抗侵蚀能力可提高十倍以上，在海堤防护上有着广泛的应用前景。

图1　海堤背水坡受水流作用形式Fig.1　 Acting forms of flow on land side slope of sea 　embankment

风暴潮期间，海堤背水坡可能受到的水流作用可分为两种。一是溢流水体的高速水流冲刷作用，此时水流平行于坡面进行冲刷，如图1(a)[12]所示；在文献[12]中，使用了1∶1正态模型的溢流试验对顺坡的冲刷作用做了探讨。二是水流流速与坡面成一定角度的冲刷，如图1(b)[7]所示卷越破波越过堤顶斜向冲刷背水坡坡面和图1(c)[2]所示的背水坡水流斜向冲刷复式平台；文献[7]指出，在波浪溢流的情况下，易形成卷跃破波对海堤护坡的斜向冲刷；文献[2]利用现场试验对草皮护坡进行测试，发现在海堤坡度改变处易造成草皮护坡的初始破坏。

本文主要关注两种因素对加筋草皮抗侵蚀性能的影响。第1个因素是加筋草皮护坡型式，其草皮加筋土工材料包括三维土工网垫、土工格栅等，不同的土工材料加筋方式其保护效果也不同。第2个因素是越浪水流对背水坡的作用方式，背水坡可能受到的水力作用按水流方向与坡面的夹角可分为两种：高速持续水流顺坡冲刷和水流流速与坡面成一定角度的冲刷，海堤背水坡上的高速水流会引起背水坡的顺坡冲刷，而当卷跃破波发生时或背水坡坡度改变时(如复式断面)，发生水流流速与坡面成一定角度的冲刷(即斜向冲刷，水流流速存在一个垂直于背水坡坡面的分量)。通过物理试验研究不同加筋草皮方式在背水坡遭受高速持续水流冲刷和越浪水体斜向冲刷两种作用下抗侵蚀性能，为海堤防护中加筋草皮护坡的设计和使用提供技术支持。

2试验设计

2.1试验样品

图2　各类加筋草皮型式Fig.2　 Different types of reinforced turf

4月份在室外进行试验草皮的播种，在0.61 m×0.2 m×0.2 m规格的试验箱内培植常用于生态护坡的狗牙根(Bermuda grass)试验草皮，设计了3类不同的草皮加筋方式，各类加筋方式和试验箱数分别是：土工格栅加筋草皮3箱(编号为G-1，G-2和G-3)、三维土工网垫加筋草皮3箱(编号为T1，T2，T3)和土工格栅与三维土工网垫联合加筋草皮4箱(编号为C-1，C-2，C-3，C-4)，加筋草皮示意图见图2。同时设有1箱天然草皮(编号为N-1)，供试验对比参照。所有试验样品均在相同条件下进行培植，试验样品实物如图3所示。通过浇水、施肥等日常管理，等到草皮完全成熟后10月份在室内进行物理试验。同一种加筋方式的不同样品为采取同等条件培植的加筋草皮样品，培植过程中尽量保证草株密度、草高等因素的一致性。用以进行重复性的试验以排除因偶然因素造成的试验结果偏差。

图3　试验样品Fig.3　 Experiment samples

2.2试验装置

试验装置由地下水库、水泵、输水管道、超声波流量计、有机玻璃水槽、PVC板模型箱和移动式草箱支架等组成，通过提高水头和设置斜坡的方式在有机玻璃水槽试验段产生高速水流，以满足试验要求。试验过程中，通过调整水泵转速赫兹数控制流量大小，转速越大，流量越大。水流由输水管道进入有机玻璃水槽水平段，经过斜坡加速进入试验段，斜坡坡度为1∶3。试验装置如图4所示，D为测试区。试验时，通过水泵提供流量，水流在仪器里面形成自由溢流。测试顺坡水流时，样品安置在测试区；测试斜向水流时，样品平放在试验区以下的水槽中。

图4　试验模型布置Fig.4　 Experiment layout

2.3试验观测

草皮物理参数观测内容主要是株高与密度。株高由直尺直接读数，试验草皮草高变化范围为25～29 cm，各草箱草高差异很小。草皮密度通过取草箱前后7.6 cm×7.6 cm正方形区域人工统计草根数得到，试验草皮密度变化范围为12 000～16 000 株/m2。

水流过程观测内容主要包括：超声波流量计测流量，摄像机记录水位变化和草皮上方的水流流态变化。

草皮观测内容主要是草皮破坏特性和土壤冲蚀特性，草皮抗水流冲刷强度以侵蚀度为表征。每次冲刷试验后，各取草箱前后9个点通过电子游标卡尺架接触土层测量高程变化，取平均值得到草箱前后(草箱前后是指顺水流方向，草箱首先被冲刷部位为草箱前部)的侵蚀度大小，电子游标卡尺的精度为0.01 mm。

2.4试验流程

所有试验草皮均按以下流程进行试验：①测量草高和草密度；②将草箱固定在有机玻璃水槽内斜坡上，测量其初始土层高度；③36 L/s流量下冲刷10 min，冲刷完后测量土层高度；④41 L/s流量下冲刷10 min，冲刷完后测量土层高度；⑤45 L/s流量下冲刷10 min，冲刷完后测量土层高度；⑥草箱水平放置与斜坡底部进行斜冲，水泵在45 L/s流量下冲刷10 min，冲刷完后测量土层高度；⑦试验结束，换草箱重复1～7步骤。

步骤③～⑤模拟溢流情况下背水坡高流速冲刷，步骤⑥模拟水流斜向冲刷。试验中，冲刷流量的变化通过调节水泵的转速赫兹数达到，设置水泵的转速赫兹数分别为40，45和50，分别对应步骤③～⑤的36，41和45 L/s流量。

3试验结果及分析

3.1试验结果

试验得到了加筋草皮试验样品在不同流量冲刷下，土壤侵蚀度随时间的变化过程，图5为草皮在斜坡高速溢流冲刷作用下的侵蚀度发展历时曲线。可以发现，冲刷试验后天然草皮的最终侵蚀度最大，表明加筋草皮对提高草皮的抗侵蚀性能是有作用的，而不同土工织物的加筋草皮其抗侵蚀性也有差异。相同加筋方式下各样品的侵蚀量发展曲线比较接近，为了进一步研究不同加筋方式对侵蚀度的影响，将同一类加筋方式下的所有草皮样品的侵蚀度平均，得到斜坡高速溢流冲刷作用下不同加筋方式的草皮土壤侵蚀度随时间的变化过程(如图6)。从图6可见，土工格栅与三维土工网垫联合加筋草皮的侵蚀度最小，三维土工网垫加筋草皮侵蚀度小于土工格栅加筋草皮。

图5　各草皮试件土壤侵蚀度发展Fig.5　 Development of soil erosion degree of turf samples

图6　不同加筋方式下土壤侵蚀度发展均值Fig.6　 Development of average soil erosion degree for different types of reinforced turf

在10 min高速水流斜向冲刷作用下，各草皮试件的侵蚀度见表1。由表1可见，在高速水流的斜向冲刷作用下，各类型加筋草皮试件侵蚀度明显增加，天然草皮则发生破坏。

表1　斜向冲刷作用下草皮试件的侵蚀度

3.2讨论分析

由图5和6可见，天然草皮样品侵蚀度明显大于所有形式的加筋草皮，表明在高速持续水流冲刷作用下，对于天然草皮，在相同阶段冲刷下，侵蚀度要大于加筋草皮，加筋材料对于提高草皮的抗侵蚀性能作用明显。比较不同的加筋草皮侵蚀度，可以发现加筋材料的保护作用有差异。由图6可知，抗侵蚀性能由强到弱为三维土工网垫与土工格栅联合加筋>三维土工网垫>土工格栅>天然草皮。

在高速水流斜向冲刷作用下，天然草皮试件发生破坏，其他加筋草皮虽然发生侵蚀但并未发生整体性破坏，这也证明了加筋草皮确实有效提高了草皮抗侵蚀性能。对比草皮在高速持续水流冲刷作用和高速水流斜向冲刷作用下侵蚀度，可以发现在水流斜向冲刷作用下的侵蚀度明显增加，表明水流斜向冲刷作用强于持续水流冲刷作用。由表1的平均侵蚀度得知，高速水流斜向冲刷作用下不同加筋材料的保护差异性更加显著，土工格栅加筋草皮的最大侵蚀度达10.3 mm，三维土工网垫加筋草皮最大侵蚀度为4.16 mm，而三维土工网垫与土工格栅联合加筋草皮最大侵蚀度仅为2.1 mm。与高速持续水流冲刷作用下的结论一致，总体上来说，抗侵蚀性能由强到弱为三维土工网垫与土工格栅联合加筋，三维土工网垫>土工格栅>天然草皮。

总体来说，草皮的根系互相缠绕形成具有一定抗张拉强度的根系网，将根系土壤固结为一个整体；同时根系把浅层土壤锚固到深处较稳定的土层中去，也增加了土体的稳定性。而加筋材料一方面发挥着类似草皮根系作用，另一方面三维土工网垫又可以限制网下大于网眼尺寸的土块起动。试验表明，水流斜向冲刷后三维土工网垫与土工格栅联合加筋草皮、三维土工网垫加筋草皮虽有侵蚀，但情况良好。而土工格栅加筋草皮直接受斜向水流冲击部分有明显土坑出现，天然草皮则直接破坏。当水流顺坡冲刷时，倾倒的草株能够很大程度上减缓高速水流对土壤的侵蚀；当水流斜向冲刷时，水流对土壤的破坏力更加集中，产生局部破坏，容易导致接下来的整体破坏。

4结语

本文利用针对生态护坡设计的抗侵蚀性能测试仪，对3种不同的加筋草皮护坡及对照组(天然草皮护坡)进行了顺坡水流和斜向水流冲刷作用下的试验测试。对不同生态护坡的抗顺坡水流及斜向水流冲刷的能力进行了比较分析，通过试验测试了不同流量下不同种类加筋草皮的抗侵蚀能力，试验水流的主要控制变量为流量Q。得到的基本结论如下：

海堤背水坡采用草皮护坡型式下，溢流水体产生的高速持续水流冲刷作用或越浪水体斜向冲刷作用都会侵蚀草皮土体，相同流量情况下斜向冲刷作用下破坏更为强烈，海堤保护设计中要予以重视。横向比较3种不同方式的加筋草皮，抗侵蚀性能由强到弱为三维土工网垫与土工格栅联合加筋，三维土工网垫>土工格栅>天然草皮。

本研究对不同加筋方式的加筋草皮在顺坡水流和斜向水流的抗侵蚀作用做了纵向和横向的初步比较。今后的研究可以在草皮上方水流结构、草皮侵蚀速率与流速、剪切力等水力要素关系等问题上展开。另外加筋材料的老化以及随着材料老化性能的下降程度、不同草种之间的差异也是加筋草皮护坡需要解答的问题。

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Experimental studies on scouring resistance of reinforced turf on land-side slope

HU Yu-zhi1,2， PAN Yi1,2， CHEN Yong-ping1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China； 2.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：The land-side slope of a sea embankment would suffer from erosion induced by overtopping and overflow when extreme events such as typhoon and cold wave happen. Previous studies have shown that the protection of the land-side slope of the earthen levees against wave and surge overtopping during large storm surges is of great importance. Recently more attentions have been paid by engineers and researchers to the land-side slope protection. Different types of strengthening systems were introduced to protect the crest and land-side slope of the levees against surge overflow and wave overtopping after Hurricane Katrina. Meanwhile ecological and landscape requirements were put up for coastal engineering construction. As an innovative side slope protection way, reinforced turf has the advantages of fixing the plants, which in turn fix the soil. The reinforced turf protection can strengthen the erosion resistance and meet the requirements of ecological function as well. The scouring resistance of the land-side slope protected by different types of the reinforced turf under high velocity flow parallel to the land-side slope as well as oblique to the land-side slope was investigated by using flume experiments. The samples with different strengthening methods were tested under high speed open flow. After the tests, the erosion of the turf samples was measured. The depths of the erosion of the samples were plotted versus the rates of discharge. Experiment results show that scouring resistance of different types of the reinforced turf are not the same. The reinforcement effects of combined geogrid and three-dimensional geomats are better than those of the geogrid and natural turf. Comparisons are also made between the erosion resistances against the scouring of parallel flow and oblique flow. Scouring oblique to the land-side slope causes worse damage than parallel scouring to the land-side slope under the same flow discharge rate.

Key words：slope protection; erosion resistance; reinforced turf; land-side slope; overtopping; geotextiles

中图分类号：TV871

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2016)01-0051-07

通信作者：潘毅(E-mail：panyi21hhu@gmail.com)

作者简介：胡玉植(1991—)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事海岸防灾研究。E-mail：ianhuhhu@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309092)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20130833)

收稿日期：2015-05-16

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X. 2016.01.008

胡玉植， 潘毅， 陈永平. 海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究[J]. 水利水运工程学报, 2016(1): 51-57. (HU Yu-zhi, PAN Yi, CHEN Yong-ping. Experimental studies on scouring resistance of reinforced turf on land-side slope[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 51-57.)