第12卷第1期2021年3月
黑龙江大学工程学报
Journai of Engineering of Heilongjiang University
$aal2,No1
Mae,2020
DOD10.13524/j.2095708x.2021.01.004
寒区河道不同模式生态护坡抗水流冲刷试验研究郭显锋V，王笑峰—，韩雷2，郑子金*，徐维* (1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080；3鹤岗绿森林业有限公司，黑龙江鹤岗154100)
摘要：为改善和提高寒区河道护坡的生态功能，设计了5种生态护坡模式并进行现场试验区建设。通过流速为1.0~5.0m・s「1有压恒定流连续冲刷试验，采集吸水性、水土流失率、糙率、
破坏程度等试验监测数据，分析不同护坡模式抵抗水流侵蚀的能力。结果表明，生态护坡抗冲 性能由强至弱依次为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土射干护坡、原土紫花苜蓿护
坡、自然生长荒草护坡。人工建设的生态护坡，可有效提高坡面抗冲刷能力，其中环保草毯混
种护坡最大抗冲流速为5m-s'1，累积抗冲历时约9h&
关键词：生态护坡；抗冲历时；流速；破坏等级
中图分类号：TV861文献标志码：A文章编号：2095-008X(2021)01-0021-06
扶绥中学Experimental study on water scouring resistance of different
ecological slope protection models in col region channee GUO Xian-Feng1'2,WANG Xiao-Feng*,HAN Lei2,ZHENG Zi-Jin3,XU Wei Qun3
(1.School of HydraulicElectric Power,Heilongjiang University,Harbin150080,China； 2.Heilongjiang Province Hydraulic Research Institute,Harbia150080,China； 3.Hegang Greec Foresi LaniteC Liability Company, Hegang154100,Heilongjiang,China)
Abstract:In order to improve and enhanco the ecoloaical function of0x10slope protection in cold ogio
n,five ecoloaical slope protection modeis were designed and the fieli tesS area was constructed.Through the continuous scouring experiment d constant O ow with pressure in Oie range of1.0~5.0m■s-1,the tesS monitoring date such as water absorption,soil and water loss rate,sughnas and damaae degree were collected,and then analyee tie ability to resisS water erosion of ddferent slope protection modes,to provide taeoretical and practicoi referenco for vegetation construction of e colovical slope protection in colO region channel.The results show tOat tie impact ees os an oe aeom s eong o weak os:geasbianke:siopepeoeooon,eaehwoek mesh oushoon siopepeoeooon,oeogonai soil Belamconda chinensis s lope protection,originai soil Medicago sativa L.slope protection,naturai growth grass protection slope.Ecolovical slope protection by artidciai constructed on fectively improve the slope erosion resistanco,the maximum impact velocity of tOe environmentai protection grass blanket mixed slope protection is 5m•s_1,the cumulative impact duration is about9h.
Key words:10101X01slope protection；impact duration；flow rate;damage level
收稿日期：2020-11-26
基金项目：中央财政林业科技推广示范资金项目([2018]HZT04)；黑龙江省松花江干流治理工程科学研究试验项目(SGZUKY-10)；黑龙江大学研究生创新科研项目(YJSCX2019-076HLJU)
作者简介：郭显锋(1994-)，男，助理工程师，硕士研究生，研究方向：退化生态系统修复'E-mail：slguoxianfeng@163 &通讯作者：王笑峰(1968-)，男，副教授，博士，研究方向：退化生态系统修复'E-mail：
引文格式：郭显锋，王笑峰，韩雷，等.寒区河道不同模式生态护坡抗水流冲刷试验研究[C.黑龙江大学工程学报，2021,12(1)：21-26.
・22・黑龙江大学工程学报第12卷0引言
河流除具备行洪、航运的基本功能之外，还具有维持水生生物多样性、净化水质等重要的生态服务功能。自然河道的岸坡作为河流生态系统与陆地生态系统的交错带，具有通水透气性和较高的生物多样性，发挥着重要的生态功能传统河道护岸，为达到增大断面流量和降低工程造价的目的，通常在结构和断面设计上裁弯取直并选择较小的水力糙率，选用预制混凝土块、现浇混凝土等硬质建材进行建设，造成河流与陆地之间的阻隔，甚至造成河岸带生物多样性的消失，阻碍了河岸带生态功能的发挥（5-1）o 生态护坡建设时采用生态型建筑材料并栽植绿植物，通过坡面多孔化、粗糙化以及营造多变的近岸流态等措施满足河流的生态需求，以保证河岸带生态功能的实现（5，12切。不同植物类型对生态护坡的抗侵蚀性影响较大［14-18］。本文通过水流冲刷试验，分析不同生态护坡模式在不同流速下的抗侵蚀能力，为寒区河道生态护坡建设提供一定的理论和实践依据。
1试验区概况
试验区位于松花江中游左岸通河县（N451230"~46。37'30",E128l'30"~129。24,30"）松花江干流堤防。该区属大陆性季风气候，冬季严寒漫长，最低气温-40n以下；春季干燥多风；夏季炎热多雨，最高气温40n以上；秋季降温急剧，常有冻害发生。降水的年际变化较大，多年平均年降水量为553mm，最大年降水量为823mm，最小年降水量320mm。最大年平均风速为4m-s_1以上，最大风速为40m•s_1，每年4—5月风速最大。
2材料与方法
2.1试样制备
2019年5月在松花江干流堤防通河县火炬村子堤进行5种模式生态护坡植被建设（表1），每种护坡建设面积为15mx25m，8月中旬植物生长发育至成熟期后，制作钢板取样器，在建设现场进行取样，取样规格25cmx55cmx25cm，取样时保证土体及植物完整，取样后试样外包泡沫，防止运输震动的影响。每模式3样。
表1不同生态护坡模式建设情况
Tatbe1Construction siteation of differene ecologicae slope protection mode 生态护坡模式护坡基底植
物生长基护坡植物盖度/%自然生长荒草护坡雷诺护垫上覆土32cm土壤自然生长20原土射干护坡雷诺护垫上覆土32cm土壤射干35原土紫花苜蓿护坡雷诺垫覆土32cm土壤紫花苜蓿85环保草毯混种护坡土土壤紫花苜蓿、波斯菊、野大豆95植生毯混种护坡土土壤紫花苜蓿、草木犀、波斯菊、披碱草、紫羊茅85
2.29试
试验装置见图1，包括水泵、压力钢管、高位水箱、电磁流量计、阀门、测压管（空气压差计）、钢尺、有机玻璃有压水槽和试样盒等。有压流试验段采用有机玻璃板制作，便于试验中观察试验现象，其余部分采用钢材等建筑材料与试验段拼接。试验有压段有机玻璃内界面尺寸3.70mx0.20mx0.20m。
第1期郭显锋，等.寒区河道不同模式生态护坡抗水流冲刷试验研究• 23 •
有压流试验段中段底部预留0. 50 m X0. 20 m x 0. 20 m 的镂空区域，此区域为试样盒安放区。
图1实验装置
Fig. 1 Test devicc
2.3试验步骤
1 )试验流速设计：在1.0〜5.0 m ・0一】范围内，以0.5 m ・s"流速梯级递增，设计9组试验流速。2) 备安
：在无冲刷试样的
下，通过量水 测并计 各设计流 的阀门开
度，并在门处
国家公司标记。
3) 样
帝国主义侵略给中国带来了什么期处理"试验前，对试样土体上生长的植物统一修剪，以保证试验过程的一致性，然
后将试样 到有机 样盒内，置于 水 12 h ， 土体充 润。
4) 刷 ：将3)所 样 于冲刷 的镂空区域，底部采用法兰盘及 压水槽固定，
按2) 的标记位置逐 门，待水流 开始记录测压管 ，全程 样的冲刷状
况并进行记录和拍照、录像。试验时测定并计算试验时有压段壁面平均切应力2.4糙率计算
测压孔孔口布置见图2。糙率具体计算步骤如下：
1)
力计算： 的机
水槽在某
个 流量冲刷时，
力—为
!
h ，14 R
/ [)丁壁二——.
(1 )pass系统是什么意思
式中：为1、4测点间水头差；l 14为测点间距；R
为水力半径。
图2测压孔孔口布置
Fig. 2 Layout drawing of pressure hole
2)曼宁糙率计算：根据曼宁公式c = *r £，谢才公式C '槡e 〃，可得曼宁糙率与床面切应力的关
desire for survival
式：
i 槡R 槡壁
(2)
式中：o 为糙率；/为阻力系数；P 为水的密度；e 为断面平均流速o
3结果与分析
3.1糙率测定结果分析
规范规定，有压流试验段管壁糙率应为0. 008〜0. 010(19-20) °本试验装置测定的试验段管壁糙率o 为 0.008 0〜0.008 6，平均值为0.008 3，满足规范要求°
采用同样的计算方法测得的 模式的糙率值为0.012〜0.019 /表2 )，各生态护坡平
糙率
系数由大到小依次为：环保
、植生
、原土紫花苜蓿
、自然生长
、
・24・黑龙江大学工程学报第12卷
原土射干 。结果表明，植物生长密度与各护坡模式的糙率值成正比，且植生毯混种护坡与环保草毯
的糙率略大于其
模式。
表2 5种生态护坡模式曼宁糙率结果统计
Table 2 Manning roughness resplts statistical table of five ecological slope protection modes
注：表中数据均为各级流速下的平均值。
护坡模式丁壁 /Pa T 试样综合/Pa
n 机
n 样
自然生长荒草护坡18.70
25. 090.008 20.013原土射干护坡 6. 3517.880.008 60.012原土紫花苜蓿护坡
6. 4721.12
0.008 00.014
环保草毯混种护坡10. 7069.580.008 40.019植生毯混种护坡
33.71
52.97
0.008 3
0.016
3.2抗水流冲刷能力分析3. 2. 1 吸水率及水土流失率分析
针对5种生态 模式， 称 润前、浸润 及冲刷后试样重量，从而计 出每种生态护
坡的吸水量及土体 量。吸水量
映试样的吸水和持水能力；土体 量 映试样在水流冲
刷作用下的抗侵蚀能力，土壤 量越大，其抗水流冲刷侵蚀能力 ， 然。各生态 模式的
吸水率及水土流失率见表3o
表3 5种生态护坡模式吸水率及水土流失率统计
Table 3 Water absorption and soil loss rate statistics table of five ecological slope protection modes
模式
浸润前/kg 浸润后/kg 刷后/kg 吸水量/kg 水土流 量 Pkg
吸水率/%水土流 率 P%
自 然生长
27.3533.460.00
6. 1133.46
22.34100.00
原土射干28.42
34.9417.54 6.5217. 4022.94
49.80原土紫花苜蓿护坡34.2838.72
8.46 4.44
30.2612.95
78.15
保
27.8236.6632.24
8.84 4.42
31.7812.06植生29.60
36.80
8.627.20
28.18
24.32
76.58
由表3可见，试样吸水率由大到小排序
为：环保 、植生
、
原土射干
、自然生长
、原土
紫花苜蓿 ，其平 水率为22.87%。水土流失率由小到大依次为：环保草毯混
、 原土 射干
、 植生
、
原土紫花苜蓿、自然生长
。
3.2.2 抗冲性能分析
据见图3。结果表明，最大抗冲
流速由强至弱排序为：环保 、
植生 、原土射干
二原土紫
花苜蓿 二自然生长 。原土射
干、原土紫花苜蓿
自然生长荒
最大抗冲流 为2. 5 m • s"1 , 1
°最大抗冲流速°累积抗冲历时
自然生长原土射原土紫花环保草毯植生毯 荒草护坡干护坡苜蓿护坡混种护坡混种护坡
图3 5种生态护坡模式抗水流冲刷柱状图Fig. 3 Column diagram of flow erosion resistancc of
five ecologicae slope protection modes
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第1期郭显锋，等.寒区河道不同模式生态护坡抗水流冲刷试验研究-25-
由于原土射干护坡与原土紫花苜蓿护坡生长的植物根系发达，增强了土体的抗冲能力，其抗冲历时超
过自然生长荒草护坡1h，而自然生长荒草护坡在试验流速达到2.5m-s'1后，5min内试样土体完全被水流淘刷殆尽。
4种人工建设生态护坡模式抗冲历时为3.7-9.0h，平均抗冲历时为6.1h，为自然生长荒草护坡的1.98倍。抗冲历时最长为环保草毯混种护坡，达9.0h，为自然生长荒草护坡的2.92倍；抗冲历时由长至短依次为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土射干护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡。
3.3水流冲刷破坏等级与判定标准
生态护坡模式冲刷破坏等级的判定，目前尚无统一的量化标准。本试验在参考现有研究成果（21-7），结合试验中观察到的破坏现象，将破坏等级划分为I级（表4）。
表4冲刷破坏等级判定标准
Table4Standard of criterion of destruction levee
破坏等级破坏程度破坏现象
I微弱破坏植物部分或完全倒伏，土壤层基本保持稳定
'轻度破坏覆土层土壤细颗粒被水流冲起，少部分植物根系裸露
"中度破坏大量土壤颗粒被水流冲起（含块状或团状土壤），根系较浅的
植物被连根拔起冲走，大部分植物根系裸露，植物仍然保留
#完全破坏体部土壤植物被完全
根据表4标准，对参试5种类型生态护坡破坏等级进行确定（表5），环保草毯混种护坡破坏等级为'，原土射干、植生、原土
紫花苜蓿护坡的破坏等级为"级，自然生长荒草护坡的破坏等级为#级。
4结论
1）各护坡模式糙率由大到小排序为：环保草毯混种护坡、植生毯混种护坡、原土紫花苜蓿护坡、自然生长荒草护坡、原土射干护坡。
2）各生态护坡模式水土流失率为12.06%-78.15建设的生态护坡可以提高坡面抗水土流失能力近1倍
表55种生态护坡模式破坏等级比对表
Table5Destruction levee comparison table of
fve ecological slope protection modes
护坡模式抗冲历时T破坏等自然生长荒草护坡3
原土射干护坡4
原土紫花苜蓿护坡 3.5
保9
植生7.5
，平均为54.15%。相对自然生长荒草护坡，人工
3）人工建设的生态护坡，可以有效提高坡面抗冲刷能力，最大抗冲流速和累积抗冲历时分别为5.0m•s-1和9h，平均比自然生长荒草护坡分别提高1.44倍和1.98倍。饰琳琅
4）各生态护坡模式按破坏等级由弱到强依次为：环保草毯混种护坡'、原土射干护坡"、植生毯混种护坡"、原土紫花苜蓿护坡"、自然生长荒草护坡#
5）环保草毯混种护坡在吸水性、保土性、抗冲性等方面综合优势较大，可作为寒区河道生态护坡建设的优选模式。
