專利名稱：一種測定河道草皮護坡抗沖性能的方法
技術領域：
本發明屬于生態護岸領域，具體的說是一種測定河道草皮護坡抗沖性能的方法。
背景技術：
在岸坡防護工程中，草皮廣泛地用于正常水位以上區域的岸坡保護。植草的主要作用是阻擾水流保護岸坡，以草根加固和約制土體。用土工織物或混凝土塊加固，可以提高天然草皮的抗沖性能，稱之為加筋草皮。采用土工合成材料中的三維植被網墊加固邊坡和堤壩是近年來出現的一種岸坡防護新技術，具有固土性能優良、網絡加筋作用突出、消能作用明顯及保溫功能良好的特點，可以應用于路堤邊坡防護、河渠護岸工程以及海堤防護工程。國外自上世紀90年代末開始將三維植被網加筋草皮技術應用于河道迎水面護坡，目前在國內其應用需求也呈不斷增長趨勢。在一定強度的河道徑流沖刷作用下，草皮護坡可能發生沖蝕破壞，而目前有關草皮護坡的破壞方式、抗沖性能、極限水流條件等方面的研究工作尚待深入。
在水利工程中常常通過試驗手段解決工程實際問題，其中模型試驗因其具有試驗條件可控制性強、試驗費用低廉等優點而成為主要的研究手段。在有關植被和流體運動的水力模型試驗中，通常將原體水流按照一定的相似準則縮放為模型水流，同時植被原體也使用聚乙烯、聚丙烯絲等人工材料植被模型替代，則植被與水流相互作用下模型試驗中涉及的相似律問題極其復雜，由此得到的模型試驗成果在向原體水流推廣時，其工程價值和學術價值也往往帶有較大的局限性。

發明內容
本發明的目的就是針對現有的河道草皮護坡抗沖性能測定方法存在的不足，提出一種可以成功模擬河道徑流對草皮護坡進行沖刷，測定結果可以較好的得到推廣的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，利用草皮護坡抗沖性能的測定裝置進行測定，包括步驟植被模型制備、測定裝置安裝及調試、植被模型沖刷，在植被模型沖刷步驟中，對植被模型進行沖刷時采用的沖刷水流為有壓大流速水流，保持有壓大流速水流穩定，對植被模型進行沖刷，在植被模型沖刷步驟中得出草皮護坡破壞時的切應力值，并用摩阻流速U*U*=τ0ρ]]>來描述實際河道中草皮護坡破壞時的水流條件，從而實現由植被模型測定成果向實際河道水流的推廣，式中τ0-床面切應力，ρ-水的密度。
本發明的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其中所述植被模型為人工培育的天然草本植被模型或加筋草本植被模型。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其中所述有壓大流速水流的流速大于每秒1.0米小于或等于每秒10米。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其中有壓大流速水流與作用于護坡上的原體水流具有近似相同的流速大小和方向。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，在植被模型制備步驟中，選用的植被為8組天然草皮與8組三維植被網加筋草皮，植被種植土壤為水稻土；植被模型沖刷步驟中，有壓大流速水流的設計流速選用三級4.0米/秒、4.5米/秒、5.0米/秒，沖刷歷時分別為6小時、12小時、24小時、48小時，在對植被模型沖刷時，先以0.5米/秒的增幅將有壓大流速水流的流速以1.0米/秒逐級加到設計流速，測量各級流速下的植被區水頭損失，以此得出各級流速下的床面切應力值，待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5小時為時間間隔測量水頭損失，得出各時刻的床面切應力值，當植被模型發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此得出植被模型破壞時的床面切應力值和摩阻流速，并用以直接描述實際河道中草皮護坡破壞時的水流條件。
前述的草皮護坡抗沖的試驗方法，在植被模型制備步驟中，選用的植被為6組天然草皮與6組三維植被網加筋草皮，植被種植土壤為紅壤；植被模型沖刷步驟中，有壓大流速水流的設計流速選用三級2米/秒、2.5米/秒、3米/秒，沖刷歷時分別為6小時、12小時、24小時、48小時，在對植被模型沖刷時，先以0.5米/秒的增幅將有壓大流速水流的流速以1米/秒逐級加到設計流速，測量各級流速下的植被區水頭損失，以此得出各級流速下的床面切應力值，待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5小時為時間間隔測量水頭損失，得出各時刻的床面切應力值，當植被模型發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此得出植被模型破壞時的床面切應力值和摩阻流速，并用以直接描述實際河道中草皮護坡破壞時的水流條件。
本發明的優點是以有壓大流速管流代替水槽明渠水流，測定對象選用人工培育的天然草本植被，沖刷水流流速近似模擬實際河道中的流速條件。基于同種坡面及植被條件下，在試驗水槽和實際的明渠河道中草皮護坡破壞時的床面切應力相同這一原理，在室內有壓水槽采用有壓大流速水流對植被模型進行沖刷，以草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速作為模型測定結果直接向實際河道推廣，在室內水槽成功實現了河道徑流沖刷草皮護坡的模擬，簡便可靠的實現了模型測定結果向原型水流的直接推廣，具有相當的工程實用價值。
本發明的優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋，這些實施例，是參照附圖僅作為例子給出的。


圖1所示為本發明所用裝置的結構示意圖；圖2為測壓管孔口位置關系圖；圖3為水稻土植被區床面切應力與時間關系曲線圖；圖4為水稻土植被區床面切應力隨流速變化趨勢圖；圖5為紅壤植被區床面切應力與時間關系曲線圖；圖6為紅壤植被區床面切應力隨流速變化趨勢圖。
具體實施例方式
本發明原理為在采用植被護坡的水道中，處于淹沒狀態植被的破壞主要由于水流對植物莖干的曳引力和水流對植物根部土壤的沖刷。顯然，不論是在試驗水槽還是在實際的明渠河道中，床面切應力對植被的曳引作用是造成草皮護坡破壞的直接原因。因而對于同種坡面條件及植被條件的草皮護坡，在相同水流條件作用下，其發生破壞時的床面切應力值τ0應當是相同的。基于上述認識，測定河道草皮護坡抗沖性能擬選用人工培育的天然草本植被作為測定對象，在室內水槽中近似模擬實際河道中的流速條件，在草皮護坡沖刷過程中可以測量計算出草皮護坡破壞時床面的切應力值，并用摩阻流速U*U*=τ0ρ---(1)]]>τ0-床面切應力，ρ-水的密度來描述實際河道中草皮護坡破壞時的水流條件，從而成功實現在室內水槽模擬河道徑流對草皮護坡的沖刷，同時模型試驗成果可以直接向實際河道水流推廣。
本發明利用草皮護坡抗沖性能的測定裝置進行測定，測定裝置結構如圖1所示，包括水庫11、水管12、水泵13、閥門14、電滋流量計15、壓水管16、過渡段21、有機玻璃水槽22、支架17、排水管18、空氣壓差計19組成。水庫11用于提供水源，水泵13為離心式清水泵，最大設計流量Q＝486m3/h，揚程14m。電滋流量計為LDZ-4B型電磁流量計，最大量程500m3/h，支架17用于支撐有機玻璃水槽22，有機玻璃水槽22具有矩形斷面，有機玻璃水槽22中部設有活動底板，活動底板可以拆卸，裝入有植被模型箱25，模型箱25為天然草本植被模型箱25，植被高度修剪至與有機玻璃水槽22高度相等，模型箱25頂面與有機玻璃水槽22底面齊平。在活動底板區域設有測壓孔口24，用于測量植被區的水頭損失，計算床面切應力值，測壓孔口24設在活動底板區域的上下游兩端，測壓管孔口24位置見圖2，其中1、4孔口分別在有機玻璃水槽22上下管壁處各開一孔，測壓管孔口間距為l14＝1.857m，植被段長度l23＝0.700m，孔口距植被區上下游邊界的距離分別為l12＝0.579m，l34＝0.578m。測壓孔口24上接入空氣壓差計19，用于測量沖刷過程中的植被區水頭損失，從而計算出床面切應力。
在水流試驗中，在某一穩定流量下，有機玻璃水槽22的壁面切應力τ壁可根據下式求得 在測定草皮護坡抗沖性能時，將活動底板拆卸后裝入植被模型箱25，啟動水泵13，調節閥門14和電磁流量計15從零逐級增至設計流量，待流速穩定后，開始沖刷草皮，記錄沖刷歷時和空氣壓差計讀數，計算草皮護坡破壞時的床面切應力和摩阻流速，計算過程如下如圖2，設植被區的上下游邊界所在過水斷面分別為2-2、3-3斷面，l12、l23、l14、l34分別為各測點與各斷面之間間距。在某一穩定流量下，由安裝在1、4孔口之間的空氣壓差計19可以測得1-4段的平均水頭損失 則1-4段的平均壁面切應力由下式計算τ14=Δh14l14ρgR---(3)]]>考慮到植被段的床面糙率與水槽壁面糙率的差異，2-3段的流體所受到的水流總切力F23應等于植被床面所受水流切力與該段水槽壁面所受水流切力之和，即有F23＝(2H+B)l23τ壁+Bl23τV(4)對1-4段流體進行受力平衡分析可知，2-3段流體所受到的水流切力F23應等于1-4段流體所受到的水流總切力F14，減去1-2段和3-4段流體所受到的水流切力F12、F34，即F23＝F14-F12-F34(5)其中，F14＝2(B+H)l14τ14F12＝2(B+H)l12τ壁F34＝2(B+H)l34τ壁將各段流體所受的水流切力值代入式(5)，有(2H+B)l23τ壁+Bl23τV＝2(B+H)l14τ14-2(B+H)τ壁l12-2(B+H)τ壁l34(6)整理式(6)可以得到2-3段植被區的平均床面切應力 其中τV-植被區床面切應力(N/m2)；ρ-水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；Δh14，Δh14上，Δh14下-1-4段平均水頭差，1-4段頂面測點間水頭差，1-4段底板測點間水頭差；F12，F23，F14，F34-1-2，2-3，1-4，3-4段流體所受到的水流切力；l12，l23，l14，l34-1-2，2-3，1-4，3-4段的測點間距。
測定中選用紅壤與水稻土兩種土壤類別；考慮到實際河道中水位變動以及降雨入滲可能對邊坡土體強度及植被生存造成影響，進而影響植被的抗沖性能及護坡效果，為此擬定了4組淹沒歷時6小時，12小時，24小時，48小時；植被生長期為三個1.5個月，2.5個月，4個月；紅壤給定三組限定流速2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，水稻土給定三組限定流速4.0m/s，4.5m/s，5.0m/s；每組試驗進行一次。表1所示為紅壤的試驗內容，表2所示為水稻土的試驗內容。
表1

表2

具體試驗內容如下(1)天然草皮護坡沖刷①生長期4.0個月，4.0m/s流速，6小時、12小時、24小時、48小時四組淹沒歷時的水稻土天然草皮護坡沖刷；②淹沒歷時24h，4.0m/s流速，1.5個月、2.5個月、4.0個月三個生長期的水稻土天然草皮沖刷；③淹沒歷時12h，4.0m/s、4.5m/s、5.0m/s三組流速的水稻土天然草皮沖刷；④淹沒歷時12h，2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s三組流速的紅壤天然草皮護坡沖刷；⑤淹沒歷時24h，2.0m/s流速，1.5個月、2.5個月、4.0個月三個生長期的紅壤天然草皮護坡沖刷。
(2)三維植被網加筋草皮護坡沖刷①生長期4個月，4.0m/s流速，6小時、12小時、24小時、48小時四組淹沒歷時的水稻土加筋草皮沖刷；②淹沒歷時24h，4.0m/s流速，1.5個月、2.5個月、4.0個月三個生長期的水稻土加筋草皮沖刷；③淹沒歷時12h，4.0m/s、4.5m/s、5.0m/s三組流速的水稻土加筋草皮沖刷；④淹沒歷時12h，2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s三組流速的紅壤加筋草皮沖刷；⑤淹沒歷時24h，2.0m/s流速，1.5個月、2.5個月、4.0個月三個生長期的紅壤加筋草皮沖刷。
試驗步驟依次為植被模型制備、測定裝置安裝及調試、植被模型沖刷。
(1)植被模型制備①天然草皮模型充填土壤→播種→前期養護，成草后將草皮高度修剪至0.1m備用。
②三維植被網加筋草皮模型充填土壤→鋪網→覆土→播種→前期養護，成草后將草皮高度修剪至0.1m備用。
草皮養護時間1.5個月、2.5個月、4個月(2)測定裝置安裝及調試安裝管線及有機玻璃水槽，啟動水泵，在無沖刷植被模型的情況下調試閥門和電磁流量計，以達到各級設計流速。
(3)植被模型沖刷浸泡植被模型→穩定流速→沖刷植被模型①將植被模型按照預定淹沒時間提前浸泡，采用靜水浸泡；②啟動水泵，調節閥門和電磁流量計從零逐級增至設計流量，待流速穩定后，開始沖刷植被模型，記錄測壓管讀數；③植被模型破壞，沖刷結束，關閉水泵；④測量沖刷深度。
實施例一測定草皮護坡抗沖性能選擇了以水稻土種植、生長期1.5個月，2.5個月，4.0個月的16組草皮，其中天然草皮8組，三維植被網加筋草皮8組。測定設計有壓大流速水流為4.0m/s，4.5m/s，5.0m/s，淹沒歷時分別為6h，12h，24h，48h。
沖刷時先以0.5m/s的增幅很快地將有壓大流速水流的流速從1.0m/s逐級加載到5.0m/s，測量各級流速下的植被區水頭損失，以此計算出各級流速下的床面切應力值，并將試驗結果點繪于圖3，得到植被區床面切應力與流速的關系曲線。
待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5h為時間間隔測量水頭損失，并計算出各時刻的床面切應力值，將結果點繪于圖4，得到植被區床面切應力與時間的關系曲線。圖中曲線顯示，在草皮破壞之前植被區床面切應力先隨沖刷時間的增加而減小，而后趨于穩定。
當草皮護坡發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此計算出草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速U*，見表3。
表3

由此可說明，如果在實際河道中采用了表中某種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當實際河道中的摩阻流速小于表中相應的摩阻流速時，采用該草皮進行護坡抵擋水流沖刷的時間大于表中相應的沖刷歷時；當河道的摩阻流速恰等于表中相應的摩阻流速時，在經過表中相應的沖刷歷時后，該種草皮護坡將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于表中相應的摩阻流速時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
以表中生長期2.5個月，淹沒歷時24h的加筋草皮護坡為例，當有壓大流速水流以4.0m/s流速持續沖刷4.5h后，該草皮護坡發生沖蝕破壞，計算得到其破壞時的床面切應力大小為309.6N/m2，摩阻流速為0.56m/s。說明如果在實際河道中采用了該種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當河道的摩阻流速不超過0.56m/s時，采用該草皮護坡抵擋水流沖刷的時間在4.5h以上；當河道的摩阻流速恰等于0.56m/s時，該種草皮護坡在抵擋水流沖刷4.5h后將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于0.56m/s時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
因此，本此測定所得到的一系列各組草皮護坡破壞點處的床面切應力和相應的摩阻流速及沖刷歷時均可應用于實際河道中，作為生態護岸工程設計的依據。
實施例二測定草皮護坡抗沖性能選擇了以紅壤種植、生長期1.5個月，2.5個月，4.0個月的12組草皮，淹沒歷時為6h，12h，24h，48h，其中天然草皮6組，三維植被網加筋草皮6組。測定設計有壓大流速水流流速分別為2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s。
測定時先以0.5m/s的增幅很快地將流速從1.0m/s逐級加載到3.0m/s，記錄各級流速下的植被區水頭損失，以此計算出各級流速下的床面切應力值，并將結果點繪于圖5，得到植被區床面切應力與流速的關系曲線。
待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5h為時間間隔測量水頭損失，并計算出各時刻的床面切應力值，將結果點繪于圖6，得到植被區床面切應力與時間的關系曲線。
當草皮護坡發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此計算出草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速U*，見表4。
表4

由此可說明，如果在實際河道中采用了表中某種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當實際河道中的摩阻流速小于表中相應的摩阻流速時，采用該草皮進行護坡抵擋水流沖刷的時間大于表中相應的沖刷歷時；當河道的摩阻流速恰等于表中相應的摩阻流速時，在經過表中相應的沖刷歷時后，該種草皮護坡將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于表中相應的摩阻流速時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
以表中生長期2.5個月，淹沒歷時12h的天然草皮護坡為例，當有壓大流速水流以2.5m/s流速持續沖刷0.5h后，該草皮護坡發生沖蝕破壞，計算得到其破壞時的床面切應力大小為116.9N/m2，摩阻流速為0.34m/s。說明如果在實際河道中采用了該種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當河道的摩阻流速不超過0.34m/s時，采用該草皮護坡抵擋水流沖刷的時間在0.5h以上；當河道的摩阻流速恰等于0.34m/s時，該種草皮護坡在抵擋水流沖刷0.5h后將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于0.34m/s時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
因此，本此測定所得到的一系列各組草皮護坡破壞點處的床面切應力和相應的摩阻流速及沖刷歷時均可應用于實際河道中，作為生態護岸工程設計的依據。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
權利要求
1.一種測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，利用草皮護坡抗沖性能的測定裝置進行測定，包括步驟植被模型制備、測定裝置安裝及調試、植被模型沖刷，其特征在于在所述的植被模型沖刷步驟中，對植被模型進行沖刷時采用的沖刷水流為有壓大流速水流，保持有壓大流速水流穩定，對植被模型進行沖刷，在植被模型沖刷步驟中得出草皮護坡破壞時的切應力值，并用摩阻流速U。U*=τ0ρ]]>來描述實際河道中草皮護坡破壞時的水流條件，從而實現由植被模型測定成果向實際河道水流的推廣，式中τ0——床面切應力，ρ——水的密度。
2.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其特征在于所述植被模型為人工培育的天然草本植被模型或加筋草本植被模型。
3.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其特征在于所述有壓大流速水流的流速大于每秒1.5米小于或等于每秒10米。
4.如權利要求3所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其特征在于有壓大流速水流與作用于護坡上的原體水流具有近似相同的流速大小和方向。
5.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，其特征在于所述植被模型制備步驟中，選用的植被為8組天然草皮與8組三維植被網加筋草皮，植被種植土壤為水稻土；所述植被模型沖刷步驟中，有壓大流速水流的設計流速選用三級4.0米/秒、4.5米/秒、5.0米/秒，沖刷歷時分別為6小時、12小時、24小時、48小時，在對植被模型沖刷時，先以0.5米/秒的增幅將有壓大流速水流的流速以1.0米/秒逐級加到設計流速，測量各級流速下的植被區水頭損失，以此得出各級流速下的床面切應力值，待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5小時為時間間隔測量水頭損失，得出各時刻的床面切應力值，當植被模型發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此得出植被模型破壞時的床面切應力值和摩阻流速，并向實際河道水流推廣。
6.如權利要求1所述的草皮護坡抗沖的試驗方法，其特征在于所述植被模型制備步驟中，選用的植被為6組天然草皮與6組三維植被網加筋草皮，植被種植土壤為紅壤；所述植被模型沖刷步驟中，有壓大流速水流的設計流速選用三級2.0米/秒、2.5米/秒、3.0米/秒，沖刷歷時分別為6小時、12小時、24小時、48小時，在對植被模型沖刷時，先以0.5米/秒的增幅將有壓大流速水流的流速以1.0米/秒逐級加到設計流速，測量各級流速下的植被區水頭損失，以此得出各級流速下的床面切應力值，待達到設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5小時為時間間隔測量水頭損失，得出各時刻的床面切應力值，當植被模型發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此得出植被模型破壞時的床面切應力值和摩阻流速，并向實際河道水流推廣。
全文摘要
本發明屬于生態護岸領域，是一種測定河道草皮護坡抗沖性能的方法，利用草皮護坡抗沖性能的測定裝置進行測定，包括步驟植被模型制備、測定裝置安裝及調試、植被模型沖刷，其特征在于在所述的植被模型沖刷步驟中，近似模擬實際河道中的流速條件對自然植被模型進行沖刷，采用的沖刷水流為有壓大流速水流，保持有壓大流速水流穩定，對植被模型進行沖刷，在植被模型沖刷步驟中得出草皮護坡破壞時的切應力值，并用摩阻流速U
文檔編號E02B3/12GK101074899SQ200610040378
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月19日 優先權日2006年5月19日
發明者張瑋, 鐘春欣, 應翰海, 龔靜怡 申請人:河海大學