专利名称：一种测定河道草皮护坡抗冲性能的方法
技术领域：
本发明属于生态护岸领域，具体的说是一种测定河道草皮护坡抗冲性能的方法。
背景技术：
在岸坡防护工程中，草皮广泛地用于正常水位以上区域的岸坡保护。植草的主要作用是阻扰水流保护岸坡，以草根加固和约制土体。用土工织物或混凝土块加固，可以提高天然草皮的抗冲性能，称之为加筋草皮。采用土工合成材料中的三维植被网垫加固边坡和堤坝是近年来出现的一种岸坡防护新技术，具有固土性能优良、网络加筋作用突出、消能作用明显及保温功能良好的特点，可以应用于路堤边坡防护、河渠护岸工程以及海堤防护工程。国外自上世纪90年代末开始将三维植被网加筋草皮技术应用于河道迎水面护坡，目前在国内其应用需求也呈不断增长趋势。在一定强度的河道径流冲刷作用下，草皮护坡可能发生冲蚀破坏，而目前有关草皮护坡的破坏方式、抗冲性能、极限水流条件等方面的研究工作尚待深入。
在水利工程中常常通过试验手段解决工程实际问题，其中模型试验因其具有试验条件可控制性强、试验费用低廉等优点而成为主要的研究手段。在有关植被和流体运动的水力模型试验中，通常将原体水流按照一定的相似准则缩放为模型水流，同时植被原体也使用聚乙烯、聚丙烯丝等人工材料植被模型替代，则植被与水流相互作用下模型试验中涉及的相似律问题极其复杂，由此得到的模型试验成果在向原体水流推广时，其工程价值和学术价值也往往带有较大的局限性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有的河道草皮护坡抗冲性能测定方法存在的不足，提出一种可以成功模拟河道径流对草皮护坡进行冲刷，测定结果可以较好的得到推广的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，利用草皮护坡抗冲性能的测定装置进行测定，包括步骤植被模型制备、测定装置安装及调试、植被模型冲刷，在植被模型冲刷步骤中，对植被模型进行冲刷时采用的冲刷水流为有压大流速水流，保持有压大流速水流稳定，对植被模型进行冲刷，在植被模型冲刷步骤中得出草皮护坡破坏时的切应力值，并用摩阻流速U*U*=τ0ρ]]>来描述实际河道中草皮护坡破坏时的水流条件，从而实现由植被模型测定成果向实际河道水流的推广，式中τ0-床面切应力，ρ-水的密度。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其中所述植被模型为人工培育的天然草本植被模型或加筋草本植被模型。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其中所述有压大流速水流的流速大于每秒1.0米小于或等于每秒10米。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其中有压大流速水流与作用于护坡上的原体水流具有近似相同的流速大小和方向。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，在植被模型制备步骤中，选用的植被为8组天然草皮与8组三维植被网加筋草皮，植被种植土壤为水稻土；植被模型冲刷步骤中，有压大流速水流的设计流速选用三级4.0米/秒、4.5米/秒、5.0米/秒，冲刷历时分别为6小时、12小时、24小时、48小时，在对植被模型冲刷时，先以0.5米/秒的增幅将有压大流速水流的流速以1.0米/秒逐级加到设计流速，测量各级流速下的植被区水头损失，以此得出各级流速下的床面切应力值，待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5小时为时间间隔测量水头损失，得出各时刻的床面切应力值，当植被模型发生破坏时，记录植被区水头损失，由此得出植被模型破坏时的床面切应力值和摩阻流速，并用以直接描述实际河道中草皮护坡破坏时的水流条件。
前述的草皮护坡抗冲的试验方法，在植被模型制备步骤中，选用的植被为6组天然草皮与6组三维植被网加筋草皮，植被种植土壤为红壤；植被模型冲刷步骤中，有压大流速水流的设计流速选用三级2米/秒、2.5米/秒、3米/秒，冲刷历时分别为6小时、12小时、24小时、48小时，在对植被模型冲刷时，先以0.5米/秒的增幅将有压大流速水流的流速以1米/秒逐级加到设计流速，测量各级流速下的植被区水头损失，以此得出各级流速下的床面切应力值，待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5小时为时间间隔测量水头损失，得出各时刻的床面切应力值，当植被模型发生破坏时，记录植被区水头损失，由此得出植被模型破坏时的床面切应力值和摩阻流速，并用以直接描述实际河道中草皮护坡破坏时的水流条件。
本发明的优点是以有压大流速管流代替水槽明渠水流，测定对象选用人工培育的天然草本植被，冲刷水流流速近似模拟实际河道中的流速条件。基于同种坡面及植被条件下，在试验水槽和实际的明渠河道中草皮护坡破坏时的床面切应力相同这一原理，在室内有压水槽采用有压大流速水流对植被模型进行冲刷，以草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速作为模型测定结果直接向实际河道推广，在室内水槽成功实现了河道径流冲刷草皮护坡的模拟，简便可靠的实现了模型测定结果向原型水流的直接推广，具有相当的工程实用价值。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
图1所示为本发明所用装置的结构示意图；图2为测压管孔口位置关系图；图3为水稻土植被区床面切应力与时间关系曲线图；图4为水稻土植被区床面切应力随流速变化趋势图；图5为红壤植被区床面切应力与时间关系曲线图；图6为红壤植被区床面切应力随流速变化趋势图。
具体实施例方式
本发明原理为在采用植被护坡的水道中，处于淹没状态植被的破坏主要由于水流对植物茎干的曳引力和水流对植物根部土壤的冲刷。显然，不论是在试验水槽还是在实际的明渠河道中，床面切应力对植被的曳引作用是造成草皮护坡破坏的直接原因。因而对于同种坡面条件及植被条件的草皮护坡，在相同水流条件作用下，其发生破坏时的床面切应力值τ0应当是相同的。基于上述认识，测定河道草皮护坡抗冲性能拟选用人工培育的天然草本植被作为测定对象，在室内水槽中近似模拟实际河道中的流速条件，在草皮护坡冲刷过程中可以测量计算出草皮护坡破坏时床面的切应力值，并用摩阻流速U*U*=τ0ρ---(1)]]>τ0-床面切应力，ρ-水的密度来描述实际河道中草皮护坡破坏时的水流条件，从而成功实现在室内水槽模拟河道径流对草皮护坡的冲刷，同时模型试验成果可以直接向实际河道水流推广。
本发明利用草皮护坡抗冲性能的测定装置进行测定，测定装置结构如图1所示，包括水库11、水管12、水泵13、阀门14、电滋流量计15、压水管16、过渡段21、有机玻璃水槽22、支架17、排水管18、空气压差计19组成。水库11用于提供水源，水泵13为离心式清水泵，最大设计流量Q＝486m3/h，扬程14m。电滋流量计为LDZ-4B型电磁流量计，最大量程500m3/h，支架17用于支撑有机玻璃水槽22，有机玻璃水槽22具有矩形断面，有机玻璃水槽22中部设有活动底板，活动底板可以拆卸，装入有植被模型箱25，模型箱25为天然草本植被模型箱25，植被高度修剪至与有机玻璃水槽22高度相等，模型箱25顶面与有机玻璃水槽22底面齐平。在活动底板区域设有测压孔口24，用于测量植被区的水头损失，计算床面切应力值，测压孔口24设在活动底板区域的上下游两端，测压管孔口24位置见图2，其中1、4孔口分别在有机玻璃水槽22上下管壁处各开一孔，测压管孔口间距为l14＝1.857m，植被段长度l23＝0.700m，孔口距植被区上下游边界的距离分别为l12＝0.579m，l34＝0.578m。测压孔口24上接入空气压差计19，用于测量冲刷过程中的植被区水头损失，从而计算出床面切应力。
在水流试验中，在某一稳定流量下，有机玻璃水槽22的壁面切应力τ壁可根据下式求得 在测定草皮护坡抗冲性能时，将活动底板拆卸后装入植被模型箱25，启动水泵13，调节阀门14和电磁流量计15从零逐级增至设计流量，待流速稳定后，开始冲刷草皮，记录冲刷历时和空气压差计读数，计算草皮护坡破坏时的床面切应力和摩阻流速，计算过程如下如图2，设植被区的上下游边界所在过水断面分别为2-2、3-3断面，l12、l23、l14、l34分别为各测点与各断面之间间距。在某一稳定流量下，由安装在1、4孔口之间的空气压差计19可以测得1-4段的平均水头损失 则1-4段的平均壁面切应力由下式计算τ14=Δh14l14ρgR---(3)]]>考虑到植被段的床面糙率与水槽壁面糙率的差异，2-3段的流体所受到的水流总切力F23应等于植被床面所受水流切力与该段水槽壁面所受水流切力之和，即有F23＝(2H+B)l23τ壁+Bl23τV(4)对1-4段流体进行受力平衡分析可知，2-3段流体所受到的水流切力F23应等于1-4段流体所受到的水流总切力F14，减去1-2段和3-4段流体所受到的水流切力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壁将各段流体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段植被区的平均床面切应力 其中τV-植被区床面切应力(N/m2)；ρ-水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；Δh14，Δh14上，Δh14下-1-4段平均水头差，1-4段顶面测点间水头差，1-4段底板测点间水头差；F12，F23，F14，F34-1-2，2-3，1-4，3-4段流体所受到的水流切力；l12，l23，l14，l34-1-2，2-3，1-4，3-4段的测点间距。
测定中选用红壤与水稻土两种土壤类别；考虑到实际河道中水位变动以及降雨入渗可能对边坡土体强度及植被生存造成影响，进而影响植被的抗冲性能及护坡效果，为此拟定了4组淹没历时6小时，12小时，24小时，48小时；植被生长期为三个1.5个月，2.5个月，4个月；红壤给定三组限定流速2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，水稻土给定三组限定流速4.0m/s，4.5m/s，5.0m/s；每组试验进行一次。表1所示为红壤的试验内容，表2所示为水稻土的试验内容。
表1
表2
具体试验内容如下(1)天然草皮护坡冲刷①生长期4.0个月，4.0m/s流速，6小时、12小时、24小时、48小时四组淹没历时的水稻土天然草皮护坡冲刷；②淹没历时24h，4.0m/s流速，1.5个月、2.5个月、4.0个月三个生长期的水稻土天然草皮冲刷；③淹没历时12h，4.0m/s、4.5m/s、5.0m/s三组流速的水稻土天然草皮冲刷；④淹没历时12h，2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s三组流速的红壤天然草皮护坡冲刷；⑤淹没历时24h，2.0m/s流速，1.5个月、2.5个月、4.0个月三个生长期的红壤天然草皮护坡冲刷。
(2)三维植被网加筋草皮护坡冲刷①生长期4个月，4.0m/s流速，6小时、12小时、24小时、48小时四组淹没历时的水稻土加筋草皮冲刷；②淹没历时24h，4.0m/s流速，1.5个月、2.5个月、4.0个月三个生长期的水稻土加筋草皮冲刷；③淹没历时12h，4.0m/s、4.5m/s、5.0m/s三组流速的水稻土加筋草皮冲刷；④淹没历时12h，2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s三组流速的红壤加筋草皮冲刷；⑤淹没历时24h，2.0m/s流速，1.5个月、2.5个月、4.0个月三个生长期的红壤加筋草皮冲刷。
试验步骤依次为植被模型制备、测定装置安装及调试、植被模型冲刷。
(1)植被模型制备①天然草皮模型充填土壤→播种→前期养护，成草后将草皮高度修剪至0.1m备用。
②三维植被网加筋草皮模型充填土壤→铺网→覆土→播种→前期养护，成草后将草皮高度修剪至0.1m备用。
草皮养护时间1.5个月、2.5个月、4个月(2)测定装置安装及调试安装管线及有机玻璃水槽，启动水泵，在无冲刷植被模型的情况下调试阀门和电磁流量计，以达到各级设计流速。
(3)植被模型冲刷浸泡植被模型→稳定流速→冲刷植被模型①将植被模型按照预定淹没时间提前浸泡，采用静水浸泡；②启动水泵，调节阀门和电磁流量计从零逐级增至设计流量，待流速稳定后，开始冲刷植被模型，记录测压管读数；③植被模型破坏，冲刷结束，关闭水泵；④测量冲刷深度。
实施例一测定草皮护坡抗冲性能选择了以水稻土种植、生长期1.5个月，2.5个月，4.0个月的16组草皮，其中天然草皮8组，三维植被网加筋草皮8组。测定设计有压大流速水流为4.0m/s，4.5m/s，5.0m/s，淹没历时分别为6h，12h，24h，48h。
冲刷时先以0.5m/s的增幅很快地将有压大流速水流的流速从1.0m/s逐级加载到5.0m/s，测量各级流速下的植被区水头损失，以此计算出各级流速下的床面切应力值，并将试验结果点绘于图3，得到植被区床面切应力与流速的关系曲线。
待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5h为时间间隔测量水头损失，并计算出各时刻的床面切应力值，将结果点绘于图4，得到植被区床面切应力与时间的关系曲线。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。
当草皮护坡发生破坏时，记录植被区水头损失，由此计算出草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速U*，见表3。
表3
由此可说明，如果在实际河道中采用了表中某种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当实际河道中的摩阻流速小于表中相应的摩阻流速时，采用该草皮进行护坡抵挡水流冲刷的时间大于表中相应的冲刷历时；当河道的摩阻流速恰等于表中相应的摩阻流速时，在经过表中相应的冲刷历时后，该种草皮护坡将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于表中相应的摩阻流速时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
以表中生长期2.5个月，淹没历时24h的加筋草皮护坡为例，当有压大流速水流以4.0m/s流速持续冲刷4.5h后，该草皮护坡发生冲蚀破坏，计算得到其破坏时的床面切应力大小为309.6N/m2，摩阻流速为0.56m/s。说明如果在实际河道中采用了该种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当河道的摩阻流速不超过0.56m/s时，采用该草皮护坡抵挡水流冲刷的时间在4.5h以上；当河道的摩阻流速恰等于0.56m/s时，该种草皮护坡在抵挡水流冲刷4.5h后将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于0.56m/s时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
因此，本此测定所得到的一系列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均可应用于实际河道中，作为生态护岸工程设计的依据。
实施例二测定草皮护坡抗冲性能选择了以红壤种植、生长期1.5个月，2.5个月，4.0个月的12组草皮，淹没历时为6h，12h，24h，48h，其中天然草皮6组，三维植被网加筋草皮6组。测定设计有压大流速水流流速分别为2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s。
测定时先以0.5m/s的增幅很快地将流速从1.0m/s逐级加载到3.0m/s，记录各级流速下的植被区水头损失，以此计算出各级流速下的床面切应力值，并将结果点绘于图5，得到植被区床面切应力与流速的关系曲线。
待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5h为时间间隔测量水头损失，并计算出各时刻的床面切应力值，将结果点绘于图6，得到植被区床面切应力与时间的关系曲线。
当草皮护坡发生破坏时，记录植被区水头损失，由此计算出草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速U*，见表4。
表4
由此可说明，如果在实际河道中采用了表中某种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当实际河道中的摩阻流速小于表中相应的摩阻流速时，采用该草皮进行护坡抵挡水流冲刷的时间大于表中相应的冲刷历时；当河道的摩阻流速恰等于表中相应的摩阻流速时，在经过表中相应的冲刷历时后，该种草皮护坡将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于表中相应的摩阻流速时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
以表中生长期2.5个月，淹没历时12h的天然草皮护坡为例，当有压大流速水流以2.5m/s流速持续冲刷0.5h后，该草皮护坡发生冲蚀破坏，计算得到其破坏时的床面切应力大小为116.9N/m2，摩阻流速为0.34m/s。说明如果在实际河道中采用了该种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当河道的摩阻流速不超过0.34m/s时，采用该草皮护坡抵挡水流冲刷的时间在0.5h以上；当河道的摩阻流速恰等于0.34m/s时，该种草皮护坡在抵挡水流冲刷0.5h后将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于0.34m/s时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
因此，本此测定所得到的一系列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均可应用于实际河道中，作为生态护岸工程设计的依据。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，利用草皮护坡抗冲性能的测定装置进行测定，包括步骤植被模型制备、测定装置安装及调试、植被模型冲刷，其特征在于在所述的植被模型冲刷步骤中，对植被模型进行冲刷时采用的冲刷水流为有压大流速水流，保持有压大流速水流稳定，对植被模型进行冲刷，在植被模型冲刷步骤中得出草皮护坡破坏时的切应力值，并用摩阻流速U。U*=τ0ρ]]>来描述实际河道中草皮护坡破坏时的水流条件，从而实现由植被模型测定成果向实际河道水流的推广，式中τ0——床面切应力，ρ——水的密度。
2.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其特征在于所述植被模型为人工培育的天然草本植被模型或加筋草本植被模型。
3.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其特征在于所述有压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.如权利要求3所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其特征在于有压大流速水流与作用于护坡上的原体水流具有近似相同的流速大小和方向。
5.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，其特征在于所述植被模型制备步骤中，选用的植被为8组天然草皮与8组三维植被网加筋草皮，植被种植土壤为水稻土；所述植被模型冲刷步骤中，有压大流速水流的设计流速选用三级4.0米/秒、4.5米/秒、5.0米/秒，冲刷历时分别为6小时、12小时、24小时、48小时，在对植被模型冲刷时，先以0.5米/秒的增幅将有压大流速水流的流速以1.0米/秒逐级加到设计流速，测量各级流速下的植被区水头损失，以此得出各级流速下的床面切应力值，待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5小时为时间间隔测量水头损失，得出各时刻的床面切应力值，当植被模型发生破坏时，记录植被区水头损失，由此得出植被模型破坏时的床面切应力值和摩阻流速，并向实际河道水流推广。
6.如权利要求1所述的草皮护坡抗冲的试验方法，其特征在于所述植被模型制备步骤中，选用的植被为6组天然草皮与6组三维植被网加筋草皮，植被种植土壤为红壤；所述植被模型冲刷步骤中，有压大流速水流的设计流速选用三级2.0米/秒、2.5米/秒、3.0米/秒，冲刷历时分别为6小时、12小时、24小时、48小时，在对植被模型冲刷时，先以0.5米/秒的增幅将有压大流速水流的流速以1.0米/秒逐级加到设计流速，测量各级流速下的植被区水头损失，以此得出各级流速下的床面切应力值，待达到设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5小时为时间间隔测量水头损失，得出各时刻的床面切应力值，当植被模型发生破坏时，记录植被区水头损失，由此得出植被模型破坏时的床面切应力值和摩阻流速，并向实际河道水流推广。
全文摘要
本发明属于生态护岸领域，是一种测定河道草皮护坡抗冲性能的方法，利用草皮护坡抗冲性能的测定装置进行测定，包括步骤植被模型制备、测定装置安装及调试、植被模型冲刷，其特征在于在所述的植被模型冲刷步骤中，近似模拟实际河道中的流速条件对自然植被模型进行冲刷，采用的冲刷水流为有压大流速水流，保持有压大流速水流稳定，对植被模型进行冲刷，在植被模型冲刷步骤中得出草皮护坡破坏时的切应力值，并用摩阻流速U
文档编号E02B3/12GK101074899SQ200610040378
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月19日 优先权日2006年5月19日
发明者张玮, 钟春欣, 应翰海, 龚静怡 申请人:河海大学