植物生态护岸技术效果研究

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1、植物生态护岸技术效果研究摘要：根据植物护岸机理，以漳河下游河道陈村险工为具体研究对象，通过数学模型模拟，分析了植物根部的加筋作用和植物地面以上部分对水流拖曳力的分担作用，及其对减缓丁坝冲刷的贡献。研究发现：种植植物后水流对丁坝附近土壤的有效拖曳力虽然随流量的增大而增大，但增幅减缓，说明植物的阻滞作用也随流量的增大而增大；在研究的流量范围内，种植植物后丁坝的冲刷深度比种植植物前减少了40〜126cm。关键词：植物技术；抗剪强度；丁坝；冲刷；拖曳力；HECRAS；漳河中图分类号：TV11文献标识码：A文章编号：16721683(2013)0300310420

2、世纪70年代，慕智增［1］根据海河流域河道的具体情况，提出用柳治河的措施，对河道来水进行控制和引导，减少来水对堤岸的冲刷以及河道横流的产生，该方法在安平县淖沱河段进行了试验［2］,取得了良好效果。近年来，植物技术被大量应用于河道护岸与生态修复，其中植物根系发挥着重要作用，国内外研究学者［39］从抗冲性、渗透性等多角度出发，结合植物根系的力学特征，研究了植物根系对土体的加筋、锚固作用。聂影等人［7］认为植物根系一般不改变土体的内摩擦角，但能够使土体的黏聚力提高10kPa左右。姚喜军［9］通过试验发现，生长初期的柳树根系能很明显地提高土壤抗剪强度，在08m土

3、层范围内根土复合体的抗剪强度较无根素土的增加率可达到3071%,黏聚力增加率可达37%。不过，现有研究大多数考虑的是植物根系对土体强度的增强，而很少注意植物整体作用对冲刷深度的影响，也很少涉及对植物的量化种植提出具体建议。本文在前人研究结果的基础上，深入分析丁坝的冲刷机理，利用HECRAS建立一维恒定流数学模型，用于模拟漳河下游河道陈村险工的冲刷。在考虑植物对土壤有效拖曳力影响的情况下，研究种植植物前后丁坝冲刷深度的变化，为植物技术在工程上使用效果的量化评价提供理论支持。1模型与方法1.1丁坝冲刷的模拟很多数学模型都可模拟水流对水中建筑物的冲刷，然而很少

4、有专门针对丁坝设置的模块。已有研究表明［10］,河道与海岸工程中丁坝的冲刷与长薄型桥墩冲刷之间具有类似性，因此本文在HECRAS模型中，将丁坝作为桥墩进行模拟。对桥墩冲刷的计算，分为压缩冲刷和桥墩局部冲刷两部分。桥墩作为水中结构，局部阻挡过流，压缩过流宽度，产生水流侧向收缩，减少了断面宽度和过水面积，使水流单宽流量增加，引起河床冲刷，即压缩冲刷。根据来水情况，压缩冲刷又有清水冲刷和动床冲刷之分。设床料的均匀流起动流速为Vc,若行近流速VO.2010.691主要为悬移质输移清水冲刷是基于Laursen(1963)的理论，采用以下公式计算：y2=Q221CD

5、2/3mW223/7(4)ysl=y2-y0(5)式中：Dm为压缩段未发生移动床沙颗粒的最小粒径(m),本文在应用中取125D50,C取40。在HECRAS压缩冲刷的计算过程中，需要使用者输入的变量只有D50和用于计算指数kl的水温,其余变量及计算公式的选取均可由恒定流的计算结果自动获得。由于桥墩阻水使水流结构发生变化，在桥墩周围引起的冲刷称为桥墩局部冲刷。在计算局部冲刷深度时，同样分为动床和清水冲刷两种形式，对于桥墩动床冲刷而言，当桥墩入水长度L与行近水流的水深yl之比Llyl>25时，使用HIRE公式(Richardson,1990)进行计算，当Ll

6、ylW25时，使用Froehlich公式(Froehlich,1989)计算。根据本文研究的实际情况(不同流量时比值L/yl的最小值为295),采用HIRE公式计算桥墩局部冲刷：ys2=4ylk210.55k3FrO.331(6)式中：ys2为桥墩局部冲刷深度(m)；yl为桥墩趾处水深(m)；k2为桥墩形状系数；k3为来流与桥墩作用角度系数；Fr为桥趾处上游断面弗劳德数。桥墩冲刷总深度即为压缩冲刷与桥墩局部冲刷之和，即：ys=ysl+ys2(7)1.2植物影响因素的考虑由于植物的存在，土壤抗剪强度和河道断面的糙率发生改变，同时不同流量下土壤的有效拖曳力也

7、将发生变化。1.2.1对土壤抗剪强度及断面糙率的影响险工周围种植植物后，由于根系的固土作用，土壤黏聚力增强。本研究在模拟中，采用调整土壤粒径来改变相应起动流速的方法来反映黏聚力的变化。具体操作如下：根据现场土壤考察资料，获得土壤级配曲线；由抗剪试验得到种植植物后不同土层不同粒径下土壤的黏聚力和内摩擦角；根据上述结果，利用种植植物后的土壤黏聚力反算得到对应的土壤粒径大小，最后反映到模型中。另外，河道中存在的植物会对水流产生阻力，影响水流流速分布，并改变断面原有的糙率，已有研究［1113］表明，河道种植植物后，糙率的范围大致在0020〜0090,结合研究的实

8、际情况，本研究采用004o1.2.2有效拖曳力的计算采用YoshiharuIsh