1、河海大學 博士學位論文 生態(tài)型護岸抗侵蝕性能及水力特性研究 姓名：鐘春欣 申請學位級別：博士 專業(yè)：港口、海岸及近海工程 指導(dǎo)教師：張瑋 20060901 摘要 摘要 在河道的生態(tài)治理中，為對受損的河道生態(tài)進行修復(fù)，常采用植被措施對河道岸坡進行防護。但植被復(fù)雜的天然物理特性使得人們對植被防護以及植被與水流相互作用的機理認識不足，對于采用植被措施的生態(tài)型護岸抗沖蝕安全性能產(chǎn)生疑慮。為此，本論文在研究基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的有關(guān)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇了天然草皮護坡和三維植被網(wǎng)加筋草皮護坡兩種護岸形式，通過室內(nèi)水槽模型試驗研究了生態(tài)型護岸抵御河道徑流沖刷和坡面侵蝕的安全性能，以及植被措施對河道

2、水力特性的影響。 文章首先從河道治理角度出 證了對河流進行生態(tài)修復(fù)的必要性，闡述了基于 河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的科學內(nèi)涵、修復(fù)目標和具體方法，分別探討了傳統(tǒng)型護岸與生態(tài)型護岸的優(yōu)弊，提出通過綠化護面層，坡面多孔化、粗糙化，近岸流態(tài)多樣化三種主要途徑，可以實現(xiàn)由傳統(tǒng)型護岸向生態(tài)型護岸的轉(zhuǎn)變。 在草皮護坡抗沖蝕性能試驗設(shè)計中，采用天然草本植被原型，在自行設(shè)計的有壓水槽裝置( 最大斷面平均流速可達6 75m s) 內(nèi)成功模擬了河道徑流對草皮護坡的沖刷作用，解決了室內(nèi)均勻流緩坡水槽難以產(chǎn)生大流速水流的難題。試驗獲得的草皮護坡破壞時的床面切應(yīng)力值和摩阻流速可作為模型試驗結(jié)果直接推廣應(yīng)用于天然河道。理論分

3、析和試驗驗證表明，該試驗方法和試驗裝置用于草皮護坡抗沖試驗是合理可行的。 在深入分析草皮護坡破壞機理的基礎(chǔ)之上，結(jié)合試驗研究對在河道徑流和坡面流兩種荷載作用下，草皮護坡的破壞形式、破壞標準以及判別依據(jù)進行了探討，對草皮護坡抗沖性能、抗侵蝕性能，以及植被防護效果進行了評價，得出了草皮護坡破壞的臨界水流條件。研究發(fā)現(xiàn)草皮的破壞與水流流速和歷時密切相關(guān)，草皮對于裸露邊坡具有很好的防護效果，在基土中設(shè)置三維植被網(wǎng)加筋材料后草皮的抗沖蝕性能得到顯著提高。 河道中的植被能改變流速垂線分布、增大岸壁糙率、削減河道過流能力，引起岸坡沖淤的變化。在草皮抗沖試驗成果基礎(chǔ)上分析了植被削減河道過流能力的機理，深入探討

4、了沿程水頭損失系數(shù)、植被表面水力糙率以及植被區(qū)床面切應(yīng)力與水流流速及歷時的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)植被水力特性存在明顯的時間效應(yīng)，且在草皮護坡發(fā)生破壞時其植被表面水力糙率及床面切應(yīng)力將發(fā)生顯著變化：植被對岸壁糙率的增大作用是使得河道過流能力降低的主要原因，并據(jù)此提出了改進的河道過流能力設(shè)計方法。 關(guān)鍵詞：河流生態(tài)修復(fù)；生態(tài)型護岸；草皮護坡；抗侵蝕性能：水力特性；試驗研究 ABSllUCT ABSTRACT In ecological fiver engineering,vegetation measures arc usually utilized in bank revetment protectio

5、n in order to rehabilitate the damaged zoology of riverSince the natural ph)，sical characteristic of vegetation is so complex that,the mechanisms of vegetation erosion resibqance and the interacfion of vegetation and flow are dimcult to be acquainted clearly, people are puzzled about the flow resist

6、ance of vegetated revetment,as well as the slope-erosion resistanceTo resolve this problem,on the basis of the research on river engineering and eeological rehabilitation,the securities ofrevetments wim tuffand reinforced tI】旺and the effect of vegetation on river characteristics arc studied in this

7、thesis through model experiment in flume In the river engineerings po 蕊 of view,the necessaries of river ecological rehabilitationale demonstrated firstly and its connotation,objective and method are also describedThenthe advantages and shortcomings of traditional and ecological revetment are discus

8、sedAneeolclgical revetment can be changed into a traditional revetment by the following threeapproaches：protective coving virescence，coarse pored surface and multiplex velocity offlow alongshore In the design of model experiment about riverbank erosion with grass cover,the naRlral herbage was chosen

9、 as the test sample and a pressure flume of plexiglass was designed to provide flow with maximuln velocity to 675ms，which Call simulate the riverbank erosion with grass cover caused by river flow in model experiment successfully1k experimental results ， such as the shear stress Ilealthe bed and the

10、friction velocity obtained from theexperiment。can be applied in the practical engineering directlyTheoretical analysis and experimental examination demonstrates that the design of model experiment method and equipmem is reasonable In combination with the experimental research,the format and distingu

11、ish criterion oftuffdestruction are discussed and the flow resistance ofrevetment with turfis studied,as well as the slope-erosion resistance，based on the analysis on the mechanism ofturfdestruction under the action ofriver flow and gradient clm_entIt was found that the turfdestruction is in clearly

12、relation to the flow intensity and duration晰can protect the side bank from flow erosion very well and reinforced material，such as three-dimeusional vegetation net in this experiment, can improve this protective effect emciently Vegetation in channel can change the vertical distribution of flow veloc

13、ity,increase the roughness of bank,and reduce the flow capacity,which will result in the great change of sediments scouring and depositionIn this thesis，the mechanism of reduction of flow capacity caused by vegetation is analyzed，and the relationships betwecn the flow intensity and duration and the

14、hydraulic parameters，such as the hydraulic roughness above vegetation, the shear stress near the bed,and the Darcy-Weisbach friction factor,were deeply studied in the thesis The re-areh results show that the hydraulic characteristic of vegetation hasobvious time effecL T1le hydraulic roughness above

15、 vegetation and the shear stress near thebed will change remarkably when the turf destruction is occurringn圮main reason that vegetation will reduce the flow capacity of river is that，the bank roughness is increased due to the vegetation,and all improved method for flow capacity design is suggested b

16、ased on this knowledge Key Words：river rehabilitation；ecological revetment；turf；erosion resistance；hydraulic characteristics；experimental reseak 111 前言 前言 自20世紀50年代德國創(chuàng)立“近自然河道治理工程”以來，河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)已經(jīng)走 過了半個世紀的發(fā)展歷程。從大規(guī)模的河流整治，用水泥、砂漿和混凝土對河岸及河床進行襯砌，將河流徹底渠道化，修建大壩、堤防和水電工程，到在河流整治中貫徹“給河流以空間”的理念，有計劃的拆除堤防和大壩，對河道岸坡進行生

17、態(tài)防護，河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)在河道治理領(lǐng)域積累了大量的實踐經(jīng)驗，研究開發(fā)了一系列生態(tài)型護岸技術(shù)和產(chǎn)品，其中尤以大量應(yīng)用植被措施而使得護岸工程日趨生態(tài)化。 植被在消波減浪、控制侵蝕、改善棲息地環(huán)境等方面具有顯著作用，但對于采用植被措施后生態(tài)型護岸的抗沖蝕安全性能卻缺乏系統(tǒng)的研究。本論文在詳細闡述基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的有關(guān)理論及技術(shù)基礎(chǔ)上，選擇了天然草皮護坡和三維植被網(wǎng)加筋草皮護坡兩種植被措施，對其應(yīng)用于護岸工程中抵御河道徑流沖刷和坡面侵蝕的安全性能開展了室內(nèi)水槽試驗研究。研究工作主要針對在河道徑流及坡面徑流荷載作用下草皮護坡的破壞機理和方式，抗沖蝕性能，植被防護效果，破壞的臨界水流條件進行了理

18、論分析及試驗研究，對采用加筋材料前后草皮護坡的各項性能進行了對比，同時結(jié)合試驗研究成果探討了受植被影響的阻力系數(shù)、水力糙率、床面切應(yīng)力等水力特性的變化規(guī)律，以期為促進生態(tài)型護岸技術(shù)的研究與推廣有所裨益。文中研究主要體現(xiàn)以下創(chuàng)新點： 一、在草皮護坡沖刷模型試驗設(shè)計中，基于模型和原體草皮沖刷破壞時的床面切應(yīng)力及摩阻流速應(yīng)該相等原理，在室內(nèi)水槽中采用天然草皮，研究實際河道中生態(tài)型護岸的水流沖刷問題，簡便可靠地實現(xiàn)了模型試驗結(jié)果向原型水流的直接推廣。 二、草皮護坡沖刷模型試驗中設(shè)計的矩形斷面有機玻璃有壓水槽最大斷面平均流速可以達到675ms，克服了以往室內(nèi)明渠均勻流緩坡水槽難以產(chǎn)生較大流速水流的難題。

19、理論分析和試驗驗證表明，該試驗方法和裝置用于草皮護坡沖刷模型試驗是合理可行的。 三、界定了草皮護坡破壞的具體形式，劃分了破壞的不同程度，并以試驗過程中植被區(qū)水頭損失的變化作為判斷破壞是否發(fā)生的依據(jù)，可為其他類型生態(tài)型護岸提供參考。 四，在草皮沖刷試驗中，由于植被在水流沖刷作用下的彎曲高度隨著沖刷流速和歷時而發(fā)生變化，因此在紊流粗糙區(qū)內(nèi)沿程水頭損失系數(shù)與流速和床面租糙程度均有關(guān)。 五、試驗研究發(fā)現(xiàn)，植被與水流的相互作用是一個動態(tài)過程，植被表面水力糙率、床 面切應(yīng)力、沿程水頭損失系數(shù)等均為時間的函數(shù)，植被水力特性具有明顯的時間效應(yīng)。 學位論文獨創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進

20、行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知， 除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同事對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。如不實，本人負全部責任。 論文作者(簽名)：蘭箜墨：!墜20。6年2月28日 學位論文使用授權(quán)說明 河海大學、中國科學技術(shù)信息研究所(含庫)、國家圖書館、中國學術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學位論文的復(fù)印件 或電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔 的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱。論文全部或部分內(nèi)容的公布(

21、包括刊登)授權(quán)河海大學研究生院辦理。 論文作者(簽名)：叢查!竺 2006年2月28日 河海大學博士學位論文 第一章緒論 1.1 河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)的時代背景 自然與人類活動對于生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力在生態(tài)學中稱之為脅迫(Stress)【1】。幾千 年來人類為了自身的安全與發(fā)展，對河流進行了大量的人工改造。特別是近一百多年來隨著現(xiàn)代工程技術(shù)手段的發(fā)展，人們對河流進行了大規(guī)模開發(fā)利用，興建了大量水利工程設(shè)施?；仡櫲祟愔卫砗恿鞯臍v史，將水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的脅迫可以概括為自然河流的渠道化和自然河流的非連續(xù)化兩個方面f2J。 “ 河流渠道化” 是指田：(1) 平面布置上的河流形態(tài)直線化， 即將蜿蜒曲折的

22、天然河流形態(tài)改造為直線或折線型的人工河流或人工河網(wǎng)；(2)河道斷面幾何規(guī)則化，即把自然河流的復(fù)雜形狀變成梯形、矩形及弧形等規(guī)則幾何斷面；(3)河床材料的硬質(zhì)化， 即渠道的邊坡及河床采用混凝土、水泥、砂漿、砌石等硬質(zhì)材料。河流的渠道化改變了河流蜿蜒型的基本形態(tài)，急流、緩流、彎道及淺灘相間、深潭和淺灘交錯的格局消失， 生境的異質(zhì)性降低，水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能隨之發(fā)生變化，特別是生物群落多樣性 將隨之降低，可能引起淡水生態(tài)系統(tǒng)【3-41。自然河流的非連續(xù)化則是指筑壩造成的順水流方向的河流非連續(xù)化。 為緩解水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的壓力，對各種脅迫因素予以補償，恢復(fù)河流原有的面貌，出現(xiàn)了“河流恢復(fù)”的

23、概念和相應(yīng)的工程技術(shù)。美國土木工程師協(xié)會對于“河流恢復(fù)”給出了如下定義：。河流恢復(fù)是這樣一種環(huán)境保護行動，其目的是初始河流系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，河流系統(tǒng)具有可持續(xù)特征，并可提高生態(tài)系統(tǒng)價值和生物多樣性”【2。河流生態(tài)修復(fù)是指使用綜合方法，使河流恢復(fù)因人類活動的干擾而喪失或 的自然功能。河流生態(tài)恢復(fù)的任務(wù)，一是水文條件的改善，二是河流地貌學特征的改善，目的是改善河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，標志是生物群落多樣性的提高，與水質(zhì)改善為單一目標相比更具有整體性的特點，其生態(tài)效益更高【2l。 20世紀中葉以來，一些發(fā)達國家的科技界和工程界針對水利工程對于河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，提出了如何進行補

24、償?shù)膯栴}，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了河流生態(tài)修復(fù)的理論與工程實踐i6-gl。縱觀國外河流生態(tài)修復(fù)工作的發(fā)展歷程，在河流整治中的河流生態(tài)修復(fù) 第一章緒論 河漫灘高程等措施予以實施；河流連續(xù)性的恢復(fù)包括縱向的連通和河道與河漫灘區(qū)的橫向連通，如建設(shè)低壩并設(shè)置魚道、堤防拆除或后退等；河流蜿蜒性的恢復(fù)；河道岸坡生態(tài)防護；河流深槽和淺灘序列的重建；洪泛區(qū)濕地特征的創(chuàng)建；河流內(nèi)棲息地加強結(jié)構(gòu)； 親水設(shè)施的建設(shè)；河道疏浚泥土的利用；多孔和透水性護岸材料和結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應(yīng)用及工程施工技術(shù)等【10一171。 與國外先進經(jīng)驗及技術(shù)相比，我國國內(nèi)的河流生態(tài)修復(fù)工作尚處于起步和技術(shù)探索階段，河流整治工作則基本處于水質(zhì)改善和景觀建設(shè)

25、階段【1820】。多數(shù)地方的河道整治， 尤其對于中小型河流，其整治理念仍停留在渠道化、襯砌等已被許多硬方國家舍棄的做法。2004年8月水利部 了關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)的 ，明確指出水資源保護和水生態(tài)系統(tǒng)保護工程是水利基本建設(shè)工程的重要組成部分。全國各流域機構(gòu)和地方對水生態(tài)系統(tǒng)的保護與修復(fù)工作也逐漸展開，在制定規(guī)劃的同時根據(jù)國家建設(shè)和地方的實際需求，從改善河流水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)開展了大量的科研和示范研究工作剛一25l。近年來國內(nèi)一些發(fā)達經(jīng)濟省份和地區(qū)也結(jié)合河道整治開展了生態(tài)河堤建設(shè)， 開始注重河流的美化綠化。 1.2 河流生態(tài)修復(fù)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及存在問題 河流生態(tài)修復(fù)是一項新興的理念和

26、技術(shù)，力求最大限度地消除以往人類對河流的不合理開發(fā)給河流生態(tài)系統(tǒng)所帶來的 影響f26一Z7。但是生態(tài)修復(fù)不等于將河流完全恢復(fù)成自然原始狀態(tài)，人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展要求人們必須與河流相互依存。協(xié)調(diào)發(fā)展， 由此也引發(fā)了一系列開發(fā)與保護、利用與修復(fù)的矛盾和問題。 1.2.1 基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)研究 河道治理是指通過修建整治建筑物調(diào)整水流與河床，穩(wěn)定優(yōu)良河勢，以滿足航運和防洪要求。對于河道治理工作者來說，如何在利用工程措施治理河道的同時，兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)的要求是必須解決的問題?；诤拥乐卫淼暮恿魃鷳B(tài)修復(fù)，是從改善河流的地貌學特征入手，運用河流整治的技術(shù)和方法，對受損的河流生態(tài)進行修復(fù)，其重點在于

27、 保證河道正常航運及防洪安全的前提下，從生態(tài)學角度對河流的橫向及縱向形態(tài)進行重 新塑造。 2 河海大學博士學位論文 河流的生態(tài)修復(fù)技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)基本形成了自身的理論框架和體系(28-31，基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)是其中的一個重要分支，人們對此進行了大量的實踐探索。上世紀60 年代，開始了拆壩行動， 很快歐美各國紛紛加入拆壩行列， 同時停止修建15m 以上的壩，以恢復(fù)河道的縱向連通性；同時對于整治工程中常用的“裁彎取直”手段也采取了謹慎的態(tài)度，不再為了縮短航程的需要而盲目地將河曲進行裁彎取直，這對于保護和恢復(fù)河流的蜿蜒性非常重要；河道整治生態(tài)水工技術(shù)的開發(fā)與推廣，使得修建生態(tài)型護岸成為恢復(fù)河

28、道橫向連通性的有效手段，開發(fā)了很多生態(tài)型護岸技術(shù)和產(chǎn)品并應(yīng)用于河道整治工程，取得了很好的效果。 為完善河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)的理論體系，有必要在大量工程實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)以往的成功經(jīng)驗，對基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的內(nèi)涵、目標、方法進行科學提煉，為河 道治理中的生態(tài)修復(fù)提供系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。 1-22生態(tài)型護岸的研究及應(yīng)用 河道不僅具有行洪、航運等基本功能，也是生物棲息地和人文景觀的載體。河岸作 為河流與陸地的過渡帶，要求具有一定的透水透氣性，以保證岸邊土體與水體的相互涵 養(yǎng)和交流。作為多種野生動物的棲息地，河岸還必須保有一定的多孔質(zhì)岸段，具有相當?shù)闹脖桓采w度以及多變的近岸流態(tài)13234l。 傳統(tǒng)的護

29、岸技術(shù)從水力學最佳水力半徑的理論出發(fā)，遵循用最經(jīng)濟斷面輸送最大流量的原則，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇上要求斷面渠化和較小的水力糙率，以達到最大的工程和經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的護岸主要考慮河道行洪能力、河道沖刷、岸坡穩(wěn)定等因素，偏重護岸的安全功能，主要有拋石、漿砌或千砌塊石、預(yù)制混凝土塊體、現(xiàn)澆混凝土、澆注瀝青、鉸鏈混凝土沉排以及土工模袋等型式。這些硬質(zhì)化的護岸型式忽略了河流環(huán)境的需求，阻礙了河岸帶生物棲息地功能的發(fā)揮，使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性受到影響，不能滿足生態(tài)和景觀的要求(351。為適應(yīng)河流生態(tài)修復(fù)的需要，河道整治工程中的護岸技術(shù)逐 步由以安全為單一目標向生態(tài)型護岸技術(shù)轉(zhuǎn)變。 生態(tài)型護岸建設(shè)是河流生態(tài)修復(fù)

30、中的重要環(huán)節(jié)，它以保護、創(chuàng)造生物良好的生存環(huán)境和自然景觀為前提，在保證護岸具有一定強度、安全性和耐久性的同時，兼顧工程的環(huán)境效應(yīng)和生物效應(yīng)，以達到一種水體和土體、水體和生物相互涵養(yǎng)，適合生物生長的仿自然狀態(tài)【弼，包括對原有的以水泥、混凝土等硬化材料為主的傳統(tǒng)型護岸進行改造， 第一章緒論 一系列土工加固材料和人工生長基作為輔助材料，以增強植被根系的固土作用，如鐵絲網(wǎng)與碎石復(fù)合種植基技術(shù)、土工網(wǎng)墊固土種植基技術(shù)、土工格柵固土種植基技術(shù)、水泥生態(tài)種植基技術(shù)、植被型生態(tài)混凝土技術(shù)、魚巢磚、籠石結(jié)構(gòu)等，使用效果良好。 生態(tài)型護岸采取種植植被、使坡面多孔化粗糙化以及營造多變的近岸流態(tài)等措施迎合河流的生態(tài)需

31、求，可以收到顯著的生態(tài)和景觀效益，但卻往往可能使得生態(tài)型護岸結(jié)構(gòu)強度降低，岸坡整體穩(wěn)定性能下降，難以達到傳統(tǒng)水利、生態(tài)系統(tǒng)棲息地和景觀的有機結(jié)合。 一般來說，常年暴露于自然環(huán)境中的護岸工程主要遭受水流力的沖蝕和破壞，包括河道徑流和坡面徑流兩種主要荷載，其中水流的沖刷作用是主要的破壞因素。由于水流 對岸坡土壤的沖刷、浸潤，使得土體顆粒之間抗剪能力降低，從而造成護面層結(jié)構(gòu)或坡 體的失穩(wěn)。對于采用植被措施的生態(tài)型護岸，護面層的表層土壤在植被根系的錨固作用 下具有一定的抗沖蝕性能。當水流條件加強時，在水流的持續(xù)沖刷作用下植被的根系錨 固力不足以抵擋水流對土壤顆粒的拖曳力，則可能發(fā)生表層土壤流失甚至植被

32、連根拔出 沖走，護岸坡體內(nèi)部土壤受到進一步?jīng)_刷，造成護岸結(jié)構(gòu)的整體破壞。除了受河道水流 的沖刷作用外，降雨形成的坡面徑流對岸坡土體的侵蝕作用也是不可忽視的影響因烈37 _4講。坡面徑流水深淺、坡度陡、糙率大，不同于河道水流；細溝侵蝕的發(fā)生取決于坡面水流的水力學特性和坡面土壤條件。當降雨滿足入滲后，超滲雨覆蓋著整個很粗糙的坡面上，出現(xiàn)呈層流狀態(tài)的薄層水流。由于雨點的打擊和下墊面微小起伏的擾動，薄層水流亦有一定的侵蝕作用，稱之為片蝕。水流在向 動的過程中，由于雨水不斷匯集補充，當流量增大到一定值，成層的水流便不再能夠保持，而合成股流。雨滴的打擊、侵蝕溝側(cè)壁的彎曲變化及溝底的高低起伏，不斷干擾著流動

33、的水體，形成水流波動和一系列旋渦運動，流體質(zhì)點互相混雜，常稱之為紊流。紊流中的旋渦運 下不斷地將侵蝕土壤分離、游離形成泥沙，從而造成坡面侵蝕。此外，在海岸防護工程中，還存在因越浪產(chǎn)生的高速水流在海堤背海面一側(cè)沖刷引起的坡面侵蝕問題。 生態(tài)型護岸工程必須符合水文學和工程力學的規(guī)律，以確保工程設(shè)施的安全、穩(wěn)定和耐久性。迄今為止，生態(tài)型護岸已經(jīng)開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)形式，用于適應(yīng)不同地域環(huán)境的生態(tài)需求。國外河流生態(tài)修復(fù)工作者曾對某些形式的生態(tài)型護岸所能承受的極限水流條件進行了相關(guān)研究，得到了一些極具實用價值的研究成果 】，見表11。英國建筑工業(yè)研究與信息協(xié)會(CIRIA)在重點引用英國的經(jīng)驗情況下，對于如何

34、使用天然材料用于河渠 護岸工程進行了研究，對天然材料護岸的設(shè)計方法、活的天然材料的應(yīng)用、草的應(yīng) 河海大學博士學位論文 用以及木材和木質(zhì)材料的應(yīng)用都做了較為詳細的論述【42】，具有一定的參考價值。 表11采用生態(tài)型護岸河道的河岸及河床開始發(fā)生侵蝕時的臨界水流條件 與國外的研究狀況相比，目前國內(nèi)對生態(tài)型護岸的應(yīng)用還停留在直接借鑒國外成功經(jīng)驗的階段。近年來，劉樹坤(2001)I吲介紹了日本在河流整治與生態(tài)修復(fù)方面的成功經(jīng)驗；季永興等(2001)【躬】在吸取國內(nèi)外有關(guān)城市河道整治和其他領(lǐng)域生態(tài)護坡經(jīng)驗的 基礎(chǔ)上，提出了對城市河道整治坡面采用生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)的建議，探討了發(fā)達根系固土植物，土工材料復(fù)合種植基

35、、植被型生態(tài)混凝土、水泥生態(tài)種植基和土壤固化劑等城市河道整治中生態(tài)護坡結(jié)構(gòu)新方法；鄭潤謀(2002)f“】介紹了韓國的生態(tài)植草磚系列的品種、 規(guī)格與特點，對于利用植物生長多孔混凝土磚建造自然河川的河道生態(tài)治理的綠色新工藝進行了闡述；解同超等(2001)451介紹了己采用木石籠結(jié)構(gòu)護岸的制作施工過程及 木石籠護岸的特點和注意事項：夏繼紅等(2003)461認為生態(tài)護坡的設(shè)計應(yīng)綜合考慮各方面因素，遵循水力穩(wěn)定性原則、生態(tài)原則和回歸自然原則，通過試驗驗證生態(tài)護坡設(shè)計原則，校正設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)模式；居江(2003)【47】在總結(jié)北京市水利科學研究所 承擔的“潮自河生態(tài)護坡示范工程”、“北運河生態(tài)護坡

36、示范工程”、“永定河滯洪水庫湖 心島生態(tài)護坡示范工程”設(shè)計、施工實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，初步探討了生態(tài)護坡的內(nèi)涵和模式，以及主要技術(shù)方法：王準(2002)【柚】介紹了上海市河道整治中的“綠色項鏈”工 程，就如何針對上海復(fù)雜的河道水岸形式，選擇因地制宜合理的護堤結(jié)構(gòu)與模擬自然的濕地生態(tài)綠化系統(tǒng)進行了探討：趙進勇等(2005)149I在分析常規(guī)護岸型式對環(huán)境和生態(tài)影響的基礎(chǔ)上，歸納出生態(tài)型護岸工程的設(shè)計要點在于工程設(shè)計的原則目標、工程實施前的調(diào)查、植物種類的選擇、反濾層的設(shè)計、岸坡穩(wěn)定分析及工程實旌后的檢測。 第一章緒論 坡取得了一定的研究成果。肖培青等(2003)剛就高速公路建設(shè)中的邊坡侵蝕溝發(fā)育 特

37、征和灌木類植被的水土保持作用進行了試驗研究；張俊云等(2001)51強過室外草 坪草的培育試驗，研究了種植基配比對草坪草生長的影響，以及配比對種植基主要強度 指標的影響，并初步確定了4種適合于高陡巖坡防護的生態(tài)種植基；蔣德松等(2004) 暇】針對巖質(zhì)邊坡的噴播植草技術(shù)進行了抗沖刷現(xiàn)場試驗研究。這些生態(tài)護坡經(jīng)驗對于生態(tài)型護岸中的植被防護研究具有極大的借鑒作用。 從目前國內(nèi)生態(tài)型護岸建設(shè)的工程實踐來看，現(xiàn)有的生態(tài)型護岸項目大多停留在景觀建設(shè)階段，其存在的主要問題表現(xiàn)為：缺乏相關(guān)的理論支撐，對于生態(tài)護岸的適用條件、極限破壞條件等認識不足：設(shè)計、施工無規(guī)范可循，設(shè)計基本憑設(shè)計者的經(jīng)驗和判斷，主觀隨意

38、性大，設(shè)計水平參差不齊；大多數(shù)工程未經(jīng)過高標準洪水考驗，其安全可靠性有待驗證。就已有的研究及應(yīng)用成果來看，對于生態(tài)型護岸的研究還處于初步的定性理論研究階段，對其相關(guān)的基礎(chǔ)研究基本處于空白狀態(tài)，急需對其抗沖、抵御侵蝕等關(guān)鍵技術(shù)開展系統(tǒng)的科學研究。因此，如何在結(jié)構(gòu)安全和景觀生態(tài)之間尋求合理的平衡點是當前生態(tài)型護岸技術(shù)發(fā)展的前沿。 123含植被河道水力特性的研究 自然界眾多河流的岸灘上總是或多或少地種植有植被，尤其是在河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)中，植被措施是生態(tài)型護岸工程中最為常用的護坡方式，其應(yīng)用主要集中在護面層的防護綠化等方面。植被可以減緩近岸流速，以根系加固和約制土體，改善河道生態(tài)環(huán)境， 有效地保護岸坡

39、土體。采用植被措施護岸的河道岸坡具有較高的透水透氣性，以及良好的動植物棲息地功能和很高的景觀價值。但是，在明渠內(nèi)種植植物很大程度上改變了原來水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加大了岸灘糙率和水流阻力，調(diào)整了流速在河道橫斷面上的分布， 使得岸坡及河床的沖淤發(fā)生變化，同時也使河道原有的過流能力減弱。 河道中植被的范圍很廣，通常指柔性低矮的葉片草、密集的灌木以及堅硬的大樹等。含有植被河道的水力特性，如流速分布、糙率系數(shù)和過流能力等，因其復(fù)雜性和重要性而引起了國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注。具有柔性的草本類植物是生態(tài)型護岸中較為常用的植 被種類，因此柔性植物對河道水力特性的影響是河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)人員關(guān)注的重點。自 上個世紀四十年

40、始，人們進行了大量的理論分析和試驗研究，對于含有植被河流的水力特性有了一定的認識。概括起來，以往的研究成果主要集中在以下三個方面：植物對水流結(jié)構(gòu)和流速分布的影響；植物引起的糙率系數(shù)；植物產(chǎn)生的水流阻力和對 河海大學博士學位論文 河道過流能力的影響。 1231植被引起的糙率系數(shù) 河道內(nèi)的植物通常會引起岸灘糙率的增大。FathiMaghadam&Kouwen(1997)【53l 利用量綱分析和試驗方法，建立了糙率條件(如植被密度、柔韌性)與水流條件(水深、流速)的相關(guān)關(guān)系，研究表明在非淹沒狀態(tài)下，糙率n與河道水深的平方根成正比，與 流速成反比關(guān)系，且植被密度對n的影響顯著。WU等(1999)541

41、以馬尾制成的人工 植被研究了淹沒型和非淹沒型植被的糙率系數(shù)隨水深變化的規(guī)律，試驗結(jié)果顯示在非淹沒狀態(tài)下，植被引起的糙率隨水深的增加而減小，而在完全淹沒狀態(tài)下，在水深很小時植被糙率隨水深增加而增加，而后趨于一個穩(wěn)定的常數(shù)。Ogunlela等(1999) 閣針對Antiponna，Star grass，Stubborn grass三種非洲草本植物進行了測定水力糙率的試驗研究，測定的糙率范圍分別在014-030，O09-020，008-019之間，且糙率系數(shù)隨著水深的減小而增大。 李艷紅等(2004)懌q通過室內(nèi)水槽試驗研究了曼寧糙率系數(shù)的垂線分布規(guī)律及水 生植物密度對它的影響，結(jié)果顯示n的垂線分布

42、呈倒“S”形，其值沿垂線向上減小， 植被對n值的影響從水槽底部到水面逐漸加強。Laounia(2005)15刀用PVC人工模擬 菖蒲進行了室內(nèi)水槽試驗，試驗結(jié)果顯示與無植被情況相比，河道的曼寧糙率系數(shù)隨水深的變化更加明顯，即曼寧糙率系數(shù)隨水深的增加而增大。Victor(2004)【41l所領(lǐng)導(dǎo)的河流生態(tài)修復(fù)研究小組采用實測的方法得出了某些生態(tài)型護岸表面生物材料的曼寧糙 率系數(shù)，見表12，其中k為植被的糙率高度，與植被的莖干長度、密度及抗彎剛度， 以及流經(jīng)植被的水流條件有關(guān)。 上述針對植被糙率的研究主要集中于某些種類植物水力糙率范圍的測定，以及河道內(nèi)植被引起的糙率與河道水深的關(guān)系，沒有考慮水流流

43、速和歷時對植被糙率的影響。實際上，在同一水深情況下，不同的水流流速和水流作用時間會引起不同的植被水力糙率， 即由植被引起的糙率是動態(tài)的。此外，選用人工材料制成的植被不能很好地模擬植被莖干的柔韌性和葉片間的自然排列狀態(tài)，由此產(chǎn)生的模型相似律問題復(fù)雜而難以確定，得到的試驗結(jié)果也因此而帶有局限性。因此，在前人的研究基礎(chǔ)上，使用植物實物模型在實驗室水槽中進一步對植被糙率與水流條件(流速、歷時)的關(guān)系進行深入研究是很有 必要的。 7 第一章緒論 1232植物的水流阻力和對河道過流能力的影響 水流流過淹沒的柔性植物產(chǎn)生波動，被視為邊界層的一部分。植物對水流的阻力可視為河床阻力的延伸。Kouwen等(198

44、1弱!，1992591)對明渠中含柔性植物的水流阻力問題進行了試驗研究，提出了柔性植被和水流的相互影響，并指出對于有植被的河道水流存在3個水流區(qū)域：植被不彎曲而且穩(wěn)定；植被受到波動；植被完全彎曲。Ikeda&Kanazawa(1996)is0研究了水流紊動強度和邊界剪切力的變化規(guī)律。Carollo (2002)認為在紊動均質(zhì)的植物水道水流中可通過已知的沿橫斷面的流速分布來理論推導(dǎo)水流阻力。Shi&Hughes(2002)161l研究了水生植物實驗水槽的微流環(huán)境，探討 了流速、摩阻流速、粗糙度、粗糙雷諾數(shù)和邊界切應(yīng)力的變化規(guī)律，以及由于植物的存 在而發(fā)生的層流邊界層的變化。Marco&Ne-pf

45、(2002)is2在他們的研究中認為，水流流過淹沒的柔性植物時，產(chǎn)生波動，更像混合層。James等(2003)is3用人工圓柱體模擬植被進行了室內(nèi)試驗研究，提出了常規(guī)方程(如曼寧公式、謝才公式、達西一魏斯巴赫公式)的替代方程，認為阻力系數(shù)與植被的特性存在關(guān)聯(lián)，用替代方程計算出的水位一流量曲線與試驗實測值吻合較好。 水生植物的存在使得開發(fā)一個完全由理論推導(dǎo)的解析水流阻力模型變得很困難。明渠中植物的阻水機理及水流紊流特性非常復(fù)雜，不僅與河道的形狀、水位、流量等有關(guān)， 而且與植物的種類、韌性、密度及形狀等特性有關(guān)。因此，許多過去所做的工作本質(zhì)上 都是經(jīng)驗化的或半經(jīng)驗化的，其中Manning公式最為常

46、用，但阻力系數(shù)通常很難予以精確估計。盡管如此，植被對削減河道過流能力的作用卻是肯定的。 河海大學博士學位論文 率，因此降低了河道原有的過流能力，必須對原有的設(shè)計流量方法進行改進，其研究結(jié)論為：河道的寬深比對河岸區(qū)流量的分配至關(guān)重要，河道過流能力的減小量與植被莖干剛度成正比，植被對過流能力的減弱作用與河道寬深比成反比。Abdelsalam等(1993) 障5】在對含淹沒植被的寬淺河道過流能力的研究中認為，由于植被加大了岸壁糙率，必須 對常規(guī)的曼寧公式、謝才公式進行修正；并根據(jù)現(xiàn)場實測流量、平均流速、水力坡度等， 推算出含植被河段的糙率，建立了關(guān)于糙率與流速，流量與水深的經(jīng)驗公式。 就已有的研究成

47、果來看，植物的特性對水流結(jié)構(gòu)和水流條件的影響對含植被河道的阻力系數(shù)也產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。避開理論推導(dǎo)水流阻力模型的難題，從研究阻力系數(shù)隨水流條件變化的規(guī)律入手，問接考察植被產(chǎn)生的水流阻力和對河道過流能力的影響，是一條可行的研究思路。 13本文擬研究的內(nèi)容和技術(shù)路線 本論文首先研究基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的有關(guān)理論和技術(shù)，以建設(shè)生態(tài)型護岸為契點，借助現(xiàn)場調(diào)查、收集資料、理論分析和試驗研究的手段，重點探討生態(tài)型護 岸的安全性能和生態(tài)型護岸中的植被水力特性(如圖11所示)，研究內(nèi)容分為以下三個 部分：基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)與生態(tài)型護岸研究；生態(tài)型護岸安全性能試驗研究，其中安全性能是指抵御河道徑流

48、沖刷及抗坡面徑流侵蝕性能；生態(tài)型護岸中的植被水力特性研究。 131基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)與生態(tài)型護岸研究 廣泛收集資料，了解目前國內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)研究動態(tài)，在充分論證對受損的河流進行生態(tài)修復(fù)的必要性前提下，深入探討基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)的科學內(nèi)涵、修復(fù)目標和具體方法。建設(shè)生態(tài)型護岸是河流生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)，及時掌握國內(nèi)已建生態(tài)護岸項目在設(shè)計、施工及使用各階段的情況及存在問題，在深入分析傳統(tǒng)型護岸與生態(tài)型護岸的聯(lián)系與區(qū)別的基礎(chǔ)上，提出傳統(tǒng)型護岸向生態(tài)型護岸轉(zhuǎn)變的有效途徑。植被防護是生態(tài)型護岸技術(shù)中最為常用的措施，詳細介紹植被應(yīng)用于生態(tài)型護岸工程中的同時， 力求探明植被護坡的機理，為后繼研究工

49、作打下基礎(chǔ)。 第一章緒論 匝靶稚霍妖奄峨州釵刁幡【-I匝 河海大學博士學位論文 132生態(tài)型護岸安全性能研究 防洪固岸是護岸工程的基本功能，生態(tài)型護岸必須在保證自身具有足夠的結(jié)構(gòu)強 度，即安全性能的前提下才能兼顧環(huán)境和生態(tài)的需求。首先對于如何在室內(nèi)水槽產(chǎn)生大流速沖刷水流的試驗方法進行探索，而后選擇天然草皮護坡和三維植被網(wǎng)加筋草皮護坡兩種生態(tài)護岸形式，就其在河道徑流沖刷和坡面流侵蝕兩種荷載作用下的抗侵蝕性能開展試驗研究，對草皮護坡的破壞形式和機理、破壞判別標準、破壞極限水流條件、抗侵蝕性能、植被防護效果等進行深入探討。 133植被水力特性研究 在借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上， 結(jié)合草皮護坡抗沖

50、蝕性能試驗研究， 深入探討沿程水頭損失系數(shù)、植被表面水力糙率、植被區(qū)床面切應(yīng)力隨水流條件和時間變化的規(guī)律，以及植被生長期、加筋方式等因素對植被表面水力糙率可能造成的影響。分析在生態(tài)護岸工程中采用植被措施后，原有河道過流能力設(shè)計方法的缺陷，提出改進的含植 被河道過流能力設(shè)計方法。 河海大學博士學位論文 第二章基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù) 傳統(tǒng)的河道治理工程通常以防止洪水決堤、漫溢、確保人類社會、經(jīng)濟和生命財產(chǎn)安全、保障河流的航運能力等經(jīng)濟功能為目標?，F(xiàn)代科學的發(fā)展使人們認識到，傳統(tǒng)意義上的河道治理工程在力圖滿足人類的需求時，卻在不同程度上忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求。生態(tài)水利工程學(Eco-Hyd

51、raulic Engineering)要求在河流綜合治理中既要滿足人類的需求，包括防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運以及旅游等需求，也要兼顧生態(tài) 系統(tǒng)可持續(xù)性的需求。因此在進行河流縱、橫斷面設(shè)計時， 必須充分考慮現(xiàn)場及工程的環(huán)境效應(yīng)，維護河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時兼顧河流泥沙輸移、淤積及河流侵蝕、沖刷等河道特征，保證河流修復(fù)工程的耐久性。 2.1 基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù) 2.1.1 河流生態(tài)修復(fù)的必要性 211。1人類對河流進行整治帶來了諸多影響 出于對開發(fā)流域經(jīng)濟的需要，人類對河流采取了一系列的整治措旄，包括使原來蜿蜒的河道裁直，在河道上修建堤防、堰和丁壩，縮窄河床和固化河岸等。上述整治措施

52、直接影響了河道的過水斷面面積、河床比降和水面比降，改變了水流速度、過水能力和 調(diào)蓄能力。河流的整治開發(fā)給經(jīng)濟帶來了繁榮，但也存在 影響：(1)生物多樣性嚴 重受損。河道整治項目引起流量及流量過程的變化和輸送泥沙質(zhì)和量的變化，許多生物 生息地環(huán)境改變甚至消失； (2) 城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率和強度明顯增加。河流被裁彎取直，河道束窄加深，硬化覆蓋使河床不透水面積增加，導(dǎo)致洪峰流量增加；(3)河床硬化覆蓋阻斷了城市地下水補給；(4)沿岸美麗自然景色消失。此外，尚存在因流域水資源利用導(dǎo)致的河流生態(tài)受損，如用水加劇引發(fā)的河流斷流、河道萎縮、洪水風險增加等問題嗍。 從20世紀50年 始，很多西方國家對破壞

53、河流自然環(huán)境的做法進行了反思，發(fā)達國家科技界和工程界針對水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的 影響，開發(fā)研究了河流生態(tài)恢復(fù)的理論和技術(shù)。河流生態(tài)工程在德國被稱為“河流生態(tài)自然工程”，日本稱為“多 第二章基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù) 自然型建設(shè)工法”，美國稱為“自然河道設(shè)計技術(shù)”并開始有意識地著手對遭受破壞的河流自然環(huán)境重新進行修復(fù)。在歐洲，如德國、法國、英國、 、丹麥、奧地利等國， 人們積極地改造水泥河堤，修建生態(tài)河堤，復(fù)原河道形態(tài)，恢復(fù)河岸水邊植物群落與河 畔林。美國和日本在這方面的工作也積極而富有成效，局部生態(tài)環(huán)境得以良好恢復(fù)。 2112河流生態(tài)修復(fù)的必要性 從生態(tài)角度來看，人類對天然河道形態(tài)進行的裁彎

54、取直改變了水體流動的多樣性， 河床的多孔質(zhì)化不復(fù)存在，灘地的整平使自然裸地減少071，河岸帶生態(tài)功能，許多 水生生物種群的生存環(huán)境遭到破壞刪。在全球環(huán)保意識普遍提升的今天，在河流治理中 重視人與自然的和諧相處，提倡河流的生態(tài)修復(fù)具有重大的現(xiàn)實意義 從防洪角度來看，某些筆直渠化的人工河道雖然滿足了現(xiàn)代航運的需求，卻為城市防洪帶來了隱患。自然蜿蜒的河道形態(tài)能減低河水流速， 蓄洪涵水， 削弱洪水的破壞力刪；洪水來臨時，自然河岸可通過水體滲透和河畔林的儲水起到調(diào)蓄洪水的輔助作用。被水泥和鋼筋混凝土加固了的河岸阻止了水體的自然交換，導(dǎo)致洪災(zāi)總體風險不斷 增加。 從防治污染角度來看，人們在治理城市河流污染

55、問題時往往忽視了河流自身所起的積極作用。天然河道是有自凈能力的剛，水泥襯底和護襯割裂了水體與土壤的關(guān)系，使 水系與土地及其生物環(huán)境相分離，水一土一植物一生物之問形成的物質(zhì)和能量循環(huán)系統(tǒng)被破壞，加劇了水污染的程度。因此，改造硬化河床，建設(shè)生態(tài)河堤，恢復(fù)利用河流的自凈能力是城市河流治污的重要環(huán)節(jié)。 從城市景觀角度來看，現(xiàn)代景觀生態(tài)學將城市河流看作廊道(通道)及生態(tài)邊緣區(qū)， 強調(diào)河道的自然化及的親水性。在滿足防洪要求的基礎(chǔ)上，盡可能保持城市河流的自然狀態(tài)，營造優(yōu)美的水邊環(huán)境，提供豐富自然的親水空間已被納入現(xiàn)代城市景觀的規(guī)劃范圍。 從可持續(xù)發(fā)展角度來看，對河流的開發(fā)治理，必須考慮河道生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性

56、， 協(xié)調(diào)入與河流之間的關(guān)系，適度發(fā)展，維護流域生態(tài)的可持續(xù)性和流域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。 綜上所述，人類在開發(fā)利用河流資源的同時，應(yīng)該注意到由此產(chǎn)生的 影響，重視自然這一“無聲方”的需求。河道水利工程應(yīng)在滿足防洪、防災(zāi)和經(jīng)濟目標的同時， 河海大學博士學位論文 類前期不合理開發(fā)河流的補救措施，也是今后繼續(xù)利用河流資源的有力保障和借鑒模 式。 212河流生態(tài)修復(fù)的內(nèi)涵、目標和方法 河流生態(tài)修復(fù)并不是使河流系統(tǒng)完全恢復(fù)到歷史上未受人類干擾的狀態(tài)，必須承認人類合理開發(fā)利用河流的現(xiàn)實盯l。河流既要發(fā)揮防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運、旅游等傳統(tǒng)水利功能，也要兼顧保護河流生態(tài)系統(tǒng)，在開發(fā)與保護中尋求相對平衡點。河道治理工程的本質(zhì)也是生態(tài)工程，對河流進行治理與