技术摘要：
本发明三维土工网垫生态护坡坡面草籽播种量的确定方法，涉及边坡或斜坡的稳定，该方法结合潜在蓄水能力、流域特性综合参数、降雨量等参数求解出更加符合边坡实际条件下的边坡坡面径流深度，采用了多元回归方法拟合出的局部水头损失系数经验公式，以及坡角、粗糙系数、  全部
背景技术：
随着人们对“生态绿色”意识的增强，衍生出使用三维土工网垫植草的生态护坡方 法，该生态护坡方法借助植株在边坡土壤中的生长活动和自我修复的能力，达到根系加固、 茎叶防雨水冲蚀的目的；与此同时，坡面植株可以降低径流流速，减小径流对坡面土质颗粒 的冲击力，能够有效地减少因径流冲刷而造成的土质颗粒流失或者边坡坡面开裂等自然现 象，从而提高边坡的安全性。除此之外，边坡表面种植茂密植株有利于生态环境的发展。 CN110442972A公开了三维土工网垫生态护坡坡面最优植株密度的确定方法，该方 法虽然克服了已有技术存在的在三维土工网垫生态护坡的施工过程中不能准确计算坡面 最优植株密度的缺陷，但是通过实际应用证明，CN110442972A的技术方案还存在如下的缺 陷： ①CN110442972A的技术中所采用的平面流域的径流深度计算公式，未能考虑当地 降雨量、边坡的坡角、土壤特性、土地植被覆盖率四个关键性因素，导致该计算方法求解得 到的径流深度误差较大，由于在后续计算中径流深度作为重要的物理参数多次使用，所以 该计算公式得到径流深度计算值不能作为实际降雨后边坡产生径流的深度准确值。 ②CN110442972A的技术中使用了比较复杂的边坡土质颗粒最小起动速度计算公 式，需要测量的参数多，耗费大量的人力物力。 ③CN110442972A的技术中，采用已有文献中的拦污栅模型公式进行局部水头损失 的计算，未进行试验，不能很好地还原实际径流冲刷植株时消耗的能量，进而影响径流平均 流速的计算，导致最终确定的坡面草籽播种量结果不准确。 ④CN110442972A的技术中所获得的“最优植株密度”为理想条件下的种植草籽数 量，未考虑到草籽成活率、极端天气和动物破坏等多种因素，实际中不会出现草籽全部成活 的现象。 边坡防护一直是生态环境和高速公路及山区公路建设所关注的焦点问题，如何提 高安全系数，又如何保护生态环境是问题的重中之重。随着高速公路或山区公路的建设，会 衍生出很多生态植草护坡的工程，如果继续使用现有的边坡坡面植株密度计算方法，不考 虑径流深度、局部水头损失系数等重要参数的准确性，以至未能根据边坡的物理性质准确 的计算种植密度，则导致最终结果为：①植株密度过大，造成经济浪费，其次植株成活率低； ②植株密度过小，不能达到预期防护目的，引起土质颗粒大量流失，危及整个边坡的安全稳 定性。总而言之，三维土工网垫生态植草坡面的植株种植密度过大或者过小，均不是理想的 生态防护情况。 综上所述，现有技术存在在三维土工网垫生态护坡施工过程中不能准确计算植草 坡面草籽播种量的缺陷。 5 CN 111598716 A 说　明　书 2/10 页
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供三维土工网垫生态护坡坡面草籽播种量的确 定方法，该方法首先结合潜在蓄水能力、流域特性综合参数、降雨量等参数求解出更加符合 边坡实际条件下的边坡坡面径流深度，并采用了多元回归方法拟合出的局部水头损失系数 经验公式，以及坡角、粗糙系数、植物分蘖系数等参数来计算生态边坡每个微小区段的水头 损失以及径流最大平均流速，然后把最大平均流速与边坡典型土壤颗粒直径、土质颗粒起 动速度、植株径距比等参数相结合得出最优植株密度，将最优植株密度除以草籽重量百分 比成活率，然后再乘以每粒草籽的平均质量算出每平方米的草籽播种量，克服了现有技术 存在的在三维土工网垫生态护坡的施工过程中计算复杂却不能准确得出坡面草籽播种量 的缺陷。 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：三维土工网垫生态护坡坡面草籽播 种量的确定方法，具体步骤如下： 第一步，确定三维土工网垫植草护坡地区的流域特性综合参数(下文中简称为CN) 值： 在公布CN数据表的地区，直接用该地区公布的CN数据表确定三维土工网垫植草护 坡地区的CN值； 对于没有公布CN数据表的情况复杂地区，则首先通过测定得到的第i次降雨的降 雨量Pi的数据资料和第i次径流深度hi的数据资料，采用如下公式(1)所示的算数平均方法 求解确定潜在蓄水能力S， 公式(1)中，Pi为第i次降雨量，其单位为mm，S为潜在蓄水能力，其单位为mm，hi为第 i次径流深度，其单位为mm，N为在测定期间的降雨次数，取N＝30， 然后将确定的潜在蓄水能力S代入如下公式(2)所示的S与CN的关系式中，确定出 该地区的CN值，并且记录在册作为该地区的新的CN值， 第二步，确定潜在蓄水能力参考值Sre： 把上述第一步中确定的CN值代入到上述公式(2)中，来确定潜在蓄水能力参考值 Sre，如下公式(3)所示： 公式(3)中，Sre为潜在蓄水能力参考值，单位为mm； 第三步，确定边坡坡面径流深度h： 边坡坡面径流深度h由以下的公式(4)确定： 6 CN 111598716 A 说　明　书 3/10 页 公式(4)中，h为边坡坡面径流深度，单位为mm，P为该地区在测定期间的年最大降 雨量，单位为mm， 鉴于降雨量在生成径流前在植物截流、初渗和填洼蓄水沟构成集水区这三个方面 会有一部分初损量，认定这个初损量为0.2Sre，当降雨量小于0.2Sre，就不会产生径流，这在 公式(4)中用P与0.2Sre的比较来显示； 第四步，确定边坡土质颗粒最小起动速度vstart： 根据上述第三步中的得到的边坡坡面径流深度h，以及边坡典型土颗粒直径、土体 的天然容重以及水容重确定边坡土质颗粒最小起动速度vstart，如下公式(5)所示， 公式(5)中，Dm为边坡典型土颗粒直径，单位为m，γs为土体的天然容重、γw为水容 重，两者单位均为kN/m3，公式(5)的计算中边坡坡面径流深度h的单位由mm换算为m； 第五步，确定生态植草坡面各微小区段水头损失hw： 首先，生态植草坡面的植株是均匀排列的，将被测定的生态植草坡面自上而下等 分，分别标记为第1个微小区段生态植草坡面、第2个微小区段生态植草坡面、…、第m个微小 区段生态植草坡面，每个微小区段生态植草坡面的长度分别为l1、l2、l3…lm，且l1＝l2＝ l3……＝lm，由如下公式如(6)来确定第m个微小区段生态植草坡面长度lm， l1＝l2＝l3＝…lm＝D b    (6)， 公式(6)中，第m个微小区段生态植草坡面长度lm的单位为m，D为植株茎直径，单位 为m，b为植株间净距，单位为m， 进一步用如下公式(7)计算生态植草坡面各微小区段水头损失hw， 公式(7)中，hw为各微小区段水头损失，单位为m，n为坡面粗糙系数，vm为坡面径流 经过第m个微小区段生态植草坡面的径流平均流速，单位为m/s，vm的大小由下述的第六步 中的公式(9)来确定，τ为植物分蘖系数，式中取τ＝4，h为上述第三步中求得的边坡坡面径 流深度，公式(7)的计算中边坡坡面径流深度h的单位由mm换算为m，D/b为植株间径距比，g 为重力加速度，单位为m/s2，取g＝9.8m/s2； 第六步，确定各微小区段径流平均流速vm： 首先，确定径流流经每一个微小区段时下降的高度，即微小区段坡面高度zm，由如 下公式(8)计算， zm＝lm  sinθ＝(D b)sinθ    (8)， 公式(8)中，zm为微小区段坡面高度，单位为m，θ为坡角，单位为°， 然后，根据伯努利能量方程和上述第五步中的公式(7)，推出各个微小区段径流平 均流速递推公式(9)， 公式(9)中，vm-1为边坡坡面径流经过第m-1个微小区段径流平均流速，单位为m/s， 7 CN 111598716 A 说　明　书 4/10 页 取m＝1时，v0＝0，α为动能修正系数； 第七步，确定坡面径流最大平均流速vmax： 径流自坡顶流经至坡脚，径流平均流速呈现先增大后稳定的变化规律，根据上述 第六步中公式(9)进行迭代计算，即通过vm-1求解vm的计算过程，最后得到径流在边坡坡面 上的稳定流速，也称为坡面径流最大平均流速vmax； 第八步，确定三维土工网垫植草坡面最优密度ρplant： 根据上述第四步中确定的边坡土质颗粒最小起动速度vstart和上述第七步中确定 的坡面径流最大平均流速vmax，令其两者相等为临界条件，并使第七步与本步骤同时进行， 得到满足该临界条件时对应的该生态植草坡面的植株径距比D/b，进一步结合植株茎直径 D，由如下三维土工网垫植草坡面最优密度计算公式(10)来确定植株最优密度ρplant， 公式(10)中，ρplant为最优植株密度，单位为株/m2，ρplant计算结果不等于整数时，应 按照四舍五入法则取整； 第九步，确定生态工程中三维土工网垫植草坡面草籽播种量G： 将草籽重量百分比成活率χ，每粒草籽的平均质量ω和上述第八步中确定的最优 植株密度ρplant，代入如下所示的草籽播种量计算公式(11)，最终确定生态工程中三维土工 网垫植草坡面草籽播种量G， 公式(11)中，G为草籽播种量，单位为g/m2，G的计算结果按照四舍五入法则，保留 一位小数，ω为每粒草籽的平均质量，单位为g，χ为草籽重量百分比成活率，考虑极端天气 和动物破坏因素，χ取值范围为1％～100％。 上述三维土工网垫生态护坡坡面草籽播种量的确定方法，所述年最大降雨量P、第 i次降雨量Pi，第i次径流深度hi，潜在蓄水能力S、潜在蓄水能力参考值Sre、没有公布CN数据 表情况下复杂地区的流域特性综合参数CN、边坡典型土颗粒直径Dm、土体的天然容重γs、坡 角θ、植物茎直径D、每粒草籽的平均质量ω都是通过实际测量或计算得到的，其测量操作方 法是本技术领域的技术人员所能掌握的。 上述一种确定三维土工网垫生态护坡坡面草籽播种量的方法，所述坡面粗糙系数 n、公布CN数据表地区的流域特性综合参数CN、水容重γw、草籽重量百分比成活率χ、植物分 蘖系数τ和动能修正系数α是通过现有文献的记载查得到的。 本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点： (1)现有CN110442972A的技术中所采用的平面流域的径流深度计算公式，未能考 虑当地降雨量、边坡的坡角、土壤特性、土地植被覆盖率四个关键性因素，导致该计算方法 求解得到的径流深度误差较大，不能更好的体现出边坡本身性质对径流深度的影响，所以 导致后续的土质颗粒最小起动速度，最大平均流速等重要参数的计算结果不准确，由于在 后续计算中径流深度作为重要的物理参数多次使用，所以该计算公式得到径流深度计算值 不能作为实际降雨后边坡产生径流的深度准确值；本发明所采用的边坡坡面径流深度计算 公式是通过大量的降雨径流量数据，推导出确定更加符合实际情况的计算公式，计算过程 8 CN 111598716 A 说　明　书 5/10 页 中考虑了边坡坡面径流深度与边坡的坡角、植株覆盖率和土壤特性的实际情况所存在间接 关系， (2)计算生态植草坡面各微小区段水头损失hw的如下公式 该公式的推导不是本领域技术人员轻而易举就能得到的，是本发明的课题组通过 75组试验才最终确定的。特别是其中的多元拟合出的局部水头损失系数经验公式 是通过坡面径流冲刷人工植株的试验得出来的，更加贴近实 际情况。未进行试验之前，现有CN110442972A确定局部水头损失系数时，直接使用水力学中 拦污栅模型，该模型的主体是拦污栅，其栅条刚度和形状与植株的差别很大。在坡面冲刷植 株试验之后，本发明发明人团队得到了专属于径流冲刷植株的计算公式，并且发现该公式 受到径流深度h和植株径距比的影响。生态植草坡面各微小区段水头损失hw的求解是本发 明计算过程的最核心部分，因为水头损失影响到初速度为0的径流从坡顶流到坡底过程中 最大平均流速值的大小，这对所属技术领域的技术人员来说，本发明相对于现有技术是非 显而易见的。 与现有技术相比，本发明具有如下的显著进步： (1)在CN110442972A的技术方案中，最优植株密度单位为株/平方米，例如：最优密 度为500株/平方米，工程中有2平方米的坡面，则需要种植至少1000株，默认每粒草籽为一 株，则需要大量时间去查数1000粒草籽，费工费时，本发明的技术方案中通过每粒草籽的平 均质量，直接计算多少出2平方米的坡面，需要多少克草籽，只需称重就好，更加的方便快 捷。 (2)在CN110442972A的技术方案中，最终求解的是“最优植株密度”，该最优植株密 度为理想情况下的结果，在实际工程中，不会出现草籽全部成活的现象，应该考虑草籽的发 芽率，极端天气变化和动物破坏因素，所以实际植株密度要大于理想条件下求得的最优密 度。本发明考虑草籽重量百分比成活率，每粒草籽的平均质量，求解出草籽播种量，这样既 能保证草籽密度的准确性，也提高发明技术的适用性。 (3)在CN110442972A的技术方案中，为了提高土质颗粒起动速度计算的准确性，所 以使用了比较复杂的边坡土质颗粒最小起动速度公式，因为其中的参数多，查阅或者测量 其参数值相对麻烦，本发明采用简单的边坡土质颗粒最小起动速度vstart公式，实际证明其 计算的结果也同样可行，能更加方便快捷的确定土质颗粒最小起动速度值，节省了整个过 程实施的时间。 附图说明 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 图1为本发明方法的流程示意图。 9 CN 111598716 A 说　明　书 6/10 页