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        水庫消落帶新型護(hù)岸結(jié)構(gòu)性能研究

        2020-08-31 01:40:20付旭輝唐定丹
        廣東水利水電 2020年8期
        關(guān)鍵詞:岸坡特拉水槽

        田 鵬,付旭輝,唐定丹,趙 航

        (重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074)

        自三峽庫區(qū)建立以來,水庫水位周期性漲落導(dǎo)致周邊土質(zhì)岸坡嚴(yán)重侵蝕、引起水土流失,植物種類減少及數(shù)量降低而引發(fā)岸坡失穩(wěn)坍塌。如俄羅斯的伏爾加河、美國的哥倫比亞河都曾經(jīng)發(fā)生過嚴(yán)重的岸坡失穩(wěn)現(xiàn)象。許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)岸坡問題進(jìn)行了相關(guān)研究,Grissinger[1]等對(duì)密西西比北部地區(qū)的河岸失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析,認(rèn)為河岸的失穩(wěn)不僅與水位漲落相關(guān),而且也受到土體自身容重的影響。Fredlund[2]等通過將瞬態(tài)滲流分析同邊坡穩(wěn)定性分析相結(jié)合,基于極限平衡法,研究水位陡降時(shí)的邊坡穩(wěn)定性。孫冬梅[3]等對(duì)庫水位下降時(shí)某土質(zhì)岸坡非穩(wěn)定滲流進(jìn)行了研究,認(rèn)為孔隙氣壓力對(duì)邊坡的穩(wěn)定十分不利。張幸農(nóng)[4]等在試驗(yàn)室中建立了概化坡體模型,定量研究了水位差、水流沖刷和坡度等要素對(duì)河岸崩塌的影響。由于岸坡土壤侵蝕,沿岸的建筑物、道路等遭到嚴(yán)重破壞;岸坡土體大量滑入航道當(dāng)中,不僅危害了通航船舶的航行安全,而且會(huì)造成航道的淤淺,故急需對(duì)岸坡進(jìn)行防護(hù)處理。

        我國現(xiàn)階段護(hù)岸結(jié)構(gòu)主要分為兩大類,一是傳統(tǒng)護(hù)坡,二是新型護(hù)坡。傳統(tǒng)護(hù)坡通常采用混凝土、水泥、石料等,在形式上主要有:干砌石護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡、石籠網(wǎng)護(hù)坡、混凝土板護(hù)坡[5-6]等多種類型。這類結(jié)構(gòu)阻隔了水體與坡岸的物質(zhì)交換,植物生長空間受到壓縮,不利于生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)護(hù)坡的單一滿足工程標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)需要。所以國內(nèi)呈現(xiàn)了新型的護(hù)坡型生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu),如三維土工網(wǎng)墊、土工格室護(hù)坡、串珠式柔性生態(tài)護(hù)坡構(gòu)件、雷諾護(hù)墊、植被混凝土護(hù)坡[7-8]等,但該類結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在施工繁瑣,植被覆蓋率較低,成本較高等缺點(diǎn)。特拉錨墊技術(shù)是一種新型的水庫消落帶生態(tài)修復(fù)技術(shù),具有抗侵蝕性能好,植物覆蓋率高,且具施工簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用、維護(hù)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。所以通過室內(nèi)外試驗(yàn)對(duì)其防護(hù)性能進(jìn)行研究,以便為治理岸坡提供技術(shù)支撐。

        1 特拉錨墊結(jié)構(gòu)

        特拉錨墊結(jié)構(gòu)是重慶交通大學(xué)聯(lián)合中交三航(重慶)生態(tài)修復(fù)研究院有限公司、重慶諾為生態(tài)環(huán)境工程有限公司共同研發(fā)的生態(tài)護(hù)坡新結(jié)構(gòu),將植被措施與工程措施有機(jī)結(jié)合,適用于江河湖泊生態(tài)岸坡和庫區(qū)消落帶的生態(tài)修復(fù)。

        特拉錨墊結(jié)構(gòu)是由植物增強(qiáng)墊+反濾層(或復(fù)合海綿層)+特拉錨三部分構(gòu)成(見圖1~2),用特拉錨將植物增強(qiáng)墊和反濾層固定在坡面上,在增強(qiáng)墊與反濾層之間形成草本植物層,營造生態(tài)河道的植被岸坡。該技術(shù)適用于坡體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土質(zhì)或者硬質(zhì)岸坡,尤其是水位變化區(qū)間內(nèi)的消落帶。

        圖1 特拉錨墊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

        圖2 特拉錨墊實(shí)物示意

        2 特拉錨墊性能測(cè)試與水槽試驗(yàn)

        在室外測(cè)試錨索、錨墊的抗拉拔力,測(cè)試其物理力學(xué)指標(biāo),以獲得岸坡在錨墊不同工況設(shè)計(jì)方法下的最佳的錨固強(qiáng)度、方式以保證岸坡穩(wěn)定性。反濾層是由復(fù)合土工膜組成,具有長期透水不淤堵的性能,極大程度保證了岸坡土壤穩(wěn)定減少?zèng)_刷,由于其不承受力,所以室外只試驗(yàn)錨索和草皮墊。根據(jù)最佳錨固方式,室內(nèi)做水槽試驗(yàn)研究水位漲落下岸坡在防護(hù)結(jié)構(gòu)下的坡體水土流失情況。

        2.1 特拉錨索和草皮墊性能測(cè)試

        2.1.1錨索深度測(cè)試

        室外用拉拔儀測(cè)試錨索嵌入深度與抗拉力之間的關(guān)系,錨索長為1.3 m,分別用拉拔儀測(cè)試嵌入深度為0.8 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m的抗拉力(見表1),擬合5組數(shù)據(jù),得出最終擬合值(見圖3所示)。

        表1 各工況下錨索索拉拔力 kN

        圖3 特拉錨索擬合曲線示意

        根據(jù)圖3可知,錨索抗拉拔力范圍在4.3~4.7 kN之間,錨索嵌入深度為0.8~1 m時(shí),擬合斜率較大,抗拉拔力變化范圍較大,分析原因可能存在坡體各部分干濕程度不一致,導(dǎo)致抗拉拔力有較大變化,當(dāng)錨索深度為1.0~1.3 m時(shí),變化值范圍較小,錨索更趨于穩(wěn)定,為了施工方便且預(yù)留一定錨索在坡外,所以錨索最佳嵌入深度為1.2 m。

        2.1.2草皮增強(qiáng)墊抗拉力測(cè)試

        用測(cè)力計(jì)對(duì)草皮增強(qiáng)墊進(jìn)行拉拔力測(cè)試,與坡面平行并沿著坡面向下測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表2,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖4~5,由此可知為保證錨墊的正常工作,錨墊承受的最大拉拔力為1.78 kN,錨墊抗撕裂性能較好。

        表2 草皮增強(qiáng)墊抗撕裂力 kN

        圖4 草皮抗撕裂測(cè)試示意

        圖5 草皮撕裂情況示意

        2.2 水槽試驗(yàn)

        2.2.1試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)

        室內(nèi)做水槽試驗(yàn),使用室外試驗(yàn)相同的土樣,按嚴(yán)格模型比尺做一個(gè)1:2比例的岸坡,布置特拉錨墊段和裸土段,分析岸坡在坡前水位漲落作用下岸坡的穩(wěn)定性。圖6、圖7分別是室內(nèi)水槽的平面示意和剖面示意,圖8(a)(b)分別為特拉錨墊和裸土段的整體布置,實(shí)驗(yàn)前在各自坡面上設(shè)置若干觀測(cè)針。布置具體方案如下:水槽試驗(yàn)段共布置為8 m,其中特拉錨墊和裸土段各為4 m,兩端設(shè)置高為0.9 m的圍墻,靠近裸土段一側(cè)圍墻底部設(shè)置閥門,以便模擬三峽水庫水位的漲落速率。用數(shù)碼攝像機(jī)不間斷的錄像,以便實(shí)時(shí)觀測(cè)坡前水位漲落、水土流失及觀測(cè)針位移情況。

        圖6 室內(nèi)水槽設(shè)計(jì)平面示意

        圖7 室內(nèi)水槽剖面示意

        (a)

        2.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

        水位漲落4個(gè)周期后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),分析特拉錨墊段和裸土段觀測(cè)點(diǎn)的位移情況,同時(shí)測(cè)量水土流失情況,水土流失測(cè)量方法一般有2種,分為針測(cè)法和稱重法。由于實(shí)驗(yàn)水槽較大稱重法較為繁瑣,故此處使用針測(cè)法,針測(cè)法是一種定性的分析方法,原理是觀測(cè)針與坡表面試驗(yàn)前處于同一高層,試驗(yàn)后測(cè)量每一個(gè)針表面與坡面的高差,取一較小矩形區(qū)域進(jìn)行估算累加,便得到岸坡水土流失的估算值。此次水槽試驗(yàn)采用針測(cè)法進(jìn)行觀測(cè),圖9~10為水位漲落4個(gè)周期后水土流失情況。

        從圖9~10可知,在水位漲落情況下裸土段和特拉錨墊段水土流失情況有很大差異,觀測(cè)針的位移量也有所區(qū)別:

        圖9 特拉錨墊水位漲落后觀測(cè)針示意

        ① 水槽試驗(yàn)結(jié)果表明:岸坡特拉錨墊段和裸土段位移變化量均較小,裸土段更明顯一點(diǎn),有防護(hù)結(jié)構(gòu)特拉錨墊段的觀測(cè)針位移量對(duì)比裸土段較小,原因在于經(jīng)過4個(gè)周期的水位漲落,裸土段坡面土壤侵蝕較為嚴(yán)重,觀測(cè)針位移影響較大,而特拉錨墊固土效果較好,位移量較小。

        ② 岸坡裸土段的水土流失較為嚴(yán)重,在水位漲落條件下,表面觀測(cè)針露出總長度為1/5,對(duì)水土侵蝕部分進(jìn)行累計(jì),可得裸土段土體流失率達(dá)20%,特拉錨墊土體流失率不到8%。說明特拉錨墊對(duì)岸坡水土流失具有很好的防護(hù)性,較為穩(wěn)定。

        圖10 裸土段水位漲落后觀測(cè)針示意

        3 結(jié)語

        本文通過室外試驗(yàn)和水槽試驗(yàn)分析了特拉錨墊力學(xué)性能以及特拉錨墊對(duì)岸坡水土流失的防護(hù)效果,室內(nèi)使用觀測(cè)針進(jìn)行計(jì)算岸坡的水土侵蝕量并分析岸坡的穩(wěn)定性,得到以下結(jié)論:

        1)在室外現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)性能測(cè)試下,錨索的最佳嵌入深度為1.2 m,錨墊的抗撕裂力為1.78 kN。

        2)室內(nèi)水槽試驗(yàn)表明:岸坡經(jīng)4個(gè)周期水位漲落后,水土流失現(xiàn)象不明顯,更多的是坡體局部有細(xì)微的位移變化,但有特拉錨墊防護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè),觀測(cè)釘位移量更小。

        3)室內(nèi)水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在坡面水位漲落作用下,裸土段水土流失接近于20%的量,而特拉錨墊段只有不到8%的量,說明特拉錨墊對(duì)于岸坡在水位漲落作用下對(duì)岸坡穩(wěn)定性和水土流失具有較好的穩(wěn)定和防護(hù)效果。

        因此,在三峽庫區(qū)或長江流域等,可以運(yùn)用特拉錨墊生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行岸坡防護(hù)以減少水土流失。另外后期可在特拉錨墊上鋪灑草籽,生長的植被與錨墊形成一體,不僅能提高岸坡的整體穩(wěn)定性,也可改善流域的景觀性、維持良好的生態(tài)環(huán)境、保護(hù)航道尺度。有利于長江生態(tài)文明的建設(shè)發(fā)展。

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