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。