付旭輝，龔 敖，劉志慶，田佳慧，唐定丹

(1.重慶交通大學(xué)，國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074；2.四川省廣安市岳池縣水務(wù)局，四川 廣安 638399)

三峽庫(kù)區(qū)是17個(gè)國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)之一。水力侵蝕引起的水土流失、岸坡失穩(wěn)等問(wèn)題亟需解決，滲流作用對(duì)于岸坡侵蝕的影響不容忽視。三峽庫(kù)區(qū)水位降落過(guò)程中，浸潤(rùn)線下降滯后，造成岸坡內(nèi)部孔隙水壓力變化大且無(wú)法快速消散，形成滲流場(chǎng)，破壞岸坡穩(wěn)定[1]。

早在1962年，Gabbard等[2]指出，滲流條件下土體表面或附近的正孔隙水壓力降低了土體的黏聚力、增強(qiáng)了土體的滑脫，從而增加土壤侵蝕；Bissonnais[3]指出在GWS(接近飽和)條件下，較高的水分含量導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體更容易崩解，水力侵蝕強(qiáng)度得到大幅度增大；周嵩等[4]提出從滲流部位、方向、介質(zhì)等多因素綜合判斷滲流破壞的方法；劉杰[5]研究了無(wú)黏性土層滲流接觸沖刷的幾何條件和水力條件；梁越等[6]通過(guò)分析滲流流速、滲透系數(shù)等因素的變化規(guī)律，得到了各土體滲透破壞判別方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)；倪志國(guó)等[7]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)粗粒土的水平滲流試驗(yàn)給出了優(yōu)化方法。本文以新型生態(tài)護(hù)坡技術(shù)——特拉錨墊生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)[8]為研究對(duì)象，采用物理概化模型水工試驗(yàn)，研究特拉錨墊在水位消落過(guò)程的滲流作用下的抗水流沖刷能力。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 水槽模型布置

1.1.1水槽裝置

為了研究新型生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)—特拉錨墊防護(hù)結(jié)構(gòu)在滲流作用下對(duì)岸坡的防護(hù)性能，擬以三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)岸坡為試驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)庫(kù)區(qū)岸坡土壤物理特性、水流條件等因素設(shè)計(jì)物理模型試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)裝置采用重慶交通大學(xué)河海學(xué)院航道實(shí)驗(yàn)廳中的高精度河流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)水槽(圖1)，水槽長(zhǎng)6.0 m、寬0.25 m、高0.25 m。因水槽尺寸較小，需要對(duì)水位嚴(yán)格控制，在試驗(yàn)水槽設(shè)置了12個(gè)斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，并通過(guò)裝置的尾門調(diào)節(jié)來(lái)控制水位。

圖1 高精度河流動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)水槽裝置

1.1.2斷面布置

為了更好地控制變量因素，利于試驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)，將水槽分成共12個(gè)斷面。為了避免滲流段對(duì)無(wú)滲流段的影響，將滲流段與無(wú)滲流段用有機(jī)玻璃隔開(kāi)。同時(shí)對(duì)每一個(gè)斷面從坡腳到坡頂均分為11個(gè)子斷面，利于后期數(shù)據(jù)整理分析。

1.1.3模型設(shè)計(jì)

三峽庫(kù)區(qū)硬巖型消落帶坡度一般在30°以上；松軟堆積型消落帶坡度一般小于25°，以土質(zhì)、泥沙為主[9]。三峽庫(kù)區(qū)岸坡消落帶中25°及以下的消落帶面積達(dá)273.7 km2，約占總面積的79.49%[10]，故本試驗(yàn)考慮最大不利影響及模型坡比的精確控制，特設(shè)計(jì)岸坡坡比為1:2(約27°)的土質(zhì)岸坡試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)水槽裝置尺寸，設(shè)計(jì)模型的高度為10 cm。根據(jù)謝立全等[11-12]介紹的滲流試驗(yàn)思路與方法，各個(gè)斷面在大小和方向上對(duì)應(yīng)的子斷面滲流比降相同，在模型岸坡上方(滲流段)設(shè)有2 cm深度的滲流井，具體岸坡尺寸見(jiàn)圖2，滲流比降可以大幅減少岸坡泥沙起動(dòng)切應(yīng)力和流速。

圖2 滲流段岸坡剖面(單位：cm)

1.2 模型試驗(yàn)材料選取及物理力學(xué)參數(shù)

以滕帥等[13]提出的基本物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，采集三峽庫(kù)區(qū)中長(zhǎng)江、嘉陵江沿岸郭家沱段、雞冠石段等岸坡共8處土樣，進(jìn)行土壤分析，最終得到與實(shí)際最為接近的試驗(yàn)用料，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基本物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)侵蝕量測(cè)量方法

首先在岸坡中埋入侵蝕針，侵蝕針尾部與岸坡面處于同一平面。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)可移動(dòng)桁架將測(cè)量尺準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)(測(cè)量尺可進(jìn)行前后左右全方向移動(dòng))，調(diào)節(jié)旋鈕測(cè)量侵蝕深度。侵蝕裝置見(jiàn)圖3，測(cè)量尺精度見(jiàn)圖4。

圖3 侵蝕測(cè)量裝置

圖4 測(cè)量尺精度

1.4 試驗(yàn)方案

本文主要研究滲流作用對(duì)岸坡土壤侵蝕強(qiáng)度的影響規(guī)律及特拉錨墊的防護(hù)性能，保持滲透坡降、岸坡坡度、土壤類型、土壤密實(shí)度一定，改變水流流速，定量分析特定的滲透比降對(duì)庫(kù)岸侵蝕的影響。由文獻(xiàn)[14]可知庫(kù)區(qū)流速在0.34～2.71 m/s。前期模擬試驗(yàn)中，當(dāng)流速大于1 m/s、水槽水位高于岸坡坡頂，影響滲流試驗(yàn)結(jié)果，流速過(guò)小亦導(dǎo)致沖刷不明顯，綜合考慮選取0.5、0.6、0.7、0.8 m/s共4個(gè)流速進(jìn)行岸坡沖刷試驗(yàn)。謝立全等[15]指出：在低滲透比降中，因?yàn)闈B流通道口產(chǎn)生的局部微渦區(qū)與文丘里效應(yīng)的低壓區(qū)共同作用，0.5 m/s左右的流速對(duì)滲流影響不大。試驗(yàn)工況采用1:2岸坡坡比；土壤采用長(zhǎng)江重慶段岸坡淤積土，土壤密度為1.8 g/cm3；試驗(yàn)控制流速范圍0.5～0.8 m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖刷深度

分別用0.5、0.6、0.7、0.8 m/s共4個(gè)不同水流流速?zèng)_刷坡面，沖刷結(jié)束后，用移動(dòng)侵蝕針測(cè)量裝置測(cè)量各個(gè)斷面的子斷面沖刷深度作為Y軸。取2#(無(wú)滲流特拉錨墊段)、5#(有滲流特拉錨墊段)、8#(有滲流裸土岸坡段)、11#(無(wú)滲流裸土岸坡段)斷面作為不同坡段的代表斷面，從坡腳到頂?shù)臋M向距離作為X軸，以0.8 m/s最不利工況為例，得到特拉錨墊的沖刷深度(圖5)。

圖5 沖刷深度

有無(wú)特拉錨墊、有無(wú)滲流等不同情況下，沖刷深度增幅隨水流速度的變化見(jiàn)圖6。

圖6 沖刷深度增幅隨流速的變化

考慮到試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)斷面的坡腳跟坡頂兩處位置數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)分析中去除這兩組數(shù)據(jù)。由圖5可知，在滲流作用下特拉錨墊防護(hù)段的平均沖刷深度要遠(yuǎn)低于裸土岸坡段的平均沖刷深度，在無(wú)滲流作用下特拉錨墊防護(hù)段的平均沖刷深度也低于裸土岸坡段的平均沖刷深度，這說(shuō)明特拉錨墊防護(hù)段對(duì)岸坡的防護(hù)作用十分明顯。由圖6可知，沖刷深度增長(zhǎng)率隨著流速增強(qiáng)逐漸增大，滲流對(duì)于裸土岸坡段影響明顯要大于特拉錨墊段。結(jié)合圖5、6可看出，滲流作用下裸土岸坡的沖刷深度變化十分明顯，但是在特拉錨墊防護(hù)段的沖刷深度變化較小，說(shuō)明滲流作用對(duì)岸坡的侵蝕影響較大、特拉錨墊防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效減小滲流作用的影響。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：在滲流作用下，岸坡泥沙顆粒受到滲流引起的坡內(nèi)指向坡外的滲透力，使岸坡的泥沙起動(dòng)更加容易；在滲流水的浸泡下，土體的黏結(jié)力會(huì)逐漸變小，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致滲流作用下坡面侵蝕強(qiáng)度稍大。而特拉錨墊結(jié)構(gòu)中的反濾層居于岸坡表面和草皮增強(qiáng)墊之間，在泥沙達(dá)到起動(dòng)條件后仍能起到一定的物理阻止作用，以防止泥沙被沖刷，所以特拉錨墊段在有無(wú)滲流作用下沖刷深度都無(wú)較大變化。

2.2 侵蝕強(qiáng)度

去除各特征斷面兩端的子斷面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)得到各試驗(yàn)段平均侵蝕強(qiáng)度，見(jiàn)表2。侵蝕強(qiáng)度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖7 侵蝕強(qiáng)度趨勢(shì)

由表2和圖7可知，侵蝕強(qiáng)度隨流速的增大而逐漸增大。在無(wú)滲流作用下特拉錨墊護(hù)坡與裸土岸坡相比，在流速為0.5 m/s的水流沖刷下特拉錨墊段侵蝕強(qiáng)度比裸土岸坡的侵蝕強(qiáng)度減小了86.23%，當(dāng)流速逐漸增加，該數(shù)值逐漸減小到83.72%、81.47%和81.16%，均在80%以上。由此可知，特拉錨墊對(duì)于岸坡的防護(hù)效果十分巨大。在流速0.5 m/s的水流沖刷下，特拉錨墊段的侵蝕強(qiáng)度比裸土岸坡段侵蝕強(qiáng)度減小了89.7%，當(dāng)流速逐漸增加，該數(shù)值逐漸減小到87.44%。特拉錨墊在滲流作用下侵蝕強(qiáng)度減少率幅度下降不大，可能是因?yàn)闈B流作用能使土壤流失量增加70%～588%[16]，而特拉錨墊在反濾層、草皮增強(qiáng)墊的作用下，有效減緩了泥沙的被沖刷、改善了滲流作用帶來(lái)的臨界起動(dòng)條件[17]。在侵蝕強(qiáng)度增長(zhǎng)率方面，隨著流速的增加，有滲流裸土岸坡段和無(wú)滲流裸土岸坡段均沒(méi)有較大變化，增長(zhǎng)率的波動(dòng)均在1.5%以內(nèi)，而特拉錨墊段滲流段與無(wú)滲流段的侵蝕強(qiáng)度增長(zhǎng)率波動(dòng)最大幅度達(dá)到15%左右，說(shuō)明特拉錨墊生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有不錯(cuò)的抑制侵蝕強(qiáng)度增大的能力。

表2 不同岸坡在不同沖刷速度下的侵蝕強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)滲流對(duì)土質(zhì)岸坡的侵蝕影響明顯。水力梯度為0.3時(shí)，裸土岸坡被沖刷后的侵蝕強(qiáng)度較無(wú)滲流作用下的沖刷侵蝕強(qiáng)度最大增長(zhǎng)達(dá)64.6%，平均增幅達(dá)50%以上。

2)特拉錨墊具有很好的抗水流沖刷能力。與裸土岸坡相比，在無(wú)滲流作用下侵蝕強(qiáng)度減小幅度均達(dá)80%以上，最高達(dá)到86.23%；在滲流作用下，侵蝕強(qiáng)度減小幅度均達(dá)87%以上，最高達(dá)到89.7%。特拉錨墊護(hù)坡技術(shù)能大幅減小岸坡侵蝕量，對(duì)于實(shí)際工程的防護(hù)效果良好。