生態(tài)型護岸結(jié)構(gòu)凍脹適應(yīng)性的試驗示范研究

王 宇，劉 森，韓 雷

（1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.大慶地區(qū)防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163311）

0 引 言

20世紀中葉，隨著河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的興起，逐漸出現(xiàn)了一些新型的生態(tài)護岸產(chǎn)品，如鉸鏈式護坡、格賓網(wǎng)墊護坡等。相對于傳統(tǒng)護岸結(jié)構(gòu)而言，生態(tài)型護岸結(jié)構(gòu)具有柔性好、整體性好、多孔隙性、透水、透氣、材料環(huán)保等優(yōu)點。然而，由于寒冷地區(qū)特殊的氣候和地域條件，護坡結(jié)構(gòu)的破壞多數(shù)都是由土體凍脹所引起的，也就是人們通常所說的工程凍害。因此，本文針對季節(jié)凍土區(qū)工程結(jié)構(gòu)物運行的特點，結(jié)合水利部科技推廣計劃項目“寒冷地區(qū)江河生態(tài)護岸技術(shù)推廣”的試驗示范工程，開展生態(tài)型防護結(jié)構(gòu)的試驗與示范，對生態(tài)型護岸結(jié)構(gòu)的凍脹適應(yīng)性進行研究。

1 試驗示范工程概況

1.1 試驗示范工程位置

本項目在大慶防洪排水渠道護坡工程中選取試驗示范工程，其具體位置位于大慶市大同區(qū)安肇新河老庫段0km處。

1.2 試驗段氣象條件

大慶位于松嫩平原中部，N45°46′～N46°55′，E124°19′～E125°12′，全市年平均氣溫4.2℃，最冷月平均氣溫－18.5℃，極端最低氣溫－39.2℃；最熱月平均氣溫23.3℃，極端最高氣溫39.8℃，年均無霜期143d，地處寒冷地區(qū)，冬季凍深1.5～2.0m。

1.3 試驗示范工程概況

大慶防洪排水渠道護坡工程所在位置地下水位較高，主要考慮冬季岸基土壤的凍脹變形和春季融沉變形對護坡結(jié)構(gòu)的破壞，并對渠道護坡穩(wěn)定產(chǎn)生的變形影響。渠道斷面為梯形，邊坡系數(shù)為3.0，試驗段渠道長300m，坡長8.0m，渠底未進行防護處理，渠坡分別采用混凝土鉸接塊護砌、格賓網(wǎng)墊護砌[1]。

1.4 試驗示范工程結(jié)構(gòu)型式

格賓網(wǎng)墊護坡和鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)是新型的柔性護坡結(jié)構(gòu)體系，不僅具有一般護坡結(jié)構(gòu)體系的防護作用，還同時兼具一定的景觀生態(tài)效應(yīng)[2]。格賓網(wǎng)墊屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，可以在空隙中填入土料，水上岸坡可以植草或插柳，綠化了河岸帶；水下岸坡可以生長蘆葦?shù)人参?，也可為水生動物及微生物等提供生存、繁衍空間，有利于生物群落多樣性的恢復(fù)，與自然景觀相互協(xié)調(diào)[3－4]。鉸鏈式護坡保留了傳統(tǒng)柔性護坡系統(tǒng)的滲透性、柔性、能夠植草并改善生態(tài)環(huán)境。然而，這兩種結(jié)構(gòu)在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用較少，尤其在黑龍江省高地下水位地區(qū)的渠道護坡工程中尚沒有應(yīng)用。因此，本項目采用格賓網(wǎng)墊護坡和鉸鏈式護坡，通過相關(guān)參數(shù)的采集，評價護坡結(jié)構(gòu)適應(yīng)基土凍脹變形的能力，為其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗示范工程觀測

試驗示范工程觀測由項目承擔單位黑龍江省水利科學(xué)研究院和協(xié)作單位大慶防洪工程管理處共同完成。

2.1 觀測內(nèi)容及依據(jù)

2.1.1 觀測內(nèi)容

氣溫、岸基凍深、各種護砌結(jié)構(gòu)的基土凍脹量。

2.1.2 觀測依據(jù)

SL18－2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，SL 211－2006《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》，SL23－2006《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》，SL60－94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，GB／T50123—1999，《土工試驗方法標準》。

2.2 觀測方案

2.2.1 氣溫觀測

在護坡工程附近設(shè)置氣溫觀測點，每天記錄最高和最低氣溫及時間。觀測日期為每年的10月到次年的6月。

2.2.2 凍深觀測

在護坡工程附近埋設(shè)丹尼林凍深器，人工觀測1次／d。凍深器量程2.5m，測量精度為1cm。

2.2.3 凍脹融沉量觀測

凍脹融沉量采用對觀測點進行高程觀測的方法。測量儀器為賓得AFL－320型水準儀，其觀測精度為0.8mm／km，配合測微器可達0.4mm／km。觀測基點引用國家高程三、四等水準網(wǎng)水準點，并標注在工程附近的永久建筑物上，該基點可作為標準水準點[5]。

在格賓網(wǎng)墊護坡段和鉸鏈式護坡段分別埋設(shè)高程觀測點，觀測豎向位移，以此作為岸基或護砌結(jié)構(gòu)的凍脹融沉變化值[6]。測點布置見圖1。

工程竣工后，開始凍結(jié)前，進行一次觀測，并將此次的觀測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。每年在冬季凍脹量最大的3月、基土完全融沉的6月及秋季渠道排空后的10月分別進行高程觀測，對數(shù)據(jù)進行對比分析，并結(jié)合護坡體是否被破壞來評價柔性護坡結(jié)構(gòu)適應(yīng)凍脹融沉變形的能力。

圖1 現(xiàn)場試驗段凍脹量測點布置示意圖Fig.1 Schematics of frost-heaving measuring point layout

3 試驗示范工程觀測結(jié)果與分析

3.1 氣溫觀測結(jié)果

現(xiàn)場試驗段實測氣溫變化過程線見圖2。

圖2 現(xiàn)場試驗段實測氣溫變化過程線Fig.2 Temperature curves in test site

3.2 凍深觀測結(jié)果

現(xiàn)場試驗段凍深變化過程線見圖3。

圖3 現(xiàn)場試驗段實測凍融過程線Fig.3 Soil freezing and thawing depth change in test site

由現(xiàn)場試驗段凍深變化過程線可知試驗段最大凍深為140.5cm。

3.3 凍脹變形觀測結(jié)果與分析

由于一些測點受到破壞，對觀測數(shù)據(jù)的完整性有一定影響。

各監(jiān)測斷面土體凍脹量變化曲線見圖4～圖5，殘余變形見圖6～圖7。

由各監(jiān)測斷面土體凍脹量變化曲線（圖4～圖5）可以看出，格賓網(wǎng)墊護坡（格賓網(wǎng)墊護腳）、格賓網(wǎng)墊護坡（格賓網(wǎng)箱固腳）和鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)在壩肩處的凍脹量最小，3種結(jié)構(gòu)的最大凍脹量均發(fā)生在渠坡1／2處，最大凍脹量分別為305.1、306.5 、306.9mm，凍脹率分別為21.71%、21.82%、21.84%。這表明凍脹量與現(xiàn)場試驗段土體含水率的分布情況有關(guān)。

由各監(jiān)測斷面殘余變形分布圖6可以看出，格賓網(wǎng)墊護坡結(jié)構(gòu)的殘余變形最大值發(fā)生在渠坡1／2處，其次是渠坡下1／4處，而渠坡上部則發(fā)生融沉變形。這表明格賓網(wǎng)墊護坡結(jié)構(gòu)本身具有自愈的功能，在經(jīng)歷凍融過程中，會自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，找到新的平衡點，以此消減凍脹，適應(yīng)凍脹融沉變形，具有顯著的適應(yīng)凍脹的效果。由圖7亦可以看出，鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)整體性好，變形協(xié)調(diào)，凍融過程中發(fā)生整體下沉，且有趨于平緩的趨勢，表明該結(jié)構(gòu)能較好地適應(yīng)凍脹融沉變形，具有適應(yīng)凍脹的效果。

圖7 鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)各監(jiān)測斷面殘余變形分布圖Fig.7 Residual deformation distribution of hinged revetment

4 結(jié) 論

通過對格賓網(wǎng)墊護坡（格賓網(wǎng)墊護腳）、格賓網(wǎng)墊護坡（格賓網(wǎng)箱固腳）和鉸鏈式護坡這3種生態(tài)型護岸結(jié)構(gòu)凍脹融沉變形的觀測，分析了格賓網(wǎng)墊護坡和鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)凍脹量的發(fā)展變化過程及殘余變形的分布情況。根據(jù)觀測結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）格賓網(wǎng)墊護坡和鉸鏈式護坡結(jié)構(gòu)是柔性護坡結(jié)構(gòu)，整體性好，具有自愈的功能，能夠很好地適應(yīng)凍脹變形。

2）凍脹量的變化與現(xiàn)場試驗段土體含水率的分布情況關(guān)系密切，本次觀測最大凍脹量均發(fā)生在渠坡1／2處。

[1]鐘 華，曲 璐，張 濱，等.雷諾護墊結(jié)構(gòu)凍脹適應(yīng)性室內(nèi)模型試驗研究（Research on Reno mattress revetment frost heave adaptability model test） [C]／／第八屆國際凍土工程會議論文集，2009：665-669.

[2]張煥洲，謝 平，戴秋紅.格賓網(wǎng)材在黃石長江干堤合興堤段的應(yīng)用 [J].人民長江，2002，33（9）：38-39.

[3]黃 平，周玉英.重鍍鋅鐵絲網(wǎng)石籠技術(shù)在漓江護岸的應(yīng)用 [J].廣西水利水電，2002，（2）：44-46.

[4]楊紅波.合金鋼絲網(wǎng)石籠在長江堤防護岸工程中的應(yīng)用 [J].浙江水利科技，2003，（1）：47-48.

[5]GB50286－98，堤防工程設(shè)計規(guī)范 [S].

[6]SL／T225－1998，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范 [S].