三峽庫區(qū)人工濕地護(hù)坡系統(tǒng)透水護(hù)坡面層材料及其穩(wěn)定厚度

王雪，郭遠(yuǎn)臣

（重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 404100）

三峽庫區(qū)人工濕地護(hù)坡系統(tǒng)透水護(hù)坡面層材料及其穩(wěn)定厚度

王雪，郭遠(yuǎn)臣

（重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 404100）

在消落區(qū)開發(fā)一種生態(tài)透水面板材料作為面層對(duì)于護(hù)坡系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。利用正交實(shí)驗(yàn)方法確定了各影響因素對(duì)透水面板材料力學(xué)性能、透水率等影響，并確定最佳配合比。研究表明，生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)透水面板材料最佳配合比為：水灰比0.27，硅灰摻量5%，5～10 mm碎石與10～15 mm碎石質(zhì)量比為3∶1，減水劑摻量1%。各因素對(duì)透水面板材料強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋核冶?硅灰摻量>減水劑摻量>集料比；對(duì)透水率的影響順序?yàn)椋汗杌覔搅?減水劑摻量>集料比>水灰比。三峽庫區(qū)風(fēng)浪侵蝕條件下水平潛流人工濕地護(hù)坡系統(tǒng)護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度為10.8 cm。

護(hù)坡系統(tǒng)；透水面層；穩(wěn)定厚度；三峽庫區(qū)；風(fēng)浪

隨著三峽大壩的成功蓄水，“蓄清排濁”的運(yùn)行方案導(dǎo)致上游出現(xiàn)145～175 m的消落區(qū)[1-2]。由于冬季蓄水夏季防洪泄水，導(dǎo)致了消落區(qū)的周期淹沒，對(duì)邊坡穩(wěn)定與植被的恢復(fù)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[3]，因此，在三峽庫岸消落區(qū)研制生態(tài)護(hù)坡材料，構(gòu)建生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)迫在眉睫。

針對(duì)三峽水庫長期以來的淤積問題以及庫區(qū)環(huán)境修復(fù)、消落帶保護(hù)等現(xiàn)狀，筆者所在團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種水平潛流人工濕地生態(tài)護(hù)坡復(fù)合系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)由沉淀池、滴灌式輸水渠、結(jié)構(gòu)層組成，結(jié)構(gòu)層自下而上包括底淤泥質(zhì)層、給水層、上淤泥質(zhì)層、面層。其中，面層包括挺水植物、土壤、護(hù)坡透水面板（面板通過抗滑支座與邊坡固定，抗滑支座通過橫向連接鋼筋連接）。面層中的透水面板一方面起到抗浪蝕、固土作用，另一方面可以保證挺水植物順利生長，本文擬設(shè)計(jì)一種適合三峽庫岸水平潛流人工濕地生態(tài)護(hù)坡復(fù)合系統(tǒng)面層透水材料，并對(duì)其穩(wěn)定厚度進(jìn)行計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，重慶萬州產(chǎn)；減水劑：皇榜牌早強(qiáng)萘系高效減水劑，主要成份β—萘磺酸甲醛高縮合物，推薦摻量0.3%～1.5%；硅灰：產(chǎn)自成都，表觀密度2200 kg/m3；粗骨料：碎石，產(chǎn)自萬州，粒徑分別為5～10 mm與10～15 mm，使用時(shí)按不同質(zhì)量比配比。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及配合比

透水面層結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 透水面層結(jié)構(gòu)示意

透水面板（透水面層材料）設(shè)計(jì)根據(jù)JC/T 945—2005《透水磚》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[5-6]，選擇尺寸為200 mm×100 mm×60 mm的試模，透水磚強(qiáng)度受各種因素影響，以水灰比、硅灰摻量、集料比（小石、大石質(zhì)量比）、減水劑摻量作為主要控制變量，以C30透水磚配合比設(shè)計(jì)為參考，利用正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了L9（34）混凝土配合比，正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)和具體材料用量見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 透水混凝土面板正交設(shè)計(jì)及具體材料用量

1.3 護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度計(jì)算原理與方法

結(jié)合我國內(nèi)陸水域護(hù)砌工程實(shí)際，水利部淮河水利委員會(huì)在其948課題“混凝土砌塊護(hù)堤技術(shù)”研究中提出了護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度D計(jì)算公式（見式1）[7-8]。

式中：△——面層材料相對(duì)密度；

Hs——有效波高，m；

R——系數(shù)，對(duì)實(shí)體砌塊取值為0.26，對(duì)開孔砌塊取值0.168，對(duì)垂直聯(lián)鎖開孔砌塊取值0.12～0.14； ξ——破波參數(shù)其中L為平均波長，m； α為坡角，（°）。

2 結(jié)果與討論

2.1 透水面板最佳配比

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，極差分析見表4。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，第4組的強(qiáng)度最高，平均強(qiáng)度達(dá)到了31.1 MPa；第1組和第4組透水率最大，平均透水率均達(dá)到了1.7 cm/s，均滿足透水磚設(shè)計(jì)要求。

表4 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

從表4可以看出，各因素對(duì)透水面板材料強(qiáng)度的影響順序?yàn)樗冶?硅灰摻量>集料比>減水劑摻量，28 d抗壓強(qiáng)度最優(yōu)水平為A2B1C2D3。當(dāng)水灰比為0.27時(shí)，材料28 d抗壓強(qiáng)度最高；隨著硅灰摻量的增加，材料強(qiáng)度降低；當(dāng)5～10 mm碎石與10～15 mm按2∶1質(zhì)量比混合時(shí)，材料強(qiáng)度最高；隨著減水劑摻量增加，材料強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢(shì)，但提高速率較緩。

從表4還可以看出，各因素對(duì)透水面板材料透水率的影響順序?yàn)楣杌覔搅?減水劑摻量>集料比>水灰比，透水率最優(yōu)水平為A1B1C1D3。隨著硅灰摻量的增加，材料透水率下降，這可能是硅灰的加入堵塞了部分孔隙的原因所致；隨著水灰比的增大，材料透水率也有所減小，但變化幅度較?。划?dāng)粒徑為5～10 mm碎石比例所占比重較大時(shí)，反而材料透水率較大，這有可能是因?yàn)檫^大的骨料反而會(huì)阻礙水流，從而使材料透水率下降；隨著減水劑摻量增加，材料透水率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。各組試件透水率均符合JC/T 945—2005標(biāo)準(zhǔn)要求（>0.02 cm/s）。

綜上所述，透水面板最佳配比為：水灰比0.27，硅灰摻量5%，5～10 mm碎石與10～15 mm碎石質(zhì)量比為3∶1，減水劑摻量1%，這與文獻(xiàn)[9]所得結(jié)論基本一致。

2.2 透水護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度

式（1）中，護(hù)坡面層厚度與破波參數(shù)ξ、砌塊相對(duì)密度△等因素有關(guān)。波高是決定護(hù)面層厚度最直接的因素。在坡度和波周期一定時(shí)，波高越大，所需護(hù)坡厚度越大；波高不變時(shí)，波周期越長，波長越大，坡陡度越小，所需護(hù)砌厚度越大。護(hù)坡砌塊水下相對(duì)密度越大，所需護(hù)砌厚度越小[8]。為了計(jì)算本文所涉及水平潛流人工濕地生態(tài)護(hù)坡復(fù)合系統(tǒng)在三峽庫區(qū)風(fēng)浪侵蝕條件下的護(hù)坡面層厚度，以文獻(xiàn)[10]所提供相關(guān)參數(shù)為依據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)坡角為26°。

三峽庫區(qū)某地水位175 m，水面寬度3000 m，水深d=125 m，該地最近20年出現(xiàn)的最大風(fēng)速Umax=22.00 m/s，持續(xù)時(shí)間t=70 min，氣象站位于城郊一山坡頂上，風(fēng)標(biāo)距地面高程為10 m，附近幾十米遠(yuǎn)有個(gè)別建筑物和小樹林，地形屬于山嶺重丘[11]。根據(jù)氣象站位置及JTJ 213—98《海港水文規(guī)范》，查得水面上10 m高程處最大風(fēng)速Umax=26.50 m/s。

根據(jù)官廳水庫公式[見式（2）][12]，統(tǒng)計(jì)奉節(jié)近22年的氣象資料得該地區(qū)最大風(fēng)速的風(fēng)向?yàn)镹NE，所以取此地的風(fēng)向?yàn)镹NE。由公式F=3000/cosα，計(jì)算得F=3247 m[11]，其中α為NNE方向與N方向的夾角[11]。計(jì)算出波高Hs=1.478 m。

式中：L——平均波長，m；

U——最大風(fēng)速，U=26.50 m/s；

F——風(fēng)區(qū)長度，F(xiàn)=3247 m。

由式（2）可計(jì)算平均波長L=14.22 m。

綜上，在式（1）中，系數(shù)R取0.13，有效波高Hs取1.478 m；平均波長L取14.22 m；破波參數(shù)ξ計(jì)算公式中坡角α取26°；面層材料相對(duì)密度△取2.18。則水平潛流人工濕地護(hù)坡系統(tǒng)護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度為

3 結(jié)論

（1）透水面板材料最佳配比為：水灰比0.27，硅灰摻量5%，5～10 mm碎石與10～15 mm碎石質(zhì)量比為3∶1，減水劑摻量1%，各組試件透水率均符合JC/T 945—2005標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）各因素對(duì)透水面板材料強(qiáng)度的影響順序?yàn)樗冶?硅灰摻量>集料比>減水劑摻量；對(duì)透水率的影響順序?yàn)楣杌覔搅?減水劑摻量>集料比>水灰比。

（3）三峽庫區(qū)風(fēng)浪侵蝕條件下水平潛流人工濕地護(hù)坡系統(tǒng)護(hù)坡面層穩(wěn)定厚度為10.8 cm。

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Material and stable thickness of permeable slope surface of Three Gorges Reservoir area constructedwetland slope protection system

WANG Xue，GUO Yuanchen
（College of Civil Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100，China）

It is essential for the stability of the slope protection system to develop an eco-permeable panel material as surface layer in the Riparian Zone.The impact of each factor on the mechanical properties and water permeability of the material were determined using orthogonal experiment method，and the best mix is determined too.The results show that:the best mix is water-cement ratio 0.27，silica fume 5%，5～10 mm and 10～15 mm gravel aggregate ratio is 3∶1，dosage of superplasticizer 1%.Impact order of various factors on the strength of the material is water-cement ratio>silica fume content>superplasticizer dosage>aggregate ratio.Impact order of various factors on the water permeability is silica fume content>superplasticizer dosage>aggregate ratio>water-cement ratio.Under the condition of wind wave erosion in Three Gorges Reservoir area，the permeable slope surface stable thickness of constructed-wetland ecological slope protection system is 10.8 cm.

slope protection system，permeable slope surface，stable thickness，Three Gorges Reservoir area，wind wave

TU399

A

1001-702X（2016）08-0086-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51202304）；

重慶市教委科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（KJ1401016）；

2013年度萬州區(qū)科技人才專項(xiàng)項(xiàng)目；

重慶三峽學(xué)院青年項(xiàng)目（13QN-20）

2016-02-16；

2016-03-22

王雪，女，1983年生，遼寧鐵嶺人，講師，碩士，主要研究生態(tài)護(hù)坡、土木工程材料、廢棄物資源化。