加筋麥克墊抗沖刷試驗研究及其在工程中的應用

程慶臣，張文海，程　強

（1.天津市水利科學研究院，天津　300061；2.天津市引灤工程黎河管理處，河北 遵化　064200）

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加筋麥克墊抗沖刷試驗研究及其在工程中的應用

程慶臣1，張文海2，程強1

（1.天津市水利科學研究院，天津300061；2.天津市引灤工程黎河管理處，河北 遵化064200）

摘 要：引進了加筋麥克墊抗沖刷護坡新產(chǎn)品，對其構(gòu)成進行了描述。通過室內(nèi)抗降雨沖刷試驗，驗證了該產(chǎn)品的抗沖刷性能，并成功應用于七里海濕地的導流渠工程內(nèi)，工程效果及生態(tài)效果顯著，具有很好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：加筋麥克墊；抗沖刷；護坡；生態(tài)效果

加筋麥克墊是一種土工復合產(chǎn)品，由多個無序排布的防護網(wǎng)絲鋪設(shè)于平面網(wǎng)格狀的筋網(wǎng)上組成，網(wǎng)絲包覆并粘結(jié)于筋網(wǎng)的上下兩個表面，筋網(wǎng)由多根同向設(shè)置的金屬材質(zhì)線材組成，筋網(wǎng)面積不小于網(wǎng)絲的鋪設(shè)面積，相鄰線材通過絞合部固定連接以構(gòu)成有序排布的多個網(wǎng)格，網(wǎng)格基本上為六邊形。用加筋麥克墊中具有較高抗拉強度的筋網(wǎng)來抵抗植被防護網(wǎng)墊受到的外部剪切應力和拉力，保護網(wǎng)絲使其不會斷裂，而網(wǎng)絲可以保護植被不受雨水、水流沖刷，因此植被在正常生長的同時對邊坡土方起到防護作用，防止水土流失。

1　加筋麥克墊試驗研究

為了進一步研究加筋麥克墊的性能，在室內(nèi)對其抗沖刷性能進行了研究。加筋麥克墊鋪在河道邊坡及河底，一方面受到水流的沖刷，另一方面在坡上裸露的部分還要受到降雨的沖刷。由于水流抗沖刷試驗中流速隨時間變化規(guī)律與室內(nèi)降雨抗沖刷試驗基本類似，所以筆者僅對加筋麥克墊的降雨抗沖刷試驗進行了研究。試驗用的加筋麥克墊規(guī)格為25 m×2 m×0.012 m（長×寬×厚），網(wǎng)格尺寸為6 cm×8 cm，網(wǎng)格鋼絲直徑為2.2 mm。

本次試驗采用放水沖刷而非人工模擬降雨來研究加筋麥克墊護坡作用下坡面流水動力學特性與侵蝕特性，主要有以下優(yōu)點：①可以通過閥門和電磁流量計準確控制試驗沖刷水流量，得到相對準確的侵蝕量和坡面流流量的關(guān)系，而人工模擬降雨試驗的坡面流流量是沿程不斷變化的，較難對比不同流量作用下侵蝕量的變化規(guī)律；②可以在較小的邊坡范圍使用較大的沖刷流量，而降雨試驗中只有在坡長較長的試驗條件下才可能產(chǎn)生較大的流量；③放水沖刷試驗設(shè)備制造簡單、操作方便，而人工模擬降雨設(shè)備制造和操作都較為復雜。

1.1試驗裝置

（1）水槽設(shè)計。查閱資料可知，試驗用水槽規(guī)格會對坡面流的水動力學參數(shù)和侵蝕特性產(chǎn)生不可忽略的影響。本次試驗所釆用的水槽規(guī)格為5.6 m×1 m×1 m（長×寬×高），底部用不銹鋼板材、兩側(cè)是厚度為10 mm的有機玻璃，以特殊黏膠膠結(jié)，防止漏土、漏水。

（2）水槽變坡系統(tǒng)。試驗通過導軌式液壓變坡系統(tǒng)來調(diào)節(jié)水槽的坡度，變坡范圍在0～45°。利用導軌和電動液壓油缸可平穩(wěn)地升降水槽邊坡，得到變坡范圍內(nèi)的任何所需坡度。

（3）供水裝置。坡面徑流沖刷供水系統(tǒng)由蓄水池、定數(shù)頭水箱、多個閥門組、電磁流量計、輸水管及水槽上部的穩(wěn)流槽等組成，其中電磁流量計的精度等級為0.5%。

（4）邊坡下部填土設(shè)計。本次試驗土質(zhì)邊坡采用砂質(zhì)粉土（砂粒、黏粒含量比較居中），通過室內(nèi)標準擊實試驗可測得該土的最大干密度為1.81 g/cm3，最佳含水率為13.4%。

試驗模擬的是土質(zhì)邊坡在加筋麥克墊護坡作用下的水力學特性及沖刷特性，為最大限度還原工程實際，在鋪設(shè)加筋麥克墊之前，先在水槽底部填約45 cm厚的土并通過水準儀和水準尺確保土層厚度相同及坡面水平。填土采用人工分層填筑、分層夯實，超填削坡的方式進行。

1.2試驗工況

（1）鋪設(shè)加筋麥克墊邊坡。試驗采用改變流量和坡度的沖刷方式，經(jīng)過多次正交試驗對比找出降水沖刷坡面流的水力學特性和沖刷規(guī)律。為了更好地體現(xiàn)流量及坡度對坡面流水力學特性及侵蝕特性的影響，分別進行了3個坡度10、20、30°和3個流量1、1.5、2 m3/h共9組試驗。

對于鋪設(shè)加筋麥克墊邊坡試驗，在邊坡土夯實后即可鋪設(shè)加筋麥克墊，加筋麥克墊的鋪設(shè)方法與現(xiàn)場施工方法相比較為簡單。加筋麥克墊的試驗室鋪設(shè)，可按下述步驟進行：①平整坡面；②鋪加筋麥克墊；③固定加筋麥克墊。

（2）未作防護的土質(zhì)邊坡。為了更好地說明加筋麥克墊的抗沖刷作用，對未經(jīng)防護的土質(zhì)邊坡也進行了試驗，試驗前在已經(jīng)鋪好的加筋麥克墊上均勻覆土（均勻壓實，且覆土超過已鋪設(shè)的加筋麥克墊表面最高處為0.5 cm）作為對照試驗。

為了提高效率，將2個對照試驗合并為1個試驗進行，即沖刷前期為未作防護的土質(zhì)邊坡試驗、沖刷后期（土體全部沖刷完后）為鋪設(shè)加筋麥克墊邊坡試驗，坡度和流量在試驗過程中均保持不變。

1.3數(shù)據(jù)采集及試驗結(jié)果

為保持邊坡邊界條件的一致性，每次試驗開始之前都需要對邊坡進行修整、維護，使每次試驗邊坡土壤有近似的含水率、壓實度、土顆粒級配等。

每組工況的試驗時長為50 min，分別在第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49 min時進行流速、含沙率的數(shù)據(jù)采集。

不同時刻、不同工況的流速，如圖1—3所示。

圖1　流量為1 m3/h時各坡度流速隨時間變化

圖2　流量為1.5 m3/h時各坡度流速隨時間變化

圖3　流量為2.0 m3/h時各坡度流速隨時間變化

由圖1—3可以看出，在流量相同、坡度不同的試驗條件下，坡面流流速隨沖刷時間的變化規(guī)律：在沖刷初期（1～10 min），流速1～3 min開始呈逐漸上升趨勢，上升到最大值后開始緩慢減小。在沖刷中期11～20 min，流速急劇減小，減小幅度在整個沖刷過程中是最大的；在沖刷中期21～30 min，流速繼續(xù)減小，但減小速率變小。在沖刷末期（31～49 min），流速仍有減小趨勢，減小速率較中期繼續(xù)變小并趨于平緩，流速變化局部存在波動現(xiàn)象。

由于試驗坡面的土質(zhì)含水量較小，所以在開始沖刷時流速較小，隨著坡面土趨于飽和，流速增大，到3 min左右增大到最大值，此后坡面土體被剝蝕、搬運，坡面狀況急劇改變，流速開始有小幅的下降。隨著沖刷的進行，加筋麥克墊露在邊坡表面，迅速改變坡面的粗糙率，由于加筋麥克墊孔隙的凹凸，坡面流的沖刷路徑被延長，形成一個個跌坎，流體能量消耗增大，流速急劇降低。末期，不同坡度下沖刷區(qū)域內(nèi)的加筋麥克墊幾乎全部出露，對流速的阻滯作用明顯。當土全部被沖走之后，加筋麥克墊成為影響坡面流速主要因素時，各坡度所對應的末期流量較為接近。

另外，作為對照試驗，沖刷前期與后期坡面流速相差特別大，沖刷前期的流速（未作防護邊坡）要遠遠大于沖刷后期的流速（鋪設(shè)加筋麥克墊），兩者相差約3～4倍。由此可見，從水流中的流速分析，加筋麥克墊的抗沖刷特性是十分明顯的。

2　加筋麥克墊在工程中的應用

本工程位于北運河下游水質(zhì)保持示范工程的導流渠內(nèi)，該導流渠的作用是將強化濕地水體引向生態(tài)穩(wěn)定塘。導流渠底寬2.0 m，底高程1.0 m，邊坡1∶2，總長度228 m，過水時的平均水深0.5 m，坡度很小，約為0.000 1。

2.1加筋麥克墊設(shè)計

針對導流渠道的特點，過水時的平均水深為0.5 m，因此河道最大水深為y=0.5 m，該河道流速很小，水力坡降i=0.000 1。

河道水流對護坡（麥克墊或者加筋麥克墊）的牽引切應力，對于河床而言，計算公式為：

對于河堤而言，計算公式為：

式中：τb、τm為主動切應力（kg/m2）；γw為水的密度（kg/m3）；y為河道平均水深（m）。

根據(jù)式（2），得到本工程河道邊坡上的水流對墊子的牽引剪切力為τm=0.75γwyi=0.75×1 000×0.5× 0.000 1=0.037 5（kg/m2）=0.375（N/m2）。

加筋麥克墊的抗沖允許剪切力（設(shè)計推薦值），見表1（假定該導流渠的最大過水流量持續(xù)時間為30 h）。

表1　加筋麥克墊抗沖允許剪切力

由計算結(jié)果可見，加筋麥克墊護坡的抗沖允許剪切力遠大于水流沖刷剪切力。由于導流渠的比降很小，河道中的流速極小，沒有劇烈的沖刷問題，只需選擇加筋麥克墊R6就完全能夠滿足要求。

2.2加筋麥克墊施工

根據(jù)加筋麥克墊的特點，其施工工藝流程包括坡面平整、放樣、鋪設(shè)加筋麥克墊、網(wǎng)墊邊緣錨固、釘U形釘錨固、加筋麥克墊鉸接、回填土。由于該工程鋪完后立即要進行過水，所以本工程沒有回填土這一步驟。

本示范工程屬于小型河道，河道深度較淺，施工時以平行于水流方向的方式放置土工墊，在坡面上沿水流方向（由下游向上游）鋪設(shè)加筋麥克墊；U形釘?shù)拈L度為30 cm，直徑為4 mm，間距為1 m。對導流渠228 m的渠道兩側(cè)的護坡全部進行了鋪設(shè)，施工時嚴格按照施工技術(shù)要求進行。

由于該工程位于七里海濕地，當?shù)厮参镏饕蕴J葦為主，施工完成后2個月蘆葦已經(jīng)長出并已經(jīng)超出麥克墊約30 cm，實踐證明鋪設(shè)完加筋麥克墊的護坡蘆葦長勢良好。

該示范工程經(jīng)過2年時間運行，加筋麥克墊仍然完好無損，且導流渠坡面上長滿了蘆葦，大大降低了水流對護坡的沖刷，發(fā)揮了很好的保護作用，且該護坡與周圍的環(huán)境相結(jié)合，生態(tài)效益較好。

3　結(jié)論

（1）加筋麥克墊內(nèi)部進行了加強處理（采用雙鉸合鋼絲網(wǎng)格），具有機械抗張強度和防沖刷的結(jié)構(gòu)，其抗沖、抗拉的特性遠遠高于其他土工材料；另外，還具有其他柔性鋪面材料所有的優(yōu)點如空隙率高、透水性好等，空隙內(nèi)可以植草，能美化環(huán)境，同時形成自然坡面改善生態(tài)環(huán)境。

（2）加筋麥克墊的抗沖刷特性十分明顯，從室內(nèi)降雨抗沖刷試驗流速分析，發(fā)現(xiàn)沖刷前期與后期坡面流流速相差特別大，沖刷前期的流速（未作防護邊坡）要遠遠大于沖刷后期的流速（鋪設(shè)加筋麥克墊），兩者相差約3～4倍。

（3）該工程經(jīng)過2年的運行應用，加筋麥克墊未產(chǎn)生破壞，護坡未產(chǎn)生淘刷，且在加筋麥克墊的空隙中長滿蘆葦，很好地與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，生態(tài)效益較好。

中圖分類號：TV41；TV148

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）01-0051-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.019

收稿日期：2015—11—18

作者簡介：程慶臣（1973—），男，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)、工程檢測等方面的研究工作。

Study on the Anti Scouring Test of Macmat R and the Application in Engineering

CHENG Qing-chen1，ZHANG Wen-hai2，CHENG Qiang1
（1.Tianjin Water Conservancy Science Research Institute，Tianjin 300061，China；2.Tianjin Li River Management Office of Yinluan Project，Zunhua 064200，China）

Abstract：Reinforced Macmat R anti scour protection products are introduced and the constitution is described.The anti erosion performance of the product is verified through anti rain erosion test.What's more，The product is successfully applied in Qilihai wetland diversion canal engineering.The engineering effect and ecological effect is remarkable with good promotional value.

Key words：Macmat R；anti erosion；slope protection；ecological effect