水庫消落帶新型護岸結構性能研究

田 鵬，付旭輝，唐定丹，趙 航

(重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

自三峽庫區(qū)建立以來，水庫水位周期性漲落導致周邊土質(zhì)岸坡嚴重侵蝕、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)生過嚴重的岸坡失穩(wěn)現(xiàn)象。許多國內(nèi)外學者對岸坡問題進行了相關研究，Grissinger[1]等對密西西比北部地區(qū)的河岸失穩(wěn)現(xiàn)象進行了分析，認為河岸的失穩(wěn)不僅與水位漲落相關，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)定性分析相結合，基于極限平衡法，研究水位陡降時的邊坡穩(wěn)定性。孫冬梅[3]等對庫水位下降時某土質(zhì)岸坡非穩(wěn)定滲流進行了研究，認為孔隙氣壓力對邊坡的穩(wěn)定十分不利。張幸農(nóng)[4]等在試驗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、道路等遭到嚴重破壞；岸坡土體大量滑入航道當中，不僅危害了通航船舶的航行安全，而且會造成航道的淤淺，故急需對岸坡進行防護處理。

我國現(xiàn)階段護岸結構主要分為兩大類，一是傳統(tǒng)護坡，二是新型護坡。傳統(tǒng)護坡通常采用混凝土、水泥、石料等，在形式上主要有：干砌石護坡、漿砌石護坡、石籠網(wǎng)護坡、混凝土板護坡[5-6]等多種類型。這類結構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)護坡的單一滿足工程標準已經(jīng)不能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)需要。所以國內(nèi)呈現(xiàn)了新型的護坡型生態(tài)護坡結構，如三維土工網(wǎng)墊、土工格室護坡、串珠式柔性生態(tài)護坡構件、雷諾護墊、植被混凝土護坡[7-8]等，但該類結構復雜，存在施工繁瑣，植被覆蓋率較低，成本較高等缺點。特拉錨墊技術是一種新型的水庫消落帶生態(tài)修復技術，具有抗侵蝕性能好，植物覆蓋率高，且具施工簡單、經(jīng)久耐用、維護成本低廉等優(yōu)點。所以通過室內(nèi)外試驗對其防護性能進行研究，以便為治理岸坡提供技術支撐。

1 特拉錨墊結構

特拉錨墊結構是重慶交通大學聯(lián)合中交三航(重慶)生態(tài)修復研究院有限公司、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)護坡新結構，將植被措施與工程措施有機結合，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。

特拉錨墊結構是由植物增強墊+反濾層(或復合海綿層)+特拉錨三部分構成(見圖1～2)，用特拉錨將植物增強墊和反濾層固定在坡面上，在增強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。該技術適用于坡體結構穩(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)結構示意

圖2 特拉錨墊實物示意

2 特拉錨墊性能測試與水槽試驗

在室外測試錨索、錨墊的抗拉拔力，測試其物理力學指標，以獲得岸坡在錨墊不同工況設計方法下的最佳的錨固強度、方式以保證岸坡穩(wěn)定性。反濾層是由復合土工膜組成，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)定減少沖刷，由于其不承受力，所以室外只試驗錨索和草皮墊。根據(jù)最佳錨固方式，室內(nèi)做水槽試驗研究水位漲落下岸坡在防護結構下的坡體水土流失情況。

2.1 特拉錨索和草皮墊性能測試

2.1.1錨索深度測試

室外用拉拔儀測試錨索嵌入深度與抗拉力之間的關系，錨索長為1.3 m，分別用拉拔儀測試嵌入深度為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，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，導致抗拉拔力有較大變化，當錨索深度為1.0～1.3 m時，變化值范圍較小，錨索更趨于穩(wěn)定，為了施工方便且預留一定錨索在坡外，所以錨索最佳嵌入深度為1.2 m。

2.1.2草皮增強墊抗拉力測試

用測力計對草皮增強墊進行拉拔力測試，與坡面平行并沿著坡面向下測試，測試結果見表2，測試現(xiàn)場見圖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 草皮增強墊抗撕裂力 kN

圖4 草皮抗撕裂測試示意

圖5 草皮撕裂情況示意

2.2 水槽試驗

2.2.1試驗模型設計

室內(nèi)做水槽試驗，使用室外試驗相同的土樣，按嚴格模型比尺做一個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，實驗前在各自坡面上設置若干觀測針。布置具體方案如下：水槽試驗段共布置為8 m，其中特拉錨墊和裸土段各為4 m，兩端設置高為0.9 m的圍墻，靠近裸土段一側圍墻底部設置閥門，以便模擬三峽水庫水位的漲落速率。用數(shù)碼攝像機不間斷的錄像，以便實時觀測坡前水位漲落、水土流失及觀測針位移情況。

圖6 室內(nèi)水槽設計平面示意

圖7 室內(nèi)水槽剖面示意

(a)

2.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

水位漲落4個周期后進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析特拉錨墊段和裸土段觀測點的位移情況，同時測量水土流失情況，水土流失測量方法一般有2種，分為針測法和稱重法。由于實驗水槽較大稱重法較為繁瑣，故此處使用針測法，針測法是一種定性的分析方法，原理是觀測針與坡表面試驗前處于同一高層，試驗后測量每一個針表面與坡面的高差，取一較小矩形區(qū)域進行估算累加，便得到岸坡水土流失的估算值。此次水槽試驗采用針測法進行觀測，圖9～10為水位漲落4個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，觀測針的位移量也有所區(qū)別：

圖9 特拉錨墊水位漲落后觀測針示意

① 水槽試驗結果表明：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，有防護結構特拉錨墊段的觀測針位移量對比裸土段較小，原因在于經(jīng)過4個周期的水位漲落，裸土段坡面土壤侵蝕較為嚴重，觀測針位移影響較大，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重，在水位漲落條件下，表面觀測針露出總長度為1/5，對水土侵蝕部分進行累計，可得裸土段土體流失率達20%，特拉錨墊土體流失率不到8%。說明特拉錨墊對岸坡水土流失具有很好的防護性，較為穩(wěn)定。

圖10 裸土段水位漲落后觀測針示意

3 結語

本文通過室外試驗和水槽試驗分析了特拉錨墊力學性能以及特拉錨墊對岸坡水土流失的防護效果，室內(nèi)使用觀測針進行計算岸坡的水土侵蝕量并分析岸坡的穩(wěn)定性，得到以下結論：

1)在室外現(xiàn)場防護結構性能測試下，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)水槽試驗表明：岸坡經(jīng)4個周期水位漲落后，水土流失現(xiàn)象不明顯，更多的是坡體局部有細微的位移變化，但有特拉錨墊防護結構一側，觀測釘位移量更小。

3)室內(nèi)水槽試驗發(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，說明特拉錨墊對于岸坡在水位漲落作用下對岸坡穩(wěn)定性和水土流失具有較好的穩(wěn)定和防護效果。

因此，在三峽庫區(qū)或長江流域等，可以運用特拉錨墊生態(tài)修復技術進行岸坡防護以減少水土流失。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、保護航道尺度。有利于長江生態(tài)文明的建設發(fā)展。