蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性能試驗(yàn)研究

孫小沛，韓 沖，周曉平，劉少斌

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

以往的河道整治建設(shè)工程中，多采用漿砌塊石、現(xiàn)澆混凝土擋墻等硬質(zhì)材料進(jìn)行傳統(tǒng)護(hù)岸，在滿足岸坡穩(wěn)定和防洪安全等要求的情況下，忽略了河流的生態(tài)功能。

近年來，隨著國家對環(huán)境保護(hù)意識的逐漸增強(qiáng)，生態(tài)駁岸在河道整治工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。生態(tài)駁岸在設(shè)計時，需要考慮岸坡安全穩(wěn)定、生態(tài)、保護(hù)、綠化景觀打造等多樣化的要求。生態(tài)駁岸工程材料多為植物或者天然工程材料，主要為確保水、土、植物的相互聯(lián)系，力求達(dá)到不破壞水土自適應(yīng)通道，使護(hù)岸材料天然化、投資合理化。蜂巢約束系統(tǒng)作為新興土工合成材料，具有透水、保土、固土、改善負(fù)載性能等優(yōu)點(diǎn)。但因蜂巢格室的抗沖刷特性尚未得到充分驗(yàn)證，還未在生態(tài)駁岸工程中得到廣泛的推廣應(yīng)用[3-4]。

本文結(jié)合影響蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性能的主要因素，進(jìn)行生態(tài)駁岸抗沖刷模型試驗(yàn)，觀察蜂巢約束系統(tǒng)盤的損壞程度，分析各因素對蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性的影響規(guī)律，為蜂巢約束系統(tǒng)在水環(huán)境治理工程的廣泛推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?/h2>

1.1 試驗(yàn)控制因素

本次針對影響蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷特性的蜂巢約束系統(tǒng)中草皮狀態(tài)、填料級配、生態(tài)駁岸坡比3類因素進(jìn)行重點(diǎn)研究。

(1) 草皮狀態(tài)

本次分別對有草皮及無草皮2種情況下的蜂巢約束抗沖刷性能進(jìn)行研究。有草皮情況下，培養(yǎng)了2月齡草皮和6月齡草皮進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)時，選取草籽高羊茅與黑麥草進(jìn)行種植，在預(yù)先制作的試驗(yàn)段中培育草皮。使用混播，混播比例高羊茅草籽占比60%，黑麥草草籽占比40%，播種量為20 g/m2。

(2) 填料級配

由于抗沖流速與填充材料的種類、填料顆粒的組成和可種植性等因素的不同都會對抗沖流速造成影響。當(dāng)填充料全部采用植被土?xí)r，其抗沖能力較弱，但有利于草皮生長；而當(dāng)碎石較多時，其抗沖能力增強(qiáng)，但草皮生長就會受到抑制。為了兼顧填料自身的抗沖能力和填料的可種植性，最終選擇在蜂巢約束系統(tǒng)中填入植被土與碎石的混合料，實(shí)際試驗(yàn)時確定3種不同配比的填充料進(jìn)行模擬試驗(yàn)，填充料級配詳見表1。

表1 填充料配比表

(3) 坡 比

常規(guī)的生態(tài)駁岸坡比即實(shí)際中為護(hù)岸邊坡。通常情況下，護(hù)岸邊坡越緩，越有利于邊坡穩(wěn)定。本次研究中，針對常見1∶3和1∶2兩種岸坡坡度進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析護(hù)岸坡度對抗沖流速的影響。

1.2 邊界條件

(1) 模型比尺

(2) 模型護(hù)岸型式

本次研究的生態(tài)駁岸在斷面型式上可應(yīng)用于斜坡式人工護(hù)岸、復(fù)合式人工護(hù)岸。為了便于沖刷流速的控制，在模型設(shè)計時，護(hù)岸平面布置采用直線型。

(3) 模型沖刷流速

本次模型試驗(yàn)結(jié)合抗沖刷影響因素，通過判斷不同沖刷流速情況下蜂巢約束系統(tǒng)的損壞程度，分析其抗沖刷性能?？紤]到常規(guī)的草皮護(hù)坡抗沖流速在1～1.5 m/s之間，漿砌石、鋼筋石籠等抗沖流速為5 m/s，確定1、2、3 、4、5 m/s為本次試驗(yàn)沖刷流速。

1.3 模型構(gòu)建

本次研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸卜譃?部分：引水裝置、泄水裝置及回水裝置。引水裝置主要包括水泵、進(jìn)水管及鋼板水箱，主要為試驗(yàn)提供足夠的流量，控制試驗(yàn)流速。泄水裝置主要包括有壓段、過渡段、試驗(yàn)段及泄槽尾部，是試驗(yàn)的核心部分，用來控制水流流態(tài)，觀察水流沖刷情況。回水裝置主要包括回水池、退水管渠、匯水池，目的是循環(huán)利用試驗(yàn)用水，節(jié)約水資源，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠D

在本試驗(yàn)中模擬流速較高，對上游庫水位要求較高，因此,模型試驗(yàn)利用鋼板水箱作為上游水庫。試驗(yàn)時水流由水泵進(jìn)入壓力管道，由鋼板水箱進(jìn)水閥進(jìn)入鋼板水箱內(nèi)，然后由泄槽的有壓進(jìn)口進(jìn)入泄槽內(nèi)，完成沖刷后進(jìn)入下游回水池，經(jīng)過退水系統(tǒng)后，進(jìn)入?yún)R水池，經(jīng)水泵加壓后循環(huán)利用，鋼板水箱在水位穩(wěn)定后成為具有一定高度的水庫，為試驗(yàn)提供穩(wěn)定的來流。

本次試驗(yàn)重點(diǎn)模擬河道右岸沖刷情況。在模型設(shè)計時將泄槽斷面設(shè)計為直角梯形斷面，泄槽斷面如圖2所示。

圖2 泄槽斷面示意圖 單位：cm

1.4 試驗(yàn)工況

本次研究結(jié)合草皮、填料及坡比3類影響因素，確定模型試驗(yàn)工況，通過判斷各組試驗(yàn)在1、2、3、4、5 m/s沖刷流速下蜂巢約束系統(tǒng)的損壞程度，分析蜂巢系統(tǒng)的抗沖刷性能。為提高試驗(yàn)效率，結(jié)合“小流速破壞，大流速試驗(yàn)組舍棄；大流速未破壞，小流速試驗(yàn)組舍棄”的原則，根據(jù)已完成的試驗(yàn)對試驗(yàn)組次進(jìn)行篩選，調(diào)整后的試驗(yàn)工況如表2。

表2 試驗(yàn)工況表

2 結(jié)果分析

2.1 草皮對抗沖刷性影響規(guī)律

本次針對無草皮、2月齡草皮、6月齡草皮進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析草皮有無及草皮生長月齡對蜂巢約束抗沖刷性能的影響，不同草皮在填料2、坡比為1∶2時模擬試驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。

由圖3可知，無草皮情況下，在沖刷流速為1 m/s時，蜂巢格室中填料被掏刷，蜂巢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞；而2月齡草皮，在沖刷流速上升為3 m/s時，蜂巢格室中填料及草皮仍完好無損。由此可知，有草皮的蜂巢約束抗沖刷性能明顯高于無草皮。

圖3 填料2、坡比1∶2時不同草皮破壞情況圖

2月齡草皮在沖刷流速達(dá)到4 m/s時，蜂巢格室中填料被掏刷，草皮被沖毀，蜂巢約束系統(tǒng)遭到明顯破壞；而對比6月齡草皮，蜂巢系統(tǒng)中草皮稍有傾倒，但結(jié)構(gòu)整體性及功能性未受影響。由此可知，有草皮情況下，草皮齡期越長，草皮長勢越好，其抗沖刷性能越強(qiáng)。

通過本次有無草皮蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性能試驗(yàn)?zāi)M分析可知，隨著草皮月齡的增長，邊坡抗沖刷性逐漸增強(qiáng)，有無草皮蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性變化規(guī)律見圖4。在無草皮覆蓋時，蜂格約束系統(tǒng)的抗沖流速小于1 m/s，抗沖性能十分脆弱，不建議在工程實(shí)際中應(yīng)用。草皮齡期對蜂格約束系統(tǒng)的抗沖性能影響較大，在草皮長勢較好時，2個月齡期草皮抗沖流速可達(dá)3 m/s，6個月齡期草皮抗沖流速可達(dá)到4 m/s。

圖4 有無草皮蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性變化規(guī)律圖

蜂巢約束系統(tǒng)中草皮一方面通過根系在土中盤根錯節(jié)，使土體成為土與草根的復(fù)合材料，具有加筋作用;另一方面通過吸收和蒸騰坡體內(nèi)水分，降低土體的孔隙水壓力，同時，通過草皮莖葉的緩沖作用，可以削弱水流對護(hù)岸的直接沖刷。因此，草皮長勢越好，其加筋、降低孔隙水壓力及削弱沖刷的效果越明顯，蜂巢約束系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，抗沖刷性能越強(qiáng)。

2.2 填料對抗沖刷性影響規(guī)律

本次針對填料1、填料2、填料3進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析填料級配對蜂巢約束抗沖刷性能的影響，在6月齡草皮、坡比為1∶2時，不同填料情況下草皮破壞情況見圖5所示。

圖5 坡比為1∶2時不同填料6月齡草皮破壞情況圖

由圖5可知，在相同月齡及坡比情況下，不同填料對應(yīng)的蜂巢約束抗沖性能不同，在填料1工況中，蜂巢約束系統(tǒng)在3 m/s的沖刷流速下遭到破壞，而填料2及填料3工況中，蜂巢約束系統(tǒng)在4 m/s的沖刷流速下結(jié)構(gòu)性及功能仍無明顯破壞，最大抗沖流速可達(dá)5 m/s。填料2及填料3工況下，蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷流速基本一致，但草皮生長情況填料2明顯好于填料3。

通過本次不同填料蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性能試驗(yàn)?zāi)M分析可知，隨著填料中碎石含量的增加，邊坡抗沖刷性逐漸增強(qiáng)，抗沖刷性隨填料變化規(guī)律如圖6所示。蜂格約束系統(tǒng)在填料1工況下抗沖流速介于3～4 m/s；蜂格約束系統(tǒng)在填料2工況下，抗沖流速介于4～5 m/s；填料2及填料3工況下，蜂巢約束抗沖刷性能基本一致。

圖6 蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性隨填料變化規(guī)律圖

在蜂巢約束系統(tǒng)植被土中加入碎石，增大了填料中土壤團(tuán)聚體的含量，碎石比植被土中團(tuán)聚體更加穩(wěn)定，水流無法像分解土塊一樣分解碎石，在碎石填料與草皮的相互作用下，護(hù)岸的抗沖性能增大。因此，碎石含量越高，填料本身的抗沖刷性能越強(qiáng)，但由于碎石含量越高對草皮生長的擬制作用越明顯，草皮莖葉生長較差，對護(hù)岸填料的保護(hù)作用減小，草皮根系生長較差，對填料的裹挾作用減弱。

由試驗(yàn)對比分析可知，在蜂巢約束系統(tǒng)需綜合考慮草皮的可種植性及系統(tǒng)的抗沖刷性，填料中碎石含量不宜過高，在草皮可種植性較好的情況下，填料中碎石含量越高，蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性越強(qiáng)。

2.3 坡比對抗沖刷性影響規(guī)律

本次針對1∶2、1∶3兩種坡比進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析坡比對蜂巢約束抗沖刷性能的影響，2月齡草皮、填充填料2時的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在填料集配、草皮生長齡期不變的條件下，試驗(yàn)測得1∶2或1∶3的護(hù)岸坡度對蜂格約束系統(tǒng)的抗沖性能無明顯變化，坡比對抗沖性能的影響相對較小。在草皮生長狀況較好、填料級配合適的情況下，1∶2、1∶3兩種河道護(hù)岸坡比均相對較緩，邊坡穩(wěn)定性較好，因此，蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性基本無明顯差別。

3 結(jié) 論

蜂巢約束系統(tǒng)抗沖刷性影響因素較多，本研究結(jié)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛烁饕蛩貙Ψ涑蚕到y(tǒng)抗沖刷性的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1) 草皮對蜂巢約束抗沖性能影響較大，草皮齡期越長，生長狀況越好，邊坡抗沖性能越強(qiáng)。

(2) 蜂巢系統(tǒng)填料中碎石含量越高，其抗沖刷性能越強(qiáng)，但碎石含量過高的填料中可種植性越差，綜合考慮邊坡抗沖刷性及草皮可種植性，填料中碎石含量不宜高于65%。

(3) 邊坡緩于1∶2時，護(hù)岸坡度對蜂格約束系統(tǒng)的抗沖流速影響較小。

根據(jù)草皮、填料、坡比對抗沖性能的影響可知，河道邊坡較緩的情況下，一定范圍內(nèi)填料中碎石占比越高，草皮生長狀態(tài)越好，蜂巢約束系統(tǒng)抗沖性越高，最高抗沖刷流速可達(dá)5 m/s，在水環(huán)境領(lǐng)域河道邊坡生態(tài)治理工程中具有較好的應(yīng)用前景。