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寒区堤防砂土岸坡生态护坡技术研究

蔡忍 张桂荣 何宁 李登华 何斌 姚明帅

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寒区堤防砂土岸坡生态护坡技术研究

    作者简介: 蔡 忍(1992—),男,江苏宿迁人,硕士研究生,主要从事岩土工程研究。E-mail:591709713@qq.com.
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0405100);国家自然科学基金资助项目(51979174);黑龙江省应用技术研究与开发计划引导项目(GZ16B024);2017年江苏省水利科技重点攻关项目(2017010)
  • 中图分类号: TU44

Study on ecological slope protection technology of dike for sandy soil bank slope in cold region

  • 摘要: 东北地区堤防多是砂堤,砂土质地松散、贫瘠。在降雨侵蚀和风力侵蚀联合作用下,砂堤坡面水土流失严重,降低了砂堤防洪质量,危及大堤安全。为了减少坡面降雨侵蚀和水土流失,保证砂堤的防洪质量,采用保水剂改良砂堤表层土壤为植被生长提供水分和养分,并通过单纯植被护坡方案和两种改良后生态护坡方案的室内外试验的对比,选取合适的护坡方案。结果表明:三维土工网垫和遮阳网在草籽发芽前期,能够较好地保护坡面和草籽,减少降雨侵蚀;在植被生长期,植株可以穿过三维土工网垫孔隙正常生长,植被根系发挥了铆钉作用,将三维土工网垫紧紧地锚定在坡面;三维土工网垫连同植被根系组成联合保护层,提升了整体加筋效果,但是由于遮阳网的孔隙过于细密,植被难以穿过遮阳网正常生长,将遮阳网顶起,无法像三维土工网垫那样与植被形成联合防护体系,整体加筋效果较差。
  • 图  1  粉砂土边坡冲刷试验装置

    Figure  1.  Erosion test device of silt soil slope

    图  2  无覆盖层砂坡冲刷

    Figure  2.  Uncoverd sand slope erosion

    图  3  三维土工网垫坡面冲刷

    Figure  3.  3D geomat slope erosion

    图  4  三维土工网垫护坡坡面冲刷深度

    Figure  4.  Erosion depth of 3D geomat slope protection

    图  5  遮阳网护坡坡面冲刷深度

    Figure  5.  Erosion depth of sun-shade net slope protection

    图  6  植被护坡冲刷状态

    Figure  6.  Erosion state of vegetation slope protection

    图  7  植被幼苗期坡面冲刷深度

    Figure  7.  Erosion depth of vegetation slope protection

    图  8  3种护坡方案施工完成图

    Figure  8.  Construction completion pictures of three slope protection schemes

    图  9  改良生态护坡对比

    Figure  9.  Comparison of improved ecological slope protections

    图  10  根系土力学性质随深度变化曲线

    Figure  10.  Curves of mechanical properties of root soils varying with depth

    表  1  三维土工网垫主要技术性能指标

    Table  1.   Main technical performance indexes of 3D geomat

    土工网垫型号材料单位面积质量/
    (g·m−2)
    厚度/mm宽度/m每卷长度/m适用
    坡度/°
    纵向抗拉强度/
    (kN·m−1
    横向抗拉强度/
    (kN·m−1
    适应温度
    范围/℃
    EM2LLDPE或者HDPE加0.5%~2.5%炭黑≥220≥101.0,1.5,2.030,40,50<300.80.8−50~80
    EM3≥260≥121.0,1.5,2.030,40,50<301.61.6
    EM4≥350≥141.0,1.5,2.030,40,5030~452.02.0
    EM5≥430≥161.0,1.5,2.030,40,50>453.23.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-22
  • 网络出版日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2020-04-01

寒区堤防砂土岸坡生态护坡技术研究

    作者简介: 蔡 忍(1992—),男,江苏宿迁人,硕士研究生,主要从事岩土工程研究。E-mail:591709713@qq.com
  • 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京,210029
  • 2. 河海大学,江苏 南京 210098

摘要: 东北地区堤防多是砂堤,砂土质地松散、贫瘠。在降雨侵蚀和风力侵蚀联合作用下,砂堤坡面水土流失严重,降低了砂堤防洪质量,危及大堤安全。为了减少坡面降雨侵蚀和水土流失,保证砂堤的防洪质量,采用保水剂改良砂堤表层土壤为植被生长提供水分和养分,并通过单纯植被护坡方案和两种改良后生态护坡方案的室内外试验的对比,选取合适的护坡方案。结果表明:三维土工网垫和遮阳网在草籽发芽前期,能够较好地保护坡面和草籽,减少降雨侵蚀;在植被生长期,植株可以穿过三维土工网垫孔隙正常生长,植被根系发挥了铆钉作用,将三维土工网垫紧紧地锚定在坡面;三维土工网垫连同植被根系组成联合保护层,提升了整体加筋效果,但是由于遮阳网的孔隙过于细密,植被难以穿过遮阳网正常生长,将遮阳网顶起,无法像三维土工网垫那样与植被形成联合防护体系,整体加筋效果较差。

English Abstract

  • 随着对水利生态问题的日益重视,以及对破坏周围生态环境的传统硬岸斜坡缺陷的逐步认识,国内外学者提出了生态护坡(岸)的概念。但是,岸坡生态防护技术也有不足之处,植被的生长需要一定的周期,初期难以达到预期的护坡效果;并且,植被生长需要与之相适宜的土体气候条件,需要进行后期养护。为此,生态护坡技术通常需与其他工程措施相结合,按照工程措施的不同,生态护坡构建技术主要围绕以下3个方面进行:①与传统护坡技术的结合;②与土工合成材料的结合;③在基质研发和施工方式的创新。这3个技术方向不同程度上将生态的理念引入到岸坡防护中,充分发挥植被的固土护坡以及防冲刷功效。

    在满足岸坡防护要求的情况下,植被护坡是首选的生态护坡技术。但是,植被护坡在草籽生根发芽时期,植被及其根系尚未发挥其固土护坡效应,当边坡受到降雨侵蚀时,如若没有其他防护措施,边坡表层土壤和草籽容易受到侵蚀。针对这一问题,Theisen[1]系统讨论了加筋生态护坡的理论依据、应用效果和前景,指出其可以保护种子及幼苗发育,加固植物根系和土壤,控制土壤侵蚀,较传统护坡技术大为改善。胡玉植等[2]通过室内水槽试验,研究了不同加筋草皮方式的抗侵蚀性能。王连新[3]论述了土工网复合植被护坡在三峡工程中的应用。肖成志等[4-6]利用室内外边坡模型正交试验法,分析了垫型、草籽密度、土质和坡度对三维土工网垫护坡效果的影响,建立了计算斜坡水头损失和径流速度的公式。Pan等[7]提出了一种结合土工格栅与三维加筋生态网的新型HPTRM结构,试验结果表明,该技术应对波浪溢流产生的高速水流冲刷的能力较以往加筋方式有显著改善。单心雷[8]研究了不同降雨强度、坡度下三维土工网护坡的安全系数。王广月等[9-11] 通过室内水槽试验,研究了三维土工网垫护坡的水动力特性;通过室内排水冲刷试验,得到其护坡的侵蚀规律;并利用有限元数值模拟和室内模拟试验,分析了其对边坡稳定性的影响。王艳[12] 利用不同水流流量、坡度和植被覆盖率试验获得了三维土工网护坡的水动力参数。张壮等[13]利用高速明渠流试验装置,通过间断和不间断冲刷试验,研究了高性能加筋草皮在不同坡度和流量条件下流速、流量和侵蚀量的关系。王晓春等[14]通过现场原位试验与重塑土体力学特性试验,得到了三维加筋生态护坡技术固土护坡的力学效应。

    黑龙江同抚堤防多是填方砂堤,属于寒温带的大陆性季风气候,年平均气温在−4~5 ℃,但夏季气温较高,适宜植物生长。然而堤防背水坡面砂土质地松散、贫瘠,在降雨侵蚀作用下,受破坏严重,沟壑林立,导致了严重的水土流失,从而降低了堤防的防洪质量,同时给砂堤坡面的绿化工作增加了难度。即使进行人工种植,在草籽还未生根发芽时,由于侵蚀作用,草籽会被冲走;此外,贫瘠干旱的砂土环境也会使草籽难以发芽成活。

    针对上述问题,本文通过添加绿色保水剂改良砂土,为草籽发芽和植被生长提供水分和营养。保水剂与砂土可以形成1~10 cm厚的透水性营养结皮,与植被根系相结合能有效防治堤防岸坡水土流失。针对单纯植被固土存在的问题,利用土质岸坡室内冲刷试验物理模型与降雨装置,研究三维土工网垫边坡防护、遮阳网边坡防护以及植被幼苗期边坡防护坡面的冲刷全过程,分析3种生态护坡形式在降雨侵蚀下边坡表层的冲刷深度,为现场示范应用提供科学依据。在同抚堤防岸坡防护现场示范工程中,采用3种护坡形式分别进行现场试验施工,并在5个月后进行现场原位试验,通过试验数据对比分析其优缺点,选取结果较好的生态护坡形式,为相关类似区域的生态护坡技术的推广提供参考。

    • 黑龙江干流堤防背水坡面为砂性土坡面,由于植物自身的蒸腾作用、砂性土水分蒸发速度快以及砂性土的高渗透性,在植物生长期间砂性土内难以保留足够的水分,因此选择绿色生态保水剂用于砂土岸坡生态防护。保水剂[15]与砂土混合后能增加含水砂土的黏聚力,可在地表与砂土形成1~10 cm厚的透水营养结皮,具有一定的抗降雨侵蚀能力,同时保水剂能迅速吸收自身质量几百倍乃至上千倍的纯水,并缓慢释水供植物生长使用,而且具有反复吸收水分的能力。保水剂能增强砂土保水性,改良砂土结构,提高播种出苗率和苗木成活率,为植物生长提供水分养分,促进植物发育,并且无毒无害,绿色环保。

      利用室内试验研究保水剂的不同掺入方式对植被生长的影响,选择高羊茅、紫花苜蓿和早熟禾3种植被开展研究。

      (1)保水剂与砂土掺混后喷撒种植(湿法)。 每平米掺混物用量:保水剂50 g,砂土3 000 g,水5 000 g。采用高羊茅、早熟禾、紫花苜蓿与马蔺混合播种的模式,每平米草籽用量为20 g。将保水剂、砂土和草籽搅拌均匀后,加水搅拌。搅拌均匀后,喷洒在坡面,厚度约为2~5 mm。

      (2)保水剂直接与草籽拌和后种植(干法)。每平米掺混物用量:草籽20 g,保水剂50 g,砂土3 000 g。将草籽用洒水壶微微喷湿后直接加入保水剂与砂土拌和。在堤防表层直接撒播拌合物,撒播厚度约1 cm并轻轻碾压,洒水养护。

      种植完成时间在9月底,气温在30 ℃左右,当播种完成后及时覆盖无纺布、草帘子等遮盖物。覆盖目的:一是防止雨水冲刷,二是防止水分蒸发过快,三是保温利于种子发芽。根据天气情况向坡面喷洒水,确保无纺布湿润,进一步保证种子萌发。当种子发芽后,生长到3~4 cm(约20 d)时可撤掉遮盖物。当植被覆盖整个坡面(种植后约60 d)时,进入正常养护阶段。

      从室内试验结果来看,在相同气候,相同养护条件下,采用干法种植的植被覆盖率在90%~95%,采用湿法种植的植被覆盖率在60%~70%。根据室内试验研究成果,示范工程现场采用干法种植技术。

    • 工程区内的岸坡土体大多是被破坏过的裸露土体,在边坡植被未成熟时期,裸露的土壤和草籽抵抗雨水冲刷的能力较弱。利用室内冲刷试验物理模型和降雨装置研究极端降雨条件下坡面冲刷过程,即80 mm/h的强降雨冲刷2 h条件下三维土工网垫护坡、遮阳网护坡与植被幼苗期护坡的坡面冲刷全过程,为现场示范应用提供参考依据。

    • 冲刷试验边坡为主体用粉砂土堆成的1∶2边坡,坡脚处放置阻挡坡体顺坡滑移的挡板。沿边墙填筑高度0.7 m的砂坡,降雨设备设置在砂坡上方1.5 m处,其喷洒范围为直径6 m的圆形,可覆盖整个边坡,且在试验过程中使用相同的降雨强度。试验装置如图1所示。

      图  1  粉砂土边坡冲刷试验装置

      Figure 1.  Erosion test device of silt soil slope

    • 三维土工网垫层是一种三维网状结构,由高强度平面网格和多层塑性凹凸网格组成,保留了90%以上的填充空间。在其中种植植被后,根系可穿过网孔,牢固结合三维土工网垫的表面、中间和网下土体,形成坚实的绿色复合保护层。

      依据标准GB/T18744—2002,三维土工网垫可根据网格层数分为4种型号:EM2,EM3,EM4和EM5。主要技术性能指标见表1

      表 1  三维土工网垫主要技术性能指标

      Table 1.  Main technical performance indexes of 3D geomat

      土工网垫型号材料单位面积质量/
      (g·m−2)
      厚度/mm宽度/m每卷长度/m适用
      坡度/°
      纵向抗拉强度/
      (kN·m−1
      横向抗拉强度/
      (kN·m−1
      适应温度
      范围/℃
      EM2LLDPE或者HDPE加0.5%~2.5%炭黑≥220≥101.0,1.5,2.030,40,50<300.80.8−50~80
      EM3≥260≥121.0,1.5,2.030,40,50<301.61.6
      EM4≥350≥141.0,1.5,2.030,40,5030~452.02.0
      EM5≥430≥161.0,1.5,2.030,40,50>453.23.2

      试验段边坡坡度介于20°~30°,EM2和EM3型号均适用,但是EM3型号的强度是EM2型号的2倍,且EM3型号网垫具有较厚的厚度,相比之下EM3型号的网垫质量更好,因此采用EM3型号的网垫。

    • 试验过程中坡面在80 mm/h的强降雨下持续冲刷2 h,图2为无覆盖层砂坡冲刷结果,图3~4为三维土工网垫护坡冲刷过程及冲刷深度,从冲刷过程可以看出,网孔中及网垫波谷间的土壤会受到冲刷,图4中坡面冲刷深度主要是指网垫正面沟槽中土壤的冲刷深度。由于网垫上覆土未经过压实,本身处于松散状态,很容易被雨水冲刷下来,所以利用网垫护坡的主要目的是保护网垫下层土壤及草籽免受雨水冲刷,通过图4可看出,在暴雨条件下,边坡只有坡脚处有轻微冲刷痕迹,且平均冲刷深度只有3 mm左右,相对于图2中未添加任何工程护坡材料的裸坡,三维土工网垫有效保护了边坡,能够保护植被正常生长至成熟阶段。图5为遮阳网护坡坡面冲刷深度,遮阳网网面孔隙细密,在暴雨冲刷条件下,沙土颗粒不易透过网面被水流冲刷带走,故其平均冲刷深度只有2.7 mm,略小于三维土工网垫的冲刷深度。图6~7是边坡上植被生长两个月后,经历自然降雨以及人工模拟降雨的冲刷过程与冲刷深度,冲刷深度从坡顶到坡脚逐渐增大,分析原因是径流从上到下逐渐增大,对砂坡的侵蚀逐渐加重。

      图  2  无覆盖层砂坡冲刷

      Figure 2.  Uncoverd sand slope erosion

      图  3  三维土工网垫坡面冲刷

      Figure 3.  3D geomat slope erosion

      图  4  三维土工网垫护坡坡面冲刷深度

      Figure 4.  Erosion depth of 3D geomat slope protection

      图  5  遮阳网护坡坡面冲刷深度

      Figure 5.  Erosion depth of sun-shade net slope protection

      图  6  植被护坡冲刷状态

      Figure 6.  Erosion state of vegetation slope protection

      图  7  植被幼苗期坡面冲刷深度

      Figure 7.  Erosion depth of vegetation slope protection

    • 黑龙江省同抚堤防背水坡岸坡土体为粉土或粉砂,抗冲刷能力较差。选择400 m长的堤防背水岸坡开展生态护坡技术现场试验研究,主要考虑3种生态护坡形式,即:直接与草籽拌和后种植(干法)、与三维土工网垫联合种植方案(加筋草皮)、直接与草籽拌和后种植+地表覆盖遮阳网方案(表面覆盖)。

    • 选择同抚堤防K20+000~K21+000段开展了砂土岸坡生态防护技术的现场示范应用。

      (1)三维土工网垫+植被护坡方案施工步骤:①坡面整理及开挖沟槽:坡顶与坡脚沟槽的开挖与坡面整理同时进行,并将网垫上下两端固定在沟槽中,以防止网垫沿斜坡滑下。②网垫铺设:将整个网垫放在斜坡顶部,用铆钉锚定在沟槽中,并填土压实,然后将网垫从坡面顶部铺放到坡脚沟槽处,用土填满沟槽并压实。③网垫锚固:在铺设网垫过程中,及时在既定锚固位置处进行锚定,铆钉可采用U型钢筋或小木桩。④播撒草籽:把预先混合的草籽撒在网垫中,播撒要求草籽均匀地散落在三维土工网垫的网孔中。⑤网垫覆土:三维土工网垫上的覆土需移除大石块及大块土壤,覆土以能自然散落到网孔中并填满孔隙为宜。⑥洒水养护:当网垫上覆土完成后,在植株成熟前,定期进行浇水,湿透种子上层覆土即可。施工完成如图8(a)所示。

      图  8  3种护坡方案施工完成图

      Figure 8.  Construction completion pictures of three slope protection schemes

      (2)遮阳网+植被护坡方案施工步骤:遮阳网施工步骤与三维土工网垫施工步骤及注意事项大体相同。唯一不同处是遮阳网比较薄,不需要覆土压盖,但遮阳网周边需要用土或其他便捷材料进行按压,防止大风将遮阳网卷起。施工完成如图8(b)所示。

      (3)当地植被护坡方案施工步骤:当地植被护坡方案中,坡面整理完毕后不需要开挖沟槽,直接在坡面上播撒草籽,播撒完草籽后少量浇水,以湿润表层土壤为宜,然后用钉耙将坡面上出现的脚印扫平,避免出现坑洼的脚印坑。养护措施同前两种方案一致。施工完成如图8(c)所示。

    • 自2017年4月至2017年9月的一个生长周期内,种植的植被长势良好,已在岸坡表面形成了较厚的植被保护层,厚度约有2~4 cm,能有效降低雨水对坡面的冲刷。图9(a)三维土工网垫+植被护坡方案中,植被与网垫结合紧密;图9(b)遮阳网+植被护坡方案中,由于遮阳网的孔隙比较细密,遮阳网被植被顶起,其后期的护坡效果类似于单纯植被护坡。各个护坡方案坡面表层土体含水率均在12%~13%,地下20 cm深度土体含水率均在17%~20%,3种护坡方式下土体含水率相差不大。

      图  9  改良生态护坡对比

      Figure 9.  Comparison of improved ecological slope protections

      2017年9月中下旬采用探坑法和钻孔剪切试验仪法对示范工程生态防护效果进行了现场检测,为之后生态防护技术的推广与应用提供详细的数据支持。在现场试验期间,坡面经历了多次强度不一的降雨,降雨结束后植被下的坡面基本保持干燥,由此可见,在降雨过程中,坡面的植被层在一定程度上减少了雨滴对坡面表层土壤的直接溅蚀,证实了植被对坡面的保护作用。

      (1)探坑法观察植被根系固土效果 为直观地分析现场植被根系加筋作用,采用探坑法观察植被根系发育情况。探坑深度大于50 cm,少数高羊茅根系深度超过50 cm,但大部分根系集中在地表以下20 cm左右,以细密的网状根系为主,该种根系能起到较好的加筋效果,由于细密的网状根系的缠绕作用,小块脱落的土体仍能紧密地悬挂在探坑坑壁表面。

      通过探坑试验观察示范段附近的当地植被根系,当地优势植被的根系以粗壮的主根为主,这种根系对粉砂土的加筋效果不明显,地表和探坑坑壁的土体均较为松散,稍微扰动就会出现垮塌。

      (2)现场原位试验 采用美国Iowa钻孔剪切试验仪对生态护坡示范工程进行现场土体强度试验。首先,采用大型取土器将表层土壤取土至50 cm以上的深度,取土完成后,在洞口安装剪切试验仪,并将剪切头下放至试验高度,加载初始固结压力并保持15 min,剩余各级压力各保持5 min,固结结束后,测定土体在每级法向压力作用下的抗剪强度,并根据各级强度绘制曲线,以获得土体的内摩擦角和黏聚力。

      示范工程堤防主要为人工填筑体,由于土料来源与施工方式的影响,其土料具有不均匀性特点。同时考虑根系分布的不均匀性,为了更好地反映现场土体特性,在每种区域都做了3次重复试验。在同一片试验区域中,不同试验点的数据有差异,其中尤以黏聚力最为突出,这反映了植被根系生长的不均匀性。为了更好地反映植被根系对土体力学性质的影响,将试验值进行了平均化处理,得到各个区块不同深度的平均内摩擦角和黏聚力的值,并绘制得到平均内摩擦角和黏聚力随土体深度的变化图(图10)。

      图  10  根系土力学性质随深度变化曲线

      Figure 10.  Curves of mechanical properties of root soils varying with depth

      图10所示,三维土工网垫+植被护坡与当地植被护坡相比,20 cm加固深度范围内土体的平均黏聚力增加了30%左右,分析原因是当地植被根系以粗壮的主根为主,对粉砂土的加筋效果不明显,而三维土工网垫+植被护坡中选用的植被根系以细密的网状根为主,其加筋效果较好,此结果与探坑法中的一致。遮阳网+植被护坡在表层10 cm内与三维土工网垫+植被护坡的平均黏聚力基本一致,但在20 cm处比其小了15%左右,因为遮阳网的孔隙比较细密,植株难于穿过孔隙正常生长,植被长势受到遮阳网的遏制,所以植被的长势和根系的发育不如三维土工网垫+植被护坡中的繁茂。植被对土体性质的影响区域主要集中在地面以下20 cm左右的深度,随着深度增加,植被根系对土体力学性质的影响逐渐降低。由图10可见,护坡方式与土体深度对内摩擦角的影响无明显规律,根系作用主要表现为增加了土体的黏聚力。

    • 通过室内试验和现场试验,研究了纯植被护坡、遮阳网+植被护坡和三维土工网垫+植被护坡等3种护坡方案的加固效果,得到了如下结论:

      (1)植被护坡可有效地减少雨滴在坡面上的直接溅蚀,靠植被根系浅根的加筋、深根的锚固以及根茎间缠绕作用来加固边坡、增加坡面土体的黏聚力,但在植被发芽生长初期对边坡没有防护能力,易受降雨侵蚀。

      (2)遮阳网覆盖方案中,遮阳网仅在植被生长早期实现了对土体的防护,随着植被生长,遮阳网逐渐被顶起而覆盖在植被表层,对土体的防护效果大大减小,其后期防护效果类似单纯植被护坡。

      (3)三维土工网垫在植被护坡初期能够为岸坡提供较好的防护,避免网垫下坡体和草籽受到雨水的直接冲刷,有效地阻碍了坡面径流的产生,能够保护植被正常生长至成熟阶段,起到了在植被具有抗冲刷能力前的保护边坡的替代作用,植被成熟后,植被与网垫之间结合紧密,根系发挥了铆钉的作用,将三维土工网垫牢牢固定在岸坡上,形成了坚固的绿色复合保护层,整体加固效果非常好。

      堤防示范工程生态防护实例,进一步验证了改良砂性土三维土工网垫+植被护坡的生态防护方案的可行性、有效性,为研究区及类似地区河流岸坡生态型护岸结构的应用提供借鉴。

参考文献 (15)

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