水库消落带新型护岸结构性能研究

田 鹏，付旭辉，唐定丹，赵 航

(重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

自三峡库区建立以来，水库水位周期性涨落导致周边土质岸坡严重侵蚀、引起水土流失，植物种类减少及数量降低而引发岸坡失稳坍塌。如俄罗斯的伏尔加河、美国的哥伦比亚河都曾经发生过严重的岸坡失稳现象。许多国内外学者对岸坡问题进行了相关研究，Grissinger[1]等对密西西比北部地区的河岸失稳现象进行了分析，认为河岸的失稳不仅与水位涨落相关，而且也受到土体自身容重的影响。Fredlund[2]等通过将瞬态渗流分析同边坡稳定性分析相结合，基于极限平衡法，研究水位陡降时的边坡稳定性。孙冬梅[3]等对库水位下降时某土质岸坡非稳定渗流进行了研究，认为孔隙气压力对边坡的稳定十分不利。张幸农[4]等在试验室中建立了概化坡体模型，定量研究了水位差、水流冲刷和坡度等要素对河岸崩塌的影响。由于岸坡土壤侵蚀，沿岸的建筑物、道路等遭到严重破坏；岸坡土体大量滑入航道当中，不仅危害了通航船舶的航行安全，而且会造成航道的淤浅，故急需对岸坡进行防护处理。

我国现阶段护岸结构主要分为两大类，一是传统护坡，二是新型护坡。传统护坡通常采用混凝土、水泥、石料等，在形式上主要有：干砌石护坡、浆砌石护坡、石笼网护坡、混凝土板护坡[5-6]等多种类型。这类结构阻隔了水体与坡岸的物质交换，植物生长空间受到压缩，不利于生态环境。传统护坡的单一满足工程标准已经不能实现可持续发展的生态需要。所以国内呈现了新型的护坡型生态护坡结构，如三维土工网垫、土工格室护坡、串珠式柔性生态护坡构件、雷诺护垫、植被混凝土护坡[7-8]等，但该类结构复杂，存在施工繁琐，植被覆盖率较低，成本较高等缺点。特拉锚垫技术是一种新型的水库消落带生态修复技术，具有抗侵蚀性能好，植物覆盖率高，且具施工简单、经久耐用、维护成本低廉等优点。所以通过室内外试验对其防护性能进行研究，以便为治理岸坡提供技术支撑。

1 特拉锚垫结构

特拉锚垫结构是重庆交通大学联合中交三航(重庆)生态修复研究院有限公司、重庆诺为生态环境工程有限公司共同研发的生态护坡新结构，将植被措施与工程措施有机结合，适用于江河湖泊生态岸坡和库区消落带的生态修复。

特拉锚垫结构是由植物增强垫+反滤层(或复合海绵层)+特拉锚三部分构成(见图1～2)，用特拉锚将植物增强垫和反滤层固定在坡面上，在增强垫与反滤层之间形成草本植物层，营造生态河道的植被岸坡。该技术适用于坡体结构稳定的土质或者硬质岸坡，尤其是水位变化区间内的消落带。

图1 特拉锚垫系统结构示意

图2 特拉锚垫实物示意

2 特拉锚垫性能测试与水槽试验

在室外测试锚索、锚垫的抗拉拔力，测试其物理力学指标，以获得岸坡在锚垫不同工况设计方法下的最佳的锚固强度、方式以保证岸坡稳定性。反滤层是由复合土工膜组成，具有长期透水不淤堵的性能，极大程度保证了岸坡土壤稳定减少冲刷，由于其不承受力，所以室外只试验锚索和草皮垫。根据最佳锚固方式，室内做水槽试验研究水位涨落下岸坡在防护结构下的坡体水土流失情况。

2.1 特拉锚索和草皮垫性能测试

2.1.1锚索深度测试

室外用拉拔仪测试锚索嵌入深度与抗拉力之间的关系，锚索长为1.3 m，分别用拉拔仪测试嵌入深度为0.8 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m的抗拉力(见表1)，拟合5组数据，得出最终拟合值(见图3所示)。

表1 各工况下锚索索拉拔力 kN

图3 特拉锚索拟合曲线示意

根据图3可知，锚索抗拉拔力范围在4.3～4.7 kN之间，锚索嵌入深度为0.8～1 m时，拟合斜率较大，抗拉拔力变化范围较大，分析原因可能存在坡体各部分干湿程度不一致，导致抗拉拔力有较大变化，当锚索深度为1.0～1.3 m时，变化值范围较小，锚索更趋于稳定，为了施工方便且预留一定锚索在坡外，所以锚索最佳嵌入深度为1.2 m。

2.1.2草皮增强垫抗拉力测试

用测力计对草皮增强垫进行拉拔力测试，与坡面平行并沿着坡面向下测试，测试结果见表2，测试现场见图4～5，由此可知为保证锚垫的正常工作，锚垫承受的最大拉拔力为1.78 kN，锚垫抗撕裂性能较好。

表2 草皮增强垫抗撕裂力 kN

图4 草皮抗撕裂测试示意

图5 草皮撕裂情况示意

2.2 水槽试验

2.2.1试验模型设计

室内做水槽试验，使用室外试验相同的土样，按严格模型比尺做一个1:2比例的岸坡，布置特拉锚垫段和裸土段，分析岸坡在坡前水位涨落作用下岸坡的稳定性。图6、图7分别是室内水槽的平面示意和剖面示意，图8(a)(b)分别为特拉锚垫和裸土段的整体布置，实验前在各自坡面上设置若干观测针。布置具体方案如下：水槽试验段共布置为8 m，其中特拉锚垫和裸土段各为4 m，两端设置高为0.9 m的围墙，靠近裸土段一侧围墙底部设置阀门，以便模拟三峡水库水位的涨落速率。用数码摄像机不间断的录像，以便实时观测坡前水位涨落、水土流失及观测针位移情况。

图6 室内水槽设计平面示意

图7 室内水槽剖面示意

(a)

2.2.2数据统计及分析

水位涨落4个周期后进行数据统计，分析特拉锚垫段和裸土段观测点的位移情况，同时测量水土流失情况，水土流失测量方法一般有2种，分为针测法和称重法。由于实验水槽较大称重法较为繁琐，故此处使用针测法，针测法是一种定性的分析方法，原理是观测针与坡表面试验前处于同一高层，试验后测量每一个针表面与坡面的高差，取一较小矩形区域进行估算累加，便得到岸坡水土流失的估算值。此次水槽试验采用针测法进行观测，图9～10为水位涨落4个周期后水土流失情况。

从图9～10可知，在水位涨落情况下裸土段和特拉锚垫段水土流失情况有很大差异，观测针的位移量也有所区别：

图9 特拉锚垫水位涨落后观测针示意

① 水槽试验结果表明：岸坡特拉锚垫段和裸土段位移变化量均较小，裸土段更明显一点，有防护结构特拉锚垫段的观测针位移量对比裸土段较小，原因在于经过4个周期的水位涨落，裸土段坡面土壤侵蚀较为严重，观测针位移影响较大，而特拉锚垫固土效果较好，位移量较小。

② 岸坡裸土段的水土流失较为严重，在水位涨落条件下，表面观测针露出总长度为1/5，对水土侵蚀部分进行累计，可得裸土段土体流失率达20%，特拉锚垫土体流失率不到8%。说明特拉锚垫对岸坡水土流失具有很好的防护性，较为稳定。

图10 裸土段水位涨落后观测针示意

3 结语

本文通过室外试验和水槽试验分析了特拉锚垫力学性能以及特拉锚垫对岸坡水土流失的防护效果，室内使用观测针进行计算岸坡的水土侵蚀量并分析岸坡的稳定性，得到以下结论：

1)在室外现场防护结构性能测试下，锚索的最佳嵌入深度为1.2 m，锚垫的抗撕裂力为1.78 kN。

2)室内水槽试验表明：岸坡经4个周期水位涨落后，水土流失现象不明显，更多的是坡体局部有细微的位移变化，但有特拉锚垫防护结构一侧，观测钉位移量更小。

3)室内水槽试验发现，在坡面水位涨落作用下，裸土段水土流失接近于20%的量，而特拉锚垫段只有不到8%的量，说明特拉锚垫对于岸坡在水位涨落作用下对岸坡稳定性和水土流失具有较好的稳定和防护效果。

因此，在三峡库区或长江流域等，可以运用特拉锚垫生态修复技术进行岸坡防护以减少水土流失。另外后期可在特拉锚垫上铺洒草籽，生长的植被与锚垫形成一体，不仅能提高岸坡的整体稳定性，也可改善流域的景观性、维持良好的生态环境、保护航道尺度。有利于长江生态文明的建设发展。