新型生態(tài)擋墻抗沖穩(wěn)定試驗(yàn)

李晟鈺，陳池威，陳德鋼，曾顯迪，蘇 燕，謝秀棟

(1.福州大學(xué) 海洋學(xué)院，福建 福州 350000；2.福州大學(xué) 土木學(xué)院，福建 福州 350000)

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新型生態(tài)擋墻抗沖穩(wěn)定試驗(yàn)

李晟鈺1，陳池威1，陳德鋼1，曾顯迪1，蘇 燕2，謝秀棟2

(1.福州大學(xué) 海洋學(xué)院，福建 福州 350000；2.福州大學(xué) 土木學(xué)院，福建 福州 350000)

摘要：指出了在生態(tài)環(huán)保、節(jié)能降耗日漸成為趨勢的新時(shí)期，各類新型生態(tài)擋土墻都得到了不同程度的應(yīng)用。探究了不同填土性質(zhì)、不同水流速度下新型生態(tài)擋墻的抗沖穩(wěn)定性，分析了生態(tài)擋墻的水毀機(jī)理，探討了新型生態(tài)擋墻的生態(tài)特點(diǎn)及適用范圍，以期為合理設(shè)計(jì)該類生態(tài)擋土墻提供科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：新型生態(tài)擋墻；生態(tài)孔植草；砌塊；沖刷

1引言

我國城市建設(shè)發(fā)展的過程當(dāng)中，由于地形、水流等原因出現(xiàn)了大量的擋土墻。一般的擋土墻只是在滿足固土、防滑坡的基礎(chǔ)上做了簡單的處理，不僅影響城市景觀，還存在一定的安全隱患。在城市發(fā)展日益受到關(guān)注的今天，人們對城市生態(tài)建設(shè)的要求越來越高，生態(tài)保護(hù)、資源的持續(xù)利用已經(jīng)漸漸成為工程建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要求擋土墻不僅具備功能上的生態(tài)性，還追求擋土墻的景觀性，既要很好地排水、又要很好地保土，既要安全可靠、又要形成生態(tài)化結(jié)構(gòu)。在河流整治工程中，新型生態(tài)擋墻技術(shù)利用新型砌塊、生態(tài)孔同時(shí)解決了擋土排水、 安全可靠和生態(tài)需要等問題，與傳統(tǒng)擋墻相比，具有整體連鎖、施工簡便、減少占地、節(jié)省投資等諸多優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用在建設(shè)、水利、市政等部門的各種擋土建筑，如河道擋墻、湖泊護(hù)岸、生態(tài)護(hù)坡等。

新型生態(tài)擋墻是一種新型的建筑材料和施工技術(shù)，它與墻后的保護(hù)巖體(土體)、回填材料(粘土、砂土、砼支護(hù)、土工格柵、錨桿等)等組成一個(gè)復(fù)雜的多材料、多種組合的擋墻保護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性直接影響到保護(hù)工程的綜合效果。為了解新型生態(tài)擋墻的抗沖穩(wěn)定性能，我們在水流作用下對新型生態(tài)擋墻進(jìn)行了一系列的抗沖流速試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究、分析。

本項(xiàng)目主要采用室內(nèi)仿真技術(shù)和理論分析的方法開展研究，按照生態(tài)擋墻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，模型比尺 1∶4，擋墻包括砌塊、擋墻砌塊后回填砂土、粘土、碎石和混合土等，在不同流速條件下，觀測生態(tài)擋墻處的水流流態(tài)變化、水流與擋墻結(jié)構(gòu)的綜合作用以及擋墻砌塊內(nèi)部土顆粒的起動情況等，從而明確新型生態(tài)擋墻砌塊內(nèi)土體的起動流速、擋墻砌塊的抗沖流速及破壞位置和型態(tài)。該試驗(yàn)對新型生態(tài)擋墻的推廣和應(yīng)用具有重要的意義。研究成果可為今后合理設(shè)計(jì)該類生態(tài)擋土墻提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2模型設(shè)計(jì)

2.1水力模型試驗(yàn)

通過物理模型進(jìn)行水力模型試驗(yàn)，揭示水流運(yùn)動規(guī)律和解決工程實(shí)際問題是實(shí)際工作中的常用手段(圖1)。水力模型試驗(yàn)是將原型實(shí)物按照相似原理縮制為模型，在模型中預(yù)演或重演與原型相似的自然現(xiàn)象并進(jìn)行觀測，然后將觀測結(jié)果再按相似原理還原于原型并作出判斷。

圖1　河道模型試驗(yàn)段

2.2模型比尺及模型材料

本試驗(yàn)按相似原理要求，幾何比尺選定為λ=4，砌塊容重27.1kN/m3，采用石膏作為膠凝劑配合其他材料，澆筑制成砌塊。砌塊模具采用PVC材質(zhì)板制作，PVC板經(jīng)由電子割板機(jī)(圖2)切割后拼接而成，精度±0.01 mm。

圖2　電子割板機(jī)

2.3模具制作

制作砌塊時(shí)，首先將模具放置于有機(jī)玻璃片之上，用夾具夾緊兩端。而后將稱量好，攪拌均勻的重晶石粉、石膏、水的混合原料倒入模具內(nèi)，澆筑過程中持續(xù)攪拌，以防止出現(xiàn)由原料凝結(jié)過快而導(dǎo)致的砌塊不均勻現(xiàn)象。原料倒入之后，搗實(shí)，抹平表面，靜置約 30 min后，待石膏模型達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行拆模。最后將成批的砌塊放入烤箱中烘干后，在其表面涂抹玻璃膠，以滿足阻力相似要求。

擋墻模具及模型成品如圖3和圖4所示。

圖3　擋墻模具

圖 4　擋墻模型砌塊成品

3新型生態(tài)擋墻抗沖穩(wěn)定試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要考慮填土性質(zhì)、流速、過流歷時(shí)等因素，采用以下3種回填材料。

①粘土(II)； ②粘土(Ⅶ，生態(tài)孔內(nèi)填碎石)； ③粘土(Ⅷ，生態(tài)孔植草)。

3.1試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1粘土填料生態(tài)擋墻抗沖能力

當(dāng)生態(tài)擋墻后填土采用粘土?xí)r，通過設(shè)置不同河道流速，觀察在不同流速條件下生態(tài)孔內(nèi)水流流態(tài)變化、生態(tài)孔內(nèi)及墻后粘土顆粒的起動情況，明確了生態(tài)擋墻回填粘土的抗沖流速及破壞位置和型態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

(1) 當(dāng)河道流速為1.2～1.4 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后觀察到生態(tài)孔水流平穩(wěn)，過流歷時(shí) 2 h，其間未見明顯顆粒起動，墻后回填土完好。

(2) 當(dāng)河道流速為1.9～2.1 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后觀察到生態(tài)孔水流發(fā)生小幅度平緩波動，過流歷時(shí) 10 min起，在水位波動處生態(tài)孔內(nèi)可間歇觀察到少量粘土顆粒起動，過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 2 cm 的貫穿通道,見圖5(a)。

(3) 當(dāng)河道流速升為2.4～2.6 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察到生態(tài)孔內(nèi)水位波動較為劇烈，粘土顆粒持續(xù)性流出，過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 15 cm 的貫穿通道,見圖5(b)。

(4)當(dāng)河道流速升為3.4～3.6m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察生態(tài)孔內(nèi)水流不僅波動頻率加劇，而且呈強(qiáng)烈紊流，墻后填土大量涌出，形成明顯淘刷,見圖5(c)。

圖5　粘土填料生態(tài)擋墻在不同流速下水流形態(tài)及粘土顆粒流出情況

過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 28 cm 的貫穿通道。由此可見，當(dāng)生態(tài)擋墻墻后回填粘土，河道流速>2.0m/s 時(shí)，均出現(xiàn)不同程度的貫穿性通道，且該通道僅出現(xiàn)在水流波動處，該方案抗沖流速為 1.3m/s，應(yīng)用受限，雖然偶見擋墻后填土已掏空，擋墻砌塊仍可能暫時(shí)穩(wěn)定，但由于墻后回填土極易形成貫穿性通道且不易在擋墻外部觀察到，故從保留足夠安全余幅的角度考慮，建議不宜在生態(tài)擋墻后直接回填粘土。

3.1.2粘土填料+生態(tài)孔填碎石生態(tài)擋墻抗沖能力

當(dāng)生態(tài)擋墻后填土采用粘土填料+生態(tài)孔填碎石時(shí)，通過設(shè)置不同河道流速，觀察在不同流速條件下生態(tài)孔內(nèi)水流流態(tài)變化、生態(tài)孔內(nèi)及墻后顆粒的起動情況，明確了生態(tài)擋墻回填粘土填料+生態(tài)孔填碎石的抗沖流速及破壞位置和型態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

(1) 當(dāng)河道流速為2.9～3.1 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察生態(tài)孔內(nèi)水流波動頻率較高，粘土顆粒持續(xù)性流出，形成較明顯淘刷，見圖6(a)。過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 15 cm 的貫穿通道，見圖7(a)，生態(tài)孔內(nèi)碎石完好，見圖7(b)。

(2)當(dāng)河道流速降為2.4～2.6 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察到生態(tài)孔內(nèi)水位波動較為劇烈，粘土顆粒持續(xù)性流出，見圖6(b)，過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 10 cm 的貫穿通道。

(3)當(dāng)河道流速降為1.9～2.1 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后觀察到生態(tài)孔水流發(fā)生小幅度平緩波動，過流歷時(shí) 5 min起，在水位波動處生態(tài)孔內(nèi)可間歇觀察到少量細(xì)顆粒起動，見圖6(c)，過流歷時(shí) 2 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 2 cm 的貫穿通道。

圖6　粘土填料+生態(tài)孔填碎石生態(tài)擋墻不同流速下水流形態(tài)及細(xì)顆粒流出情況

(4) 當(dāng)河道流速為1.3～1.5 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后觀察到生態(tài)孔水流平穩(wěn)，過流歷時(shí) 2 h，其間未見明顯顆粒起動，墻后回填土完好(圖7)。

圖7　墻后回填粘土、生態(tài)孔填碎石沖刷后型態(tài)

由圖7可見，該方案抗沖流速為 1.4 m/s，說明擋墻后回填粘土，僅在生態(tài)孔內(nèi)回填碎石，由于在墻后仍形成一貫穿性的通道，對提高生態(tài)擋墻的抗沖流速是有限的，因此應(yīng)用受限。

3.1.3粘土填料+生態(tài)孔植草生態(tài)擋墻抗沖能力

當(dāng)生態(tài)擋墻后填土采用粘土填料+生態(tài)孔植草時(shí)，通過設(shè)置不同河道流速，觀察在不同流速條件下生態(tài)孔內(nèi)水流流態(tài)變化、生態(tài)孔內(nèi)及墻后顆粒的起動情況，明確了生態(tài)擋墻回填粘土填料+生態(tài)孔植草的抗沖流速及破壞位置和型態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)當(dāng)河道流速為4.8～5.2 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察生態(tài)孔內(nèi)十分劇烈，而且呈強(qiáng)烈紊流，細(xì)顆粒持續(xù)性流出，形成明顯淘刷，見圖8(a)。過流歷時(shí) 8 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 13 cm 的貫穿通道。

(2)當(dāng)河道流速降為3.8～4.2 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后即觀察到生態(tài)孔內(nèi)水位波動劇烈，形成較明顯淘刷，見圖8(b)，過流歷時(shí) 8 h后，墻后回填土在水流波動處形成一條深度約 8 cm 的貫穿通道。

(3)當(dāng)河道流速降為2.9～3.1 m/s時(shí)，流速穩(wěn)定后觀察到生態(tài)孔內(nèi)水流波動頻率較高，但未見顆粒流出，過流歷時(shí) 5 分鐘起，在水位波動處生態(tài)孔內(nèi)可間歇觀察到少量細(xì)顆粒起動，見圖8(c)，過流歷時(shí) 8 h后，墻后回填土保存較好。由此可見，該方案抗沖流速為 3.0 m/s，較僅在生態(tài)孔內(nèi)填碎石方案抗沖流速有所提高，但是由于試驗(yàn)時(shí)間所限，植草未能有效發(fā)揮固土作用，該方案抗沖流速有待進(jìn)一步研究。

圖8　粘土填料+生態(tài)孔植草生態(tài)擋墻在不同流速下水流形態(tài)及細(xì)顆粒流出情況

3.2生態(tài)擋墻水毀機(jī)理

(1)當(dāng)河道流速較小時(shí)，水流在擋墻砌塊位置向生態(tài)孔內(nèi)的繞流不明顯，孔內(nèi)發(fā)生小幅度平緩波動，孔內(nèi)填土浸水，土體抗剪強(qiáng)度降低，水流波動拖曳力破壞了粘土顆粒的受力平衡，導(dǎo)致少量粘土顆粒松動，松動的粘土顆粒隨著向下的水流波動流出，被帶出的粘土顆粒隨過流歷時(shí)增長而增加，形成墻后粘土由生態(tài)孔中間向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展的通道。

(2)當(dāng)河道流速增加至一定程度，水流在擋墻砌塊位置向生態(tài)孔內(nèi)的繞流增強(qiáng)，孔內(nèi)水面波動的頻率急劇加快，水流的紊動強(qiáng)度增強(qiáng)，形成強(qiáng)烈紊流，伴隨著環(huán)流、斜切流和橫流。這些水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大水流拖曳力，破壞了墻后粘土的受力平衡，導(dǎo)致粘土崩解，迅速地被淘刷，形成更深的貫穿性通道，淘刷范圍的增大導(dǎo)致墻后粘土坍塌體積增大，坍塌土體的慣性又造成小沖擊波，引起墻后水流更強(qiáng)烈的紊動，造成墻后土體開裂和不斷崩塌，通道不斷往內(nèi)部楔入直至破壞。

(3)不同流速下，過流歷時(shí) 2 h后墻后土體均出現(xiàn)不同程度的貫穿性通道，且該通道僅出現(xiàn)在水流波動處。

4總結(jié)與討論

針對新型生態(tài)擋墻，我們主要考慮回填土的類型，通過設(shè)置不同河道流速，觀察在不同流速條件下生態(tài)孔內(nèi)水流六臺變化、生態(tài)孔內(nèi)及墻后填料的啟動情況，明確了不同類型生態(tài)擋墻的抗沖流速及破壞位置和形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯于表1。

表1　不同類型生態(tài)擋墻的抗沖流速

由表1可知，粘土填料擋墻、填土填料+生態(tài)孔填碎石生態(tài)擋墻的抗沖流速均小于1.5 m/s，使用流速較小，破壞位置均出現(xiàn)在水位波動處，破壞型態(tài)均為貫穿通道，因此，應(yīng)用受限。粘土填料+生態(tài)孔植草生態(tài)擋墻抗沖流速小于 2.9～3.1 m/s，較生態(tài)孔填碎石方案抗沖流速有所提高，但是由于試驗(yàn)時(shí)間所限，植草未能有效發(fā)揮固土作用，該方案抗沖流速有待進(jìn)一步研究。故不論是從安全角度還是生態(tài)角度考慮，建議在順直河道處，采用混合土(碎石+粘土)+植草的方案。

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收稿日期：2016-04-12

基金項(xiàng)目：福州大學(xué)本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(編號：21168)

作者簡介：李晟鈺(1995—)，女，福州大學(xué)海洋學(xué)院大學(xué)生。

通訊作者：蘇燕(1973—)，女，副教授，博士，主要從事水利港工相關(guān)的教學(xué)與科研工作。

中圖分類號：TU59

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0210-03