蜂巢約束系統抗沖刷性能試驗研究

孫小沛，韓 沖，周曉平，劉少斌

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

以往的河道整治建設工程中，多采用漿砌塊石、現澆混凝土擋墻等硬質材料進行傳統護岸，在滿足岸坡穩定和防洪安全等要求的情況下，忽略了河流的生態功能。

近年來，隨著國家對環境保護意識的逐漸增強，生態駁岸在河道整治工程中得到了越來越廣泛的應用[1-2]。生態駁岸在設計時，需要考慮岸坡安全穩定、生態、保護、綠化景觀打造等多樣化的要求。生態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、植物的相互聯系，力求達到不破壞水土自適應通道，使護岸材料天然化、投資合理化。蜂巢約束系統作為新興土工合成材料，具有透水、保土、固土、改善負載性能等優點。但因蜂巢格室的抗沖刷特性尚未得到充分驗證，還未在生態駁岸工程中得到廣泛的推廣應用[3-4]。

本文結合影響蜂巢約束系統抗沖刷性能的主要因素，進行生態駁岸抗沖刷模型試驗，觀察蜂巢約束系統盤的損壞程度，分析各因素對蜂巢約束系統抗沖刷性的影響規律，為蜂巢約束系統在水環境治理工程的廣泛推廣應用提供技術支撐。

1 試驗模型和方法

1.1 試驗控制因素

本次針對影響蜂巢約束系統抗沖刷特性的蜂巢約束系統中草皮狀態、填料級配、生態駁岸坡比3類因素進行重點研究。

(1) 草皮狀態

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行研究。有草皮情況下，培養了2月齡草皮和6月齡草皮進行模擬試驗。

試驗時，選取草籽高羊茅與黑麥草進行種植，在預先制作的試驗段中培育草皮。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。當填充料全部采用植被土時，其抗沖能力較弱，但有利于草皮生長；而當碎石較多時，其抗沖能力增強，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中填入植被土與碎石的混合料，實際試驗時確定3種不同配比的填充料進行模擬試驗，填充料級配詳見表1。

表1 填充料配比表

(3) 坡 比

常規的生態駁岸坡比即實際中為護岸邊坡。通常情況下，護岸邊坡越緩，越有利于邊坡穩定。本次研究中，針對常見1∶3和1∶2兩種岸坡坡度進行模擬試驗，分析護岸坡度對抗沖流速的影響。

1.2 邊界條件

(1) 模型比尺

(2) 模型護岸型式

本次研究的生態駁岸在斷面型式上可應用于斜坡式人工護岸、復合式人工護岸。為了便于沖刷流速的控制，在模型設計時，護岸平面布置采用直線型。

(3) 模型沖刷流速

本次模型試驗結合抗沖刷影響因素，通過判斷不同沖刷流速情況下蜂巢約束系統的損壞程度，分析其抗沖刷性能。考慮到常規的草皮護坡抗沖流速在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為本次試驗沖刷流速。

1.3 模型構建

本次研究試驗模型共分為3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、進水管及鋼板水箱，主要為試驗提供足夠的流量，控制試驗流速。泄水裝置主要包括有壓段、過渡段、試驗段及泄槽尾部，是試驗的核心部分，用來控制水流流態，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，目的是循環利用試驗用水，節約水資源，試驗模型布置如圖1所示。

圖1 試驗模型布置圖

在本試驗中模擬流速較高，對上游庫水位要求較高，因此,模型試驗利用鋼板水箱作為上游水庫。試驗時水流由水泵進入壓力管道，由鋼板水箱進水閥進入鋼板水箱內，然后由泄槽的有壓進口進入泄槽內，完成沖刷后進入下游回水池，經過退水系統后，進入匯水池，經水泵加壓后循環利用，鋼板水箱在水位穩定后成為具有一定高度的水庫，為試驗提供穩定的來流。

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

圖2 泄槽斷面示意圖 單位：cm

1.4 試驗工況

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

表2 試驗工況表

2 結果分析

2.1 草皮對抗沖刷性影響規律

本次針對無草皮、2月齡草皮、6月齡草皮進行模擬試驗，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時模擬試驗結果見圖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，蜂巢系統結構遭到破壞；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，蜂巢約束系統遭到明顯破壞；而對比6月齡草皮，蜂巢系統中草皮稍有傾倒，但結構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。

通過本次有無草皮蜂巢約束系統抗沖刷性能試驗模擬分析可知，隨著草皮月齡的增長，邊坡抗沖刷性逐漸增強，有無草皮蜂巢約束系統抗沖刷性變化規律見圖4。在無草皮覆蓋時，蜂格約束系統的抗沖流速小于1 m/s，抗沖性能十分脆弱，不建議在工程實際中應用。草皮齡期對蜂格約束系統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3 m/s，6個月齡期草皮抗沖流速可達到4 m/s。

圖4 有無草皮蜂巢約束系統抗沖刷性變化規律圖

蜂巢約束系統中草皮一方面通過根系在土中盤根錯節，使土體成為土與草根的復合材料，具有加筋作用;另一方面通過吸收和蒸騰坡體內水分，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，蜂巢約束系統穩定性越高，抗沖刷性能越強。

2.2 填料對抗沖刷性影響規律

本次針對填料1、填料2、填料3進行模擬試驗，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，不同填料對應的蜂巢約束抗沖性能不同，在填料1工況中，蜂巢約束系統在3 m/s的沖刷流速下遭到破壞，而填料2及填料3工況中，蜂巢約束系統在4 m/s的沖刷流速下結構性及功能仍無明顯破壞，最大抗沖流速可達5 m/s。填料2及填料3工況下，蜂巢約束系統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抗沖刷性能試驗模擬分析可知，隨著填料中碎石含量的增加，邊坡抗沖刷性逐漸增強，抗沖刷性隨填料變化規律如圖6所示。蜂格約束系統在填料1工況下抗沖流速介于3～4 m/s；蜂格約束系統在填料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 蜂巢約束系統抗沖刷性隨填料變化規律圖

在蜂巢約束系統植被土中加入碎石，增大了填料中土壤團聚體的含量，碎石比植被土中團聚體更加穩定，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，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，對護岸填料的保護作用減小，草皮根系生長較差，對填料的裹挾作用減弱。

由試驗對比分析可知，在蜂巢約束系統需綜合考慮草皮的可種植性及系統的抗沖刷性，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，蜂巢約束系統抗沖刷性越強。

2.3 坡比對抗沖刷性影響規律

本次針對1∶2、1∶3兩種坡比進行模擬試驗，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時的試驗結果如圖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，試驗測得1∶2或1∶3的護岸坡度對蜂格約束系統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∶3兩種河道護岸坡比均相對較緩，邊坡穩定性較好，因此，蜂巢約束系統抗沖刷性基本無明顯差別。

3 結 論

蜂巢約束系統抗沖刷性影響因素較多，本研究結合試驗模型研究了各因素對蜂巢系統抗沖刷性的影響規律，結論如下：

(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。

(2) 蜂巢系統填料中碎石含量越高，其抗沖刷性能越強，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，護岸坡度對蜂格約束系統的抗沖流速影響較小。

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