基于土釘支護技術的河道整治工程試驗研究

周文帥，石慧芳

（臨邑縣水利局，山東 臨邑 251500）

1 引言

河岸邊坡水土流失不僅會直接造成土地耕地資源減少，而且還會使河床抬高、河道淤積，一旦遇到暴雨天氣很容易發生洪澇災害，因此，有必要對河岸邊坡水土流失治理技術進行研究[1]。

當前，常用的河道治理技術主要包括兩類：生態治理和工程治理。王立志[2]以松花江流域防洪體系的胖頭泡蓄滯洪區為研究對象，基于現場觀察結果，得出布置生態水土流失的防治措施能夠有效控制區域水土流失，達到改善生態環境的目的。楊翠華[3]將工程措施、植物措施與臨時措施相結合，設計了一套完整的水土流失防治體系綜合防護體并將其應用河道治理中，取得了較好的應用效果。李慶[4]等以臨湘市源潭河流域綜合治理中的護岸工程為背景，探討分析了雷諾格賓護岸在河道治理中的應用效果，認為該型護坡結構具有整體性好、反濾性要求低、易于施工等優點，可在河道治理工程中推廣應用。生態治理措施雖然效果較好，對環境有利，但存在耗時長、難以在短期內取得較好的成效[5-7]等缺點，而傳統的坡面硬化工程治理措施又不利于河流生態環境，因此有必要在傳統河道治理措施之外，設計新的治理技術，因地制宜進行整治施工，才能發揮最佳的工程效益。

本文依托于山東省德州市三分干的河岸邊坡治理工程，室內設置不同土釘間距和坡度條件下的水土流失模型試驗，深入研究土釘護坡技術在河岸水土保持工作中的應用。

2 工程背景

本文依托山東省德州市臨邑縣今冬明春縣級水利工程，擬治理三分干全長30.2 km，流域面積148.9 km2。區域地表主要覆蓋土層為填土和粉質粘土，層厚在0.5 m～2.5 m 之間，可塑性較強，遇水易變形、垮塌；受工業及農業施肥等影響，地表土壤中富營養污染元素成分含量較大。由于區域工業發展以及農業開墾導致植被覆蓋面積下降，造成河道出現嚴重的水土流失問題，特別是支流中間河道段由于建筑取土及林業砍伐等問題，導致河道右側出現大范圍的土崩解塌方，并引發大面積松散土流入河道，嚴重危害河流水質、生態平衡及區域用水安全，河道水土流失問題急需治理。

3 試驗方案

土壤流失模型試驗設備見圖1。該土壤流失模型試驗設備主要由水箱、沉沙池、模型邊坡、水泵以及PVC 管等組成。試驗共設計4 個不同邊坡坡度（30°、40°、50°及60°）以及3 個不同土釘間距（5 cm、10 cm 及15 cm）條件下的水土流失模型試驗，其中，土釘的長度為20 cm。此外，為對比有土釘護坡與無土釘條件下的土壤控制效果，本次研究還設計了無土釘護坡組作為對比試驗組，同時也涉及上述四個不同坡度條件下的土壤流失模型試驗。試驗的主要步驟如下所述：（1）準備基本材料和制備試驗模型；（2）制備松散土干燥后構筑為不同坡度的邊坡；（3）開水泵模擬水力沖刷過程，每10 min 替換沉砂池并對原箱中的松散土干燥后沉重，計算不同試驗時間內土壤流失質量。

圖1 土壤流失模型試驗設備圖

試驗模型見圖2，通過改變坡度或土釘間距后，重復上述過程直至試驗結束。

圖2 護坡土釘結構示意圖

4 試驗結果分析

4.1 約束影響分析

圖3 為有（土釘間距15 cm）、無護坡土釘條件下土壤流失量隨時間變化關系，由圖3 可知，隨著土壤流失模型試驗中水分的不斷流入，土壤流失量逐漸增大，且各個坡度、有無土釘條件下其變化趨勢基本保持一致，這表明在水力的沖刷作用下，土壤確實會發生明顯的流失現象。進一步對比有、無護坡土釘條件下土壤流失情況，在無土釘條件下，以坡度為30°為例，當試驗進行到60 min 時，有護坡土釘條件下的總土壤流失量為22.69 g，而無護坡土釘條件下的總土壤流失量為130.88 g，土壤流失量是有土釘條件下的5.77 倍；其他坡度條件下有土釘護坡技術條件下水土流失量分別相對降低65.21%、67.35%和75.13%。由此可見，土釘護坡有效降低了河岸邊坡土的流失，其對河道邊坡土壤流失控制具有非常顯著的效果。分析認為，護坡土釘對邊坡土不僅起到了很好的密實作用，加強了邊坡不同區域土之間粘結力；同時，由于護坡土釘是由PVC 材料制成，其增強了邊坡上土體的整體性，因此土體滑動難度增大（增強抗滑穩定性）。綜上所述，護坡土釘能夠有效提高邊坡土體的抗滑力，因此土壤流失量產生了明顯的下降。

圖3 有、無護坡土釘條件下土壤流失量隨時間變化關系

4.2 坡度影響分析

圖3 中同時也給出了有、無護坡土釘條件下邊坡坡角對土壤流失量的影響關系，由圖3 可知，隨著坡度的增大，有無護坡土釘條件下邊坡的土壤流失量均呈現出逐漸增加的變化趨勢。在無護坡土釘條件下，坡角為30°時邊坡最大土壤流失量為130.88 g，隨著坡角的不斷增大，土壤流失量不斷增大，最大土壤流失量分別為141.08 g、161.47 g 及190.37 g，分別相對提升7.79%、23.38%及45.45%。在有土釘護坡條件下，坡角為30°時最大土壤流失量為22.69 g，隨著坡角的增大，最大土壤流失量分別相對升高13.46%、34.61%及61.53%。

由此可見，坡度越大，則土體整體的下滑力越大且抗滑力越小，因此土體的滑動趨勢更加明顯。而在土釘作用下，邊坡上土體的整體性增加，高邊坡角度下其發生整體滑動的趨勢更強，因此在有土釘條件下，坡度越大，土壤流失量提升更加明顯[8-9]。

4.3 土釘間距影響分析

圖4 為土釘間距分別為10 cm與5 cm 條件下有土釘護坡的邊坡土壤流失量隨時間變化關系。由圖4 可知，在相同坡角條件下，隨著土釘間距的逐漸減小，邊坡的最大土壤流失量也不斷減小。結合圖3（b），在30°坡角條件下，15 cm 土釘護坡的邊坡最大土壤流失量為22.69 g，而10 cm與5 cm 土釘間距護坡條件下的最大土壤流失量分別為16.29 g 和12.12 g，分別相對降低28.21%和46.59%，由此可見，土釘孔徑對護坡的土壤流失控制的影響明顯。

圖4 不同土釘間距條件下土壤流失量隨時間變化關系

分析認為，土釘間距越小，則邊坡松散土體被劃分的區域塊也就越多，同時邊坡上土釘相對質量也就越大，因此黏聚力也就越強，土壤流失可能性更小。

4.4 應用效果

圖5 為該河岸邊坡采取土釘護坡技術治理前后效果對比圖，由圖5 可知，在采取河道邊坡治理技術前，該河道水土流失情況嚴重，邊坡土質貧瘠且松散，在降雨條件下極易發生土方崩解，導致土壤流失，污染河道。在采取土釘護坡技術治理河道邊坡后，河岸邊坡土壤流失情況得到了有效控制，河道坡岸綠化面積大幅增加，有效抑制了土壤在強降雨情況下的流失問題。

圖5 河岸邊坡土釘護坡技術治理效果圖

5 結論

本文依托于山東省德州市臨邑縣今冬明春縣級水利工程，基于室內試驗探討了土釘護坡技術在防止河岸水土流失中的應用，得出主要結論如下：

（1）有護坡土釘條件下土壤流失情況控制效果顯著。以坡度為30°為例，有護坡土釘條件下的總土壤流失量為22.69 g，而無護坡土釘條件下的總土壤流失量是有土釘條件下的5.77 倍。

（2）隨著坡度的增大，有、無護坡土釘條件下邊坡的土壤流失量均呈現出逐漸增加的變化趨勢。有土釘護坡條件下，坡角為30°時最大土壤流失量為22.69 g，隨著坡角的增大，最大土壤流失量分別相對升高13.46%、34.61%及61.53%。

（3）在相同坡角條件下，隨著孔徑的逐漸減小，邊坡的最大土壤流失量也不斷減小。15 cm 土釘護坡的邊坡最大土壤流失量為22.69 g，而10 cm與5 cm 土釘孔徑護坡條件下的最大土壤流失量分別相對降低28.21%和46.59%。