滲流作用下特拉錨墊對土質岸坡的防護研究*

付旭輝，龔 敖，劉志慶，田佳慧，唐定丹

(1.重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶400074；2.四川省廣安市岳池縣水務局，四川 廣安 638399)

三峽庫區是17個國家級水土流失重點治理區之一。水力侵蝕引起的水土流失、岸坡失穩等問題亟需解決，滲流作用對于岸坡侵蝕的影響不容忽視。三峽庫區水位降落過程中，浸潤線下降滯后，造成岸坡內部孔隙水壓力變化大且無法快速消散，形成滲流場，破壞岸坡穩定[1]。

早在1962年，Gabbard等[2]指出，滲流條件下土體表面或附近的正孔隙水壓力降低了土體的黏聚力、增強了土體的滑脫，從而增加土壤侵蝕；Bissonnais[3]指出在GWS(接近飽和)條件下，較高的水分含量導致土壤團聚體更容易崩解，水力侵蝕強度得到大幅度增大；周嵩等[4]提出從滲流部位、方向、介質等多因素綜合判斷滲流破壞的方法；劉杰[5]研究了無黏性土層滲流接觸沖刷的幾何條件和水力條件；梁越等[6]通過分析滲流流速、滲透系數等因素的變化規律，得到了各土體滲透破壞判別方法的適用范圍及優缺點；倪志國等[7]通過數值模擬方法對粗粒土的水平滲流試驗給出了優化方法。本文以新型生態護坡技術——特拉錨墊生態護坡結構[8]為研究對象，采用物理概化模型水工試驗，研究特拉錨墊在水位消落過程的滲流作用下的抗水流沖刷能力。

1 試驗設計

1.1 水槽模型布置

1.1.1水槽裝置

為了研究新型生態護坡結構—特拉錨墊防護結構在滲流作用下對岸坡的防護性能，擬以三峽庫區土質岸坡為試驗對象，根據庫區岸坡土壤物理特性、水流條件等因素設計物理模型試驗研究。

試驗裝置采用重慶交通大學河海學院航道實驗廳中的高精度河流動力學試驗水槽(圖1)，水槽長6.0 m、寬0.25 m、高0.25 m。因水槽尺寸較小，需要對水位嚴格控制，在試驗水槽設置了12個斷面實時監測水位，并通過裝置的尾門調節來控制水位。

圖1 高精度河流動力學試驗水槽裝置

1.1.2斷面布置

為了更好地控制變量因素，利于試驗結果的分析總結，將水槽分成共12個斷面。為了避免滲流段對無滲流段的影響，將滲流段與無滲流段用有機玻璃隔開。同時對每一個斷面從坡腳到坡頂均分為11個子斷面，利于后期數據整理分析。

1.1.3模型設計

三峽庫區硬巖型消落帶坡度一般在30°以上；松軟堆積型消落帶坡度一般小于25°，以土質、泥沙為主[9]。三峽庫區岸坡消落帶中25°及以下的消落帶面積達273.7 km2，約占總面積的79.49%[10]，故本試驗考慮最大不利影響及模型坡比的精確控制，特設計岸坡坡比為1:2(約27°)的土質岸坡試驗。依據試驗水槽裝置尺寸，設計模型的高度為10 cm。根據謝立全等[11-12]介紹的滲流試驗思路與方法，各個斷面在大小和方向上對應的子斷面滲流比降相同，在模型岸坡上方(滲流段)設有2 cm深度的滲流井，具體岸坡尺寸見圖2，滲流比降可以大幅減少岸坡泥沙起動切應力和流速。

圖2 滲流段岸坡剖面(單位：cm)

1.2 模型試驗材料選取及物理力學參數

以滕帥等[13]提出的基本物理力學參數為依據，采集三峽庫區中長江、嘉陵江沿岸郭家沱段、雞冠石段等岸坡共8處土樣，進行土壤分析，最終得到與實際最為接近的試驗用料，參數見表1。

表1 基本物理力學參數

1.3 試驗侵蝕量測量方法

首先在岸坡中埋入侵蝕針，侵蝕針尾部與岸坡面處于同一平面。試驗結束后，通過可移動桁架將測量尺準確對準測量點(測量尺可進行前后左右全方向移動)，調節旋鈕測量侵蝕深度。侵蝕裝置見圖3，測量尺精度見圖4。

圖3 侵蝕測量裝置

圖4 測量尺精度

1.4 試驗方案

本文主要研究滲流作用對岸坡土壤侵蝕強度的影響規律及特拉錨墊的防護性能，保持滲透坡降、岸坡坡度、土壤類型、土壤密實度一定，改變水流流速，定量分析特定的滲透比降對庫岸侵蝕的影響。由文獻[14]可知庫區流速在0.34～2.71 m/s。前期模擬試驗中，當流速大于1 m/s、水槽水位高于岸坡坡頂，影響滲流試驗結果，流速過小亦導致沖刷不明顯，綜合考慮選取0.5、0.6、0.7、0.8 m/s共4個流速進行岸坡沖刷試驗。謝立全等[15]指出：在低滲透比降中，因為滲流通道口產生的局部微渦區與文丘里效應的低壓區共同作用，0.5 m/s左右的流速對滲流影響不大。試驗工況采用1:2岸坡坡比；土壤采用長江重慶段岸坡淤積土，土壤密度為1.8 g/cm3；試驗控制流速范圍0.5～0.8 m/s。

2 試驗結果與分析

2.1 沖刷深度

分別用0.5、0.6、0.7、0.8 m/s共4個不同水流流速沖刷坡面，沖刷結束后，用移動侵蝕針測量裝置測量各個斷面的子斷面沖刷深度作為Y軸。取2#(無滲流特拉錨墊段)、5#(有滲流特拉錨墊段)、8#(有滲流裸土岸坡段)、11#(無滲流裸土岸坡段)斷面作為不同坡段的代表斷面，從坡腳到頂的橫向距離作為X軸，以0.8 m/s最不利工況為例，得到特拉錨墊的沖刷深度(圖5)。

圖5 沖刷深度

有無特拉錨墊、有無滲流等不同情況下，沖刷深度增幅隨水流速度的變化見圖6。

圖6 沖刷深度增幅隨流速的變化

考慮到試驗過程中各個斷面的坡腳跟坡頂兩處位置數據的不準確性，在數據分析中去除這兩組數據。由圖5可知，在滲流作用下特拉錨墊防護段的平均沖刷深度要遠低于裸土岸坡段的平均沖刷深度，在無滲流作用下特拉錨墊防護段的平均沖刷深度也低于裸土岸坡段的平均沖刷深度，這說明特拉錨墊防護段對岸坡的防護作用十分明顯。由圖6可知，沖刷深度增長率隨著流速增強逐漸增大，滲流對于裸土岸坡段影響明顯要大于特拉錨墊段。結合圖5、6可看出，滲流作用下裸土岸坡的沖刷深度變化十分明顯，但是在特拉錨墊防護段的沖刷深度變化較小，說明滲流作用對岸坡的侵蝕影響較大、特拉錨墊防護結構能有效減小滲流作用的影響。造成這一現象的主要原因有：在滲流作用下，岸坡泥沙顆粒受到滲流引起的坡內指向坡外的滲透力，使岸坡的泥沙起動更加容易；在滲流水的浸泡下，土體的黏結力會逐漸變小，土體的抗剪強度逐漸降低，導致滲流作用下坡面侵蝕強度稍大。而特拉錨墊結構中的反濾層居于岸坡表面和草皮增強墊之間，在泥沙達到起動條件后仍能起到一定的物理阻止作用，以防止泥沙被沖刷，所以特拉錨墊段在有無滲流作用下沖刷深度都無較大變化。

2.2 侵蝕強度

去除各特征斷面兩端的子斷面試驗數據，處理數據得到各試驗段平均侵蝕強度，見表2。侵蝕強度變化趨勢見圖7。

圖7 侵蝕強度趨勢

由表2和圖7可知，侵蝕強度隨流速的增大而逐漸增大。在無滲流作用下特拉錨墊護坡與裸土岸坡相比，在流速為0.5 m/s的水流沖刷下特拉錨墊段侵蝕強度比裸土岸坡的侵蝕強度減小了86.23%，當流速逐漸增加，該數值逐漸減小到83.72%、81.47%和81.16%，均在80%以上。由此可知，特拉錨墊對于岸坡的防護效果十分巨大。在流速0.5 m/s的水流沖刷下，特拉錨墊段的侵蝕強度比裸土岸坡段侵蝕強度減小了89.7%，當流速逐漸增加，該數值逐漸減小到87.44%。特拉錨墊在滲流作用下侵蝕強度減少率幅度下降不大，可能是因為滲流作用能使土壤流失量增加70%～588%[16]，而特拉錨墊在反濾層、草皮增強墊的作用下，有效減緩了泥沙的被沖刷、改善了滲流作用帶來的臨界起動條件[17]。在侵蝕強度增長率方面，隨著流速的增加，有滲流裸土岸坡段和無滲流裸土岸坡段均沒有較大變化，增長率的波動均在1.5%以內，而特拉錨墊段滲流段與無滲流段的侵蝕強度增長率波動最大幅度達到15%左右，說明特拉錨墊生態護坡結構具有不錯的抑制侵蝕強度增大的能力。

表2 不同岸坡在不同沖刷速度下的侵蝕強度

3 結論

1)滲流對土質岸坡的侵蝕影響明顯。水力梯度為0.3時，裸土岸坡被沖刷后的侵蝕強度較無滲流作用下的沖刷侵蝕強度最大增長達64.6%，平均增幅達50%以上。

2)特拉錨墊具有很好的抗水流沖刷能力。與裸土岸坡相比，在無滲流作用下侵蝕強度減小幅度均達80%以上，最高達到86.23%；在滲流作用下，侵蝕強度減小幅度均達87%以上，最高達到89.7%。特拉錨墊護坡技術能大幅減小岸坡侵蝕量，對于實際工程的防護效果良好。