平原沙土区河道边坡防护技术及应用_W

1、 第 32 卷 第 2 期2008年 3月 南京林业 大学学报 ( 自然科 学版 )Journal o f Nanjing Fo restry Un iversity( Natura l Sciences Ed ition)V o l.32, N o.2 M ar. , 2008平原沙土区河道边坡防护技术及应用波1张银龙1, 沈 波2, 张金池1, 杨( 1. 南京林业大学, 江苏省林业生态工程重点实验室, 江苏 南京 210037;2. 南通市水利局, 江苏 南通 226006 )摘要: 江苏省是一个以平原地区为主的省份, 有 2 万多平方公里平原沙土区。平原沙土区作为水土流失严重地区, 一

2、直是江苏省的重点治理对象。针对江苏省沙土区河道特点, 选取南通如皋市雪岸镇丁堡河河段进行工程试验, 分析了河道边坡破坏原因, 将生物措施和工程措施结合, 实施三维植被网护坡技术综合设计方案。通过工程试验, 用相对较少的投资, 获取相对较大的工程效益和生态效益, 探索出了一条适合江苏省平原沙土区、高沙土区河道边坡防护的新途径。 关键词: 三维植被网; 平原沙土区; 护坡技术中图分类号: X 171. 4; TV 85文献标识码: A1000- 2006( 2008) 02- 0113- 05文章编号:Test and application of river bank protection te

3、chnology at the p la in sand areasZHANG Y in long1, SHEN Bo2, ZHANG Jin ch i1, YANG Bo1( 1. Nanj ing Forestry Un ivers ity, K ey Laboratory of Forestry E cological Engin eering J iangsu Province, Nan jing 210037, Ch ina;2. W ater Con servancy Bureau of N antong C ity, Nan tong 226006, C h ina)Ab str

4、act: P la in country w as the ma in land fo rm in Jiangsu prov ince. The p lain sand a reas w as abou t 20 000 km2. A s the serious so il erosion, pla in sand a reas have be ing treated in Jiangsu prov ince fo r many years. T he paper s imp ly introduced the situation of p la in sand areas in J iang

5、su prov ince, D ingbao r iver of R ug ao county in N antong c ity w as selected as the test p lace. A na lyzing the reason o f so il eros ion o f the riv er bank, m easures w ere the comb ination o f eng ineering and vegetation. A t the same time, taking into account na tura l cond itions and econom

6、 ic tra its o f the plain sand areas, the three dim ens iona l geonet techno logy w as actua lized to protec t river bank. Th is pape r can be used as a techn ica l proposa l and consu lt in eng ineering construction and p lain sand areas m anagem ent.K ey words: T hree dim ensional geonet; P la in

7、sand a rea; R iver bank protect technology江苏省以平原地区为主, 有 2 万多平方公里平原沙土区。高沙土地区位于通扬运河以南、以西, 长江、靖泰运河江平路以北地区, 主要包括 、姜堰、如皋、海安、江都 5个县( 市) 的部分乡镇, 土地总面积 3 190 23 km2, 耕地面积 18 75 104 hm2 1 。土壤多含粉沙或极细沙, 致使河坡、沟坡很不稳定, 水土流失严重。据测定, 沙土区土壤沙粒占 30% 40% , 粉粒高达 40% 55% , 黏粒仅 10% 15% , 总孔隙率小于 50% , 非毛管孔隙率仅 5% , 渗透系数 1 10-

8、 6 cm / s。土壤颗粒细小, 结构松散, 当水分大于20% 时, 已接近粉沙土流限, 遇水极易流失。因此, 研究适合如皋市等高沙土区乃至江苏省平原沙土区气候特点和地域经济条件的沙堤防护新技术, 已成为当务之急。 1 试验河道概况及特点从 2002年开始, 选择如皋市雪岸镇丁堡河长 2 5 km 河段进行试验研究。该河段边坡土壤为粉沙质, 粒径在 0 25 0 075 mm 的颗粒占 57 2% , 小于 0 075mm 的颗粒占 42 5% , 同时, 其土质沙松、粒间 收稿日期: 2007- 03- 30修回日期: 2007- 12 - 20基金项目: 江苏省水利科技重点项目( 200

9、6013)作者简介: 张银龙 ( 1963 ) , 男, 教授, 主要研究方向为环境生态学, yin longzhang yah oo. com. cn。 引文格式: 张银龙, 沈 波, 张金池, 等. 平原沙土区河道边坡防护技术及应用 J . 南京林业大学学报: 自然科学版, 2008, 32( 2 ): 113 117. 114南 京 林 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )第 32 卷凝聚力小(内摩擦角 = 30!, 凝聚力 C = 2 kPa) 2 自然条件在江苏省高沙土区具有典型性和代表性。该河段原采用自然原型护岸, 但由于该河段河岸较高, 水土条件差, 植物根系不能深入到

10、河堤堤脚,植树反而增加了河岸的不稳定性 3 。在地面径流和船行波冲刷侵蚀的影响下, 边坡常产生坍塌, 影响 河道功能的发挥以及坡上植物的生长。同时, 由于岸坡坍塌, 河道在常水位线处形成滩地, 河道中间形成弯曲深槽, 造成水流折冲, 河道冲淤凹凸不均, 河道弯曲程度不断加大, 损毁良田, 对沿线农民的生存和生活造成极大。 另一方面, 河道淤土基本为沙性土壤, 河道疏浚弃土难处理, 一般只能就地堆积, 形成积土堆, 河道治理费用很大。因此, 在此次研究中, 利用河道疏浚弃土, 在背水坡取黄土覆盖于沙土坯上, 实施三维植被网技术和生物技术综合护坡方案, 并且配套设计、修建跌井式消能排水涵洞。 2

11、堆积堤边坡稳定性分析三维土工网垫仅起护坡的作用, 堆积堤断面设计时必须首先进行边坡稳定性分析。考虑到整平沙土堆积堤坡面时, 在背水坡取黄土覆盖于沙土坯。在边坡稳定性计算时, 不但要满足堆积堤为沙土时的边坡稳定性要求, 还要满足堆积堤为黄土时的边坡稳定性要求。 2 1 堆积堤边坡现场土样试验结果 为了对堆积堤的边坡稳定性作分析, 现场取了堆积堤土样和表面覆盖层土样, 分别进行了土样颗粒级配分析、物理状态指标测试和直接剪切试验。 表 1 堆积堤沙土和表面覆盖黄土颗粒组成Tab le 1 Partic les composition of sandy soil and loess堆积堤沙土和表面覆盖

12、黄土的颗粒组成见表 1。堆积堤土样为粉沙, 粒径在 0 25 0 075 mm 的颗粒占57 2%, 小于 0 075 mm 的颗粒占 42 5% , 不均匀系数Cu = 2 70,为匀粒土, 曲率系数 Cc = 0 98,土壤的级配连续性较差。堆积堤表面覆盖层土样为粉土, 粒径在0 25 0 075mm 的颗粒占 26 3% , 粒径在 0 075 0 05mm 的颗粒占 18 0%, 粒径在 0 05 0 01mm 的颗粒占 46 7%, 不均匀系数 Cu = 4 67, 基本接近非匀粒土, 曲率系数 Cc = 1 08, 土壤的级配连续性较好。 据测定, 堆积堤沙土孔隙比 e= 0 76

13、, 含水率 w粒 径 /mm Part icle size沙土含量 /% Sand soil conten t覆盖土含量 /% Cover soil conten t5 22 0 50 5 0 250 25 0 0750 075 0 050 05 0 010 01 0 0050 005 0 002 0 0020. 10. 257. 223. 417. 90. 11. 00. 10. 10. 126. 318. 046. 7 2. 91. 94. 0= 162% , 比质量 Gs =2 68, 体积质量 = 17 3 kN /3m 。表面覆盖黄土孔隙比 e = 1 14, 含水率 w =2 70

14、, 体积质量 = 14 6 kN /m 。3 180% , 质量 Gs =对堆积堤沙土和表面覆盖黄土分别做了直接剪 切试验, 法向应力取 p = 100、200、300和 400 kP a 4种情况。堆积堤沙土抗剪强度 f 与法向应力 p的关系如图 1所示, 堆积堤沙土的内摩擦角 = 31 1!, 凝聚力C = 4 2 kP a。堆积堤表面覆盖黄土抗剪强度 f 与法向应力 p 的关系如图 1所示, 堆积堤表面覆盖黄土的内摩擦角 = 18 6!, 凝聚力 C = 15 9 kPa。 2 2 边坡稳定性分析 图 1 堆积堤沙土、表面覆盖黄土抗剪强度与法向应力的关系Fig. 1Relationshi

15、p of shear strain between thenormal stress of sandy soil and loess堆积堤的高H = 2 1m, 边坡坡比为 112, 坡角 != 39 8!。如图 2所示, 假定滑动面是通过坡角的平面 AC, 并假定应力沿滑动面等值。A C 的倾角为 沿土坡轴线 (长度 ) 方向截取单位长度土坡, 进行平面应变分析。滑动体 ABC 的质量为:。 H 2 1H21 2# SABCco t !+ H 2 ( co t - co t !) -H cot =( cot - co t !)。W =222极限平衡体ABC的重力沿AC 法线方向上的分量为N

16、= W cos ,沿 AC切线方向的分量 (下滑力 ) 为 T = W sin。由土抗剪强度的库仑公式可得 AC 面上的极限抗滑力: 第 2 期张银龙, 等: 平原沙土区河道边坡防护技术及应用 115Tf = f # AC = c# AC + W # cos # tan 。 根据滑动极限体 ABC 沿破坏面切线方向的静力平衡得边坡稳定安全系数:2cH + H 2 ( co t - co t !) co s sin tanH 2 ( co t - cot !) sin2 Tf c# AC + W # cos # tan W # sin K =。T堆积堤为沙土时边坡稳定安全系数K 与滑动面倾角 的

17、变化关系见图 3, 堆积堤为沙土时, 滑动面倾角 的取值范围是 10! 35!。滑动面各种倾角下的稳定安全系数K 均大于 1 5, 沙土堆积堤在高为 2 1m、坡比为 11 2情况下, 边坡是稳定的。堆积堤为黄土的总体变化趋势与沙土相同, 稳定安全系数K 在 = 21!时达到最小值, 所有滑动面倾角下的稳定安全系数 K 均大于 1 5, 黄土堆积堤的边坡也是稳定的。 无论是沙土堆积堤还是黄土堆积堤, 边坡稳定安全系数都有较大的富余。经计算, 在坡比不变的条件下, 坡高H 增加到 8m 时, 边坡仍可保持稳定。 试验段围埝积土堆设计位于变形河口高程 2 3 m 处, 顶宽 4 m, 顶高程 5

18、3 m, 坡比 11 2, 底宽10 m。实验结果表明, 积土堆完全保持稳定。 3 中段跌井式消能排水涵洞的设计沙土区一般河道排水的落差较大, 水流的动能较强, 以往因配套建筑物不到位, 或者是建筑物消能不充分, 造成暴雨时水流挟带泥沙% 敞门&入河, 形成冲刷缺口, 最终演变成河道边坡大面积坍塌、河道淤积。因此此次在对河道护岸设计时, 注重了沿线配套建筑物 的设计、修建, 还专门研制了跌井式消能排水涵洞。跌井式消能排水涵洞的设计思路是在排水涵洞的中段设置一处跌井, 将洞为上洞和下洞两段, 使涵洞进出口间的高差在跌井部位调节。这样, 过洞水流经过二级消能, 出口水流能量减弱, 有效地避免了水流

19、对河坡的冲刷, 保持洞身稳定。图 4是中段跌井式涵洞结构示意图。跌井排水涵洞设计主要技术参数有:( 1) 进口。采用八字墙配挡土拱波的形式, 用砌石或砌砖结构, 进口挡土墙扩散 25!, 并与河床相吻合; 进水池长度取洞前水深 3倍。进口挡土拱波采用硂预制结构, 圆弧半径为 1 5倍洞径, 矢跨比 13。挡土拱波顶高程与上游河底相平或略高于 20 30 cm,阻挡泥土进入涵洞。进水池底采用硂护底, 池底 与涵洞进口同高, 比挡土拱波顶低 30 50 cm。在挡土拱波前的河盖, 以加强防渗和保护河床。 做 30 cm 厚 10 cm 长的挡土铺( 2) 洞身。洞径按排涝流量要求确定。为避免跌井的

20、壅水现象, 下段洞径取上段洞径的 1 2 倍。洞身纵坡控制在 4% 以内。涵管为硂预制件, 铺设在原状土地基上, 其接头的下部砌筑 20 cm 厚的砖墩。接头的其他部位为砌砖外包圈。 ( 3)跌井。跌井除调节上、下段涵洞的高程外, 还起到消能及支撑涵洞作用。跌井底高程低于下段洞进口 30 40 cm, 跌井为上径小, 下径大的砖砌圆筒井。跌井下部横断面面积取下段涵洞断面积的 1 4倍, 跌井上口直径不少于 60 cm, 满足人下井清淤的要求。为防止杂物进入跌井, 井口加盖, 盖上开孔通气。 ( 4) 出口。出口采用八字形挡土翼墙, 平面扩散角选用 13!, 出口长度 3 4倍洞径, 出口高程

21、1 0m。出口挡土墙用石砌或砖砌筑, 现浇硂护底。末端底部设一道 50 cm 的硂齿坎。 试验表明: 中段跌井排水涵洞具有流量大、流态好、消能充分、动土量少、戽水费用省等优点。在排水过程中, 它有效地减少了水流对河坡的冲刷, 有利于洞身及河坡的稳定, 是一种适应高沙土区特点的较好的排水建筑物。 116南 京 林 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )第 32 卷图 4 中段跌井式涵洞结构示意图F ig.4 Sketch m ap of m id st cu lver ts stru cture4 三维网垫固土植草护坡三维网垫是一种类似于丝瓜瓤状的植草土工网, 以加入炭黑的尼龙丝加工制成

22、, 丝与丝的交叉点熔合粘接, 相互缠绕, 质地蓬松, 孔隙率在 90% 以上, 在其孔隙中可填加土料和草种。植草穿过网垫生长后, 其根系深入土中, 植物、网垫、根系与土合为一体, 形成牢固密贴于坡面的表皮, 可有效地防止坡土被暴雨径流或水流冲刷破坏。铺设有三维网垫的岸坡在草皮没有长成之前, 可以保护土地表面免受风雨的侵蚀, 在播种初期还起到稳固草籽的作用。当植草生长茂盛后, 植物根系可从网垫中顺畅均衡的穿 过, 深入地下达数十厘米, 使植物根系与网垫及泥土三者形成一个牢固的复合整体 4 8 。植被的覆盖可 拦截降雨、缓冲雨滴的落体动能, 使地表土壤免受雨水的直接冲击, 阻止汇流的形成, 植物根

23、系可增强土壤的吸水性能, 一旦遇有雨水可迅速吸收, 即使形成水流, 也会通过植被覆盖物的反滤作用而使其清澈不含泥土9。三维网垫及植物根系还可对堤坡起到浇层整体加筋的作用。因此这种复合体系具有较 强的抗冲刷能力, 能够达到有效防护边坡的目的。 该试验工程网垫原材料采用聚乙烯, 网孔 20 100 mm; 厚度 0 8 3 0 cm; 材质为聚乙烯、尼龙、聚酯; 颜色为草绿; 形状为双层立体编网。施工过程如下:( 1) 削坡整形, 坡面夯实。 ( 2) 整平沙土堤坡面后, 采用机械 ( 挖掘机) 在背水坡取黄土, 覆盖于沙土坯上, 覆盖厚度大于 20 cm, 其目的一是固定沙土不受雨水冲刷而流失倒

24、塌, 二是为下一步植树栽草, 树草存活提供必要条件。 ( 3) 在种植土表层均匀涂抹 2 cm 厚纤维土。纤维土由木纤维、草碳土、黑土构成, 按 123比例混合后加水和保湿剂拌和而成。 ( 4) 铺设三维植被网垫, 并用竹钉铆固在坡面上, 堤肩和坡脚作延伸处理。 ( 5) 在三维植被网垫上均匀浇水使下面纤维土饱含水分, 然后扬撒 2 cm 厚种植土。 ( 6) 在坡面上均匀撒播耐旱、耐寒、发芽率高、出苗快的狗牙根和高羊茅护坡草籽, 按 25 30 g /m2 和10 15 g /m 2密度进行播种。播种时间是在 2004年 3月, 保证在汛期到来前, 植被充分发挥其护岸固坡作用。 ( 7) 在

25、堤肩按树距为 2 3 m 种植意杨, 实现农田林网化, 美化环境, 改善田间小气候。 5 工程效果评价三维植被网护坡具有显著的工程效益、生态效益, 造价 7 00元 /m2, 而假如采用传统的干砌块石护坡, 护坡厚度按 30 cm, 28元 /m2 计算, 则是三维植被网护坡的 4倍。同时, 三维植被网护坡还具有施工方便、护坡效果好的优点, 对生态环境也起到良好的调节和美化作用。工程实施两年来, 由乔木、低矮灌木、花草、鱼巢、水草、动物、芦苇滩地、迎水边坡、坡脚及近岸水体组成河坡立体生态体系, 其生态效益显著。 第 2 期张银龙, 等: 平原沙土区河道边坡防护技术及应用 117此外, 土地复垦

26、效益也十分显著。河道两侧复垦按 8 m 计, 则试验段可复垦土地 4 0 hm2, 而常规施工方法却是要压废 6 8 hm2 耕地, 所以这对于当地人均耕地只有 0 059 hm2 的现状来讲, 意义十分重大。按年产出 37 500元 / hm2, 分摊系数 0 5计算, 仅此一项, 两者相比就可增加地方收入 20 25万元 / a。 在背水坡取黄土覆盖于沙土坯上, 可固定沙土不受雨水冲刷而流失倒塌, 同时为植树栽草, 树草存活提供必要条件。中段跌井排水涵洞具有流量大、流态好、消能充分、动土量少、戽水费用省等优点, 是一种适应高沙土区特点较好的河道护岸配套排水建筑物。三维植被网护坡技术具有传统工程护坡技术 和植物护坡技术的优点, 在平原沙土区具有广阔的推广应用前景。 参 考 文 献 1 金兆森, 陶 涛. 江苏省平原沙土地区水土保持措施及其作用 J . 水土保持研究, 2005, 15( 5) : 119 121. 2 沈 波, 程佩璜, 何培康. 南通市沙土区几种水土保持工程技术措施 J. 水土保持通报, 2002, 22( 5) : 40 41. 3 夏继红,