三维土工网垫植草护坡技术的工程应用_陈光耀.pdf

132 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）三维土工网垫植草护坡技术的工程应用陈光耀（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000）摘 要：以广西主要支流黔浔江治理工程来宾市主城区江南滨江南路 II 段（来宾电厂至磨东大桥）III 标段为背景，立足该工程护坡遭受雨水侵蚀较为严重的实际，提出三维土工网垫植草护坡技术的可行性和适用性，并对具体施工过程展开分析；应用 ABAQUS 有限元软件建立起该工程生态护坡空间有限元模型，对不同降雨强度下土工网植草护坡复合结构的稳定性进行了模拟与评价。可作为具体工程三维土工网垫边坡防护体系构建及施工的借鉴参考。关键词：三维土工网垫植草；工程应用；生态护坡；水土保持中图分类号：TV861文献标识码：B0 引 言对于高陡边坡而言，在重力及暴雨等的作用下出现坡面冲刷和坡体失稳坍塌的可能性非常大，进而加速水土流失，阻塞沟渠河道，甚至造成人员伤亡。当前，边坡治理中使用较多的仍然是混凝土板块、浆砌块石、混凝土空心网格等传统技术，此类措施恢复植被效果一般，并会形成刚性裸露硬岩面，加速重力侵蚀速率，甚至会破坏自然景观。结合国外相关研究及实践，三维土工网垫植草护坡技术可较好解决传统混凝土护坡存在的弊端，并能降低风、降雨及重力侵蚀，边坡植草成活率高，经济效益和生态效益均十分显著。文章依托广西主要支流黔浔江治理工程来宾市主城区江南滨江南路 II 段（来宾电厂至磨东大桥）III 标段起讫桩号 LMB2+300 末端 LME0+640 工程，对其来华大桥上游坡顶工程段堤防护坡三维土工网垫植草技术的应用展开分析探讨，以资借鉴。1 护坡侵蚀情况分析溅蚀、面蚀、沟蚀是该治理工程来华大桥上游坡顶受到雨水侵蚀的三种主要形式，在采用三维土工网垫植草护坡技术后，网垫和植被根系交织成紧密且牢固的土工网垫、植被、边坡岩土体复合型整体结构，抑制沟蚀的发生。与此同时，在坡面植被叶部的遮挡下，溅蚀也得到一定程度的控制。所以，此次护岸治理工程三维土工网垫植草护坡技术实施后，径流冲刷引发的面蚀成为边坡主要破坏形式。进一步分析发现，引起该工程护坡径流冲刷的因素包括以下方面1。1）边坡坡脚：随治理工程坡角度的增大，边坡坡脚径流流速随之增大，且在无生态护坡的情况下流速增幅较快；在其他条件不变时三维土工网垫植草护坡技术的应用能明显抑制径流流速，不设置土工网垫植草护坡的边坡径流流速最大可达设置植草护坡边坡径流流速的 22 倍。三维土工网垫植草护坡技术抑制径流流速的积极作用仅在坡角 70这种抑制作用也大大弱化2。2）坡面糙率：对于边坡坡脚为 45，边坡高度 5.0m 的土工网垫植草护坡，坡面长度为5 2m，沿着坡面横排种植 1000 排植株，植株直径均值为0.005m 的情况下，草本植物分蘖系数为 4.0，植株文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-09-11作者简介 陈光耀（1986-），男，福建泉州人，工程师。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.014 133 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）茎部及叶部倾角 和 分别为 45和 30，坡面径流深为 0.03m 时，采用肖成志所提出的方法1便可计算出该治理工程护坡所用三维土工网垫类型以及不同坡面糙率下坡脚流速取值，结果详见表 1。根据表中结果，假定其他条件不变时，坡面糙率对坡脚流速的影响效果并不显著，但是设置三维土工网垫的护坡坡脚流速明显小于不设置土工网垫的护坡；说明土工网垫可使坡脚流速降低，抑制坡面冲刷和面蚀。表 1 不同坡面糙率下坡脚流速值三维土工网垫类型不设置EM2EM3EM4EM5坡面糙率0.0180.0240.0290.0310.034坡脚流速/cms-115.1615.0715.0114.9814.933）坡面植被类型及密度：不同植被类型具有不同的向光性，故对根茎部倾角 和叶部倾角 的影响不同，对坡脚流速的影响程度也不尽相同。对于该治理工程坡角为 45，坡面高 5.0m 的边坡，坡脚流速与茎部倾角 和叶部倾角 的关系详见表 2。根据表中结果，在采用三维土工网垫植草护坡技术后，随着植被茎部倾角和叶部倾角的增大，坡脚流速明显减小；而无生态护坡时坡脚流速与植被茎部倾角和叶部倾角无关；土工网垫植草护坡技术下应当选择植株粗壮、株体低矮、茎叶均不易弯曲且分蘖强烈的草种，以增强护坡效果3。表 2 坡脚流速与茎部倾角和叶部倾角的关系茎部倾角/叶部倾角/坡脚流速/cms-1无生态护坡三维土工网垫植草护坡150345.151.453015345.120.764530345.115.216045345.112.689090345.111.14该边坡治理工程中土工网垫植草护坡植株（茎或叶）宽度 s 与植株（茎或叶）间距 b 之比（即植株密度）对坡脚径流流速存在一定程度的影响，随着参数 s/b（即植株密度）的增大，边坡坡脚流速呈减小趋势，说明护坡坡面的植被密度越大，则坡脚径流流速越小；根据清华大学张谨瑞教授提出的护坡坡面土体颗粒的启动速度公式2，可以计算出坡脚径流流速坡面土体颗粒启动速度情况下坡面的植株密度。经计算，该治理工程边坡坡面植株密度应 11250 株/m2。2 三维土工网垫植草护坡施工工艺2.1 网垫的选择三维土工网垫是由 PE 合成材料制成的三维网状结构，质地柔韧疏松，弹性良好，孔隙率达到90%左右，便于植物根系穿透生长，并与土工网垫牢固结合成稳固的绿色复合保护结构。该工程三维土工网垫单位面积重量350g/m2，抗拉强度2.0kN/m，网垫厚度为 14mm，幅宽至少为 1.5m；30min 回弹恢复率为 80%。在选择网垫时首先必须考虑坡面的影响，不同边坡条件下必须使用不同的网垫材料。岩石边坡较为陡峭，对网垫强度要求也较高，而对于土质边坡，网垫所要求的坡比范围为 1:3.01:0.3。对于坡度在30以下的缓和坡面，应当采用 EM2 和 EM3 网垫，而对于坡度在 3045 之间的陡峭边坡，应使用EM4 网垫，当坡度在 45 以上时，应选用强度等级更高的 EM5 网垫材料。选择网垫时还应当考虑草种的影响，不同种类草种埋深不同，一般而言，颗粒越大的草种播深在610mm 之间，而颗粒较小的草种播深在 26mm。为保证三维土工网垫植草护坡加固效果，还应将草种播深和拉伸网的距离控制在 810mm。考虑到这一距离要求后，大颗粒草种播种时网垫厚度应在 1420mm 之间，而小颗粒草种网垫厚度应在1016mm，并尽量优选开口尺寸小的网垫4。选 择 好 土 工 网 垫 后，还 应 按 照 设 计 使 用16mmHRB335 钢筋加工铆钉，用于网垫固定。2.2 场地准备该治理工程护坡坡面土体较为密实，且岩石分布广泛。故对坡面 5.07.5cm 范围内进行松土处理，同时在岩石坡面铺设 5.07.5cm 厚度的细表土，为草种提供生长环境。与此同时，还应取样检测坡面土体 pH 值及土壤肥力指标，施加土壤改良剂；同时按照氮肥:磷肥:钾肥=15:8:7 的比例配制底肥，按照 100g/m2的用量施加后改善土体条件。结合边桩所在位置，先由机械开挖至临近边坡0.10.2m 处，此后改为人工修坡，并将坡面浮土彻底清除，刷坡成型，以保证边坡坡面平顺，坡度满足三维土工网垫铺设要求。在铺设网垫前，先在整 134 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）卷网垫中穿入竹竿，以堑顶为起点将网垫顺坡拉出，通过铆钉锚固网垫上端，并从上往下铺设，直至边坡坡底；此后将多余网垫材料剪除，再通过铆钉锚固网垫末端，铆钉按照梅花形及 2.0m 的间距打设。2.3 网垫铺设土工网垫必须铺设于整平的坡面，对于坡度较为陡峭的地形，应从坡顶开始向下铺设，而对于较缓坡面，可以横向铺设。在护坡顶端铺设土工网垫时，必须在网垫纵向连接处设置 60夹角，并在护坡土体内埋入 30cm 长度，在坡底预留至少 50cm的水平面。结合地勘资料，该治理工程坡面上端土体含水量较高，草种发芽难度大，故应当在距离网垫 20cm 的坡顶增设蓄水沟，便于草种灌溉。上下卷材搭接时，上部材料应压覆在上面，按照 10cm长度搭接；相邻卷材搭接长度为 7.5cm，在搭接位置通过铆钉锚固，铆钉按照 1.0m 的间距设置于搭接中心处。2.4 草籽播种及覆盖结合土工网垫实际厚度及草种发芽具体要求，应在网垫上铺设一定厚度的耕植土，且耕植土颗粒必须小于网孔尺寸。为保证草种播种均匀，应将草种和细砂混合均匀后撒播在网垫内，此后再覆盖26cm 厚的细粒土。在一定发芽率和成活率情况下，只有增大草籽播种量才能确保植被覆盖度，草籽发芽率和成活率主要与草籽自身质量和环境有关，但播种量过于密集，也会影响植株生长环境，降低成活率。结合气候环境及主要作物类型，该护坡治理工程三维土工网垫植草护坡可用草籽种类及播种量具体，如表3 所示。表中所表明的播种量仅指单一品种播种，对于混播方式，必须适当减少每种草籽播种量；无论单种还是混播，必须保证坡面植株长成后密度在11250 株/m2及以上。表 3 该护坡治理工程可用草籽种类及播种量草籽种类剪股颖紫羊茅高羊茅黑麦草早熟禾狗牙根无芒雀麦种籽数/粒g-114000120050080045003900/播种量/g(m2)-11015202535502535141810152025为减少径流对草籽的冲蚀，并为草籽发芽及生长提供较好的环境，还应在坡面加铺覆盖材料。该治理工程在网垫内草籽播种和填土完成后覆盖克重较小的无纺布，待幼苗生长至 23cm 高度时揭除。2.5 养护除在草籽播种前按要求施肥外，在草籽播种后及生长过程中，2 年内只需按照 45kg/hm2的用量施加氮肥素即能确保植被良好生长。护坡草坪在建植过程中如土壤太过干燥或降雨稀少而需要灌溉外，此后一般不灌溉，原则上实行粗放管理。3 边坡整体稳定性评价3.1 模型构建为模拟广西主要支流黔浔江治理工程来宾市主城区江南滨江南路 II 段（来宾电厂至磨东大桥）III标段护坡工程三维土工网垫植草护坡运行及受力状态，通过 ABAQUS 有限元软件建立 8.0m 长、0.25m宽、6.0m 高且坡角为 28.4的空间有限元模型3。该模型共包括 8167 个节点和 6894 个单元，其中的非饱和土体单元主要通过 D3D8P 单元展开模拟，同时将表面凹凸不平的土工网简化成褶皱状的 S4R单元。模型中前后两面和底面为不排水边界，其余面为自由排水边界。边坡土体性质主要参考粘性土，土工网则依照土工材料，模拟过程中土体及土工网性能参数取值具体，如表 4 所示。表 4 土体及土工网物理力学性能项目内摩擦角/粘聚力/kPa压缩模量/MPa材料重度/kN(m3）-1压缩系数直剪快剪固结快剪土体0362410170.35土工网/500780.253.2 试验过程及结果为分析持续降雨对该治理工程边坡土工网垫、边坡土体复合结构的影响以及生态护坡稳定性，有限元模拟分析中降雨过程持续 72h 且最大雨强为90mm/s。持续降雨对边坡的影响作用可分成两部分：一是直接作用于坡面后引发的溅蚀；二是降雨入渗（下转第 192 页）192 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）干线工程结构耐久性造成损伤。参考文献：1 刘宁南水北调中线一期工程穿黄方案的论证与选择 J水利学报，2006，37(1)：1-92 王喜曼，曾天明水平定向钻穿越施工及风险管控路径研究 J工程建设与设计，2021(11)：146-1483 侯庆雷，王江峰南水北调配套工程顶管施工技术研究J华北水利水电大学学报：自然科学版，2015，36(01)：21-24边坡岩土体内部后产生的孔隙水压力，增大边坡失稳的可能性。结合强度系数折减法，边坡有限元模型中极限失稳状态是否发生，主要以边坡结构体内部特征点的位移值是否发生突变为判据4。不同雨强所对应的边坡体内部特征点位移值以及边坡安全系数，如表 5 所示。表 5 边坡体内部特征点位移及安全系数模拟结果雨强/mms-1强度折减系数内部特征点位移/mm安全系数无生态护坡三维土工网垫植草护坡无生态护坡三维土工网垫植草护坡01.5502.3852.0941.9511.9751.7502.9503.2101.8753.5883.5511.9353.9453.9201.9556.1354.9411.98012.35014.0452.000/19.650901.6002.3672.1451.8131.8421.7503.0412.3651.8003.5212.9201.8156.5683.0151.8258.3503.4651.840/4.2561.850/7.3541801.6502.3502.3541.7141.7331.7002.8462.6531.7103.0412.9811.7208.2203.4561.7308.4584.6521.740/8.3711.750/13.645根据以上模拟结果，在不同降雨强度下三维土工网垫植草护坡技术虽然能在一定程度下提高边坡整体稳定性，但效果并不显著；通过比较雨强相同时无生态护坡和三维土工网垫植草护坡两种情况下的特征点位移值看出，土工网和铆钉的共同作用能在边坡失稳时起到阻碍土体滑落的作用，进而减小和抑制边坡土体位移。4 结 论综上所述，广西主要支流黔浔江治理工程来宾市主城区江南滨江南路II段（来宾电厂至磨东大桥）III 标段来华大桥上游坡顶三维土工网垫植草护坡技术实施前，必须对护坡侵蚀情况展开全面分析，明确边坡主要侵蚀破坏形式及影响护坡径流冲刷的主要因素，基于此制定切实可行的土工网垫植草护坡施工方案。方案实施后的空间有限元模拟结果显示，生态护坡稳定性主要受到降雨强度及降雨时间的影响，随着雨强的增大，边坡安全系数呈减小趋势，且三维土工网垫植草护坡技术的实施对这种变化趋势无明显影响；但是在土工网和铆钉的共同作用下，这种复合结构能在边坡失稳时起到阻碍土体滑落、减小和抑制边坡土体位移的作用。参考文献：1 肖成志，孙建诚，李雨润，等.三维土工网垫植草护坡防坡面径流冲刷的机制分析 J.岩土力学，2011，32(02):453-458.2 覃仁浩.水利工程中河道生态护坡施工技术探究 J.珠江水运，2021(23):72-73.3 胡玉植，潘毅，陈永平.海堤背水坡加筋草皮抗冲蚀能力试验研究 J.水利水运工程学报，2016(01):51-57.4 李世发.生态护坡在衡水湖小库堤恢复加固工程中的应用 J.河北水利,2014(12):36.（上接第 134 页）