三峡库区人工湿地护坡系统透水护坡面层材料及其稳定厚度

王雪，郭远臣

（重庆三峡学院 土木工程学院，重庆 404100）

三峡库区人工湿地护坡系统透水护坡面层材料及其稳定厚度

王雪，郭远臣

（重庆三峡学院 土木工程学院，重庆 404100）

在消落区开发一种生态透水面板材料作为面层对于护坡系统稳定性至关重要。利用正交实验方法确定了各影响因素对透水面板材料力学性能、透水率等影响，并确定最佳配合比。研究表明，生态护坡系统透水面板材料最佳配合比为：水灰比0.27，硅灰掺量5%，5～10 mm碎石与10～15 mm碎石质量比为3∶1，减水剂掺量1%。各因素对透水面板材料强度的影响顺序为：水灰比>硅灰掺量>减水剂掺量>集料比；对透水率的影响顺序为：硅灰掺量>减水剂掺量>集料比>水灰比。三峡库区风浪侵蚀条件下水平潜流人工湿地护坡系统护坡面层稳定厚度为10.8 cm。

护坡系统；透水面层；稳定厚度；三峡库区；风浪

随着三峡大坝的成功蓄水，“蓄清排浊”的运行方案导致上游出现145～175 m的消落区[1-2]。由于冬季蓄水夏季防洪泄水，导致了消落区的周期淹没，对边坡稳定与植被的恢复产生了严重的影响[3]，因此，在三峡库岸消落区研制生态护坡材料，构建生态护坡系统迫在眉睫。

针对三峡水库长期以来的淤积问题以及库区环境修复、消落带保护等现状，笔者所在团队构建了一种水平潜流人工湿地生态护坡复合系统[4]。该系统由沉淀池、滴灌式输水渠、结构层组成，结构层自下而上包括底淤泥质层、给水层、上淤泥质层、面层。其中，面层包括挺水植物、土壤、护坡透水面板（面板通过抗滑支座与边坡固定，抗滑支座通过横向连接钢筋连接）。面层中的透水面板一方面起到抗浪蚀、固土作用，另一方面可以保证挺水植物顺利生长，本文拟设计一种适合三峡库岸水平潜流人工湿地生态护坡复合系统面层透水材料，并对其稳定厚度进行计算。

1 实验

1.1 原材料

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，重庆万州产；减水剂：皇榜牌早强萘系高效减水剂，主要成份β—萘磺酸甲醛高缩合物，推荐掺量0.3%～1.5%；硅灰：产自成都，表观密度2200 kg/m3；粗骨料：碎石，产自万州，粒径分别为5～10 mm与10～15 mm，使用时按不同质量比配比。

1.2 实验方法及配合比

透水面层结构示意如图1所示。

图1 透水面层结构示意

透水面板（透水面层材料）设计根据JC/T 945—2005《透水砖》标准执行[5-6]，选择尺寸为200 mm×100 mm×60 mm的试模，透水砖强度受各种因素影响，以水灰比、硅灰掺量、集料比（小石、大石质量比）、减水剂掺量作为主要控制变量，以C30透水砖配合比设计为参考，利用正交实验方法设计了L9（34）混凝土配合比，正交实验因素水平见表1，实验配合比设计和具体材料用量见表2。

表1 正交实验因素水平

表2 透水混凝土面板正交设计及具体材料用量

1.3 护坡面层稳定厚度计算原理与方法

结合我国内陆水域护砌工程实际，水利部淮河水利委员会在其948课题“混凝土砌块护堤技术”研究中提出了护坡面层稳定厚度D计算公式（见式1）[7-8]。

式中：△——面层材料相对密度；

Hs——有效波高，m；

R——系数，对实体砌块取值为0.26，对开孔砌块取值0.168，对垂直联锁开孔砌块取值0.12～0.14； ξ——破波参数其中L为平均波长，m； α为坡角，（°）。

2 结果与讨论

2.1 透水面板最佳配比

正交实验结果见表3，极差分析见表4。

表3 正交实验结果

从表3可以看出，第4组的强度最高，平均强度达到了31.1 MPa；第1组和第4组透水率最大，平均透水率均达到了1.7 cm/s，均满足透水砖设计要求。

表4 正交实验极差分析

从表4可以看出，各因素对透水面板材料强度的影响顺序为水灰比>硅灰掺量>集料比>减水剂掺量，28 d抗压强度最优水平为A2B1C2D3。当水灰比为0.27时，材料28 d抗压强度最高；随着硅灰掺量的增加，材料强度降低；当5～10 mm碎石与10～15 mm按2∶1质量比混合时，材料强度最高；随着减水剂掺量增加，材料强度呈现逐渐提高的趋势，但提高速率较缓。

从表4还可以看出，各因素对透水面板材料透水率的影响顺序为硅灰掺量>减水剂掺量>集料比>水灰比，透水率最优水平为A1B1C1D3。随着硅灰掺量的增加，材料透水率下降，这可能是硅灰的加入堵塞了部分孔隙的原因所致；随着水灰比的增大，材料透水率也有所减小，但变化幅度较小；当粒径为5～10 mm碎石比例所占比重较大时，反而材料透水率较大，这有可能是因为过大的骨料反而会阻碍水流，从而使材料透水率下降；随着减水剂掺量增加，材料透水率呈现先减小后增大的趋势。各组试件透水率均符合JC/T 945—2005标准要求（>0.02 cm/s）。

综上所述，透水面板最佳配比为：水灰比0.27，硅灰掺量5%，5～10 mm碎石与10～15 mm碎石质量比为3∶1，减水剂掺量1%，这与文献[9]所得结论基本一致。

2.2 透水护坡面层稳定厚度

式（1）中，护坡面层厚度与破波参数ξ、砌块相对密度△等因素有关。波高是决定护面层厚度最直接的因素。在坡度和波周期一定时，波高越大，所需护坡厚度越大；波高不变时，波周期越长，波长越大，坡陡度越小，所需护砌厚度越大。护坡砌块水下相对密度越大，所需护砌厚度越小[8]。为了计算本文所涉及水平潜流人工湿地生态护坡复合系统在三峡库区风浪侵蚀条件下的护坡面层厚度，以文献[10]所提供相关参数为依据设计计算，设计坡角为26°。

三峡库区某地水位175 m，水面宽度3000 m，水深d=125 m，该地最近20年出现的最大风速Umax=22.00 m/s，持续时间t=70 min，气象站位于城郊一山坡顶上，风标距地面高程为10 m，附近几十米远有个别建筑物和小树林，地形属于山岭重丘[11]。根据气象站位置及JTJ 213—98《海港水文规范》，查得水面上10 m高程处最大风速Umax=26.50 m/s。

根据官厅水库公式[见式（2）][12]，统计奉节近22年的气象资料得该地区最大风速的风向为NNE，所以取此地的风向为NNE。由公式F=3000/cosα，计算得F=3247 m[11]，其中α为NNE方向与N方向的夹角[11]。计算出波高Hs=1.478 m。

式中：L——平均波长，m；

U——最大风速，U=26.50 m/s；

F——风区长度，F=3247 m。

由式（2）可计算平均波长L=14.22 m。

综上，在式（1）中，系数R取0.13，有效波高Hs取1.478 m；平均波长L取14.22 m；破波参数ξ计算公式中坡角α取26°；面层材料相对密度△取2.18。则水平潜流人工湿地护坡系统护坡面层稳定厚度为

3 结论

（1）透水面板材料最佳配比为：水灰比0.27，硅灰掺量5%，5～10 mm碎石与10～15 mm碎石质量比为3∶1，减水剂掺量1%，各组试件透水率均符合JC/T 945—2005标准要求。

（2）各因素对透水面板材料强度的影响顺序为水灰比>硅灰掺量>集料比>减水剂掺量；对透水率的影响顺序为硅灰掺量>减水剂掺量>集料比>水灰比。

（3）三峡库区风浪侵蚀条件下水平潜流人工湿地护坡系统护坡面层稳定厚度为10.8 cm。

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Material and stable thickness of permeable slope surface of Three Gorges Reservoir area constructedwetland slope protection system

WANG Xue，GUO Yuanchen
（College of Civil Engineering，Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100，China）

It is essential for the stability of the slope protection system to develop an eco-permeable panel material as surface layer in the Riparian Zone.The impact of each factor on the mechanical properties and water permeability of the material were determined using orthogonal experiment method，and the best mix is determined too.The results show that:the best mix is water-cement ratio 0.27，silica fume 5%，5～10 mm and 10～15 mm gravel aggregate ratio is 3∶1，dosage of superplasticizer 1%.Impact order of various factors on the strength of the material is water-cement ratio>silica fume content>superplasticizer dosage>aggregate ratio.Impact order of various factors on the water permeability is silica fume content>superplasticizer dosage>aggregate ratio>water-cement ratio.Under the condition of wind wave erosion in Three Gorges Reservoir area，the permeable slope surface stable thickness of constructed-wetland ecological slope protection system is 10.8 cm.

slope protection system，permeable slope surface，stable thickness，Three Gorges Reservoir area，wind wave

TU399

A

1001-702X（2016）08-0086-03

国家自然科学基金项目（51202304）；

重庆市教委科学技术项目（KJ1401016）；

2013年度万州区科技人才专项项目；

重庆三峡学院青年项目（13QN-20）

2016-02-16；

2016-03-22

王雪，女，1983年生，辽宁铁岭人，讲师，硕士，主要研究生态护坡、土木工程材料、废弃物资源化。