新型生态挡墙抗冲稳定试验

李晟钰，陈池威，陈德钢，曾显迪，苏 燕，谢秀栋

(1.福州大学 海洋学院，福建 福州 350000；2.福州大学 土木学院，福建 福州 350000)



新型生态挡墙抗冲稳定试验

李晟钰1，陈池威1，陈德钢1，曾显迪1，苏 燕2，谢秀栋2

(1.福州大学 海洋学院，福建 福州 350000；2.福州大学 土木学院，福建 福州 350000)

摘要：指出了在生态环保、节能降耗日渐成为趋势的新时期，各类新型生态挡土墙都得到了不同程度的应用。探究了不同填土性质、不同水流速度下新型生态挡墙的抗冲稳定性，分析了生态挡墙的水毁机理，探讨了新型生态挡墙的生态特点及适用范围，以期为合理设计该类生态挡土墙提供科学的参考依据。

关键词：新型生态挡墙；生态孔植草；砌块；冲刷

1引言

我国城市建设发展的过程当中，由于地形、水流等原因出现了大量的挡土墙。一般的挡土墙只是在满足固土、防滑坡的基础上做了简单的处理，不仅影响城市景观，还存在一定的安全隐患。在城市发展日益受到关注的今天，人们对城市生态建设的要求越来越高，生态保护、资源的持续利用已经渐渐成为工程建设中的一个重要环节，要求挡土墙不仅具备功能上的生态性，还追求挡土墙的景观性，既要很好地排水、又要很好地保土，既要安全可靠、又要形成生态化结构。在河流整治工程中，新型生态挡墙技术利用新型砌块、生态孔同时解决了挡土排水、 安全可靠和生态需要等问题，与传统挡墙相比，具有整体连锁、施工简便、减少占地、节省投资等诸多优越性，广泛应用在建设、水利、市政等部门的各种挡土建筑，如河道挡墙、湖泊护岸、生态护坡等。

新型生态挡墙是一种新型的建筑材料和施工技术，它与墙后的保护岩体(土体)、回填材料(粘土、砂土、砼支护、土工格栅、锚杆等)等组成一个复杂的多材料、多种组合的挡墙保护结构。该结构的稳定可靠性直接影响到保护工程的综合效果。为了解新型生态挡墙的抗冲稳定性能，我们在水流作用下对新型生态挡墙进行了一系列的抗冲流速试验，并对试验结果进行研究、分析。

本项目主要采用室内仿真技术和理论分析的方法开展研究，按照生态挡墙标准设计断面结构进行物理模型试验，模型比尺 1∶4，挡墙包括砌块、挡墙砌块后回填砂土、粘土、碎石和混合土等，在不同流速条件下，观测生态挡墙处的水流流态变化、水流与挡墙结构的综合作用以及挡墙砌块内部土颗粒的起动情况等，从而明确新型生态挡墙砌块内土体的起动流速、挡墙砌块的抗冲流速及破坏位置和型态。该试验对新型生态挡墙的推广和应用具有重要的意义。研究成果可为今后合理设计该类生态挡土墙提供科学的参考依据。

2模型设计

2.1水力模型试验

通过物理模型进行水力模型试验，揭示水流运动规律和解决工程实际问题是实际工作中的常用手段(图1)。水力模型试验是将原型实物按照相似原理缩制为模型，在模型中预演或重演与原型相似的自然现象并进行观测，然后将观测结果再按相似原理还原于原型并作出判断。

图1　河道模型试验段

2.2模型比尺及模型材料

本试验按相似原理要求，几何比尺选定为λ=4，砌块容重27.1kN/m3，采用石膏作为胶凝剂配合其他材料，浇筑制成砌块。砌块模具采用PVC材质板制作，PVC板经由电子割板机(图2)切割后拼接而成，精度±0.01 mm。

图2　电子割板机

2.3模具制作

制作砌块时，首先将模具放置于有机玻璃片之上，用夹具夹紧两端。而后将称量好，搅拌均匀的重晶石粉、石膏、水的混合原料倒入模具内，浇筑过程中持续搅拌，以防止出现由原料凝结过快而导致的砌块不均匀现象。原料倒入之后，捣实，抹平表面，静置约 30 min后，待石膏模型达到一定强度后进行拆模。最后将成批的砌块放入烤箱中烘干后，在其表面涂抹玻璃胶，以满足阻力相似要求。

挡墙模具及模型成品如图3和图4所示。

图3　挡墙模具

图 4　挡墙模型砌块成品

3新型生态挡墙抗冲稳定试验

本试验主要考虑填土性质、流速、过流历时等因素，采用以下3种回填材料。

①粘土(II)； ②粘土(Ⅶ，生态孔内填碎石)； ③粘土(Ⅷ，生态孔植草)。

3.1试验结果

3.1.1粘土填料生态挡墙抗冲能力

当生态挡墙后填土采用粘土时，通过设置不同河道流速，观察在不同流速条件下生态孔内水流流态变化、生态孔内及墙后粘土颗粒的起动情况，明确了生态挡墙回填粘土的抗冲流速及破坏位置和型态，试验结果如下。

(1) 当河道流速为1.2～1.4 m/s时，流速稳定后观察到生态孔水流平稳，过流历时 2 h，其间未见明显颗粒起动，墙后回填土完好。

(2) 当河道流速为1.9～2.1 m/s时，流速稳定后观察到生态孔水流发生小幅度平缓波动，过流历时 10 min起，在水位波动处生态孔内可间歇观察到少量粘土颗粒起动，过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 2 cm 的贯穿通道,见图5(a)。

(3) 当河道流速升为2.4～2.6 m/s时，流速稳定后即观察到生态孔内水位波动较为剧烈，粘土颗粒持续性流出，过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 15 cm 的贯穿通道,见图5(b)。

(4)当河道流速升为3.4～3.6m/s时，流速稳定后即观察生态孔内水流不仅波动频率加剧，而且呈强烈紊流，墙后填土大量涌出，形成明显淘刷,见图5(c)。

图5　粘土填料生态挡墙在不同流速下水流形态及粘土颗粒流出情况

过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 28 cm 的贯穿通道。由此可见，当生态挡墙墙后回填粘土，河道流速>2.0m/s 时，均出现不同程度的贯穿性通道，且该通道仅出现在水流波动处，该方案抗冲流速为 1.3m/s，应用受限，虽然偶见挡墙后填土已掏空，挡墙砌块仍可能暂时稳定，但由于墙后回填土极易形成贯穿性通道且不易在挡墙外部观察到，故从保留足够安全余幅的角度考虑，建议不宜在生态挡墙后直接回填粘土。

3.1.2粘土填料+生态孔填碎石生态挡墙抗冲能力

当生态挡墙后填土采用粘土填料+生态孔填碎石时，通过设置不同河道流速，观察在不同流速条件下生态孔内水流流态变化、生态孔内及墙后颗粒的起动情况，明确了生态挡墙回填粘土填料+生态孔填碎石的抗冲流速及破坏位置和型态，试验结果如下。

(1) 当河道流速为2.9～3.1 m/s时，流速稳定后即观察生态孔内水流波动频率较高，粘土颗粒持续性流出，形成较明显淘刷，见图6(a)。过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 15 cm 的贯穿通道，见图7(a)，生态孔内碎石完好，见图7(b)。

(2)当河道流速降为2.4～2.6 m/s时，流速稳定后即观察到生态孔内水位波动较为剧烈，粘土颗粒持续性流出，见图6(b)，过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 10 cm 的贯穿通道。

(3)当河道流速降为1.9～2.1 m/s时，流速稳定后观察到生态孔水流发生小幅度平缓波动，过流历时 5 min起，在水位波动处生态孔内可间歇观察到少量细颗粒起动，见图6(c)，过流历时 2 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 2 cm 的贯穿通道。

图6　粘土填料+生态孔填碎石生态挡墙不同流速下水流形态及细颗粒流出情况

(4) 当河道流速为1.3～1.5 m/s时，流速稳定后观察到生态孔水流平稳，过流历时 2 h，其间未见明显颗粒起动，墙后回填土完好(图7)。

图7　墙后回填粘土、生态孔填碎石冲刷后型态

由图7可见，该方案抗冲流速为 1.4 m/s，说明挡墙后回填粘土，仅在生态孔内回填碎石，由于在墙后仍形成一贯穿性的通道，对提高生态挡墙的抗冲流速是有限的，因此应用受限。

3.1.3粘土填料+生态孔植草生态挡墙抗冲能力

当生态挡墙后填土采用粘土填料+生态孔植草时，通过设置不同河道流速，观察在不同流速条件下生态孔内水流流态变化、生态孔内及墙后颗粒的起动情况，明确了生态挡墙回填粘土填料+生态孔植草的抗冲流速及破坏位置和型态，试验结果如下。

(1)当河道流速为4.8～5.2 m/s时，流速稳定后即观察生态孔内十分剧烈，而且呈强烈紊流，细颗粒持续性流出，形成明显淘刷，见图8(a)。过流历时 8 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 13 cm 的贯穿通道。

(2)当河道流速降为3.8～4.2 m/s时，流速稳定后即观察到生态孔内水位波动剧烈，形成较明显淘刷，见图8(b)，过流历时 8 h后，墙后回填土在水流波动处形成一条深度约 8 cm 的贯穿通道。

(3)当河道流速降为2.9～3.1 m/s时，流速稳定后观察到生态孔内水流波动频率较高，但未见颗粒流出，过流历时 5 分钟起，在水位波动处生态孔内可间歇观察到少量细颗粒起动，见图8(c)，过流历时 8 h后，墙后回填土保存较好。由此可见，该方案抗冲流速为 3.0 m/s，较仅在生态孔内填碎石方案抗冲流速有所提高，但是由于试验时间所限，植草未能有效发挥固土作用，该方案抗冲流速有待进一步研究。

图8　粘土填料+生态孔植草生态挡墙在不同流速下水流形态及细颗粒流出情况

3.2生态挡墙水毁机理

(1)当河道流速较小时，水流在挡墙砌块位置向生态孔内的绕流不明显，孔内发生小幅度平缓波动，孔内填土浸水，土体抗剪强度降低，水流波动拖曳力破坏了粘土颗粒的受力平衡，导致少量粘土颗粒松动，松动的粘土颗粒随着向下的水流波动流出，被带出的粘土颗粒随过流历时增长而增加，形成墙后粘土由生态孔中间向两侧逐渐扩展的通道。

(2)当河道流速增加至一定程度，水流在挡墙砌块位置向生态孔内的绕流增强，孔内水面波动的频率急剧加快，水流的紊动强度增强，形成强烈紊流，伴随着环流、斜切流和横流。这些水流结构产生较大水流拖曳力，破坏了墙后粘土的受力平衡，导致粘土崩解，迅速地被淘刷，形成更深的贯穿性通道，淘刷范围的增大导致墙后粘土坍塌体积增大，坍塌土体的惯性又造成小冲击波，引起墙后水流更强烈的紊动，造成墙后土体开裂和不断崩塌，通道不断往内部楔入直至破坏。

(3)不同流速下，过流历时 2 h后墙后土体均出现不同程度的贯穿性通道，且该通道仅出现在水流波动处。

4总结与讨论

针对新型生态挡墙，我们主要考虑回填土的类型，通过设置不同河道流速，观察在不同流速条件下生态孔内水流六台变化、生态孔内及墙后填料的启动情况，明确了不同类型生态挡墙的抗冲流速及破坏位置和形态。实验结果汇于表1。

表1　不同类型生态挡墙的抗冲流速

由表1可知，粘土填料挡墙、填土填料+生态孔填碎石生态挡墙的抗冲流速均小于1.5 m/s，使用流速较小，破坏位置均出现在水位波动处，破坏型态均为贯穿通道，因此，应用受限。粘土填料+生态孔植草生态挡墙抗冲流速小于 2.9～3.1 m/s，较生态孔填碎石方案抗冲流速有所提高，但是由于试验时间所限，植草未能有效发挥固土作用，该方案抗冲流速有待进一步研究。故不论是从安全角度还是生态角度考虑，建议在顺直河道处，采用混合土(碎石+粘土)+植草的方案。

参考文献：

[1]黄岳文，荣勋砌块及其在生态护岸上的应用[J]．人民长江，2008(7).

[2]中华人民共和国水利部.土工试验方法标准：GB/T50123-1999[S].北京：中国标准出版社，1999.

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[4]吕东旭．土工格室生态挡墙工程性状研究[M]．西安：长安大学，2003.

[5]邓金燕.沱江流域中游河段生态水利工程初探[J].绿色科技，2015(5).

收稿日期：2016-04-12

基金项目：福州大学本科生科研训练项目(编号：21168)

作者简介：李晟钰(1995—)，女，福州大学海洋学院大学生。

通讯作者：苏燕(1973—)，女，副教授，博士，主要从事水利港工相关的教学与科研工作。

中图分类号：TU59

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0210-03