加筋麦克垫抗冲刷试验研究及其在工程中的应用

程庆臣，张文海，程　强

（1.天津市水利科学研究院，天津　300061；2.天津市引滦工程黎河管理处，河北 遵化　064200）



加筋麦克垫抗冲刷试验研究及其在工程中的应用

程庆臣1，张文海2，程强1

（1.天津市水利科学研究院，天津300061；2.天津市引滦工程黎河管理处，河北 遵化064200）

摘 要：引进了加筋麦克垫抗冲刷护坡新产品，对其构成进行了描述。通过室内抗降雨冲刷试验，验证了该产品的抗冲刷性能，并成功应用于七里海湿地的导流渠工程内，工程效果及生态效果显著，具有很好的推广价值。

关键词：加筋麦克垫；抗冲刷；护坡；生态效果

加筋麦克垫是一种土工复合产品，由多个无序排布的防护网丝铺设于平面网格状的筋网上组成，网丝包覆并粘结于筋网的上下两个表面，筋网由多根同向设置的金属材质线材组成，筋网面积不小于网丝的铺设面积，相邻线材通过绞合部固定连接以构成有序排布的多个网格，网格基本上为六边形。用加筋麦克垫中具有较高抗拉强度的筋网来抵抗植被防护网垫受到的外部剪切应力和拉力，保护网丝使其不会断裂，而网丝可以保护植被不受雨水、水流冲刷，因此植被在正常生长的同时对边坡土方起到防护作用，防止水土流失。

1　加筋麦克垫试验研究

为了进一步研究加筋麦克垫的性能，在室内对其抗冲刷性能进行了研究。加筋麦克垫铺在河道边坡及河底，一方面受到水流的冲刷，另一方面在坡上裸露的部分还要受到降雨的冲刷。由于水流抗冲刷试验中流速随时间变化规律与室内降雨抗冲刷试验基本类似，所以笔者仅对加筋麦克垫的降雨抗冲刷试验进行了研究。试验用的加筋麦克垫规格为25 m×2 m×0.012 m（长×宽×厚），网格尺寸为6 cm×8 cm，网格钢丝直径为2.2 mm。

本次试验采用放水冲刷而非人工模拟降雨来研究加筋麦克垫护坡作用下坡面流水动力学特性与侵蚀特性，主要有以下优点：①可以通过阀门和电磁流量计准确控制试验冲刷水流量，得到相对准确的侵蚀量和坡面流流量的关系，而人工模拟降雨试验的坡面流流量是沿程不断变化的，较难对比不同流量作用下侵蚀量的变化规律；②可以在较小的边坡范围使用较大的冲刷流量，而降雨试验中只有在坡长较长的试验条件下才可能产生较大的流量；③放水冲刷试验设备制造简单、操作方便，而人工模拟降雨设备制造和操作都较为复杂。

1.1试验装置

（1）水槽设计。查阅资料可知，试验用水槽规格会对坡面流的水动力学参数和侵蚀特性产生不可忽略的影响。本次试验所釆用的水槽规格为5.6 m×1 m×1 m（长×宽×高），底部用不锈钢板材、两侧是厚度为10 mm的有机玻璃，以特殊黏胶胶结，防止漏土、漏水。

（2）水槽变坡系统。试验通过导轨式液压变坡系统来调节水槽的坡度，变坡范围在0～45°。利用导轨和电动液压油缸可平稳地升降水槽边坡，得到变坡范围内的任何所需坡度。

（3）供水装置。坡面径流冲刷供水系统由蓄水池、定数头水箱、多个阀门组、电磁流量计、输水管及水槽上部的稳流槽等组成，其中电磁流量计的精度等级为0.5%。

（4）边坡下部填土设计。本次试验土质边坡采用砂质粉土（砂粒、黏粒含量比较居中），通过室内标准击实试验可测得该土的最大干密度为1.81 g/cm3，最佳含水率为13.4%。

试验模拟的是土质边坡在加筋麦克垫护坡作用下的水力学特性及冲刷特性，为最大限度还原工程实际，在铺设加筋麦克垫之前，先在水槽底部填约45 cm厚的土并通过水准仪和水准尺确保土层厚度相同及坡面水平。填土采用人工分层填筑、分层夯实，超填削坡的方式进行。

1.2试验工况

（1）铺设加筋麦克垫边坡。试验采用改变流量和坡度的冲刷方式，经过多次正交试验对比找出降水冲刷坡面流的水力学特性和冲刷规律。为了更好地体现流量及坡度对坡面流水力学特性及侵蚀特性的影响，分别进行了3个坡度10、20、30°和3个流量1、1.5、2 m3/h共9组试验。

对于铺设加筋麦克垫边坡试验，在边坡土夯实后即可铺设加筋麦克垫，加筋麦克垫的铺设方法与现场施工方法相比较为简单。加筋麦克垫的试验室铺设，可按下述步骤进行：①平整坡面；②铺加筋麦克垫；③固定加筋麦克垫。

（2）未作防护的土质边坡。为了更好地说明加筋麦克垫的抗冲刷作用，对未经防护的土质边坡也进行了试验，试验前在已经铺好的加筋麦克垫上均匀覆土（均匀压实，且覆土超过已铺设的加筋麦克垫表面最高处为0.5 cm）作为对照试验。

为了提高效率，将2个对照试验合并为1个试验进行，即冲刷前期为未作防护的土质边坡试验、冲刷后期（土体全部冲刷完后）为铺设加筋麦克垫边坡试验，坡度和流量在试验过程中均保持不变。

1.3数据采集及试验结果

为保持边坡边界条件的一致性，每次试验开始之前都需要对边坡进行修整、维护，使每次试验边坡土壤有近似的含水率、压实度、土颗粒级配等。

每组工况的试验时长为50 min，分别在第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47、49 min时进行流速、含沙率的数据采集。

不同时刻、不同工况的流速，如图1—3所示。

图1　流量为1 m3/h时各坡度流速随时间变化

图2　流量为1.5 m3/h时各坡度流速随时间变化

图3　流量为2.0 m3/h时各坡度流速随时间变化

由图1—3可以看出，在流量相同、坡度不同的试验条件下，坡面流流速随冲刷时间的变化规律：在冲刷初期（1～10 min），流速1～3 min开始呈逐渐上升趋势，上升到最大值后开始缓慢减小。在冲刷中期11～20 min，流速急剧减小，减小幅度在整个冲刷过程中是最大的；在冲刷中期21～30 min，流速继续减小，但减小速率变小。在冲刷末期（31～49 min），流速仍有减小趋势，减小速率较中期继续变小并趋于平缓，流速变化局部存在波动现象。

由于试验坡面的土质含水量较小，所以在开始冲刷时流速较小，随着坡面土趋于饱和，流速增大，到3 min左右增大到最大值，此后坡面土体被剥蚀、搬运，坡面状况急剧改变，流速开始有小幅的下降。随着冲刷的进行，加筋麦克垫露在边坡表面，迅速改变坡面的粗糙率，由于加筋麦克垫孔隙的凹凸，坡面流的冲刷路径被延长，形成一个个跌坎，流体能量消耗增大，流速急剧降低。末期，不同坡度下冲刷区域内的加筋麦克垫几乎全部出露，对流速的阻滞作用明显。当土全部被冲走之后，加筋麦克垫成为影响坡面流速主要因素时，各坡度所对应的末期流量较为接近。

另外，作为对照试验，冲刷前期与后期坡面流速相差特别大，冲刷前期的流速（未作防护边坡）要远远大于冲刷后期的流速（铺设加筋麦克垫），两者相差约3～4倍。由此可见，从水流中的流速分析，加筋麦克垫的抗冲刷特性是十分明显的。

2　加筋麦克垫在工程中的应用

本工程位于北运河下游水质保持示范工程的导流渠内，该导流渠的作用是将强化湿地水体引向生态稳定塘。导流渠底宽2.0 m，底高程1.0 m，边坡1∶2，总长度228 m，过水时的平均水深0.5 m，坡度很小，约为0.000 1。

2.1加筋麦克垫设计

针对导流渠道的特点，过水时的平均水深为0.5 m，因此河道最大水深为y=0.5 m，该河道流速很小，水力坡降i=0.000 1。

河道水流对护坡（麦克垫或者加筋麦克垫）的牵引切应力，对于河床而言，计算公式为：

对于河堤而言，计算公式为：

式中：τb、τm为主动切应力（kg/m2）；γw为水的密度（kg/m3）；y为河道平均水深（m）。

根据式（2），得到本工程河道边坡上的水流对垫子的牵引剪切力为τm=0.75γwyi=0.75×1 000×0.5× 0.000 1=0.037 5（kg/m2）=0.375（N/m2）。

加筋麦克垫的抗冲允许剪切力（设计推荐值），见表1（假定该导流渠的最大过水流量持续时间为30 h）。

表1　加筋麦克垫抗冲允许剪切力

由计算结果可见，加筋麦克垫护坡的抗冲允许剪切力远大于水流冲刷剪切力。由于导流渠的比降很小，河道中的流速极小，没有剧烈的冲刷问题，只需选择加筋麦克垫R6就完全能够满足要求。

2.2加筋麦克垫施工

根据加筋麦克垫的特点，其施工工艺流程包括坡面平整、放样、铺设加筋麦克垫、网垫边缘锚固、钉U形钉锚固、加筋麦克垫铰接、回填土。由于该工程铺完后立即要进行过水，所以本工程没有回填土这一步骤。

本示范工程属于小型河道，河道深度较浅，施工时以平行于水流方向的方式放置土工垫，在坡面上沿水流方向（由下游向上游）铺设加筋麦克垫；U形钉的长度为30 cm，直径为4 mm，间距为1 m。对导流渠228 m的渠道两侧的护坡全部进行了铺设，施工时严格按照施工技术要求进行。

由于该工程位于七里海湿地，当地水生植物主要以芦苇为主，施工完成后2个月芦苇已经长出并已经超出麦克垫约30 cm，实践证明铺设完加筋麦克垫的护坡芦苇长势良好。

该示范工程经过2年时间运行，加筋麦克垫仍然完好无损，且导流渠坡面上长满了芦苇，大大降低了水流对护坡的冲刷，发挥了很好的保护作用，且该护坡与周围的环境相结合，生态效益较好。

3　结论

（1）加筋麦克垫内部进行了加强处理（采用双铰合钢丝网格），具有机械抗张强度和防冲刷的结构，其抗冲、抗拉的特性远远高于其他土工材料；另外，还具有其他柔性铺面材料所有的优点如空隙率高、透水性好等，空隙内可以植草，能美化环境，同时形成自然坡面改善生态环境。

（2）加筋麦克垫的抗冲刷特性十分明显，从室内降雨抗冲刷试验流速分析，发现冲刷前期与后期坡面流流速相差特别大，冲刷前期的流速（未作防护边坡）要远远大于冲刷后期的流速（铺设加筋麦克垫），两者相差约3～4倍。

（3）该工程经过2年的运行应用，加筋麦克垫未产生破坏，护坡未产生淘刷，且在加筋麦克垫的空隙中长满芦苇，很好地与周围环境相协调，生态效益较好。

中图分类号：TV41；TV148

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）01-0051-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.019

收稿日期：2015—11—18

作者简介：程庆臣（1973—），男，高级工程师，主要从事水工结构、工程检测等方面的研究工作。

Study on the Anti Scouring Test of Macmat R and the Application in Engineering

CHENG Qing-chen1，ZHANG Wen-hai2，CHENG Qiang1
（1.Tianjin Water Conservancy Science Research Institute，Tianjin 300061，China；2.Tianjin Li River Management Office of Yinluan Project，Zunhua 064200，China）

Abstract：Reinforced Macmat R anti scour protection products are introduced and the constitution is described.The anti erosion performance of the product is verified through anti rain erosion test.What's more，The product is successfully applied in Qilihai wetland diversion canal engineering.The engineering effect and ecological effect is remarkable with good promotional value.

Key words：Macmat R；anti erosion；slope protection；ecological effect