適用于三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)等高種植的土工結(jié)構(gòu)模型

李 新, 高 芳, 劉正學(xué), 張立冬, 郝艷龍, 郭遠(yuǎn)臣, 劉亞濤

(1.重慶三峽學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 重慶 萬(wàn)州 404100; 2.重慶三峽學(xué)院 三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 萬(wàn)州 404100; 3.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院, 重慶 萬(wàn)州 404100; 4.重慶三峽學(xué)院 基建處, 重慶 萬(wàn)州 404100)

適用于三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)等高種植的土工結(jié)構(gòu)模型

李 新1,2, 高 芳1,2, 劉正學(xué)1,2, 張立冬1,2, 郝艷龍1,2, 郭遠(yuǎn)臣3, 劉亞濤4

(1.重慶三峽學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 重慶 萬(wàn)州 404100; 2.重慶三峽學(xué)院 三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 萬(wàn)州 404100; 3.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院, 重慶 萬(wàn)州 404100; 4.重慶三峽學(xué)院 基建處, 重慶 萬(wàn)州 404100)

[目的] 探討在當(dāng)前三峽庫(kù)區(qū)面臨的嚴(yán)峻生態(tài)環(huán)境下，采取何種適合的生態(tài)治理技術(shù)以解決庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題，為三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供一定的參考依據(jù)。[方法] 通過(guò)生態(tài)治理模型整體框架結(jié)構(gòu)，提高中、陡土坡生態(tài)系統(tǒng)地表基底穩(wěn)定性；通過(guò)等高種植平面綠化技術(shù)、土工格室垂直綠化技術(shù)，提高消落區(qū)植被覆蓋率和土壤肥力；通過(guò)不同高層區(qū)段消落區(qū)適宜植物“喬—灌—草—藤(177～170 m)、“灌—草—藤”(170～160 m)、“草—藤”配置(160～145 m)，對(duì)消落區(qū)的生物多樣性、植被覆蓋率及景觀層次起提高作用。[結(jié)果] 通過(guò)模型設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)混凝土護(hù)坡技術(shù)與現(xiàn)代生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合、等高種植平面綠化技術(shù)與土工格室垂直綠化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生物措施與工程措施的高度統(tǒng)一、系統(tǒng)穩(wěn)定性與開放性的高度統(tǒng)一、植被覆蓋率與景觀層次的高度統(tǒng)一。[結(jié)論] 該土工結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)用對(duì)三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)生態(tài)治理具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用前景。

三峽水庫(kù); 消落區(qū); 中陡土坡; 生態(tài)護(hù)坡; 模型

三峽水庫(kù)消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，具有水位差大(0～30 m)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(因高程而異，一般5～6個(gè)月)、反季節(jié)性淹沒(méi)(11月至翌年5月)及洪水的不定期淹沒(méi)等特征，導(dǎo)致三峽水庫(kù)消落區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題與原自然消落區(qū)或一般濕地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題存在較大差異[1]，其核心問(wèn)題主要包括3個(gè)方面： ①庫(kù)岸穩(wěn)定性差，水土流失嚴(yán)重，物質(zhì)能量循環(huán)障礙； ②植被遭毀滅性破壞，生物多樣性急劇下降； ③庫(kù)岸治理模式簡(jiǎn)單，環(huán)境污染加劇，景觀劣化嚴(yán)重。三峽水庫(kù)消落區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最為集中、最為嚴(yán)峻、最難解決、亟需治理的是中(15°～25°)、陡(25°～75°)土坡消落區(qū)，如何發(fā)展合適的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)以解決消落區(qū)生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題已引起多方關(guān)注，并日益成為工作的重點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

當(dāng)前，針對(duì)三峽水庫(kù)消落區(qū)的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)主要有： ①土工網(wǎng)復(fù)合植被護(hù)坡[2]。如三峽工程壩區(qū)谷樹嶺及壇子嶺、湖北省興山縣等，用網(wǎng)固草，以草防沖、網(wǎng)草交織共同護(hù)坡。②適宜植物護(hù)坡[3]。常見(jiàn)于城鎮(zhèn)消落區(qū)，主要通過(guò)對(duì)消落區(qū)適宜植物的篩選，在不同高程段種植相適宜的植物進(jìn)行護(hù)坡。③生態(tài)混凝土護(hù)坡[4]。主要針對(duì)高陡巖石邊坡。④自然卵石護(hù)坡[5]。散見(jiàn)于三峽水庫(kù)消落區(qū)不同區(qū)域。

以上針對(duì)三峽水庫(kù)消落區(qū)的生態(tài)治理技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)并且主要適用于一些坡度較平緩或浪刷作用相對(duì)較弱的消落區(qū)，但針對(duì)中、陡土坡消落區(qū)護(hù)坡治理在國(guó)內(nèi)卻很少見(jiàn)。因此，本文擬以三峽水庫(kù)中、陡土坡消落區(qū)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種專門針對(duì)三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)等高種植生態(tài)治理模型，以期解決三峽水庫(kù)中、陡土坡消落區(qū)生態(tài)護(hù)坡、植被重建、景觀層次等難題。

1 模型設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本模型為一種開放型的鋼筋混凝土整體框架結(jié)構(gòu)，其由許多結(jié)構(gòu)單體組成。每一個(gè)結(jié)構(gòu)體主要包括設(shè)置于消落區(qū)迎水坡橫向方向帶有框格的抗沖垂直板、設(shè)置于抗沖垂直板頂部帶有框格的緩沖傾斜板、設(shè)置于抗沖垂直板一側(cè)的連接板、設(shè)置于連接板底部的加固樁、在不同高層的相鄰結(jié)構(gòu)單體的抗沖垂直板之間通過(guò)連接板隔出的容納槽等部分。

1.1.2 分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 抗沖垂直板與緩沖傾斜板。①結(jié)構(gòu)：抗沖垂直板設(shè)置于消落區(qū)迎水坡橫向方向，其頂部為緩沖傾斜板，并在垂直板、傾斜板上開孔形成框格；②功能：所述抗沖垂直板主要功能是抗沖蝕作用，緩沖垂直板主要功能是緩解沖蝕作用并防止容納槽中的培養(yǎng)基流失。網(wǎng)孔部分的設(shè)計(jì)采取類似于土工格室植草護(hù)坡的方法在其框格內(nèi)種植適宜草本、灌木、攀援性或垂吊性植物，達(dá)到垂直綠化目的。

(2) 連接板與加固樁。①結(jié)構(gòu)：連接板設(shè)置于抗沖垂直板一側(cè)，加固樁設(shè)置于連接板底部；②功能：連接板的主要功能是連接不同高層相鄰結(jié)構(gòu)單體的抗沖垂直板，加固樁的功能是深入土中進(jìn)一步穩(wěn)固整個(gè)裝置。

(3) 容納槽與培養(yǎng)基。①結(jié)構(gòu)：在不同高層的相鄰結(jié)構(gòu)單體的抗沖垂直板之間通過(guò)連接板隔出容納槽，在容納槽中填充植物培養(yǎng)基；②功能：根據(jù)不同的地理?xiàng)l件和生態(tài)環(huán)境容納槽中等高種植適宜的植物群落，達(dá)到平面綠化目的。上述平面綠化與垂直綠化技術(shù)相結(jié)合，植被覆蓋率可到達(dá)90%～100%。

1.2 結(jié)構(gòu)預(yù)制規(guī)格尺寸

如圖1所示，抗沖垂直板，長(zhǎng)約5 000 mm，寬約100 mm，高約650 mm。緩沖傾斜板與抗沖垂直板形成45°夾角，分為2個(gè)部分： ①傾斜部分。向外斜面約200 mm，向內(nèi)斜面約150 mm，厚度約100 mm； ②水平部分。上平面向內(nèi)深入約100 mm，厚度約為100 mm。在抗沖垂直板和緩沖傾斜板上分別開約200 mm×200 mm和約100 mm×100 mm的方形孔，間隔分別約為85和80 mm。連接板長(zhǎng)約1 000 mm，寬約100 mm，高約300 mm，在下底面中間處插入直徑約80 mm，長(zhǎng)約800 mm的加固樁。

注：側(cè)立面和正立面中數(shù)值單位為mm。

1.3混凝土結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成

混凝土結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成包括：膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料、水、外加劑。膠凝材料所用水泥為P32.5普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級(jí)粉煤灰。粗骨料為碎石(粒徑范圍5～31.5 mm，視密度2.89(g/cm3)，其堆積密度為1.47(g/cm3)，吸水率為0.40%，壓碎值為10.2%)。

細(xì)骨料為山砂(最大粒徑4.75 mm，連續(xù)級(jí)配)，其它外加劑有高效減水劑(FDN)、膨脹劑(UEA)。以C30混凝土配合比為基準(zhǔn)，參照《JGJ55-2000普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，前期試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，其適用性能能夠滿足模型應(yīng)用要求。

表1 C30混凝土配合比及前期試驗(yàn)結(jié)果

1.4 施工流程

主要施工流程如下：①地質(zhì)勘測(cè)；②樁基施工；③確定構(gòu)件使用量；④構(gòu)件預(yù)制；⑤養(yǎng)護(hù)；⑥現(xiàn)場(chǎng)裝配；⑦植被修復(fù)、重建。

1.4.1 施工條件 三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)中陡土坡不穩(wěn)定[6-7]，并隨水位的漲落時(shí)而淹沒(méi)時(shí)而出露成陸，施工現(xiàn)場(chǎng)不易進(jìn)行頻繁的機(jī)械調(diào)動(dòng)，所以不宜采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆式施工方法。經(jīng)實(shí)地考察分析發(fā)現(xiàn)：消落區(qū)出露水面后一般形成10～30 cm 的淤泥質(zhì)土，強(qiáng)度較低但是含有較多腐殖質(zhì)，能加速植被生長(zhǎng)；淤泥質(zhì)土下部為黏土或砂巖，強(qiáng)度相對(duì)較高，可以進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工。加固樁施工時(shí)根據(jù)實(shí)地條件，要求嵌入巖石深度不低于50 cm，以保證樁身不被地下水侵蝕破壞。其余部分采用預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝，鉚合部分用膠凝材料加固。

1.4.2 施工步驟 施工時(shí)先用混凝土預(yù)制出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單體，在消落區(qū)同一高層上平整出能夠放置結(jié)構(gòu)單體的基底，將結(jié)構(gòu)單體通過(guò)加固樁固定在基底上；同一高層相鄰結(jié)構(gòu)單體通過(guò)抗沖垂直板相向的鋼筋頭焊接在一起，并在鋼筋焊接處通過(guò)澆筑混凝土將處于同一高層的結(jié)構(gòu)單體連為一體。依次可沿消落區(qū)地勢(shì)的不同高層設(shè)置連為一體的結(jié)構(gòu)體(圖2)。

圖2 開放型鋼筋混凝土模型側(cè)立面

2 模型性能分析

2.1模型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 建筑施工時(shí)，樁底嵌入巖石部分不小于500 mm，混凝土強(qiáng)度為C40，樁身截面為圓形，配筋采用6Φ10圓形排列，箍筋采用6Φ150。因此，鋼筋混凝土加固樁與基巖(主要為砂巖)具有較好的嵌固能力和抵抗流水潛蝕能力。

2.1.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 模型采用裝配式結(jié)構(gòu)。首先預(yù)制抗沖垂直板和緩沖傾斜板構(gòu)件，與連接板現(xiàn)澆連接；加固樁現(xiàn)澆完畢后與上部容納槽通過(guò)裝配方式用膠凝材料連接，此時(shí)一個(gè)單體裝配完成，依次逐級(jí)裝配。該結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)模型整體穩(wěn)定性。

2.1.3 結(jié)構(gòu)抗浪蝕能力、抗沖刷能力分析 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的抗浪蝕、抗沖刷能力，此設(shè)計(jì)采用的材料強(qiáng)度足夠，安全系數(shù)較高。消落區(qū)水位漲落與自然洪枯規(guī)律相反，每年夏季出露水面時(shí)正值天氣炎熱、暴雨頻繁，地表蒸發(fā)量于晴天時(shí)過(guò)大，導(dǎo)致土坡松動(dòng)；中陡土坡抗滑系數(shù)較小，抗剪能力較差，土壤固結(jié)能力弱，在浪蝕以及地表徑流的沖刷作用下逐漸被侵蝕，部分土壤顆粒形成富含有機(jī)質(zhì)的淤泥，更加降低了土坡穩(wěn)定性。傳統(tǒng)灰砂磚設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到20 MPa 時(shí)即滿足抗浪蝕要求，而此設(shè)計(jì)采用的是剛性框架，基準(zhǔn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa，能夠滿足抵抗水浪侵蝕與地表徑流的沖刷能力。

2.2 開放型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作性能分析

2.2.1 基本力學(xué)性能 此模型的基本力學(xué)性能主要涉及抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度2個(gè)方面。所制備的混凝土試件實(shí)測(cè)28 d 抗壓強(qiáng)度平均值為32.7 MPa，抗剪強(qiáng)度為4.05 MPa。結(jié)構(gòu)上部容納槽不承受較大荷載，主要是承受來(lái)自于土體圍壓的剪切力；而在容納槽土體內(nèi)所產(chǎn)生的橫向力被抗沖垂直板的橫向約束所抵消，土體底部地下水浮力又被傾斜緩沖板的縱向約束所抵消。因此，在力學(xué)效果上能夠滿足抗剪要求。

2.2.2 結(jié)構(gòu)對(duì)植被的適應(yīng)性 鋼性護(hù)坡結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中涉及到的基坑開挖、支擋結(jié)構(gòu)的搭建，以及擠土效應(yīng)和流土管涌現(xiàn)象所造成的土體松動(dòng)，極易對(duì)原有植被造成破壞[8]。而此模型設(shè)計(jì)的容納槽能對(duì)已有土體形成錨固作用，使原有生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，在被淹沒(méi)的單體內(nèi)部，土壤不易流失，土工格室控制單體內(nèi)部水流量，使出露成陸后原有生態(tài)系統(tǒng)得以延續(xù)；未淹沒(méi)的部分植被正常生長(zhǎng)，同時(shí)促使下一級(jí)植被出露水面后迅速形成，由此形成了一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立卻又相互共生的完整植被生態(tài)系統(tǒng)。

2.2.3 模型設(shè)計(jì)方案靈活性分析 本模型在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。一方面，模型材料可替代。一是混凝土材料可用新型生態(tài)環(huán)保材料替代；二是土壤基質(zhì)可用植生袋等基質(zhì)替代。另一方面,模型結(jié)構(gòu)可靈活。一是可取消連接板，降低造價(jià)成本；二是可取消單體橫向連接，降低維護(hù)成本。

3 模型技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景展望

綜上所述，該模型具有如下技術(shù)特點(diǎn)：①將傳統(tǒng)混凝土護(hù)坡技術(shù)與現(xiàn)代生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合，既能充分發(fā)揮傳統(tǒng)護(hù)坡的系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，又能兼顧生態(tài)護(hù)坡的系統(tǒng)開放性。②將等高種植平面綠化技術(shù)與土工格室垂直綠化技術(shù)相結(jié)合，植被覆蓋率可達(dá)到90%～100%。③模型材料可替代、結(jié)構(gòu)可靈活，可適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

三峽水庫(kù)消落區(qū)主要分布在19個(gè)區(qū)縣，總面積為360.93 km2，占淹沒(méi)陸域面積55.21%[9-10]。根據(jù)《三峽后續(xù)工作規(guī)劃總體報(bào)告》，要求在高程145～170，170～175 m這2個(gè)區(qū)域，完成植被恢復(fù)面積26.98 km2；高程145～170 m為19.04 km2，170～175 m為7.94 km2。因此，本模型的應(yīng)用對(duì)三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)生態(tài)治理具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用前景。

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ASuitableContourPlantedGeotechnicalPatternforMiddleandSteepSoilSlopeinWater-levelFluctuationZoneofThreeGorgesReservoir

LI Xin1,2, GAO Fang1,2, LIU Zhengxue1,2,ZHANG Lidong1,2, HAO Yanlong1,2, GUO Yuanchen3, LIU Yatao4

(1.SchoolofEnvironmentandChemistryEngineering,ChongqingThreeGorgesUniversity,Wanzhou，Chongqing404100,China; 2.KeyLaboratoryofWaterEnvironmentEvolutionandPollutionControl,ThreeGorgesReservior,Wanzhou,Chongqing404100,China; 3.CollegeofCivilEngineering,ChongqingThreeGorgesUniversity,Wanzhou,Chongqing404100,China; 4.InfrastructureConstructionDepartment,ChongqingThreeGorgesUniversity,Wanzhou,Chongqing404100,China)

[Objective] To find a kind of ecological management technology that can be adopted to solve the ecological problem existed in the Three Gorges reservoir area. Some appropriate ecological management technologies were researched to provide some reference for the restoration of ecological environment in the three gorges reservoir area. [Methods] To improve the foundation stability in the middle and steep soil slope of ecosystem, measure of open circulation of the reinforced concrete frame was adopted. To strengthen the vegetation coverage and soil fertility in the water-level fluctuation zone, measure of contour planted areal greening and geo-cell planted vertical greening were conducted. To increase the biodiversity and landscape level in the water-level fluctuation zone, some suitable plant arrangements at different slope levels in the water-level fluctuation zone were carried out, including “tree-shrub-grass-vine” (177～170 m), “shrub-grass-vine” (170～160 m) and “grass-vine” (160～145 m). [Results] The pattern helped to integrate the traditional concrete slope protection technology and modern ecological slope protection technology, and to integrate contour-planted areal greening and geo-cell planted vertical greening, is beneficial to gain high unity of biological measures and engineering measures, system stability and opening, vegetation coverage rate and landscape level. [Conclusion] The application of this pattern has reference value and application perspective for the ecological management in water level fluctuation zone of the Three Gorges reservoir to some extent.

ThreeGorgesReservoir;water-levelfluctuationzone;middleandsteepsoilslope;ecologicalslopeprotection;model.

B

1000-288X(2017)05-0266-04

P343.3, U656.3

文獻(xiàn)參數(shù)： 李新, 高芳, 劉正學(xué), 等.適用于三峽水庫(kù)中陡土坡消落區(qū)等高種植的土工結(jié)構(gòu)模型[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：266-269.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.045； Li Xin, Gao Fang, Liu Zhengxue, et al. A suitable contour planted geotechnical pattern for middle and steep soil slope in water-level fluctuation zone of Three Gorges reservoir[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：266-269.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.045

2017-02-21

2017-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“三峽庫(kù)區(qū)消落帶種子庫(kù)動(dòng)態(tài)及多年生草本植物適應(yīng)機(jī)制”(31270451); 重慶市水利局項(xiàng)目(渝水資源[2014]10號(hào)); 三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(WETKL2012MS-07)

李新(1992—),女(漢族),湖南省益陽(yáng)市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)護(hù)坡。E-mail:287347012@qq.com。

劉正學(xué)(1965—),男(漢族),重慶市萬(wàn)州區(qū)人,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)重建、植物生理生態(tài)學(xué)、水生環(huán)境微生物學(xué)等方面的研究。E-mail:1421031367@qq.com。