格賓網箱覆綠功能反濾層優化設計研究

楊 凡，張志紅，吳長路，姚愛軍，陳祥國，李立云

(1.北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124； 2.中鐵建工集團有限公司，北京 100160)

1 研究背景

反濾層由不同粒徑的砂、碎石或卵石等反濾料構成，反濾料顆粒粒徑順著水流方向逐漸增大，在各種情況下，粒徑較小的顆粒都不允許透過由粒徑較大顆粒構成的孔隙，同一層的顆粒也不能產生相對移動[1]。設置反濾層能夠有效防止實際工程遭受管涌、流土、沖刷等滲流破壞[1-2]。

反濾層在水利、交通、市政等眾多工程領域中均得到了廣泛的應用，目前研究主要集中在反濾層的濾水原則、排水減壓原則等設計理論[3-8]及其可靠度的計算[9]等方面。劉杰等[3]在太沙基反濾層設計理論的基礎上提出了自然界無黏性土、黏性土和礫質土的反濾層設計方法。Jacobsen等[10]提出了一個能夠描述開放濾層內的侵蝕和沉積模型，研究了反濾層的不同布局對系統性能的影響，以及不同濾層剖面對沖刷的影響。Tsujimoto等[11]為研究濾層對海灘剖面的影響建造了鋪設有礫石濾層的人工海灘，結果表明反濾層能促進護堤的防護效果，減少岸線的侵蝕，且具有濾層的海灘剖面趨于穩定，并通過數值模擬試驗提出了適用于日本現有海灘保護的方法。王輝軍[12]通過試驗結果給出了適用于公路工程的反濾層層數為兩層，最多不超過3層的建議。陶連金等[13]通過數值模擬證明了在一定范圍內設置反濾層對土層液化有很好的防護性能，且隨著碎石反濾層厚度和層數的增加，土層的抗液化能力明顯提升。Li等[14]對粉砂組合土樣進行垂直滲透試驗，模擬了人工回灌地下水時，反濾層對回灌井的滲透影響，試驗表明，粉土會降低濾層的滲透性，從而降低回灌井的回灌能力。肖芳玲等[15]為研究均勻反濾層保護下的黃土抗滲強度與反濾層孔隙特性的關系，以橫泉水庫壩體黃土為研究對象進行了一系列抗滲試驗和激光粒度分析試驗，證明了反濾層顆粒粒徑比越小，被保護土越易流失。Ju等[16]通過不同滲透性的土工織物和不同粒徑粗集料的組合作為濾層的上下部結構模擬測試了波浪作用下土工織物覆蓋層頂部和下側的壓力，研究了不同土工織物滲透性的反濾層對被保護土表層穩定性的影響。Changsung等[17]研究了拋石護坦的沖刷特性及其沉降特性，在試驗測量的基礎上，根據反濾層厚度計算了反濾層沖刷防護的沉降，用無量綱經驗公式量化垂直落差下游無濾層拋石沖刷防護的沉降。

目前關于反濾層的研究主要涉及反濾層的類型、控制粒徑以及反濾層在水利、交通等領域的應用，但尚未見反濾層在格賓網箱中的應用。相較于傳統支護形式，格賓網箱具有良好的滲透和柔韌性，在邊坡工程中能實現護坡、覆綠及材料就地利用等多重功能，達到工程結構和生態環境的有機結合[8,18]。本文依托北京冬奧會張家口賽區正在實施的“科技冬奧”項目，重點研究當地最大降雨條件下不同設計方案的反濾層防沖刷性能，從而為類似工程格賓網箱覆綠功能反濾層的優化設計提供參考。

2 格賓網箱反濾層結構形式

2.1 試驗背景

本試驗依托正在實施的“科技冬奧”項目，該項目位于河北省張家口市崇禮區枯楊樹村，地處大陸性季風型山區氣候區，四季分明，雨熱同季。山區降雨量大，山體大都為全風化～中等風化的巖石構成，易發生滑坡，故需對山體進行支護。現場地形地貌如圖1所示。

圖1 研究項目現場地形地貌

需支護的山體坡度為1∶1.5，為防止滑坡，且滿足生態保護要求，使用格賓網箱對其進行生態護坡。根據坡度比和工程目的對格賓網箱及其填充物的形式進行了設計，格賓網箱高為1 000 mm，其中上部種植土厚度為100 mm，中部設置反濾層，厚度為200 mm，底部700 mm厚的爆破碎石作為格賓網箱的承重部分。其具體結構形式如圖2所示。

圖2 格賓網箱結構圖(單位：mm)

2.2 反濾層結構形式

反濾層按其結構形式主要劃分為Ⅰ型反濾和Ⅱ型反濾兩種類型[9]。

Ⅰ型反濾：反濾層位于被保護土下方，滲流自上而下進行，反濾層上部容易發生破壞。

Ⅱ型反濾：反濾層位于被保護土上方，滲流自下而上進行，反濾層下部容易發生破壞。

Ⅰ型反濾和Ⅱ型反濾的結構形式如圖3所示。本文試驗根據現場實際情況，將反濾層設計為Ⅰ型反濾層。

2.3 反濾料的選擇

對于反濾料一般就地、就近選擇，且有3個方面的要求：一是要保土，即要求被保護土體中的顆粒不得透過反濾層，以免造成土顆粒大量流失；二是具有一定的滲透性，即要求水體能順利排出，以使得直接作用在下部地基土上的水動力荷載最小化，但需保證滲透系數不能過大，否則無法阻止細顆粒移動；三是具有一定的水密性，以防止顆粒較小的泥沙被沖出，無法達到保護土顆粒的目的[15,19-21]。目前大部分的反濾料為不均勻反濾料，相對于均勻反濾料，不均勻反濾料具有易就地取材、篩分量小、工程造價低等優點。并且由于小一級的顆粒能夠填充下一級顆粒形成的孔隙，不均勻反濾料更容易滿足上述3方面的要求。

本試驗的反濾料均為當地巖石經爆破之后形成的粒徑小于100 mm的不均勻碎石，上部的種植土為適合當地植被生長的黃土。

圖3 兩種類型的反濾層結構形式

3 試驗原理與方法

3.1 試驗原理

反濾層的基本作用是濾土排水，即要求反濾層既能夠防止被保護土隨滲流水析出，又能夠保證滲流水的排出，除了這兩個基本作用外，還需保護相鄰反濾層不遭滲流破壞。反濾層層數和厚度的確定是由保護效果決定的，當該層反濾不需另一層反濾層來保護時，即在該反濾層下，被保護土不會被沖刷，則該反濾層層數和厚度有效[12,22-23]。因此，有效的反濾層呈兩方面特征：(1)在加上試驗水頭后短時間內滲水變清，滲流量不斷減少；(2)防滲體與反濾接觸面沒有遭到沖蝕破壞，無大量土顆粒流失[24]。由此可確定反濾層層數和厚度。

3.2 試驗設計

為了研究最大降雨量下反濾層對被保護土的保護效果，本試驗設計了由不同層數、不同厚度和不同顆粒粒徑組成的6種反濾層，通過比較雨水沖刷后收集到的被保護土質量，可確定出最適宜的反濾層構造形式。反濾層的設計形式如表1所示。表1中2-1、2-2和2-3表示反濾層設置為2層，厚度比分別為100∶100、150∶50、50∶150；3-1、3-2和3-3表示反濾層設置為3層，厚度比分別為70∶70∶60、100∶50∶50、50∶50∶100。

3.3 試驗裝置

本試驗采用自行設計的反濾層試驗裝置，該裝置共分為3部分：(1)進水裝置(水箱)；(2)反濾層放置裝置；(3)土顆粒收集裝置。

水箱尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，由鋼板制成，底部布滿直徑為3 mm的小孔，孔間距為50 mm，用于模擬降水；反濾層放置裝置直徑800 mm、高300 mm，由亞克力有機玻璃板制成，共分為上、下兩部分，底部200 mm放置反濾料即反濾層總厚度為200 mm，上部100 mm放置被保護土，反濾層底部放有孔徑為2 mm的篩網，目的是為了防止反濾料顆粒流失，只能夠讓水和土顆粒透過反濾層進入土顆粒收集裝置；土顆粒收集裝置直徑200 mm，高100 mm，由亞克力有機玻璃板制成。試驗裝置如圖4所示。

表1 反濾層結構的不同形式 mm

圖4 自制試驗裝置結構及實物圖

3.4 試驗過程

對粒徑小于100 mm的碎石進行篩分，為便于現場施工應用，將碎石篩分成3種粒徑范圍，分別為粒徑小于20 mm、粒徑為20～50 mm以及粒徑為50～100 mm。根據上述設計方案鋪設反濾層，底部碎石粒徑最大，中層次之，上層碎石粒徑最小。反濾層鋪設完成后，在頂部均勻覆蓋100 mm厚的黃土。

具體的試驗步驟及過程如圖5所示。先將水放入進水裝置中，共分3次進水，時間間隔為5 h，每次模擬的降雨強度均為45 mm/h，屬于暴雨級別，與崇禮區氣象記載的最大降雨強度相一致。降水試驗完成后將土壤收集于裝置中的土顆粒收集袋中，帶回室內實驗室靜置、烘干、稱量。通過分析不同層數、不同厚度比、不同顆粒粒徑組成的反濾層條件下收集到的土顆粒質量，可以確定不同形式反濾層的防沖刷效果。

圖5 試驗步驟及過程示意圖

4 試驗結果與分析

表2為不同沖刷次數兩層不同厚度比反濾層被沖刷的土顆粒質量，反濾層形式為兩層反濾層，上、下兩層厚度比分別為100∶100、150∶50、50∶150。

表2 不同沖刷次數兩層不同厚度比反濾層 被沖刷的土顆粒質量 g

由表2可以看出，隨著沖刷次數的增加，每次收集到的被沖刷的土顆粒質量逐漸減小。兩層厚度比為100∶100的反濾層收集到的被沖刷土顆粒質量最小，表明其防沖刷能力優于其他兩種形式的反濾層。

表3為不同沖刷次數3層不同厚度比反濾層被沖刷的土顆粒質量，3層反濾層的上、中、下各層厚度比分別為70∶70∶60、100∶50∶50、50∶50∶100。

表3 不同沖刷次數3層不同厚度比反濾層被沖刷的土顆粒質量 g

由表3可以看出，隨著沖刷次數的增加，收集到的被沖刷的土顆粒質量不斷減小。3層厚度比為70∶70∶60的反濾層收集到的被沖刷土顆粒質量最小，表明其防沖刷能力優于其他兩種形式的反濾層。結果表明，當反濾層為3層且厚度比為70∶70∶60時，被沖刷的土顆粒總質量為107.137 g，其對于土顆粒的防沖刷效果最好；當反濾層層數為兩層且厚度比為100∶100時，被沖刷的土顆粒總質量為115.914 g，兩者土顆粒總質量相差8.777 g(約8%)，可以認為這兩種形式反濾層的防沖刷效果相近。從施工角度考慮，兩層的反濾層相較于3層反濾層更易于施工，故可以認為層數為兩層、厚度比為100∶100的反濾層為最佳選擇。

由反濾層試驗結果可知，不同粒徑組成的反濾層厚度越接近，防沖刷能力越強；反濾層層數越多，防沖刷能力越強。當反濾層層數為3層且厚度比為70∶70∶60時，該結構的反濾層防沖刷效果最好，這是因為大粒徑顆粒形成的孔隙被下一級粒徑的顆粒填充，下一級粒徑顆粒形成的孔隙又被最小粒徑的顆粒填充。若大粒徑顆粒的含量過大，則小粒徑顆粒無法填滿孔隙，土顆粒就會穿過孔隙流失，不能滿足反濾層保土的要求；若小粒徑含量過大，則無法很好地滿足反濾層濾水的要求，使得土壤含水量過高，不能保證植被正常生長。故當不同粒徑的顆粒含量相當時，既能使得顆粒間的孔隙被填充，也能很好地滿足反濾層濾水保土的要求，則該結構的反濾層具有較好的防沖刷效果。

5 結 論

本試驗依托北京冬奧會張家口賽區正在實施的“科技冬奧”項目，模擬當地最大降雨量，采用自行設計的反濾層試驗裝置，開展了具有覆綠功能的格賓網箱內反濾層優化設計試驗，主要結論如下：

(1)反濾層設計層數越多，其防沖刷效果越好。

(2)構成反濾層的顆粒粒徑范圍組分越多，反濾層的防沖刷能力越強。

(3)從便于施工的角度考慮，反濾層設置為兩層，每層厚度為100 mm即厚度比為1∶1，且粒徑構成為小于20 mm和 20～100 mm時，反濾層防沖刷效果最佳。