基于土釘支護(hù)技術(shù)的河道整治工程試驗(yàn)研究

周文帥，石慧芳

（臨邑縣水利局，山東 臨邑 251500）

1 引言

河岸邊坡水土流失不僅會(huì)直接造成土地耕地資源減少，而且還會(huì)使河床抬高、河道淤積，一旦遇到暴雨天氣很容易發(fā)生洪澇災(zāi)害，因此，有必要對河岸邊坡水土流失治理技術(shù)進(jìn)行研究[1]。

當(dāng)前，常用的河道治理技術(shù)主要包括兩類：生態(tài)治理和工程治理。王立志[2]以松花江流域防洪體系的胖頭泡蓄滯洪區(qū)為研究對象，基于現(xiàn)場觀察結(jié)果，得出布置生態(tài)水土流失的防治措施能夠有效控制區(qū)域水土流失，達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境的目的。楊翠華[3]將工程措施、植物措施與臨時(shí)措施相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套完整的水土流失防治體系綜合防護(hù)體并將其應(yīng)用河道治理中，取得了較好的應(yīng)用效果。李慶[4]等以臨湘市源潭河流域綜合治理中的護(hù)岸工程為背景，探討分析了雷諾格賓護(hù)岸在河道治理中的應(yīng)用效果，認(rèn)為該型護(hù)坡結(jié)構(gòu)具有整體性好、反濾性要求低、易于施工等優(yōu)點(diǎn)，可在河道治理工程中推廣應(yīng)用。生態(tài)治理措施雖然效果較好，對環(huán)境有利，但存在耗時(shí)長、難以在短期內(nèi)取得較好的成效[5-7]等缺點(diǎn)，而傳統(tǒng)的坡面硬化工程治理措施又不利于河流生態(tài)環(huán)境，因此有必要在傳統(tǒng)河道治理措施之外，設(shè)計(jì)新的治理技術(shù)，因地制宜進(jìn)行整治施工，才能發(fā)揮最佳的工程效益。

本文依托于山東省德州市三分干的河岸邊坡治理工程，室內(nèi)設(shè)置不同土釘間距和坡度條件下的水土流失模型試驗(yàn)，深入研究土釘護(hù)坡技術(shù)在河岸水土保持工作中的應(yīng)用。

2 工程背景

本文依托山東省德州市臨邑縣今冬明春縣級水利工程，擬治理三分干全長30.2 km，流域面積148.9 km2。區(qū)域地表主要覆蓋土層為填土和粉質(zhì)粘土，層厚在0.5 m～2.5 m 之間，可塑性較強(qiáng)，遇水易變形、垮塌；受工業(yè)及農(nóng)業(yè)施肥等影響，地表土壤中富營養(yǎng)污染元素成分含量較大。由于區(qū)域工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)開墾導(dǎo)致植被覆蓋面積下降，造成河道出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失問題，特別是支流中間河道段由于建筑取土及林業(yè)砍伐等問題，導(dǎo)致河道右側(cè)出現(xiàn)大范圍的土崩解塌方，并引發(fā)大面積松散土流入河道，嚴(yán)重危害河流水質(zhì)、生態(tài)平衡及區(qū)域用水安全，河道水土流失問題急需治理。

3 試驗(yàn)方案

土壤流失模型試驗(yàn)設(shè)備見圖1。該土壤流失模型試驗(yàn)設(shè)備主要由水箱、沉沙池、模型邊坡、水泵以及PVC 管等組成。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4 個(gè)不同邊坡坡度（30°、40°、50°及60°）以及3 個(gè)不同土釘間距（5 cm、10 cm 及15 cm）條件下的水土流失模型試驗(yàn)，其中，土釘?shù)拈L度為20 cm。此外，為對比有土釘護(hù)坡與無土釘條件下的土壤控制效果，本次研究還設(shè)計(jì)了無土釘護(hù)坡組作為對比試驗(yàn)組，同時(shí)也涉及上述四個(gè)不同坡度條件下的土壤流失模型試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要步驟如下所述：（1）準(zhǔn)備基本材料和制備試驗(yàn)?zāi)Ｐ停唬?）制備松散土干燥后構(gòu)筑為不同坡度的邊坡；（3）開水泵模擬水力沖刷過程，每10 min 替換沉砂池并對原箱中的松散土干燥后沉重，計(jì)算不同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)土壤流失質(zhì)量。

圖1 土壤流失模型試驗(yàn)設(shè)備圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2，通過改變坡度或土釘間距后，重復(fù)上述過程直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 護(hù)坡土釘結(jié)構(gòu)示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 約束影響分析

圖3 為有（土釘間距15 cm）、無護(hù)坡土釘條件下土壤流失量隨時(shí)間變化關(guān)系，由圖3 可知，隨著土壤流失模型試驗(yàn)中水分的不斷流入，土壤流失量逐漸增大，且各個(gè)坡度、有無土釘條件下其變化趨勢基本保持一致，這表明在水力的沖刷作用下，土壤確實(shí)會(huì)發(fā)生明顯的流失現(xiàn)象。進(jìn)一步對比有、無護(hù)坡土釘條件下土壤流失情況，在無土釘條件下，以坡度為30°為例，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到60 min 時(shí)，有護(hù)坡土釘條件下的總土壤流失量為22.69 g，而無護(hù)坡土釘條件下的總土壤流失量為130.88 g，土壤流失量是有土釘條件下的5.77 倍；其他坡度條件下有土釘護(hù)坡技術(shù)條件下水土流失量分別相對降低65.21%、67.35%和75.13%。由此可見，土釘護(hù)坡有效降低了河岸邊坡土的流失，其對河道邊坡土壤流失控制具有非常顯著的效果。分析認(rèn)為，護(hù)坡土釘對邊坡土不僅起到了很好的密實(shí)作用，加強(qiáng)了邊坡不同區(qū)域土之間粘結(jié)力；同時(shí)，由于護(hù)坡土釘是由PVC 材料制成，其增強(qiáng)了邊坡上土體的整體性，因此土體滑動(dòng)難度增大（增強(qiáng)抗滑穩(wěn)定性）。綜上所述，護(hù)坡土釘能夠有效提高邊坡土體的抗滑力，因此土壤流失量產(chǎn)生了明顯的下降。

圖3 有、無護(hù)坡土釘條件下土壤流失量隨時(shí)間變化關(guān)系

4.2 坡度影響分析

圖3 中同時(shí)也給出了有、無護(hù)坡土釘條件下邊坡坡角對土壤流失量的影響關(guān)系，由圖3 可知，隨著坡度的增大，有無護(hù)坡土釘條件下邊坡的土壤流失量均呈現(xiàn)出逐漸增加的變化趨勢。在無護(hù)坡土釘條件下，坡角為30°時(shí)邊坡最大土壤流失量為130.88 g，隨著坡角的不斷增大，土壤流失量不斷增大，最大土壤流失量分別為141.08 g、161.47 g 及190.37 g，分別相對提升7.79%、23.38%及45.45%。在有土釘護(hù)坡條件下，坡角為30°時(shí)最大土壤流失量為22.69 g，隨著坡角的增大，最大土壤流失量分別相對升高13.46%、34.61%及61.53%。

由此可見，坡度越大，則土體整體的下滑力越大且抗滑力越小，因此土體的滑動(dòng)趨勢更加明顯。而在土釘作用下，邊坡上土體的整體性增加，高邊坡角度下其發(fā)生整體滑動(dòng)的趨勢更強(qiáng)，因此在有土釘條件下，坡度越大，土壤流失量提升更加明顯[8-9]。

4.3 土釘間距影響分析

圖4 為土釘間距分別為10 cm與5 cm 條件下有土釘護(hù)坡的邊坡土壤流失量隨時(shí)間變化關(guān)系。由圖4 可知，在相同坡角條件下，隨著土釘間距的逐漸減小，邊坡的最大土壤流失量也不斷減小。結(jié)合圖3（b），在30°坡角條件下，15 cm 土釘護(hù)坡的邊坡最大土壤流失量為22.69 g，而10 cm與5 cm 土釘間距護(hù)坡條件下的最大土壤流失量分別為16.29 g 和12.12 g，分別相對降低28.21%和46.59%，由此可見，土釘孔徑對護(hù)坡的土壤流失控制的影響明顯。

圖4 不同土釘間距條件下土壤流失量隨時(shí)間變化關(guān)系

分析認(rèn)為，土釘間距越小，則邊坡松散土體被劃分的區(qū)域塊也就越多，同時(shí)邊坡上土釘相對質(zhì)量也就越大，因此黏聚力也就越強(qiáng)，土壤流失可能性更小。

4.4 應(yīng)用效果

圖5 為該河岸邊坡采取土釘護(hù)坡技術(shù)治理前后效果對比圖，由圖5 可知，在采取河道邊坡治理技術(shù)前，該河道水土流失情況嚴(yán)重，邊坡土質(zhì)貧瘠且松散，在降雨條件下極易發(fā)生土方崩解，導(dǎo)致土壤流失，污染河道。在采取土釘護(hù)坡技術(shù)治理河道邊坡后，河岸邊坡土壤流失情況得到了有效控制，河道坡岸綠化面積大幅增加，有效抑制了土壤在強(qiáng)降雨情況下的流失問題。

圖5 河岸邊坡土釘護(hù)坡技術(shù)治理效果圖

5 結(jié)論

本文依托于山東省德州市臨邑縣今冬明春縣級水利工程，基于室內(nèi)試驗(yàn)探討了土釘護(hù)坡技術(shù)在防止河岸水土流失中的應(yīng)用，得出主要結(jié)論如下：

（1）有護(hù)坡土釘條件下土壤流失情況控制效果顯著。以坡度為30°為例，有護(hù)坡土釘條件下的總土壤流失量為22.69 g，而無護(hù)坡土釘條件下的總土壤流失量是有土釘條件下的5.77 倍。

（2）隨著坡度的增大，有、無護(hù)坡土釘條件下邊坡的土壤流失量均呈現(xiàn)出逐漸增加的變化趨勢。有土釘護(hù)坡條件下，坡角為30°時(shí)最大土壤流失量為22.69 g，隨著坡角的增大，最大土壤流失量分別相對升高13.46%、34.61%及61.53%。

（3）在相同坡角條件下，隨著孔徑的逐漸減小，邊坡的最大土壤流失量也不斷減小。15 cm 土釘護(hù)坡的邊坡最大土壤流失量為22.69 g，而10 cm與5 cm 土釘孔徑護(hù)坡條件下的最大土壤流失量分別相對降低28.21%和46.59%。