適用于三峽水庫中陡土坡消落區等高種植的土工結構模型

李 新, 高 芳, 劉正學, 張立冬, 郝艷龍, 郭遠臣, 劉亞濤

(1.重慶三峽學院 環境與化學工程學院, 重慶 萬州 404100; 2.重慶三峽學院 三峽庫區水環境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室, 重慶 萬州 404100; 3.重慶三峽學院 土木工程學院, 重慶 萬州 404100; 4.重慶三峽學院 基建處, 重慶 萬州 404100)

適用于三峽水庫中陡土坡消落區等高種植的土工結構模型

李 新1,2, 高 芳1,2, 劉正學1,2, 張立冬1,2, 郝艷龍1,2, 郭遠臣3, 劉亞濤4

(1.重慶三峽學院 環境與化學工程學院, 重慶 萬州 404100; 2.重慶三峽學院 三峽庫區水環境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室, 重慶 萬州 404100; 3.重慶三峽學院 土木工程學院, 重慶 萬州 404100; 4.重慶三峽學院 基建處, 重慶 萬州 404100)

[目的] 探討在當前三峽庫區面臨的嚴峻生態環境下，采取何種適合的生態治理技術以解決庫區生態環境安全問題，為三峽庫區生態環境修復提供一定的參考依據。[方法] 通過生態治理模型整體框架結構，提高中、陡土坡生態系統地表基底穩定性；通過等高種植平面綠化技術、土工格室垂直綠化技術，提高消落區植被覆蓋率和土壤肥力；通過不同高層區段消落區適宜植物“喬—灌—草—藤(177～170 m)、“灌—草—藤”(170～160 m)、“草—藤”配置(160～145 m)，對消落區的生物多樣性、植被覆蓋率及景觀層次起提高作用。[結果] 通過模型設計，將傳統混凝土護坡技術與現代生態護坡技術相結合、等高種植平面綠化技術與土工格室垂直綠化技術相結合，實現了生物措施與工程措施的高度統一、系統穩定性與開放性的高度統一、植被覆蓋率與景觀層次的高度統一。[結論] 該土工結構模型的應用對三峽水庫中陡土坡消落區生態治理具有一定的參考價值和現實的應用前景。

三峽水庫; 消落區; 中陡土坡; 生態護坡; 模型

三峽水庫消落區的生態環境問題，具有水位差大(0～30 m)，持續時間長(因高程而異，一般5～6個月)、反季節性淹沒(11月至翌年5月)及洪水的不定期淹沒等特征，導致三峽水庫消落區生態環境問題與原自然消落區或一般濕地生態系統所面臨的生態環境問題存在較大差異[1]，其核心問題主要包括3個方面： ①庫岸穩定性差，水土流失嚴重，物質能量循環障礙； ②植被遭毀滅性破壞，生物多樣性急劇下降； ③庫岸治理模式簡單，環境污染加劇，景觀劣化嚴重。三峽水庫消落區生態環境問題最為集中、最為嚴峻、最難解決、亟需治理的是中(15°～25°)、陡(25°～75°)土坡消落區，如何發展合適的生態護坡技術以解決消落區生態環境安全問題已引起多方關注，并日益成為工作的重點、難點和熱點。

當前，針對三峽水庫消落區的生態護坡技術主要有： ①土工網復合植被護坡[2]。如三峽工程壩區谷樹嶺及壇子嶺、湖北省興山縣等，用網固草，以草防沖、網草交織共同護坡。②適宜植物護坡[3]。常見于城鎮消落區，主要通過對消落區適宜植物的篩選，在不同高程段種植相適宜的植物進行護坡。③生態混凝土護坡[4]。主要針對高陡巖石邊坡。④自然卵石護坡[5]。散見于三峽水庫消落區不同區域。

以上針對三峽水庫消落區的生態治理技術各有優缺點并且主要適用于一些坡度較平緩或浪刷作用相對較弱的消落區，但針對中、陡土坡消落區護坡治理在國內卻很少見。因此，本文擬以三峽水庫中、陡土坡消落區為研究對象，設計一種專門針對三峽水庫中陡土坡消落區等高種植生態治理模型，以期解決三峽水庫中、陡土坡消落區生態護坡、植被重建、景觀層次等難題。

1 模型設計方案

1.1 結構設計

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

1.1.2 分體結構設計

(1) 抗沖垂直板與緩沖傾斜板。①結構：抗沖垂直板設置于消落區迎水坡橫向方向，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基流失。網孔部分的設計采取類似于土工格室植草護坡的方法在其框格內種植適宜草本、灌木、攀援性或垂吊性植物，達到垂直綠化目的。

(2) 連接板與加固樁。①結構：連接板設置于抗沖垂直板一側，加固樁設置于連接板底部；②功能：連接板的主要功能是連接不同高層相鄰結構單體的抗沖垂直板，加固樁的功能是深入土中進一步穩固整個裝置。

(3) 容納槽與培養基。①結構：在不同高層的相鄰結構單體的抗沖垂直板之間通過連接板隔出容納槽，在容納槽中填充植物培養基；②功能：根據不同的地理條件和生態環境容納槽中等高種植適宜的植物群落，達到平面綠化目的。上述平面綠化與垂直綠化技術相結合，植被覆蓋率可到達90%～100%。

1.2 結構預制規格尺寸

如圖1所示，抗沖垂直板，長約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個部分： ①傾斜部分。向外斜面約200 mm，向內斜面約150 mm，厚度約100 mm； ②水平部分。上平面向內深入約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，長約800 mm的加固樁。

注：側立面和正立面中數值單位為mm。

1.3混凝土結構材料構成

混凝土結構材料構成包括：膠凝材料、粗骨料、細骨料、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%)。

細骨料為山砂(最大粒徑4.75 mm，連續級配)，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，參照《JGJ55-2000普通混凝土配合比設計規程》，前期試驗結果(表1)表明，其適用性能能夠滿足模型應用要求。

表1 C30混凝土配合比及前期試驗結果

1.4 施工流程

主要施工流程如下：①地質勘測；②樁基施工；③確定構件使用量；④構件預制；⑤養護；⑥現場裝配；⑦植被修復、重建。

1.4.1 施工條件 三峽庫區消落區中陡土坡不穩定[6-7]，并隨水位的漲落時而淹沒時而出露成陸，施工現場不易進行頻繁的機械調動，所以不宜采用傳統現澆式施工方法。經實地考察分析發現：消落區出露水面后一般形成10～30 cm 的淤泥質土，強度較低但是含有較多腐殖質，能加速植被生長；淤泥質土下部為黏土或砂巖，強度相對較高，可以進行樁基礎施工。加固樁施工時根據實地條件，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。其余部分采用預制構件現場拼裝，鉚合部分用膠凝材料加固。

1.4.2 施工步驟 施工時先用混凝土預制出鋼筋混凝土結構單體，在消落區同一高層上平整出能夠放置結構單體的基底，將結構單體通過加固樁固定在基底上；同一高層相鄰結構單體通過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澆筑混凝土將處于同一高層的結構單體連為一體。依次可沿消落區地勢的不同高層設置連為一體的結構體(圖2)。

圖2 開放型鋼筋混凝土模型側立面

2 模型性能分析

2.1模型設計的結構分析

2.1.1 結構設計分析 建筑施工時，樁底嵌入巖石部分不小于500 mm，混凝土強度為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 結構力學分析 模型采用裝配式結構。首先預制抗沖垂直板和緩沖傾斜板構件，與連接板現澆連接；加固樁現澆完畢后與上部容納槽通過裝配方式用膠凝材料連接，此時一個單體裝配完成，依次逐級裝配。該結構能夠加強模型整體穩定性。

2.1.3 結構抗浪蝕能力、抗沖刷能力分析 鋼筋混凝土結構具有較好的抗浪蝕、抗沖刷能力，此設計采用的材料強度足夠，安全系數較高。消落區水位漲落與自然洪枯規律相反，每年夏季出露水面時正值天氣炎熱、暴雨頻繁，地表蒸發量于晴天時過大，導致土坡松動；中陡土坡抗滑系數較小，抗剪能力較差，土壤固結能力弱，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質的淤泥，更加降低了土坡穩定性。傳統灰砂磚設計強度達到20 MPa 時即滿足抗浪蝕要求，而此設計采用的是剛性框架，基準設計強度為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構工作性能分析

2.2.1 基本力學性能 此模型的基本力學性能主要涉及抗壓強度和抗剪強度2個方面。所制備的混凝土試件實測28 d 抗壓強度平均值為32.7 MPa，抗剪強度為4.05 MPa。結構上部容納槽不承受較大荷載，主要是承受來自于土體圍壓的剪切力；而在容納槽土體內所產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，在力學效果上能夠滿足抗剪要求。

2.2.2 結構對植被的適應性 鋼性護坡結構在施工過程中涉及到的基坑開挖、支擋結構的搭建，以及擠土效應和流土管涌現象所造成的土體松動，極易對原有植被造成破壞[8]。而此模型設計的容納槽能對已有土體形成錨固作用，使原有生態系統相對獨立，在被淹沒的單體內部，土壤不易流失，土工格室控制單體內部水流量，使出露成陸后原有生態系統得以延續；未淹沒的部分植被正常生長，同時促使下一級植被出露水面后迅速形成，由此形成了一個個相對獨立卻又相互共生的完整植被生態系統。

2.2.3 模型設計方案靈活性分析 本模型在實際應用中可根據實際情況進一步優化設計方案。一方面，模型材料可替代。一是混凝土材料可用新型生態環保材料替代；二是土壤基質可用植生袋等基質替代。另一方面,模型結構可靈活。一是可取消連接板，降低造價成本；二是可取消單體橫向連接，降低維護成本。

3 模型技術特點及應用前景展望

綜上所述，該模型具有如下技術特點：①將傳統混凝土護坡技術與現代生態護坡技術相結合，既能充分發揮傳統護坡的系統穩定性優勢，又能兼顧生態護坡的系統開放性。②將等高種植平面綠化技術與土工格室垂直綠化技術相結合，植被覆蓋率可達到90%～100%。③模型材料可替代、結構可靈活，可適應不同的應用需求。

三峽水庫消落區主要分布在19個區縣，總面積為360.93 km2，占淹沒陸域面積55.21%[9-10]。根據《三峽后續工作規劃總體報告》，要求在高程145～170，170～175 m這2個區域，完成植被恢復面積26.98 km2；高程145～170 m為19.04 km2，170～175 m為7.94 km2。因此，本模型的應用對三峽水庫中陡土坡消落區生態治理具有一定的參考價值和現實的應用前景。

[1] He Keqiang, Yu Guangming, Li Xiangran. The regional distribution regularity of landslides and their effects on the environments in the Three Gorges Reservoir Region, China[J]. Environmental Geology, 2009,57(8):1925-1931.

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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

文獻參數： 李新, 高芳, 劉正學, 等.適用于三峽水庫中陡土坡消落區等高種植的土工結構模型[J].水土保持通報，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

國家自然科學基金面上項目“三峽庫區消落帶種子庫動態及多年生草本植物適應機制”(31270451); 重慶市水利局項目(渝水資源[2014]10號); 三峽庫區水環境演變與污染防治重點實驗室開放基金(WETKL2012MS-07)

李新(1992—),女(漢族),湖南省益陽市人,碩士研究生,研究方向為生態護坡。E-mail:287347012@qq.com。

劉正學(1965—),男(漢族),重慶市萬州區人,博士,碩士生導師,主要從事三峽庫區生態重建、植物生理生態學、水生環境微生物學等方面的研究。E-mail:1421031367@qq.com。