蜂巢约束系统抗冲刷性能试验研究

孙小沛，韩 冲，周晓平，刘少斌

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

以往的河道整治建设工程中，多采用浆砌块石、现浇混凝土挡墙等硬质材料进行传统护岸，在满足岸坡稳定和防洪安全等要求的情况下，忽略了河流的生态功能。

近年来，随着国家对环境保护意识的逐渐增强，生态驳岸在河道整治工程中得到了越来越广泛的应用[1-2]。生态驳岸在设计时，需要考虑岸坡安全稳定、生态、保护、绿化景观打造等多样化的要求。生态驳岸工程材料多为植物或者天然工程材料，主要为确保水、土、植物的相互联系，力求达到不破坏水土自适应通道，使护岸材料天然化、投资合理化。蜂巢约束系统作为新兴土工合成材料，具有透水、保土、固土、改善负载性能等优点。但因蜂巢格室的抗冲刷特性尚未得到充分验证，还未在生态驳岸工程中得到广泛的推广应用[3-4]。

本文结合影响蜂巢约束系统抗冲刷性能的主要因素，进行生态驳岸抗冲刷模型试验，观察蜂巢约束系统盘的损坏程度，分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，为蜂巢约束系统在水环境治理工程的广泛推广应用提供技术支撑。

1 试验模型和方法

1.1 试验控制因素

本次针对影响蜂巢约束系统抗冲刷特性的蜂巢约束系统中草皮状态、填料级配、生态驳岸坡比3类因素进行重点研究。

(1) 草皮状态

本次分别对有草皮及无草皮2种情况下的蜂巢约束抗冲刷性能进行研究。有草皮情况下，培养了2月龄草皮和6月龄草皮进行模拟试验。

试验时，选取草籽高羊茅与黑麦草进行种植，在预先制作的试验段中培育草皮。使用混播，混播比例高羊茅草籽占比60%，黑麦草草籽占比40%，播种量为20 g/m2。

(2) 填料级配

由于抗冲流速与填充材料的种类、填料颗粒的组成和可种植性等因素的不同都会对抗冲流速造成影响。当填充料全部采用植被土时，其抗冲能力较弱，但有利于草皮生长；而当碎石较多时，其抗冲能力增强，但草皮生长就会受到抑制。为了兼顾填料自身的抗冲能力和填料的可种植性，最终选择在蜂巢约束系统中填入植被土与碎石的混合料，实际试验时确定3种不同配比的填充料进行模拟试验，填充料级配详见表1。

表1 填充料配比表

(3) 坡 比

常规的生态驳岸坡比即实际中为护岸边坡。通常情况下，护岸边坡越缓，越有利于边坡稳定。本次研究中，针对常见1∶3和1∶2两种岸坡坡度进行模拟试验，分析护岸坡度对抗冲流速的影响。

1.2 边界条件

(1) 模型比尺

(2) 模型护岸型式

本次研究的生态驳岸在断面型式上可应用于斜坡式人工护岸、复合式人工护岸。为了便于冲刷流速的控制，在模型设计时，护岸平面布置采用直线型。

(3) 模型冲刷流速

本次模型试验结合抗冲刷影响因素，通过判断不同冲刷流速情况下蜂巢约束系统的损坏程度，分析其抗冲刷性能。考虑到常规的草皮护坡抗冲流速在1～1.5 m/s之间，浆砌石、钢筋石笼等抗冲流速为5 m/s，确定1、2、3 、4、5 m/s为本次试验冲刷流速。

1.3 模型构建

本次研究试验模型共分为3部分：引水装置、泄水装置及回水装置。引水装置主要包括水泵、进水管及钢板水箱，主要为试验提供足够的流量，控制试验流速。泄水装置主要包括有压段、过渡段、试验段及泄槽尾部，是试验的核心部分，用来控制水流流态，观察水流冲刷情况。回水装置主要包括回水池、退水管渠、汇水池，目的是循环利用试验用水，节约水资源，试验模型布置如图1所示。

图1 试验模型布置图

在本试验中模拟流速较高，对上游库水位要求较高，因此,模型试验利用钢板水箱作为上游水库。试验时水流由水泵进入压力管道，由钢板水箱进水阀进入钢板水箱内，然后由泄槽的有压进口进入泄槽内，完成冲刷后进入下游回水池，经过退水系统后，进入汇水池，经水泵加压后循环利用，钢板水箱在水位稳定后成为具有一定高度的水库，为试验提供稳定的来流。

本次试验重点模拟河道右岸冲刷情况。在模型设计时将泄槽断面设计为直角梯形断面，泄槽断面如图2所示。

图2 泄槽断面示意图 单位：cm

1.4 试验工况

本次研究结合草皮、填料及坡比3类影响因素，确定模型试验工况，通过判断各组试验在1、2、3、4、5 m/s冲刷流速下蜂巢约束系统的损坏程度，分析蜂巢系统的抗冲刷性能。为提高试验效率，结合“小流速破坏，大流速试验组舍弃；大流速未破坏，小流速试验组舍弃”的原则，根据已完成的试验对试验组次进行筛选，调整后的试验工况如表2。

表2 试验工况表

2 结果分析

2.1 草皮对抗冲刷性影响规律

本次针对无草皮、2月龄草皮、6月龄草皮进行模拟试验，分析草皮有无及草皮生长月龄对蜂巢约束抗冲刷性能的影响，不同草皮在填料2、坡比为1∶2时模拟试验结果见图3所示。

由图3可知，无草皮情况下，在冲刷流速为1 m/s时，蜂巢格室中填料被掏刷，蜂巢系统结构遭到破坏；而2月龄草皮，在冲刷流速上升为3 m/s时，蜂巢格室中填料及草皮仍完好无损。由此可知，有草皮的蜂巢约束抗冲刷性能明显高于无草皮。

图3 填料2、坡比1∶2时不同草皮破坏情况图

2月龄草皮在冲刷流速达到4 m/s时，蜂巢格室中填料被掏刷，草皮被冲毁，蜂巢约束系统遭到明显破坏；而对比6月龄草皮，蜂巢系统中草皮稍有倾倒，但结构整体性及功能性未受影响。由此可知，有草皮情况下，草皮龄期越长，草皮长势越好，其抗冲刷性能越强。

通过本次有无草皮蜂巢约束系统抗冲刷性能试验模拟分析可知，随着草皮月龄的增长，边坡抗冲刷性逐渐增强，有无草皮蜂巢约束系统抗冲刷性变化规律见图4。在无草皮覆盖时，蜂格约束系统的抗冲流速小于1 m/s，抗冲性能十分脆弱，不建议在工程实际中应用。草皮龄期对蜂格约束系统的抗冲性能影响较大，在草皮长势较好时，2个月龄期草皮抗冲流速可达3 m/s，6个月龄期草皮抗冲流速可达到4 m/s。

图4 有无草皮蜂巢约束系统抗冲刷性变化规律图

蜂巢约束系统中草皮一方面通过根系在土中盘根错节，使土体成为土与草根的复合材料，具有加筋作用;另一方面通过吸收和蒸腾坡体内水分，降低土体的孔隙水压力，同时，通过草皮茎叶的缓冲作用，可以削弱水流对护岸的直接冲刷。因此，草皮长势越好，其加筋、降低孔隙水压力及削弱冲刷的效果越明显，蜂巢约束系统稳定性越高，抗冲刷性能越强。

2.2 填料对抗冲刷性影响规律

本次针对填料1、填料2、填料3进行模拟试验，分析填料级配对蜂巢约束抗冲刷性能的影响，在6月龄草皮、坡比为1∶2时，不同填料情况下草皮破坏情况见图5所示。

图5 坡比为1∶2时不同填料6月龄草皮破坏情况图

由图5可知，在相同月龄及坡比情况下，不同填料对应的蜂巢约束抗冲性能不同，在填料1工况中，蜂巢约束系统在3 m/s的冲刷流速下遭到破坏，而填料2及填料3工况中，蜂巢约束系统在4 m/s的冲刷流速下结构性及功能仍无明显破坏，最大抗冲流速可达5 m/s。填料2及填料3工况下，蜂巢约束系统抗冲刷流速基本一致，但草皮生长情况填料2明显好于填料3。

通过本次不同填料蜂巢约束系统抗冲刷性能试验模拟分析可知，随着填料中碎石含量的增加，边坡抗冲刷性逐渐增强，抗冲刷性随填料变化规律如图6所示。蜂格约束系统在填料1工况下抗冲流速介于3～4 m/s；蜂格约束系统在填料2工况下，抗冲流速介于4～5 m/s；填料2及填料3工况下，蜂巢约束抗冲刷性能基本一致。

图6 蜂巢约束系统抗冲刷性随填料变化规律图

在蜂巢约束系统植被土中加入碎石，增大了填料中土壤团聚体的含量，碎石比植被土中团聚体更加稳定，水流无法像分解土块一样分解碎石，在碎石填料与草皮的相互作用下，护岸的抗冲性能增大。因此，碎石含量越高，填料本身的抗冲刷性能越强，但由于碎石含量越高对草皮生长的拟制作用越明显，草皮茎叶生长较差，对护岸填料的保护作用减小，草皮根系生长较差，对填料的裹挟作用减弱。

由试验对比分析可知，在蜂巢约束系统需综合考虑草皮的可种植性及系统的抗冲刷性，填料中碎石含量不宜过高，在草皮可种植性较好的情况下，填料中碎石含量越高，蜂巢约束系统抗冲刷性越强。

2.3 坡比对抗冲刷性影响规律

本次针对1∶2、1∶3两种坡比进行模拟试验，分析坡比对蜂巢约束抗冲刷性能的影响，2月龄草皮、填充填料2时的试验结果如图7所示。

由图7可知，在填料集配、草皮生长龄期不变的条件下，试验测得1∶2或1∶3的护岸坡度对蜂格约束系统的抗冲性能无明显变化，坡比对抗冲性能的影响相对较小。在草皮生长状况较好、填料级配合适的情况下，1∶2、1∶3两种河道护岸坡比均相对较缓，边坡稳定性较好，因此，蜂巢约束系统抗冲刷性基本无明显差别。

3 结 论

蜂巢约束系统抗冲刷性影响因素较多，本研究结合试验模型研究了各因素对蜂巢系统抗冲刷性的影响规律，结论如下：

(1) 草皮对蜂巢约束抗冲性能影响较大，草皮龄期越长，生长状况越好，边坡抗冲性能越强。

(2) 蜂巢系统填料中碎石含量越高，其抗冲刷性能越强，但碎石含量过高的填料中可种植性越差，综合考虑边坡抗冲刷性及草皮可种植性，填料中碎石含量不宜高于65%。

(3) 边坡缓于1∶2时，护岸坡度对蜂格约束系统的抗冲流速影响较小。

根据草皮、填料、坡比对抗冲性能的影响可知，河道边坡较缓的情况下，一定范围内填料中碎石占比越高，草皮生长状态越好，蜂巢约束系统抗冲性越高，最高抗冲刷流速可达5 m/s，在水环境领域河道边坡生态治理工程中具有较好的应用前景。