基于土钉支护技术的河道整治工程试验研究

周文帅，石慧芳

（临邑县水利局，山东 临邑 251500）

1 引言

河岸边坡水土流失不仅会直接造成土地耕地资源减少，而且还会使河床抬高、河道淤积，一旦遇到暴雨天气很容易发生洪涝灾害，因此，有必要对河岸边坡水土流失治理技术进行研究[1]。

当前，常用的河道治理技术主要包括两类：生态治理和工程治理。王立志[2]以松花江流域防洪体系的胖头泡蓄滞洪区为研究对象，基于现场观察结果，得出布置生态水土流失的防治措施能够有效控制区域水土流失，达到改善生态环境的目的。杨翠华[3]将工程措施、植物措施与临时措施相结合，设计了一套完整的水土流失防治体系综合防护体并将其应用河道治理中，取得了较好的应用效果。李庆[4]等以临湘市源潭河流域综合治理中的护岸工程为背景，探讨分析了雷诺格宾护岸在河道治理中的应用效果，认为该型护坡结构具有整体性好、反滤性要求低、易于施工等优点，可在河道治理工程中推广应用。生态治理措施虽然效果较好，对环境有利，但存在耗时长、难以在短期内取得较好的成效[5-7]等缺点，而传统的坡面硬化工程治理措施又不利于河流生态环境，因此有必要在传统河道治理措施之外，设计新的治理技术，因地制宜进行整治施工，才能发挥最佳的工程效益。

本文依托于山东省德州市三分干的河岸边坡治理工程，室内设置不同土钉间距和坡度条件下的水土流失模型试验，深入研究土钉护坡技术在河岸水土保持工作中的应用。

2 工程背景

本文依托山东省德州市临邑县今冬明春县级水利工程，拟治理三分干全长30.2 km，流域面积148.9 km2。区域地表主要覆盖土层为填土和粉质粘土，层厚在0.5 m～2.5 m 之间，可塑性较强，遇水易变形、垮塌；受工业及农业施肥等影响，地表土壤中富营养污染元素成分含量较大。由于区域工业发展以及农业开垦导致植被覆盖面积下降，造成河道出现严重的水土流失问题，特别是支流中间河道段由于建筑取土及林业砍伐等问题，导致河道右侧出现大范围的土崩解塌方，并引发大面积松散土流入河道，严重危害河流水质、生态平衡及区域用水安全，河道水土流失问题急需治理。

3 试验方案

土壤流失模型试验设备见图1。该土壤流失模型试验设备主要由水箱、沉沙池、模型边坡、水泵以及PVC 管等组成。试验共设计4 个不同边坡坡度（30°、40°、50°及60°）以及3 个不同土钉间距（5 cm、10 cm 及15 cm）条件下的水土流失模型试验，其中，土钉的长度为20 cm。此外，为对比有土钉护坡与无土钉条件下的土壤控制效果，本次研究还设计了无土钉护坡组作为对比试验组，同时也涉及上述四个不同坡度条件下的土壤流失模型试验。试验的主要步骤如下所述：（1）准备基本材料和制备试验模型；（2）制备松散土干燥后构筑为不同坡度的边坡；（3）开水泵模拟水力冲刷过程，每10 min 替换沉砂池并对原箱中的松散土干燥后沉重，计算不同试验时间内土壤流失质量。

图1 土壤流失模型试验设备图

试验模型见图2，通过改变坡度或土钉间距后，重复上述过程直至试验结束。

图2 护坡土钉结构示意图

4 试验结果分析

4.1 约束影响分析

图3 为有（土钉间距15 cm）、无护坡土钉条件下土壤流失量随时间变化关系，由图3 可知，随着土壤流失模型试验中水分的不断流入，土壤流失量逐渐增大，且各个坡度、有无土钉条件下其变化趋势基本保持一致，这表明在水力的冲刷作用下，土壤确实会发生明显的流失现象。进一步对比有、无护坡土钉条件下土壤流失情况，在无土钉条件下，以坡度为30°为例，当试验进行到60 min 时，有护坡土钉条件下的总土壤流失量为22.69 g，而无护坡土钉条件下的总土壤流失量为130.88 g，土壤流失量是有土钉条件下的5.77 倍；其他坡度条件下有土钉护坡技术条件下水土流失量分别相对降低65.21%、67.35%和75.13%。由此可见，土钉护坡有效降低了河岸边坡土的流失，其对河道边坡土壤流失控制具有非常显著的效果。分析认为，护坡土钉对边坡土不仅起到了很好的密实作用，加强了边坡不同区域土之间粘结力；同时，由于护坡土钉是由PVC 材料制成，其增强了边坡上土体的整体性，因此土体滑动难度增大（增强抗滑稳定性）。综上所述，护坡土钉能够有效提高边坡土体的抗滑力，因此土壤流失量产生了明显的下降。

图3 有、无护坡土钉条件下土壤流失量随时间变化关系

4.2 坡度影响分析

图3 中同时也给出了有、无护坡土钉条件下边坡坡角对土壤流失量的影响关系，由图3 可知，随着坡度的增大，有无护坡土钉条件下边坡的土壤流失量均呈现出逐渐增加的变化趋势。在无护坡土钉条件下，坡角为30°时边坡最大土壤流失量为130.88 g，随着坡角的不断增大，土壤流失量不断增大，最大土壤流失量分别为141.08 g、161.47 g 及190.37 g，分别相对提升7.79%、23.38%及45.45%。在有土钉护坡条件下，坡角为30°时最大土壤流失量为22.69 g，随着坡角的增大，最大土壤流失量分别相对升高13.46%、34.61%及61.53%。

由此可见，坡度越大，则土体整体的下滑力越大且抗滑力越小，因此土体的滑动趋势更加明显。而在土钉作用下，边坡上土体的整体性增加，高边坡角度下其发生整体滑动的趋势更强，因此在有土钉条件下，坡度越大，土壤流失量提升更加明显[8-9]。

4.3 土钉间距影响分析

图4 为土钉间距分别为10 cm与5 cm 条件下有土钉护坡的边坡土壤流失量随时间变化关系。由图4 可知，在相同坡角条件下，随着土钉间距的逐渐减小，边坡的最大土壤流失量也不断减小。结合图3（b），在30°坡角条件下，15 cm 土钉护坡的边坡最大土壤流失量为22.69 g，而10 cm与5 cm 土钉间距护坡条件下的最大土壤流失量分别为16.29 g 和12.12 g，分别相对降低28.21%和46.59%，由此可见，土钉孔径对护坡的土壤流失控制的影响明显。

图4 不同土钉间距条件下土壤流失量随时间变化关系

分析认为，土钉间距越小，则边坡松散土体被划分的区域块也就越多，同时边坡上土钉相对质量也就越大，因此黏聚力也就越强，土壤流失可能性更小。

4.4 应用效果

图5 为该河岸边坡采取土钉护坡技术治理前后效果对比图，由图5 可知，在采取河道边坡治理技术前，该河道水土流失情况严重，边坡土质贫瘠且松散，在降雨条件下极易发生土方崩解，导致土壤流失，污染河道。在采取土钉护坡技术治理河道边坡后，河岸边坡土壤流失情况得到了有效控制，河道坡岸绿化面积大幅增加，有效抑制了土壤在强降雨情况下的流失问题。

图5 河岸边坡土钉护坡技术治理效果图

5 结论

本文依托于山东省德州市临邑县今冬明春县级水利工程，基于室内试验探讨了土钉护坡技术在防止河岸水土流失中的应用，得出主要结论如下：

（1）有护坡土钉条件下土壤流失情况控制效果显著。以坡度为30°为例，有护坡土钉条件下的总土壤流失量为22.69 g，而无护坡土钉条件下的总土壤流失量是有土钉条件下的5.77 倍。

（2）随着坡度的增大，有、无护坡土钉条件下边坡的土壤流失量均呈现出逐渐增加的变化趋势。有土钉护坡条件下，坡角为30°时最大土壤流失量为22.69 g，随着坡角的增大，最大土壤流失量分别相对升高13.46%、34.61%及61.53%。

（3）在相同坡角条件下，随着孔径的逐渐减小，边坡的最大土壤流失量也不断减小。15 cm 土钉护坡的边坡最大土壤流失量为22.69 g，而10 cm与5 cm 土钉孔径护坡条件下的最大土壤流失量分别相对降低28.21%和46.59%。