基于新型生态袋式河堤的龙岗河生态治理应用研究

宋艳芬

(深圳市龙岗区水务局,广东 深圳 518000)

0 引 言

生态袋式河堤是一种新型河道治理方式,其在保证河堤承载力的同时,还可对河道的生态效益进行改善。近年来,许多专家学者针对生态袋式河堤、护坡的力学性能及生态改善效果开展了相关研究。邱利文等[1]以三峡库区为研究对象,采用生态袋护坡对当地的生态环境进行修复,并分析了其修复效果,结果表明生态袋护坡在加强边坡稳定性的同时,还可修复库岸的生态环境。刘鸿鹄等[2]以某道路工程为研究对象,对其施工现场情况进行监测,分析了生态袋边坡的稳定性,结果表明采用生态袋可通过植物的根系作用提高边坡的稳定性,生态袋的布设方式对其稳定性存在一定的影响。蒋希雁等[3]以某边坡工程为研究对象,开展模型试验,分析了坡比及降雨条件对生态袋式边坡稳定性的影响,结果表明坡比与边坡的饱和速度呈负相关关系。李庆斌等[4]以某河道为研究对象,采用生态袋对该河道岸坡进行治理,开展直剪试验,分析了生态袋岸坡的力学性能,结果表明生态袋可提高河道岸坡的稳定性。李若鹏等[5]以某边坡工程为研究对象,分析了生态袋护坡技术的加固机理,结果表明生态袋护坡主要通过植物的根系作用,提高边坡的稳定性。

本文以龙岗河为研究对象,开展大型直剪试验,分析采用生态袋式河堤的剪切性能及稳定性,并建立河道治理评价指标体系,分析生态袋式河堤对河道治理的综合效果。

1 工程概况

龙岗区全区流域面积大于1km2的河流共62条,河道总长度约211.56 km。其中,流域面积大于10km2的河流有24条,分属三大水系:龙岗河流域、深圳河流域、观澜河流域。主要河流有龙岗河、布吉河、丁山河、黄沙河、大康河、南约河、龙西河、同乐河等。水系发达,来水复杂,存在跨界河流传递上游污染的风险。龙岗河发源于梧桐山,是东江二级支流淡水河的干流,其上游有横岗街道的梧桐山河、大康河、简龙河以及何茂盛河,流经龙岗街道、坪地街道、坑梓街道后,入惠阳境内。其支流主要分布在龙岗河右岸,走向多呈北北东或北东向,呈梳状排列。龙岗河全流域面积181km2,总落差723m,河长35km,河床平均坡降1.14%。

2 生态袋式河堤力学特性及河道治理评价

为了改善龙岗河的污染情况,采用新型生态袋式河堤对河道进行治理。首先,开展大型直剪试验,对生态袋式河堤的剪切特性进行分析,研究不同含水率及法相应力下,其剪切特性变化规律。其次,对新型生态袋式河堤对河道治理的效果进行评价,基于层次分析法,得出其河道治理评价指标体系,见表1。

表1 河道治理评价指标体系

3 结果分析

为了分析含水率与法相应力对生态袋式河堤剪切特性的影响,开展大型直剪试验,当含水率为10%时,其剪切位移-剪应力曲线见图1。由图1可知,不同法相应力下的剪切位移-剪应力曲线变化趋势具有一致性,其剪切位移与剪应力呈正相关关系。其中,当法相应力为200kPa时,试样有最大剪应力,其值为224kPa;当法相应力为50kPa时,试样有最小剪应力,其值为63kPa。试样的剪应力与其所受的法相应力间呈正相关关系,在同一剪切位移下,随着试样所受法相应力的增大,其剪应力逐渐增大。当试样所受的法相应力较小时,不同法相应力间的最大剪应力间的差值较小,随着试样所受法相应力的增大,不同剪应力间的差值逐渐增大。表明当试样所受法相较大时,法相应力的变化对于其剪应力的影响较为显著。

图1 含水率为10%的剪切位移-剪应力曲线

当含水率为14%时,剪切位移-剪应力曲线见图2。由图2可知,含水率为14%的剪切位移-剪应力曲线与含水率为10%的曲线变化趋势一致,随着试样所受剪应力的增大,其发生的剪切位移逐渐增大。对比不同含水量间的差异可得,当法相应力一定时,含水率为14%的最大剪应力小于含水量为10%的最大剪应力。其中,当法相应力为200kPa时,含水率为14%的最大剪应力为209kPa,二者间的最大剪应力差值为15kPa。当法相应力较大时,含水率为14%与10%的剪应力差值较大,当法相应力为50kPa时,二者间的最大剪应力差值小于1kPa。表明当试样所受的法相应力较大时,含水率的变化对于试样剪切特性的影响较大;当试样所受的法相应力较小时,含水率的变化对试样的剪切性能影响较不明显。

图2 含水率为14%的剪切位移-剪应力曲线

当含水率为18%时,剪切位移-剪应力曲线见图3。由图3可知,试样的剪切位移与剪应力总体呈正相关关系。其中,当法相应力为200kPa时,其剪切位移-剪应力曲线存在一定的波动性。当试样的剪切位移大于10mm时,其剪应力变化趋势逐渐趋于平缓。此时,试样有最大剪应力,试样的最大剪应力与其所受的法相应力间呈正相关关系。当试样所受的法相应力为200kPa时,其剪应力有最大值,其值为182kPa。对比不同含水率下的试样最大剪应力可得,试样的含水率与其最大剪应力间呈负相关关系。当含水率为10%时,试样的剪应力最大,其最大剪应力为224kPa。随着试样含水率的增大,其最大剪应力逐渐减小,表明含水率对生态袋式河堤的剪切性能影响显著。当其含水率为10%时,生态袋式河堤有最大抗剪强度。

图3 含水率为18%的剪切位移-剪应力曲线

当含水率为22%时,剪切位移-剪应力曲线见图4。由图4可知,该含水率下的剪切位移-剪应力曲线与其他含水率下的曲线变化趋势具有一致性,其剪切位移与其剪应力间呈正相关关系。试样所受的法相应力与其最大剪应力间呈正相关关系。当试样所受的法相应力为200kPa时,其剪应力有最大值,其值为179kPa。随着试样含水率的增大,其最大剪应力逐渐减小,当试样的含水率较大时,含水率的变化对试样剪应力的影响并不显著。含水率为22%与含水率为18%的剪应力差值仅为3kPa,表明当生态袋式河堤的含水率较大时,含水率的变化对其剪切性能的影响较不明显。

图4 含水率为22%的剪切位移-剪应力曲线

为了分析生态袋式河堤对河道的治理效果,根据表1中的指标,对治理前的河道进行综合评价,结果见表2;治理后的河道评价结果见表3。由表2、表3可知,在采用生态袋式河堤前,该河道的功能评价、社会服务评价指标均为不合格,景观评价基本合格,综合评价指数为77.125。在采用生态袋式河堤后,该河道的各项评价指标大部分为优秀,且综合评价指数显著提升,其值为93.67,表明采用生态袋式河堤对于河道的综合治理效果较好。

表2 治理前的河道评价结果

表3 治理后的河道评价结果

4 结 论

本文以龙岗河为研究对象,开展大型直剪试验,对采用生态袋式河堤的剪切性能及稳定性进行了分析。同时,建立了河道治理评价指标体系,分析了生态袋式河堤对河道治理的综合效果。结论如下:

1)当试样含水率为10%时,不同法相应力下的剪切位移-剪应力曲线变化趋势具有一致性,其剪切位移与剪应力呈正相关关系。其中,当法相应力为200kPa时,试样有最大剪应力,其值为224kPa;当法相应力为50kPa时,试样有最小剪应力,其值为63kPa。试样的剪应力与其所受的法相应力间呈正相关关系,在同一剪切位移下,随着试样所受法相应力的增大,其剪应力逐渐增大。

2)当试样的剪切位移大于10mm时,其剪应力变化趋势逐渐趋于平缓。此时,试样有最大剪应力,试样的最大剪应力与其所受的法相应力间呈正相关关系。当试样所受的法相应力为200kPa时,其剪应力有最大值。

3)在采用生态袋式河堤后,该河道的各项评价指标大部分为优秀,且其综合评价指数显著提升,其值为93.67,表明采用生态袋式河堤对于河道的综合治理效果较好。