三维土工网垫喷播植草在高速公路护坡工程中的试验研究(可编辑)

三维土工网垫喷播植草在高速公路护坡工程中的试验研究(可编辑) 三维土工网垫喷播植草在高速公路护坡工程中的试验 研究 河北工业大学 硕士学位论文 三维土工网垫喷播植草在高速公路护坡工程中的试验研究 姓名:刘晓朋 申请学位级别:硕士 专业:道路与铁道工程 指导教师:侯子义;肖成志 20091101河北工业大学硕士学位论文 三维土工网垫喷播植草在高速公路护坡工程中的试验研究 摘 要 随着国内经济建设的不断深入与发展,高速公路、铁路和山区高等级公路建设项目日 益增多,如何解决公路建设过程中和使用阶段的水土保持、生态环境保护的问题,成为高 速公路建设中的关键问题之一。三维网垫喷播植草护坡作为一种重要生态防护形式而广泛 用于土木工程领域,但是目前对于影响三维网垫喷播植草护坡效果的因素如边坡坡度、边 坡土质和网垫类型等的综合性能研究较少出现。基于此,本文从理论上分析三维土工网垫 和植株体共同作用下水土保持机理和坡面浅层土体强度变化规律,并采用正交试验分析不 同类型的网垫网孔密度和网垫厚度、边坡坡度、土质、草籽种类和配合比等因素对三维 土工网垫植草护坡形式的水土保持与生态护坡的影响。主要研究内容和成果包括: 1. 三维网垫喷播植草护坡防径流冲刷的机理研究 结合水力学和河流动力学原理,分别采用坡面糙率和拦污栅模型来模拟三维网垫和坡 面植被作用,建立了三维网垫喷播植草护坡时坡面径流速度和颗粒启动速度的迭代模型。 得到了坡脚流速与植株密度、植株倾角、坡度等影响因素的关系。 2. 三维网垫植草护坡效果的影响因素试验研究 通过采用室外边坡模型正交试验方法,综合比较分析了土工网垫类型、草籽播种密度 、 边坡土质、边坡坡度等 4个因素对坡面的最终侵蚀模量、浅层土抗剪强度和平均渗透系数 三个试验指标的影响显著性,并给出了各因素对试验指标的敏感性顺序,进而应用综合加 权评分法得出护坡效果最好的试验组合为坡度为 1:2、网垫型号 为 EM4、土质为公路路基 常用土、草籽喷洒密度为预设最大密度。 3. 三维网垫植草护坡坡面浅层土体稳定性的有限元数值模拟研 究 基于大型有限元软件 MIDAS-GTS,结合护坡体浅层土体力学性能 的试验结果建立了 降雨渗流情况下采用三维网垫植草护坡的路堤和路堑边坡的有 限元模型。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,采用 三维网垫植草护坡可有效提到路堤和路堑边坡的稳定性,同时能 有效限制坡体浅层土体的 变形,进而降低了边坡破坏可能性。 关键词:三维土工网垫,生态护坡,侵蚀模量,有限元,边坡稳定分 析,正交试验 i河北工业大学硕士学位论文 E X P E R I M E N T A L S T U D Y O N E E E X X X P P P E E E R R R I I I M M M E E E N N N T T T A A A L L L S S S T T T U U U D D D Y Y Y O O O N N N G R A S S J E T T I N G O N 3 D G E O M A T A P P L I E D I N S L O P E G G G R R R A A A S S S S S S J J J E E E T T T T T T I I I N N N G G G O O O N N N 3 3 3 D D D G G G E E E O O O M M M A A A T T T A A A P P P P P P L L L I I I E E E D D D I I I N N N S S S L L L O O O P P P E E E P R O T E C T I O N O F E X P R E S S WA Y P P P R R R O O O T T T E E E C C C T T T I I I O O O N N N O O O F F F E E E X X X P P P R R R E E E S S S S S S WA WA WA Y Y Y A A A A B B B B S S S S T T T T R R R R A A A A C C C C T T T T With the rapid development of Chinese economy, a great deal of infrastructure construction such as expressway, railway and high grade highway in mountainous area are carried out in China. At the same time, it is necessary for series of nature and artifial slopes to be treated for the purpose of safety of slopes. So the study on the effective measures for slope protection has become one of the focus problems during the process of road construction. Nowadays, Grass jetting on 3D geomat, as an important method of ecological slope protection, has been applied widely in the field of civil engineering, and get increasingly popular in the actual projects. The mechanism of grass jetting on 3D geomat, however, still remains unknown, and recently quite a few researchers took the factors of slope angle, types of soil and types of 3D geomat into consideration. For elaborating the mechanism of ecological slope protection by grass jetting on 3D geomat, the properties of water and soil conservation and tensil strength of slope surface soil are analyzed, and the effect of types of 3D geomat, slope angle, types of soil and density of grass seeds on slope prection are conducted on the basis of orthogonal tests. Furtherrmore, based on experimental results, the optimum combination of various factors is obtained here. The main investigations and achievements are composed of following portions. 1. Mechanism study on reducing runoff erosion by slope protection technology of grass jetting on 3D geomat. Through combining with theories of hydraulics and river dynamics, numerical expressions of head loss resulting from different types of 3D geomat with roughness and local head loss of runoff resulting from grass are given respectively, and then formula calculating runoff velocity of slope surface for grass jetting on 3D geomat is presented. Furthermore, based on calculation results, comparative analysis are made to examine effects of slope angles, types of 3D geomat, types of grass, and density of grass on runoff velocity of slope toe. The results have shown that runoff velocity of slope toe increases with increase of the slope angle, and types of 3D geomat do not affect significantly on runoff velocity, however they can lower remarkably runoff velocity compared with non slope protection; runoff velocity of slope toe decreases with increase of inclination angle for base and leaf of grass. Moreover, the minimum density value of grass can be achieved by supposed to be equal of toggling velocity for soil and runoff velocity of slope toe. ii河北工业大学硕士学位论文 2. Test studies of influential factors on slope protection through grass jetting on 3D geomat Based on ecological slope protection models by orthogonal tests, comparative analysis of effects of slope protection considering the types of geomat, density of grass seeds, types of soil and slope gradient on erosion modulus, shear strength of surface slope soil and permeability coefficient are conducted, and the sequencing sensibilities of influential factors are presented. Furthermore, the optimum combination considering various factors is given through general weighted scoring method. The results showed that the optimum effect for general consideration on erosion modulus, soil shear strength and permeability coefficient can be achieved when slope gradient of 1:2, EM4 3D geomat, road subgrade soil and the imum density of grass seeds. 3. Numerical simulation of stability analysis for slope surface soil protected by grass jetting on 3D geomat Combined with orthogonal tests results and software MIDAS-GTS, the stability of slope by grass jetting on 3D geomat is simulated by the finite element methods. The calculated results shown that slope protection by grass jetting on 3D geomat can significantly attribute to slope stability of embankment and cutting, and the deformation of slope has remarkable decrease, then the possibility of potential failure of slope are lowered. K K E E Y Y WO WO R R D D S S K K E E Y Y WO WO R R D D S S:3D-gemat, ecological slope protection, erosion modulus, FEM,stability analysis of slope,orthogonal tests. iii河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 1 - - 1 1 ? 1 1 - - 1 1 选题依据及研究意义 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1 1 1 1 问题的提出 随着我国经济建设不断深入与发展,高速公路、铁路以及山区高 等级公路的建设项目日益增多,大 量的天然或人工边坡不断出现,那么如何解决公路建设过程中建 设和使用阶段与水土保持、生态环境保 护这个问题,是当前我国高速公路建设中逐步应当引起重视的关 键问题之一。人类在公路建设过程中, 应当尽力作好水土保持和生态环境保护的工作。就目前的现状而 言,人类既是大自然的建设者,但同时 又是大自然的破坏者。尤其是在我国中西部地区,自然环境相对很脆弱,一旦环境遭受到破坏就很难恢 复原状,因此在施工过程中更应注意这个问题。 开挖边坡不仅破坏了原有植被覆盖层,而且由此产生大量次生裸地,并往往使局部地区产生严重的 水土流失现象,造成生态环境的失衡,严重时甚至会造成山体滑坡和泥石流,给人民的生命财产带来难 以挽回的损失,这就使实践中边坡的防护技术成为岩土工程界和学术界重点关注的对象。当前,传统的 护坡形式主要包括浆砌片石、灰浆抹面、喷混凝土和挂网锚喷等护坡,但这些措施不仅不能恢复植被, 反而破坏了自然景观,不利于当前工程项目建设过程中对环保的要求,且施工复杂,相对造价高。而且 随着时间的推移,坡面岩石、混凝土和挂网钢筋均会发生性质变化,使得工程护坡的强度有所降低,导 致护坡效果逐渐减弱。 近年来,随着高速公路的发展,边坡的防护问题越显突出,如何有效地解决岩质边坡和高陡边坡的 防护问题,提高边坡的整体和局部的稳定性,同时降低造价,创造一个绿意盎然的边坡生态环境,改善 公路周边景观且保持水土,是边坡工程的发展方向,从而生态护 坡技术应运而生。所谓的生态护坡指用 活的植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀,在坡面恢复 或形成与周围景观相协调的生态系统。这种护坡主要利用其生态系统的自支撑、自组织与自我修复等功 能来加固边坡和促进生态恢复,从而实现边坡的抗冲刷和抗变形失稳,以达到减少水土流失、维持生态 多样性和生态平衡以及美化环境的目的。相比传统的护坡形式,生态护坡不仅保障了边坡的稳定及自然 生态景观,而且还具有明显的经济效益,是今后边坡防护的主要方向。 鉴于此,本项目拟针对河北省省内高速公路中关于水土保持与环境保护的实际情况,拟采用三维土 工网垫喷播植草进行水土保持及生态护坡进行试验研究,项目具有很强的针对性。同时,开展关于三维 土工网垫喷播植草的适用条件、施工工艺和质量控制方法与标准的应用研究,为土工合成材料在公路建 设过程中进行生态护坡的推广具有重要的现实意义和应用前景。 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 1- 2 2 2 2 公路生态护坡的各种护坡方式优缺点分析 当前,国内采用的边坡生态防护技术很多,其中土工格栅护坡,骨架植草护坡技术,三维土工网垫 [1] 护坡,生态基材护坡,等等 ,比较环保的护坡方式得到了广大公路建设者的很大认同,下面将详尽分 析各种护坡方式的优缺点: 骨架植草护坡技术:如图 1.1、1.2所示,骨架植草护坡技术是采用浆砌片石或者混凝土块作框格骨 架,在框格内填充耕植土后再种草或铺设草皮。这种防护方法主要针对不宜采用直接植草的边坡,如灰 质页岩和浅变质的泥岩等易风化边坡。混凝土骨架的作用是防止边坡受雨水侵蚀而避免在土质边坡上产 生沟槽,同时保护骨架内的耕植土和植物在生长初期不受雨水侵蚀。根据施工中骨架形式可分为菱形网 1河北工业大学硕士学位论文 格植草、拱型骨架植草、人字形固架植草和六角空心砖植草等。当前,在公路中应用最多的主要是菱形 网格植草和六角空心砖植草,且后者是这几年发展起来的骨架护坡技术,护坡效果相对较好。骨架护坡 有着景观,边坡防护效果好的特点,且后期养护费用少,但是缺点也很突出,那就是工程造价过高,施 工工艺复杂,施工中需要投入更多的人力。 50 人行便道 人行道嵌边石 50 人行便道 人行道嵌边石 图 1.1拱型骨架植草护坡 图 1.2菱形网格植草护坡 Fig. 1.1 Slope protection with vaulted Fig. 1.2 Slope protection with vaulted frame frame and greensward and greenward 土工合成材料加筋植草防护技术:这种护坡主要是在开挖或填筑的砂、土和石等类型边坡上铺设土 工合成材料并将其固定,再在坡面均匀的播撒草种或铺草皮,从而形成网、草交织的复合体系,以达到 增加坡面抗冲刷能力和边坡浅层稳定性的目的。实践中采用的土工合成材料主要有土工网、土工格栅、 土工格室和三维土工网垫等,这其中土工网与格栅是二维结构,其作用局限于加筋和坡面防护作用,对 草籽的生长没有保护作用,且加筋作用不明显。土工格室虽然是有三维约束作用,对草籽的生长能起到 很好的保护作用,格室结构也有利于草籽的生长。但是土工格室的单个格室结构使得长成后的草皮整体 作用减弱,整个的草皮不能形成一个有效的加筋复合体,影响坡面的整体抗侵蚀和抗渗透性能,而且其 造价相对较高。而三维土工网垫可以弥补格栅和土工格室的部分缺陷,因此,它是当前坡面生物防护中 [4] 应用最为广泛的土工合成材料之一 ,如图 1.3为三维网垫植草护坡示意图。 客土喷播技术:客土喷播技术采用液力喷播技术喷播植草,并以水为载体,将经过处理的植物草 种子、土壤稳定剂、纤维覆盖物、粘合剂、保水剂及植物所需的营养物质,经喷播机混合、搅拌并喷洒 到需要种植的地方,从而形成生态植被的绿化技术,该技术应用纤维覆盖物、粘合剂、保水剂和土壤形 成的胶体薄层来减少植草初期的水土流失。但是这种护坡方式价格较高,增加了建坪成本,使得施工造 [2] 价大增,另外要求有施工运行的充足水源,干旱和高寒地区施工难度大,水源不足,施工困难 。 人行道 三维网 1: 1.5 浆砌块石 U型钉 75 24 24 40 88 图 1.3 三 维 土 工 网 垫 植 草 护 坡 Fig. 1.3 Grass jeting on the 3D geomat 2 24 43 50 H?150河北工业大学硕士学位论文 厚层基材喷播技术:如图 1.4所示厚层基材喷播技术是将拌和均匀的厚层基材混合物按设计厚度喷 射到岩石坡面上,集岩土工程学、植物学、土壤学肥料学、高分子化学和环境生态学等多学科于一体的 综合工程技术。该技术通过植被根系的力学加固和地上生物量的水文效应达到护坡和改善生态环境的目 的。该方法兼顾了道路景观和环境协调,集植被恢复、植被绿化和水土保持工程于一体,是不错的护坡 [7] 方式,相对有比较低的造价,但是施工工艺以及各个材料的控比相对较为复杂 。 Φ12锚杆 L1 m 基材种子层 铁丝网 基材底层 生态基材层 1 m 1 m 挂网锚杆 Φ2.8孔距 54×54cm 1:0.5 1 镀锌菱形铁丝网 生态基材种子层 1 m 1 m 图 1.4 厚 层 基 材 喷 播 护 坡 技 术 Fig. 1.4 Slope protection byGrass jeting on the thick layer base material 表 1.1,1.2详尽列出了各种生态护坡方法和其适用范围,施工造 价以及施工难易的关系: 表 1.1 目 前 国 内主 要应 用的 边坡 生态 防护 技术 Table 1.1 Major slope protection technology in China at present 适 土 岩 坡 比 用 质 质 范 护 围 坡 坡 坡 方 1:1 1:1 1:0.75 1:0.5 1:0.3 法 行栽香草根植草护坡 ? ?? ? ? ? ?? ?? OH液植草护坡 ? ?? ? ? ? ?? ?? 三维土工网垫植草护坡 ? ? ? ? ? ? ?? 骨架植草护坡技术 ? ? ? ? ? ? ?? 土工格栅植草护坡 ? ? ? ? ? ? ?? 蜂巢式网格植草护坡 ? ? ? ? ? ?? ?? 客土喷播植草护坡 ? ? ? ? ? ? ? 生态基材护坡 ? ? ? ? ? ? ? ? 注:“?”表示适用,“??”表示不宜适用。 ? 从上表 1.1和表 1.2中也可以看出,各种生态护坡技术中三维 土工网垫植草护坡在公路工程中得适 用范围最广,土质路堤,岩石路堑客土喷播植草在三维土工网垫 的作用下都可以起到不错的效果,并且 造价低廉,施工,养护方便。 作为一种新型的生态护坡形式,三维土工网垫植草护坡是通过在三维土工网垫中植草,形成三维植 被加筋体以达到坡面防冲刷的目的。三维土工网垫是土工合成材料的一种,常以热塑性树脂为主要原料 , 通过挤压、拉伸、焊接和收缩等工序而制作完成的三维网,产品的网垫层数主要分为 2、3 和 4 层不等, 且网垫层底为一层平面的高强度双向拉伸网,能防止三维网变形,上层是由一层或多层网做成的起泡网 , 有均匀网包,膨起的网包有一定的高度和空间,可在其中储存泥土,种植植物。底层与上层牢固烫结成 [4] 为一体,形成具有三维结构多层复合体的网络结构,如图 1.5 所示 。 3河北工业大学硕士学位论文 图 1.5 三 维 土 工 网 垫 Fig. 1.5 3D-geomat 三维土工网垫植草护坡能有效地防止水土流失,保护工程边坡不受雨水风暴侵害,并且能使在其中 生长的植物,无论在生长初期还是长成后都有很强的抗冲刷能力,起到护坡并保护工程主体的作用,同 时还能美化环境,是一种环保型的护坡方式,长成后的植物基本不需要维护,减少了工程投资成本,综 合经济效益明显。目前国家有关部门对基础工程建设所造成的环境问题日益重视,这种护坡效果好,抗 冲刷性能强,保护资源,改善环境,而且是经济效益明显的新型护坡方式,必将能够在铁路,公路,水 利和城建等方面得到广泛得应用。 [4] 表 1.2 国 内 主 要边 坡防 护技 术的 经济 以及 施工 难易 对比 Table 1.2 Contrastive analysis for major slope protection technology in China 三维土工网垫喷 骨架植草护坡 生态厚层基材护坡 喷薄植草护坡 播植草护坡 整体稳定的土质或者 整体稳定的风化岩 整体稳定的风化岩 整体稳定的土质 适应地质 岩质边坡 质边坡 质边坡 或者岩质边坡 厚度cm / 1-3 3-15 0.8-3 价格(元) 50-100 35-135 80-160 30-50 2 美观 /m ) 性 好 好 好 好 使用寿命 长 长 长 长 机械化程度 低 高 高 一般 施工干扰 大 一般 小 小 施工复杂程 很高 一般 低 很低 施工难易 度 程 很难 较易 较易 极易 养护 度 程度 一般 低 较低 较低 ?1 1 1 1 - - - - 2 2 2 2 公路生态护坡的国内外研究历史及现状 1- 1- 2- 2- 1 1 公路生态护坡的国外使用以及研究现状 1- 1- 2- 2- 1 1 当前,生态工程护坡已经在发达国家得到了广泛应用,美国 60%以上河岸边坡采用生态护坡技术 [3] [3] 治理 ,日本新标准甚至将生态护坡作为护坡工程的基础而优先推荐使用 。上个世纪中叶,日本战后 [13] 大规模的公路建设为其现代坡面绿化提供了大量的机会。1951年,川端勇作 首次在日本采用外来草 种的植生盘用于道路坡面防护,标志着以牧草类为代表的外来草种开始用于坡面绿化,随后边坡生态防 4河北工业大学硕士学位论文 技术在日本高速公路行业得到广泛认可,并开始在公路边坡上大规模采用。在 1960年从美国引入喷播 机hydoreseder后,把当时很先进的注液压喷播技术广泛应用于各高速公路路堤边坡的绿化。1964年从 美国进口喷射专用纤维,1965年即实现了喷射纤维的国产化。在此基础上,日本于 1973年开发出了纤 维土绿化工法Fiber- Soil Greening Method,这标志着岩体绿化工程的开始,这也是日本最早开发的厚 层基材喷射工法。另外,日本于 1983年开发了高次团粒 SF 绿化工法Soil Flock Greening Method,其 基本特征包括两部分,其一为壤土系,通过添加团粒剂,促进了基材团粒结构的形成;其二是采用的粘 [3] 2 结材料为特殊的沥青乳剂,基材抗侵蚀性更强 。此技术开发至今,在日本施工面积超过 200万 m 。 日本于 1987年从法国引进连续纤维加筋土工法,随后结合现有的坡面绿化工法,开发出连续纤维 绿化工法TG绿化工法。该工法主要特点为:1 采用砂粒和连续纤维混合,基材的抗侵蚀性增强,能 适应坡体的微小变形; 2 有效地提高了植被大根系的伸长空间,可将木本类植物引入到坡面的树林化 ; 3 施工体系由绿化基材供给系统、团粒剂供给系统和连续纤维供给系统组成。TG工法于 1988年开始 2 实用化,次年其施工面积就达 300万 m 。随后该工法又获得加拿大和日本等国发明专利,并逐渐推广 应用到世界上多个国家和地区。 纤维土绿化工法、高次团粒 SF 绿法工法和连续纤维化工法是近 20 年来日本国内最常用的厚层基 材喷射工法。这三类工法中又因主材用材、粘结剂及纤维的种类不同,而分化出种类繁多的厚层基材喷 射工法。总体上讲,按主要用材分类,厚层基材喷射工法可分为砂质土系列、黏土系列、黏土与有机质 混合系列和全有机质系列;按粘结剂分类,可分为普通硅酸盐系列、特殊沥青乳剂系列和高分子树脂系 列;按纤维分类,可分为有机纤维系列、无机短纤维系列及连续纤维系列。从实际工程应用看,这类厚 层基材喷射工法已可应用于坡度小于 1:0.5的软岩、中硬岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化。 另外,也有应用于混凝土面及片石挡墙面的实例。除厚层基材喷射工法外,其它常用的坡面绿化工法还 有框格植被绿化工法包括预制框格、现浇框格、绿化网等。另外,为防止水流对河岸的冲刷并考虑环 境的保护,日本于 1995年又开始进行植被型多孔混凝土的研究,并取得一定成效,目前只是由于成本 [13] 过高而没有得到广泛的应用 。 欧美国家的工程界与学术界在大量实践与理论研究的基础上,提出了许多的生态防护技术,这些国 [31] [32] [33] 家最初主要是防止边坡免受雨水侵蚀,常用的护坡方法有树枝扦插 、压条 、绿篱等 ,并主要用 [34~35] [36~38] 于公路边坡的植被防护 及河堤护岸 。另外,继上个世纪中期欧美发明液压喷播技术后,于上 [39] 世纪 80年代又推出了三维植草护坡方法 ,这极大的推动了生态护坡的实际应用。美国弗吉尼亚大学 于 1993年着手公路边坡绿化评价和管理研究,并提出野生植物特性是植被护坡研究领域的新热点,其 研究重点在品种评价和植被管理两个方面,目的是为生长在路边特殊环境的植物提供合适的测量体系和 [40] 持久性路边植被的新技术或新材料 。 除了工程实践应用外,有关生态护坡中植物根系固坡作用的力学机理研究及其数学模型的建立逐渐 成为研究热点。美国、日本和新西兰等国家的学者们,分别采用室内外直接剪切根系室外拉拔根系等方 [58] 法,并重点研究植物根系对岩土体抗冲刷、抗侵蚀性能增强及加固边坡的力学机理。Wu等 首先证实 了植物根系强度与根直径成反比,并据此推出须根比粗根更有利于提高土壤加固和抗剪强度,这为在边 [57] 坡上种植草本植物提供了理论支持。Endo、Tsuruta等 研究了植物垂直根系对土体抗剪强度的增强作 [59] 用,Kassif 和 Gray 分别把化学纤维置入压实土或砂中模拟植物根系的作用进行直剪试验,试验结果 表明植物根系主要通过提高土体黏聚力来达到增强土体抗剪强度,而土体内摩擦角变化几乎不变化。 [60] Waldron 等人先后建立了土壤一根相互作用的力学平衡模型,并建立了土体抗剪强度的增加量和根面 积比之间的关系。 Kazutoki等通过观察根的变形和剪切区的变化发展得出根系对边坡抗剪强度影响的公 式。 5河北工业大学硕士学位论文 1- 1- 1- 1- 2- 2- 2- 2- 2 2 2 2 国内使用以及研究现状 国内在边坡生态护坡技术应用研究方面的起步相对较晚,上世纪 九十年代以前一般多采用撒草种、 穴播或沟播、铺草皮和片石骨架内植草等护坡方法。广东省水利水电科学研究所首次于 1989年从香港 [32] 引进播种机,并开始在华南地区进行液压喷播试验 。随后在中国黄土高原首次进行了坡面喷涂绿化 [33] 技术即液压喷播试验研究 。经过后续十年左右的发展完善,液压喷播技术在我国华南、华中和华东 [34] 等温暖湿润地区的公路、铁路及路堤边坡等工程植被防护中得到广泛应用 。 我国于 1993年引入三维土工网垫植草护坡技术,通过土木工程界与塑料制品厂家合作,研发了形 [37] 式多样的土工网产品,如土工格栅、土工格室和土工网垫等,这些产品陆续投入到铁路 、公路和水 利等工程边坡应用中,如我国沙坡岛护坡工程、三峡古树岭边坡、昆玉公路边坡和香港新建机场等。另 外铁三院在秦沈客运专用线和惠惠州澳澳头线等工程路段边坡采用三维土工网垫植被防护。 河北省交通厅分别于 1997年前后在河北省霸州市 112沿线及 平山县西柏坡路段做了三种类型土工 网垫喷播植草的对比试验,即铺网垫撒草籽段、铺网不撒草籽段和不铺网段。经过两个雨季包括 5次大 雨和 2次特大暴雨的冲刷后发现,铺设网垫植草的路段无明显冲刷痕迹,铺设网垫但无植草路段有冲刷 痕迹,但没有冲沟现象发生,而不铺网垫路段却出现了几处较大的水沟,最深处达 20~30 cm。 铁道部第三勘测设计院于 1997年在京九线津霸联络线淘河车站附近采用了三维植被固土网的生态 护坡形式,取得了良好的工程效益。该路段当年便经历 6次大雨的袭击后均未出现冲刷和冲沟现象,分 析表明铺设三维网的植被覆盖率达 65%~85%以上,而未铺设网路段植被覆盖率仅为 10%~30%,说明铺 设三维植被固土网对边坡防护效果显著。此外, 2001年 6月,河北省在唐山西外环高速公路长达 1500 m 的路段采用了生态护坡试验,取得了较好的效果。另外,试验路段结果显示,该方法施工简便,劳动强 2 度小、效率高,每人每天可施工 100~150 m ,同时大大降低了工程造价,其造价分别是 3m×3m浆砌片 石骨架防护法、预制块防护和浆砌片石全坡面防护法的 50%、40%和 30%。 相对土质边坡生态防护而言,当前国内对于岩石边坡的植被防护的研究还较少,陈振盛和黄尊景等 采用植物耕植的手段对台湾泥岩边坡进行了防护,而刘桂元采用松树和栽植葛藤等方法对软岩进行了防 [5] [6] 护,并取得了一些成果。另外,李旭光 、江玉林和张俊云等 较早介绍了客土喷播技术,章梦涛、张 [7] 俊云、舒翔和周颖等 以土体为主要材料,硅酸盐水泥为粘结材料进行了喷混植生室内和现场试验,取 [8] 得了一些成果。随后许文年 开发了植被混凝土边坡绿化技术。但相比生态护坡在实践工程上的广泛应 用而言,有关生态护坡的机理方面的研究相对较少。 在路基边坡侵蚀变化研究方面,目前主要集中在降雨引起的边坡产流和产沙规律以及其它影响因素 的分析。李忠武等在人工模拟降雨的基础上,对铁路施工期形成的人为地貌和原地面的土壤侵蚀产沙、 产流规律以及影响因素进行了研究。结果表明,降雨历时和累积径流量、累积产沙量以及含沙率的关系 非常密切,进而指出边坡植被覆盖度以及土壤质地是影响土壤侵蚀产流产沙的主要因素。奚成刚等结合 施工期路堑边坡特点,通过人工模拟降雨对坡面上的产流、产沙规律进行了模拟和分析,指出坡面上入 渗和产流主要受表层土壤特性的影响,且随时间分别呈指数对数函数和幂函数变化,径流含沙率主要 受坡面松散颗粒量及土体结构的影响,而与单位时间径流量大小无关。徐宪立等2005针对青藏公路路 堤边坡布设自然径流观测小区,定位观测了侵蚀模量变化,实验结果表明:1 研究区内的降雨特征是 以次降雨量 5-10 mm 和平均降雨强度小于 5 mm/h 的降雨为主,在观测期内的降雨量分别为 52.89 mm 和 61.31 mm;2 降雨量和平均降雨强度的乘积与侵蚀模数、径流深度有较好的线性相关关系,且与通 用土壤流失方程较为吻合,降雨量降雨动能与平均降雨强度的组合可以作为路堤坡面侵蚀预测的重要 因子;3 拟合径流深与侵蚀模数的自然对数值,结果表明有较好的线性相关,说明随着径流深度的增 加侵蚀模数也在增加。路堤边坡的径流系数主要集中在 0.1~0.4之间,而平均系数为 0.29,表明边坡的 [38] 入渗能力较强 。此外,针对公路开挖边坡的土壤侵蚀情况,黄高花等2006采取抽样调查和侵蚀断面 6河北工业大学硕士学位论文 测量法,对陕西北部山丘区公路开挖边坡侵蚀进行了定量分析。在选择和确定原始开挖面的基础上,分 段测量了开挖边坡长度、高度和侵蚀沟深度等特征值,并结合边坡开挖时间计算出边坡年均侵蚀深度。 近年来,我国在生态护坡方面的研究发展速度较快,并取得了一系列有益的研究成果。肖衡林等比 较系统的对三维土工网垫的设计力学指标进行了分析,从水力学、工程力学等方面系统研究了网垫的强 度 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,并对不同强度、尺寸和厚度的土工网垫的抗冲刷以及植被性能进行了深入研究,并通过不同坡 度下的冲刷试验得到了合理的网垫开口尺寸,进而在一定程度上解决了三维土工网垫的设计指标问题。 另外在三维土工网喷播植草护坡的机理方面指出三维土工网垫植草可以增加坡面稳定性,阻碍降雨击 [35][36] 溅、避免径流冲刷,并提出了三维土工网垫植草护坡技术的施工程序和技术要点 。刘晓路2008 等针对边坡坡度对网垫的要求,不同地区草种的选择和生态防护体系的养护等影响三维网护坡效果的因 [50] 素进行了全面的分析 。李济群、杨春立等详细分析了边坡角度、水流量、铺沙量和冲刷时间等对三 维固土网垫防水冲刷性能的影响,进而对边坡角度,冲刷时间、铺沙量和水流量等因素对各种三维土工 [37] 网垫的影响进行了比较全面的研究 。 1 1 - - 3 3 ?1 1 - - 3 3 三维土工网垫喷薄植草护坡的价值与存在的问题 自 21世纪以来,国内意识到环境保护与经济建设成果密切相关,因而更加重视生态环境保护。我 国工程技术人员和环境保护工作者也一直进行不懈的努力,如提出道路两侧的网状护坡,变坡种草植树 , 都是行之有效的方法。但是结合水土保持仍显不足,尤其是散水如雨水对变坡的冲刷仍然未能得到很好 的解决。 利用三维土工网垫喷播植草进行水土保持、生态环境保护双重目的,是土工格栅技术的应用和推广 。 土工格栅为高分子聚合物制作而成,并具有良好的强度和抗冲性,对土体具有良好的附着作用,是实施 [8] 生态工程的载体,施工容易、简便、经济 。三维网垫是由多层塑料凹凸网和高强度平网复合而成的立 体网结构。面层外观凹凸不平,材质疏松柔韧,留有 90%以上的空间可填充土壤及沙粒,将草籽及表 层土壤牢牢护在立体网中间。随着植被在坡面的形成,三维土工网与密布的植被根系紧密交织,有助于 植被根系更均匀、紧密地连在一起,形成牢固的三维土工网与植被紧密复合体,对边坡浅层土体起到加 筋作用,这种加筋土体可起到挡土墙及坡面防护结构的作用,具有较高的耐久性,从而可长期保护边坡 免受冲刷和滑动破坏。同时还能绿化环境,减少水土流失,调节空气,改善地表物理化学性能,改善局 部地区生态环境,是一种环保型的护坡形式,正切合当前中央关于建设环保型社会,经济环境可持续发 展的要求。 此外,土维土工网垫植草护坡形式施工工艺简单,操作方便且施工速度快。而且经济可行,与以往 污工材料护坡相比,污工材料防护投资大,造价高,工程量大,但治理面积小,需长期投入大量的人力 、 物力和财力进行检修。而土工网垫防护则投资小,见效快,效果好,只需作适当的季节修剪工作。根据 以往在高速公路实施的三维网植草防护与拱架防护及护面墙对比分析结果表明,三维网植草的造价约为 拱骨架的 1/2,为护面墙的 1/3左右。 目前,关于三维土工网垫喷播植草护坡形式的理论研究相对较少,而且理论分析涉及岩土工程、生 态学、环境学和土壤学、植物学和流体力学等多个流域,因此研究内容复杂且尚未形成一套完善的方法 理论体系。此外,我国幅员辽阔,东西、南北的气温,降雨量,湿度等气候指标差别特别大,降雨量东 部地区和西部地区比差别更大,没有一个具有针对各个地区的三维植被网施工指导性的理论。而且目前 各个土工网垫产品工程特性差异明显,各种土工网垫类型、适用坡度和土质、草籽种类和用量对护坡形 式的影响分析还不够完善。 7河北工业大学硕士学位论文 1 1 - - 4 4 ? 1 1 - - 4 4 本研究的路线与思路 1- 1- 4- 4- 1 1 1- 1- 4- 4- 1 1 研究方法及基本思路 我们将以岩土工程、园林植被学、土壤学、道路工程学、环境工程、流体力学基础理论为指导,以 边坡生态护坡理论为基础对三维土工网垫喷播植草护坡进行多学科多方向系统化研究,主要针对北方地 区,尤其是华北平原地区的气候特征、地理地质环境特点,通过室外试验的方法,分析比较三维土工网 垫,喷播植草以及二者同时综合作用对边坡水土保持的效果,重点分析二者共同作用下的水土保持机理 与效果,并分析解决喷播植草后草生长的各个阶段的水土保持机理。令外将应用正交试验方法重点实验 分析不同的网垫(网孔密度,网垫厚度)、网垫固定方式、适用坡坡度、网垫、土质、草籽在混合料中 的含量、草籽的种类和喷洒方式等因素对水土保持与生态护坡的影响,最终得出最有利于减少水土流失 和边坡稳定性最好的护坡方案,进而能够提出三维土工网垫喷播植草护坡的适用条件,施工工艺,质量 控制方法和质量控制标准。具体研究内容路线如图 1.6所示。 1- 1- 4- 4- 2 2 1- 1- 4- 4- 2 2 研究路线和内容 1 三维土工网垫喷播植草的水土保持机理研究 基于岩土力学、环境工程学、水力学和河流动力学等基本原理,以植被根系-三维网垫-岩土体间相 互作用研究为立足点,探讨符合实际工程情况的根-三维网-土体间相互作用力学模型,进而通过结合水 力学和河流动力学原理,分别采用坡面糙率和拦淤栅模型来模拟三维网垫和坡面植被作用,建立了网垫 引起的坡面沿程水头损失和植被引起的径流局部水头损失计算式,并由此建立三维网垫喷播植草护坡时 坡面径流速度的计算表达式。进而综合对比分析了边坡坡角、网垫类型、植草类型和植株密度对坡脚流 速的影响。 2 三维土工网垫喷播植草护坡效果的试验分析 根据北方地区尤其是河北平原地区的气候地理情况,选择出对边坡的抗侵蚀性能和边坡稳定性能影 响显著的因素,综合边坡坡度、三维网垫的类型厚度和网孔大小等、边坡土质和草籽在混合料中的含 量等 4个因素进行正交试验。进而基于试验结果,应用各种数学正交试验分析方法和回归分析方法,研 究 4个因素对护坡稳定性和抗侵蚀性能的影响程度,从而分析网垫类型、边坡坡度、土质、草籽密度等 因素对三维土工网垫喷播植草效果的影响程度。 3 三维土工网垫植草护坡的浅层稳定性和坡体有限元数值模拟分析 对试验所得出的各种结论模型进行规范整理,针对有、无三维网垫护坡进试验所得抗剪强度、渗透 系数和侵蚀模量等指标值的对比分析,结合实际工程建立 MIDAS-GTS有限元模型,分析安全系数的增 大和应力的变化。以及在强烈的降雨、渗流作用下护坡体的强度衰减情况。 4 三维土工网垫植草护坡的施工工艺及其质量控制标准与指导性意见 结合三维土工网垫植草护坡的水土保护机理、正交试验的影响因 素显著性分析结果以及边坡浅层稳 定性的有限元数值模拟分析结果,提出三维土工网垫喷播植草护 坡的适用条件、施工工艺、质量控制方 法和质量控制标准,为工程实践提供借鉴意见,并以此促进生态 护坡形式在公路建设中的有效推广应用 。 8河北工业大学硕士学位论文 土质地质条件 当地气候条件 当地水文条件 生态护坡基础理论 岩土力学 土壤学 道路工程学 园林植被学 流体力学 植被的降雨截留、 坡体的浅层稳定性 植被根系-网垫-土 消弱溅蚀、抑制地 和整体坡体强度增 体耦合应力模型 表径流侵蚀模型 加模型研究 (准黏聚力原理) 整体坡体的浅层稳 定性和坡体数值模 拟研究(MIDAS) 结 合 根据数学模型 最 设计实验和主 优 要指标 组 4 四因素三水平正交实验 L (3 ) 9 合 的 数 值 模 侵蚀模量 抗剪强度 渗透系数 拟 分 析 方差分析 极差分析 回归分析 得出控制指标与方法 计算机分析得出最优组合 指导施工 图 1.6 研 究 路 线 图 Fig. 1.6 Flow chart of research 9河北工业大学硕士学位论文 第二章 三维土工网垫喷播植草公路护坡的机理研究 边坡生态护坡工程是结合边坡地形、土质和区域气候等特点,在 边坡表面按一定的组合方式覆盖一 层植被,利用植物的生长活动达到根系加筋、蒸腾排水、茎叶防冲蚀、防坡面径流入渗的目的。而且生 态护坡工程形成的茂盛地表植被以及表土层以下盘根错节的根系,可以有效抑制雨水对边坡的侵蚀、增 加土体的抗剪强度、减小孔隙水压力和土体自重力,从而达到减少水土流失,维持生态平衡以及美化环 境等目的。本章在详细论述当前各种植草护坡的水土保护机理的基础上,通过结合水力学和河流动力学 原理