抗冻植被混凝土生态护坡抗冲刷性能试验研究

作     者：李学洋 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘福胜

授予年度：2023年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：抗冻植被混凝土 生态护坡 抗冲刷性能 冲坑深度 床面切应力 

摘      要：随着国家对“山水林田湖草沙生命共同体建设的逐步推进,河道边坡生态防护成为研究热点问题。河道边坡生态防护既需要确保边坡长久的稳定性,又能为人民创造良好的生态绿色环境。抗冻植被混凝土生态护坡作为一种兼具工程防护与生态建设双重功能的新型护坡,在生态护坡应用中具有广阔的前景,研究其抗冲刷性能具有重要意义。在课题组研究基础上,深入开展抗冻植被混凝土生态护坡抗冲刷性能试验研究。首先制备抗冻植被混凝土试块开展物理性能和植生性能测试研究;其次设计研发一套模拟天然河道的水槽渠道模型,开展水流流速(0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s、1.6m/s、2.0m/s)、冲刷时长(0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、3.0h、4.0h)、植草周期(1个月-C、1.5个月-C)三因素不同水平的抗冻植被混凝土生态护坡、同种草皮植草护坡(植草周期1个月-G)和素土护坡(S)冲刷试验,研究各因素对护坡试样床面切应力、冲坑深度的影响,探究抗冻植被混凝土生态护坡的抗冲刷性能;然后开展C、C、G、S护坡试样抗剪性能试验,研究生态护坡抗冲刷性能作用机理;最后将研究成果进行工程示范应用。主要结论如下:(1)抗冻植被混凝土试块28d平均抗压强度可达15.2MPa,平均孔隙率为23.5%;混凝土孔隙液p H经复合降碱溶液处理后可降至8.2;植生试验中选用高羊茅和早熟禾混播草皮,植草长势良好在养护21d后可长至20cm,30d时草根可穿透混凝土板扎入底层基土中。(2)基于0.4m/s、0.8m/s、1.2m/s、1.6m/s、2.0m/s设计流速和实现C、C、G、S护坡抗冲刷试验要求,设计研发了一套模拟天然河道的水槽渠道模型和一种模拟护坡的试样箱。(3)在相同冲刷时长下,C、C护坡随着流速的增加,床面切应力均呈现指数型升高趋势,在最大流速下切应力分别为65.42Pa、84.34Pa;冲坑深度呈现逐渐升高的趋势,在最大流速下冲坑深度分别为16mm、12mm。在相同流速下,随着冲刷时长的增加,C、C护坡的床面切应力呈现降速逐渐减小直至稳定的趋势;冲坑深度呈现增速逐渐减小直至稳定的趋势。在相同流速、冲刷时长条件下,床面切应力CC,冲坑深度CC。(4)在相同植生周期、冲刷时长下,随着流速的增加,床面切应力GC,冲坑深度GC。在相同流速下,S护坡冲坑深度值远远大于C护坡和G护坡,在1.2m/s时C护坡冲坑深度为8mm,同流速下S护坡冲坑深度为40mm,C护坡比S护坡可减少32mm冲坑深度,表现出良好的抗冲刷性能。在相同流速下,随冲刷时长的增加,床面切应力值CGC,冲坑深度值SCGC,抗冲刷性能大小为CGCS。在冲刷破坏试验中,在2m/s条件下,S护坡极限冲刷时长到0.5h时便达到严重受损,C、C、G护坡极限冲刷时长分别为8.5h、9h和8.5h,冲坑深度分别为40mm、35mm和45mm,抗冲刷性能大小为CCGS。(5)C、C、G护坡根-土复合体及S护坡无根土样的抗剪强度线性回归模型与库仑强度公式=(69)+(8相一致,服从摩尔-库仑强度破坏准则。3种生态护坡土体的抗剪强度较素土护坡显著提高,分析其原因主要是生态护坡中植被根系对土壤有一定的加筋作用,可有效提高土壤黏聚力,提升抗剪强度。土壤抗剪强度大小依次为CGCS。(6)将研究成果应用于南京路沂河大桥上下游生态护坡工程,抗冻植被混凝土生态护坡植被长势良好,28d后坡面覆盖率达到95%以上;经一个汛期5次洪水行洪后,抗冻植被混凝土生态护坡安全稳定,植被层最大冲坑深度为30mm,植被护坡受损程度为中等受损,植被5d后恢复正常生长态势。结果表明抗冻植被混凝土生态护坡具有良好的抗冲刷性能。本课题研究了抗冻植被混凝土生态护坡的抗冲刷性能并进行工程示范应用,为抗冻植被混凝土生态护坡的大面积应用推广提供理论支撑,对促进生态文明建设具有一定价值和意义。