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西部中小河流及其岸坡生态防治成套技术研究

2017-11-15

新疆地处我国西北边陲,属于干旱半干旱区域,生态环境极为脆弱,水土流失状况严重,水土流失面积占全国近三分之一,且有流失加剧之势。以新疆作为典型内陆河流治理区,选择北疆和南疆典型地区开展河流生态修复技术研究等对新疆地区经济的可持续发展、当地民生的改善具有重要意义。

南京水利科学研究院、四川大学与新疆水利水电科学研究院共同完成的水利公益性行业科研专项经费项目“西部中小河流及其岸坡生态防治成套技术研究”立足于新疆水利工程安全与水生态文明建设的实际需求,面向急需解决的工程难题,通过三年的研究,取得了大量成果,为解决我国西部地区中小河流河岸劣化与生态防护提供了解决方案。项目所取得的研究成果涉及北疆地区特殊土岸坡渐进变形破坏机理、寒冷地区岸坡与渠道冻胀变形的新型测量技术、中小河流域泥石流生态综合防治技术、西部地区特殊土岸坡生态防治成套技术等,所形成的技术已经在新疆一些水利工程中进行了试验示范、推广和应用。  

一、总体思路

在对国内外中小河流治理工程、河流生态护岸和植物恢复护岸工程实例调研的基础上,通过理论研究、数值模拟、室内试验、模型试验、示范工程等手段,以新疆典型中小河流为研究对象,深入研究典型流域内水土流失与河岸劣化规律及致灾过程,开展西部地区盐渍土、冻土、碎石土等岸坡土体的生态防护技术研究,在此基础上揭示西部中小河流岸坡崩岸劣化破坏机理与岸坡植被根系固土机理,提出中小河流流域泥石流起动与致灾过程的计算分析方法,构建中小河流域泥石流综合防治技术与西部地区特殊土岸坡生态防护成套技术。

二、主要创新性成果

(一)揭示了西部中小河流岸坡崩岸劣化与破坏机理

在乌鲁木齐建立了岸坡生态防治技术研究试验基地,开展北疆地区岸坡大比尺模型冲刷试验与冻融试验研究。通过引入三维激光扫描新型观测方法和研发岸坡冻胀融沉变形新型监测技术,深入系统分析特殊土岸坡崩塌破坏与冻融破坏的发展过程及相关力学机制;结合极限平衡分析方法和Bingham模型,建立了特殊土岸坡失稳破坏力学模型与渐进变形数学物理方程,揭示了西部地区中小河流岸坡劣化与渐进变形破坏机理。

(二)揭示了岸坡植被根系固土机理,提出了植被根系固土理论与计算方法

开展生态岸坡大比尺模型冲刷试验和冻融试验研究,并结合根系土大型直剪试验,系统分析了岸坡植被根系固土机理与废旧轮胎、生态袋等生态护岸结构防冲抗冻机理;将三维有限元分析方法和Bingham模型相结合,综合分析植被根系对岸坡渐进变形的抑制作用,建立了相应的数学物理方程,提出了岸坡植被根系固土理论与计算方法。

(三)提出了中小河流域泥石流起动与致灾过程的计算分析方法,建立了泥石流综合防治技术

基于ADINA大型通用分析仿真平台,通过流固双向耦合模拟坡面泥石流起动、泛滥与堆积过程以及对工程建筑物的破坏,构建中小河流域泥石流启动堆积过程的数学模型及相应计算方法。基于泥石流刚性拦挡措施的局限性,提出了以柔克刚的泥石流柔性拱生态防治理念,研制了沟谷泥石流石笼拱柔性拦截坝新技术和兼具坡面处理与沟谷措施的拱式生态护岸技术,从拱式承载、柔性缓冲、透水减压等多角度应对泥石流的强大破坏力,较大程度地提高了防护结构的抗冲击能力。

(四)构建了西部地区特殊土岸坡的生态防护成套技术

通过在北疆乌鲁木齐地区、南疆克孜尔水库生态护岸中的应用,集成生态袋护岸、废旧轮胎护岸、石笼网护岸、空心砌块护岸等常规的生态护岸技术,形成石笼网装生态袋和废旧轮胎的生态挡墙护岸技术、空心砌块生态护面的加筋土轻质护岸及岸坡水土流失石笼拱生态柔性拦挡护岸等岸坡生态防护新技术,并提出了相应的设计方法及施工质量验收与评定标准。在此基础上构建了西部地区特殊土岸坡生态防护成套技术。

项目发表学术论文38篇,出版专著2部,获得国家发明专利“利用疏浚土冲灌筑堤的大型冲灌袋筑堤方法及其设备”(ZL201210073952.7)等10项。登记软件著作权1项、培养硕士研究生10余人。

三、推广应用情况

项目构建的岸坡生态防护成套技术已在新疆克孜尔水库岸坡生态治理工程、江苏省南京市中小河流生态整治工程、黑龙江省三江治理工程堤防岸坡生态防护工程中推广应用;研发的中小河流域泥石流综合防治技术在四川山区泥石流易发区发挥了良好的防护作用;专利技术冻胀融沉计在北疆某供水干渠和新疆吐鲁番市煤窑沟水库的岸坡冻胀安全监测中成功应用。

项目基本形成了西部中小河流岸坡生态防治理论及控制技术,其成功应用将在一定程度上改善流域内生态环境,减少水土流失,有效降低山洪地质灾害的发生频率,减小其影响范围;对于保护耕地、改善当地人民群众的生产条件、提高其生活质量及促进社会稳定等具有重要意义。