三维土工网防护边坡坡面流特性及侵蚀动力机制研究

The protection of bare slope has become more and more significant in hydraulic engineering, transportation engineering and mining engineering, etc. As an eco-friendly slope protection, 3D geonet has been highly concerned. This new type of geonet is made of one-layer or multi-layers plastic bump network, forming a three-dimensional mesh structure, whose microrelief features are different from traditional slope protection with masonry, shotcrete net and of course natural slope. Hence, microtopography under the influence of overland flow and erosion processes are extremely complicated. However, very limited research has been done on flow characteristics and erosion mechanism for this new form of slope protection. This project will focus on the structural features of this new slope, conducting a series of experimental simulations based on field data analysis theoretical study. First, characteristics of flow and dynamic mechanism of erosion on three-dimensional geonet slope will be study. Second, emphasis will be placed on local eddy caused by microtopography and its influence on resistance characteristics. Third, the relationship between the local eddy erosion and global erosion will be explored and laws of erosion of this type of overland flow will be revealed. Furthermore, based on above mentioned analysis, response relationship of sediment and hhydrodynamics parameters will be established and comprehensive evaluation model of 3D geonet Protection slope erosion stability will be proposed. Therefore, this research will further develop the theory of slope protection, and provide the scientific basis for design and construction of 3D geonet slope in engineering practice.

裸露坡体的防护问题在水利、交通、矿产等工程中越来越突出，三维土工网作为一种生态友好型护坡形式受到人们的高度关注。这种新型护坡是由单层或多层塑料凹凸网构成的一种立体网状结构,其微地貌特征有别于传统的浆砌石、锚喷网等护坡，更不同于自然坡体，微地形影响下的坡面流及其侵蚀过程极其复杂，直接针对这种新型护坡上的水流特征及侵蚀机理的研究还很少。本项目将针对这种新型边坡的坡面结构特征，在理论研究、实测资料分析的基础上，开展系列化模拟试验，深入研究三维土工网护坡水流特性及其侵蚀动力规律，重点关注微地形导致的局部涡流及其对全局阻力特征的影响，并深入探讨局部涡流侵蚀与全局侵蚀特征之间的关系，揭示这类边坡坡面流及其侵蚀的特殊规律。在此基础上，建立三维土工网护坡的坡面流输沙对水动力学参数的响应关系，构建三维土工网防护边坡侵蚀稳定性综合评价模型。该研究将发展边坡防护理论，可为三维土工网护坡的设计与施工提供科学依据。

铁路、公路、水利等工程建设中由于岩土体开挖、堆填产生的大量裸露边坡防护问题越来越突出，三维土工网防护边坡作为一种生态友好型防护受到人们的高度关注。这种新型护坡是由单层或多层塑料凹凸网构成的一种立体网状结构，其微地貌特征有别于传统的浆砌石、锚喷网等护坡，更不同于一般自然坡面的非结构土壤坡体，其微地形影响下的坡面流特性及其侵蚀过程及其复杂。开展这种新型护坡上的水流特征及其侵蚀机理的研究，构建三维土工网防护边坡侵蚀稳定性综合评价体系，具有重要科学意义和应用价值。本项目针对这种新型边坡的坡面结构特征，在理论研究、实测资料分析的基础上，开展了系列化试验模拟，得到了不同流量、不同降雨强度条件下三维土工网防护边坡坡面流的流动规律和水动力学特征，揭示了这类边坡坡面流的侵蚀特征与侵蚀规律，建立了三维土工网护坡的坡面流侵蚀对水动力学参数的响应关系。通过理论分析，建立了三维土工网防护边坡临界坡度的计算模型，并给出了参数确定方法，通过试验资料的分析给出了三维土工网防护边坡临界坡度的阈值范围。利用水动力学、土壤侵蚀动力学的基本原理和方法，建立了地震及降雨条件下三维网垫防护体系的力学计算模型，得到了锚钉间距、锚钉长度、地震强度、降雨强度等参数对边坡稳定性的影响。在分析各种因素分级标准的基础上，构建了三维土工网防护边坡侵蚀稳定性的综合评价指标体系．建立了基于云模型的三维土工网防护边坡侵蚀稳定性评价模型。通过对三维土工网坡面的数值模拟，分析了不同降雨条件下土工网防护边坡的安全系数，得出边坡失稳时坡体内部塑性区的发展和位移分布规律，并给出了三维土工网坡面对边坡整体稳定性的影响。研究成果不仅对于充实、完善三维土工网防护边坡的理论体系，为三维土工网防护边坡的设计与施工提供更为准确的参数，而且可进一步丰富坡面流理论的研究内容，为建立具有物理成因的三维土工网防护坡面侵蚀预报模型提供基础资料。