楊 娟

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

1 工程背景

某水庫是一座以防洪和灌溉為主，集養(yǎng)殖和旅游等諸多功能為一體的中型水利工程，可以保護(hù)下游8個自然村的安全。水庫壩址以上控制流域面積540km2，總庫容5830萬m3。水庫主要建筑物包括大壩、泄洪閘和輸水洞[2]。其中水庫主壩為長700m的均質(zhì)土壩，設(shè)計高程134.60m，最大壩高8.04m，壩頂寬8.6～12.3 m，迎水坡坡比為1∶3.8，背水坡坡比為1∶2.9，迎水坡為干砌石護(hù)坡，背水坡為草皮護(hù)坡。雖然草皮護(hù)坡具有施工簡單、成本低廉和養(yǎng)護(hù)方便的優(yōu)勢，也存在比較顯著的缺陷，主要是壽命短、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益差，根系較淺、錨固作用不足等[1]。胡枝子屬于一種多用途樹種，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，同時耐陰、耐寒、耐干旱和貧瘠，具有較強(qiáng)的適應(yīng)力。胡枝子的生長快、封閉性好，十分適宜坡地生長，是丘陵漫崗水土流失區(qū)的治理樹種，對控制水土流失意義重大[2]。本次研究以某水庫土壩背水坡為例，研究胡枝子護(hù)坡的壩坡穩(wěn)定性及綜合效益。

2 計算模型

2.1 計算軟件

Geo-studio軟件是加拿大Geo-studio公司開發(fā)的大型仿真工程軟件[3]。軟件中的SEEP/W模塊可以用于地下水滲流速度，壩體、堤防等在不同運(yùn)行工況下的滲流和邊坡穩(wěn)態(tài)滲流分析[4]?；诖耍敬窝芯坷肎eo-studio軟件中的SEEP/W模塊進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。

2.2 模型的構(gòu)建

研究中選擇某水庫背水壩坡為研究對象，從大壩的設(shè)計資料可知，該大壩為壤土沙殼心墻壩。為了研究胡枝子護(hù)坡的作用和價值，利用大壩背水坡的實際情況，利用Geo-studio軟件對壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行建模分析，建模過程中結(jié)合研究對象的特點(diǎn)和相關(guān)研究經(jīng)驗，將模型簡化為平面模型[5]，如圖1所示。其中大壩上下游水位線以下為定水頭邊界，壩頂和背水坡為降雨入滲邊界。根據(jù)前期的地質(zhì)勘測和設(shè)計資料，大壩各部位的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 簡化平面模型

表1 壩坡各部位物理力學(xué)參數(shù)

為了研究不同降雨條件下胡枝子護(hù)坡的穩(wěn)定性，設(shè)置了3種不同的降雨條件和坡面覆蓋類型進(jìn)行對比分析。其中降雨條件選擇的是90、120、160m 3種不同的降雨強(qiáng)度，坡面覆蓋類型選擇的是素土皮面、草皮坡面和胡枝子坡面3種坡面類型。研究中將降雨量轉(zhuǎn)化為單位流量設(shè)置在模型的降雨入滲邊界[6]。

為了簡化模擬計算過程，研究中將胡枝子等效為根系高度發(fā)達(dá)的植物，草皮等效為根系低度發(fā)達(dá)的植物[7]。依據(jù)植物根系研究方面的文獻(xiàn)成果，獲得高度發(fā)達(dá)和低度發(fā)達(dá)植物根系的各力學(xué)參數(shù)，用于模擬胡枝子和草皮根系對壩體的影響，結(jié)果見表2。將降雨和時間軸的函數(shù)用于不同性質(zhì)的坡面，進(jìn)行沖刷分析和穩(wěn)定性分析。

表2 不同根系力學(xué)參數(shù)表

由于Geo-studio軟件的各個模塊之間具有兼容性，研究利用SEEP/W 模塊進(jìn)行大壩背水坡在不同條件下的滲流和沖刷分析之后，直接將該模塊的數(shù)據(jù)導(dǎo)入創(chuàng)建的SLOPE/W 模塊進(jìn)行大壩壩坡的穩(wěn)定性分析，獲得大壩背水坡的滑動面部位和不同降雨坡面條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，不需要重復(fù)建模[8]。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 抗沖刷試驗結(jié)果與分析

為了研究胡枝子護(hù)坡的抗沖刷能力，選擇大壩背水坡面2m×3m典型區(qū)域不同護(hù)坡類型和降雨強(qiáng)度下的沖刷情況。研究設(shè)計降雨歷時為12h，利用上節(jié)構(gòu)建的模型對沖刷的沙量進(jìn)行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制護(hù)坡產(chǎn)沙量曲線，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)沙量計算結(jié)果

由圖2可知，在3種不同護(hù)坡形式下，坡面的產(chǎn)沙量均隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。究其原因，降雨強(qiáng)度的增加，會大幅增加坡面的產(chǎn)流量，進(jìn)而增加對坡面的侵蝕作用。從3種不同坡面產(chǎn)沙量的對比結(jié)果來看，沒有植被的覆蓋的素土坡面的產(chǎn)沙量明顯大于有植被覆蓋坡面的產(chǎn)沙量。由此可見，采用植物護(hù)坡可以大幅減小坡面在降雨條件下的侵蝕作用，對保證坡面的安全穩(wěn)定十分有利。從胡枝子坡面和草皮坡面的對比來看，草皮坡面在90、120、160mm降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量分別為98、116、154g；胡枝子坡面在90、120、160mm降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量分別為65、72、91g，相比草皮護(hù)坡的產(chǎn)沙量分別降低33.7%、37.9%、40.9%。由此可見，采用胡枝子坡面可以有效抑制雨水的沖刷作用，并且降雨強(qiáng)度越大，作用效果越明顯[9- 10]。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果與分析

對3種不同降雨強(qiáng)度條件下的壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，降雨歷時為12h，再觀察12h。模擬計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊坡穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果

由圖3坡面穩(wěn)定性系數(shù)隨時間的變化規(guī)律來看，各種坡面的穩(wěn)定性系數(shù)隨著時間的變化均呈現(xiàn)出先增大后減小的特征。在90mm降雨強(qiáng)度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.363、1.366、1.369；在120mm降雨強(qiáng)度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.341、1.343、1.347；在160mm降雨強(qiáng)度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.329、1.333、1.340。雖然不同坡面形式在不同降雨強(qiáng)度下的穩(wěn)定性系數(shù)都滿足設(shè)計要求，但是在相同條件下，胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)要明顯高于其他2種坡面。由此可見，采用胡枝子坡面更有利于大壩背水坡在降雨條件下的安全穩(wěn)定[11- 12]。

4 胡枝子坡面的綜合效益分析

胡枝子不僅可以提高大壩背水坡的安全性，同樣具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值，不僅是重要的蜜源植物、工業(yè)原料和飼料資源，還是重要的油料資源，含油量在9.2%左右。按照當(dāng)?shù)氐姆N植經(jīng)驗，在坡地種植的情況下，每畝可以產(chǎn)生16000元的純收入，可以創(chuàng)造十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也可以為當(dāng)?shù)靥峁┮欢〝?shù)量的就業(yè)崗位，增加居民收入。此外，胡枝子還是重要的觀賞價值和保持水土流失的作用，具有較高的生態(tài)價值[13- 15]。

當(dāng)然，利用胡枝子作為大壩背水坡的護(hù)坡植物也具有自身的局限性。例如，由于胡枝子的莖葉比較繁茂，容易造成壩坡小區(qū)域濕潤和滲水問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，因此在每年7、8月的修剪枝條期間需要強(qiáng)化坡面監(jiān)控。同時，也可以利用胡枝子果實采摘期間進(jìn)行坡面監(jiān)測，達(dá)到保證水庫大壩安全監(jiān)測的目的。

5 結(jié)語

隨著水利工程建設(shè)生態(tài)性要求的不斷提高，植物護(hù)坡獲得廣泛應(yīng)用。本次研究的結(jié)果顯示，將胡枝子用于土石壩背水壩坡護(hù)坡，不僅可以有效提升壩坡的安全性和穩(wěn)定性，還可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，具有良好的推廣應(yīng)用價值。當(dāng)然，受到野外試驗條件的限制，沒有對不同生長年限的胡枝子對背水坡的影響進(jìn)行試驗。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步試驗和探討不同生長年限胡枝子對土石壩背水坡的實際影響，尋求能發(fā)揮最大護(hù)坡效益的生長年限。此外，本次研究也沒有考慮胡枝子根系護(hù)坡的力學(xué)效應(yīng)，今后可以對該領(lǐng)域展開進(jìn)一步的深入研究。