劉景青 李 蔚

(1.澇坡水利服務(wù)中心，山東 莒南 276600； 2.臨沂市水文中心，山東 臨沂 276037)

為研究建立和實(shí)施有效的對(duì)策，防止洪澇對(duì)堤防的侵蝕，本研究利用生物聚合物(一種環(huán)保巖土工程材料)進(jìn)行了基于試驗(yàn)的研究，開發(fā)出了一種新的生物聚合物。這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于這種新物質(zhì)被應(yīng)用于堤防的建設(shè)。預(yù)計(jì)，該生物聚合物不僅能改善土壤，還能改善堤壩的耐久性和環(huán)境友好性。未來將通過進(jìn)一步的試驗(yàn)，確定溢流、滲流、管涌等各因素下的新工藝優(yōu)化方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際規(guī)模的試驗(yàn)。

1 堤防破壞主因

洪水發(fā)生時(shí)堤防破壞的主要原因有三種:溢流、侵蝕和不穩(wěn)定的水體狀況[3]。當(dāng)洪水徑流超過河道的輸送量時(shí)，或者當(dāng)輸送量因砂子、土壤或碎屑而減少時(shí)，就會(huì)發(fā)生溢流；當(dāng)陡峭的河流斜坡或彎道中過大的流速和剪切應(yīng)力沖刷堤壩斜坡或底部時(shí)，就會(huì)發(fā)生侵蝕。堤體的失穩(wěn)包括壩體的管涌，是由填筑材料不良或壩體滲漏引起的；堤壩破裂也發(fā)生在跨河結(jié)構(gòu)的倒塌或使用與堤壩不同的材料的結(jié)構(gòu)的界面處。根據(jù)有關(guān)報(bào)告，溢水占中國堤壩破壞形式的40%[4]。

2 水力模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

為進(jìn)行試驗(yàn)研究，建造一個(gè)高1m，寬3m，長(zhǎng)度為5m，坡度為1 ∶2的中型堤壩，堤壩上游命名為A1通道，下游命名為A3通道(見圖1)。水力試驗(yàn)的目的是使用新研發(fā)的物質(zhì)，對(duì)比分析土堤和擬建堤壩之間的漫頂決口期間堤壩的行為，并根據(jù)應(yīng)用新型物質(zhì)的厚度驗(yàn)證對(duì)堤壩決口的阻滯效果。

圖1 試驗(yàn)通道示意圖(A3)

為分析溢流對(duì)堤壩邊坡的破壞情況，在試驗(yàn)通道上安裝了圖像測(cè)量系統(tǒng)，在堤壩破壞部位的前方和兩側(cè)分別安裝了5臺(tái)GoPro攝像機(jī)和1臺(tái)攝像機(jī)。對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行了不同角度的實(shí)時(shí)拍攝，以分析邊坡的表面沖刷和破壞部分。使用一架無人機(jī)拍攝堤壩決堤的過程。

2.2 試驗(yàn)方法

由于幾項(xiàng)初步試驗(yàn)已經(jīng)闡明，土質(zhì)堤壩在溢流過程中經(jīng)常會(huì)在堤頂與坡面之間的界面上發(fā)生初始破壞，因此，該區(qū)域被確定為溢流破壞的易損區(qū)，并被確定為新開發(fā)物質(zhì)的覆蓋區(qū)域。

根據(jù)土壤分類體系，試驗(yàn)所用砂為均勻級(jí)配良好的砂(SW)(見圖2)。通過使用這種易開裂的砂，生物聚合物與最脆弱的材料混合的性能表現(xiàn)更加明顯，并加速誘導(dǎo)溢流決口橫截面的形成。由于試驗(yàn)所用砂粒每次都有變化，因此進(jìn)行了3次粒徑分布試驗(yàn)，以驗(yàn)證每次試驗(yàn)的一致性。

圖2 粒徑分布

本研究所用新型物質(zhì)制作配比：1克生物聚合物 ∶10克水 ∶50克砂子。此外，通過應(yīng)用不同厚度的新物質(zhì)(如1cm、3cm、5cm)來驗(yàn)證擬議堤壩的性能(見圖3)。通過改變新物質(zhì)的厚度，可以量化隨著時(shí)間的推移對(duì)缺口的延遲效應(yīng)。

圖3 試驗(yàn)條件

本文試驗(yàn)研究采用的堤身構(gòu)造過程如下所述。首先，使用挖掘機(jī)(0.2m3)，從3m的高度拋下砂子，用于建造堤基。通過反復(fù)將20cm厚的砂土相互疊置碾壓，建造堤壩。修建土堤后，通過用水稀釋粉末生物聚合物制備生物聚合物溶液，然后將制備的溶液與砂土混合，然后將混合新物質(zhì)涂抹在堤頂和斜坡上(見圖4)。以此可比較土堤和使用新物質(zhì)的擬建堤壩之間的破壞機(jī)制。

圖4 使用生物聚合物覆蓋試驗(yàn)堤壩過程示意圖(a) 生物聚合物和水混合；(b) 生物聚合物溶液和土壤混合；(c)～(e) 創(chuàng)建一個(gè)堤壩模型；(f) 用新物質(zhì)覆蓋

在下游通道進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一般允許流量向下游流動(dòng)。但本試驗(yàn)在上游通道以3m3/s的速度讓流量向下游流動(dòng)，然后逐漸增加位于下游端流出池的水位，使水回流，在下游通道產(chǎn)生溢流。這個(gè)設(shè)置是為了解決一個(gè)問題，即在通過下游河道約600m后，流量到達(dá)安裝堤壩模型的下游端需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。此外，由于實(shí)際決堤淹沒內(nèi)陸地區(qū)并不會(huì)造成河流水量的急劇減少，因此將該條件通過引入出流池來表示，出流池可以儲(chǔ)存比上游河道更大的流量。堤內(nèi)面在水位上升過程中保持穩(wěn)定，直至超過堤頂。

4、生物質(zhì)固化成型技術(shù)。生物質(zhì)固化技術(shù)是指在高壓或高溫高壓下通過生物質(zhì)中木質(zhì)素的塑化黏合，把原來疏松的生物質(zhì)壓縮成密度極高的高品質(zhì)成型燃料，以便儲(chǔ)運(yùn)和高效率燃燒的技術(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 新物質(zhì)使用過程中堤壩的破壞過程

通過對(duì)比兩種類型堤防的破壞過程，直觀分析新物質(zhì)的作用效果。以往的研究根據(jù)坡面溢水和破壞類型將土質(zhì)堤壩破壞過程分為幾個(gè)階段。在初始階段，堤頂發(fā)生溢流，下游邊坡受到侵蝕，形成小規(guī)模的溢流通道。隨著時(shí)間的推移，溢流在下游坡面形成階梯狀水流。因此，裂縫寬度增加，溢流量增加，最終形成裂縫。

土質(zhì)堤防的試驗(yàn)也表明，初始溢流會(huì)引起堤頂和邊坡的侵蝕。即初始水流在堤防坡面上形成了一個(gè)主要的水流通道，從而導(dǎo)致侵蝕。水流的不斷流動(dòng)和流速的增大加劇了徑流侵蝕，形成了溝槽侵蝕。最終，隨著溢流量的增加，堤頂完全坍塌，形成深潰面，在強(qiáng)剪應(yīng)力作用下形成最大潰口寬度。在擬采用新物質(zhì)的堤防中，最初的溢流導(dǎo)致覆蓋部分出現(xiàn)裂縫；隨著水滲入裂縫，導(dǎo)致保護(hù)層脫落或膨脹。這似乎是因?yàn)樾挛镔|(zhì)沒有完全固結(jié)，或者生物土壤在溢流中溶解。因此，新物質(zhì)需要通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來改進(jìn)。由于堤頂上的溢流阻力產(chǎn)生了強(qiáng)烈的垂向水流，導(dǎo)致坡底局部沖刷，形成垂向沖刷(見圖5)。如果能同時(shí)比較兩類堤防的破壞機(jī)理，就能更好地識(shí)別出兩者破壞過程的差異。但由于土質(zhì)堤防的突破時(shí)間比擬建堤防短得多，因此將突破過程在不考慮時(shí)間的情況下，分為不同階段。

采用新物質(zhì)的防洪堤與土質(zhì)防洪堤表現(xiàn)出完全不同的破壞模式。雖然徑流在一定時(shí)間后增加，堤防的每個(gè)部分都被破壞，但與土質(zhì)堤防不同的是，在溢流的初始階段，沒有出現(xiàn)任何對(duì)堤防的侵蝕，而是從堤趾開始的逐漸侵蝕。隨著時(shí)間的推移，侵蝕面積有明顯減少的趨勢(shì)。通過施加不同厚度的新物質(zhì)，觀察到漫頂決口發(fā)現(xiàn)，主要區(qū)別僅在于破壞的體積，整個(gè)破壞模式是相似的。由于這種新物質(zhì)可以通過延緩堤壩破壞來減少洪峰徑流，因此它將有效減少低洼地區(qū)的洪水破壞或防止突然坍塌造成的二次破壞。

3.2 堤面破壞率的計(jì)算

對(duì)圖像測(cè)量系統(tǒng)拍攝的試驗(yàn)圖像進(jìn)行編輯和分析，以驗(yàn)證隨時(shí)間變化的缺口規(guī)模。由于基于圖像的分析很容易產(chǎn)生溢出破壞引起的土壤徑流的不確定性或錯(cuò)誤計(jì)算，因此，選取了堤壩邊坡破壞的橫斷面圖像進(jìn)行定量分析。為了進(jìn)行定量分析，采集了堤防邊坡隨時(shí)間變化的圖像，進(jìn)行校準(zhǔn)，然后進(jìn)行數(shù)字化，以確定破壞的范圍(見圖6)。

圖6 數(shù)字化方法確定破壞范圍示意圖(a) 圖像校準(zhǔn)；(b) 破壞范圍的數(shù)字化顯示

基于像素分析，使用圖形軟件對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行研究。以此方法計(jì)算堤面破壞的規(guī)模和比率。值得注意的是，在某些試驗(yàn)條件下，出現(xiàn)過度破壞的原因是壓實(shí)不均勻。為了獲得穩(wěn)定的結(jié)果，在每種條件下進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。最終將像素轉(zhuǎn)化為侵蝕面積作為物理單位，與堤坡相對(duì)應(yīng)的像素總數(shù)為105000。當(dāng)破壞開始時(shí)，每30s計(jì)算一次損失的面積。剛發(fā)生溢出時(shí)，假設(shè)破壞率為0%。當(dāng)表面破壞率超過90%時(shí)，即使在相同條件下重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果也往往不一致或數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。因此，任何超過90%的破壞率都被視為完全破壞，并被排除在分析范圍之外。

至于面積隨時(shí)間減少的趨勢(shì)(見圖7)，土堤(案例1、2)在發(fā)生溢流同時(shí)，面積急劇減少。150s后，面積減少90%以上，表明完全破壞。案例3中，如果涂抹了1cm厚的新物質(zhì)，則在溢出發(fā)生后，該區(qū)域保持60s。90s后，面積逐漸減小，然后急劇減小，直到150s。另一個(gè)1cm厚的新物質(zhì)案例(案例4)顯示，溢流初始階段，破壞面積減小，與案例3趨勢(shì)不同。這表明，新材料制造過程中產(chǎn)生的裂紋百分比極大地影響了初始破裂率。隨著時(shí)間的推移，誤差趨于減小。與案例1～4相比，3cm厚(案例5、6)在發(fā)生溢流后的一段時(shí)間內(nèi)保持相同的面積。總的來說，隨著時(shí)間的推移，面積有逐漸減少的趨勢(shì)。

圖7 試驗(yàn)案例的面積減少隨時(shí)間推移的變化情況

然而，當(dāng)使用5cm厚的新物質(zhì)時(shí)，裂口被過度延遲，堤趾開始被溢出的水淹沒。即回水效應(yīng)影響了厚度為5cm的試驗(yàn)，無法分析堤壩的性能。因此，本案例被排除在外(見圖8)。如上所述，本研究的試驗(yàn)裝置反過來誘導(dǎo)水流從下游端流向上游端。因此，在堤壩被破壞之前，溢出的水回到了下游端。為了評(píng)估采用厚度超過5cm的新物質(zhì)的堤壩的性能，需要對(duì)試驗(yàn)渠道進(jìn)行相應(yīng)修改。

圖8 新材料厚度5cm情況下的回水情況

圖9顯示了堤壩表面隨時(shí)間的破壞率。由于發(fā)生溢流，土堤(案例1、2)的破壞率在30s時(shí)為23%～24%，60s時(shí)為60%～64%，90s時(shí)為80%～81%，120s及之后為86%～92%。除初始溢流階段外，含有1cm新物質(zhì)的堤壩(案例3、4)的破壞率在120s時(shí)為54%～69%，150s時(shí)為67%～78%，180s時(shí)為72%～81%，210s時(shí)為74%～84%，240s及之后為78%～91%。另一個(gè)含有3cm新物質(zhì)的堤壩(案例5、6)在120s前的破壞率為5%或更低，最晚在390s時(shí)達(dá)到50%的破壞率。該堤壩在630s前逐漸破壞，之后破壞率超過90%，表明完全破壞。當(dāng)使用1cm和3cm厚的新物質(zhì)時(shí)，根據(jù)上述破壞率計(jì)算，總破壞時(shí)間分別為300s和630s。這些結(jié)果表明，采用新材料可以延遲2～4.2倍的土堤破壞時(shí)間。

圖9 試驗(yàn)案例隨時(shí)間推移的破壞率變化

在諸如堤壩決口之類的災(zāi)難性情況下，特別強(qiáng)調(diào)快速的初始響應(yīng)和應(yīng)急恢復(fù)。本研究進(jìn)行的試驗(yàn)表明，土堤的初始破壞發(fā)展速度驚人，而帶有新物質(zhì)的堤防受初始溢流的影響較小，并且在一定時(shí)間內(nèi)延緩了破壞。盡管不能從根本上防止堤壩決堤造成損害，但本研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)應(yīng)對(duì)措施可以顯著減少損害。

4 結(jié) 論

本研究通過建造一個(gè)中型堤防模型，進(jìn)行了堤防破壞試驗(yàn)。使用各種成像設(shè)備對(duì)比分析溢流堤的破壞機(jī)理。此外，采用基于像素的圖像分析方法計(jì)算堤防邊坡上的破壞規(guī)模隨時(shí)間的變化情況。通過這種方式，驗(yàn)證了使用新物質(zhì)覆蓋堤壩的性能。研究結(jié)果表明：新物質(zhì)的堤壩表現(xiàn)出與土堤完全不同的破壞機(jī)制，土堤在堤頂和斜坡之間的界面處幾乎與溢流發(fā)生時(shí)同時(shí)發(fā)生塌陷，相反，帶有新物質(zhì)的堤壩由于堤趾的逐漸向后侵蝕而形成了裂口，此外，當(dāng)施加不同厚度的新物質(zhì)后再觀察溢流破裂時(shí)，則僅隨著時(shí)間的推移塌陷量出現(xiàn)差異，整體破壞模式相似；在不同溢流條件下的破壞率方面，應(yīng)用新物質(zhì)時(shí)，計(jì)算總破壞時(shí)間分別為300和630s，可以延緩?fù)恋痰?～4.2倍堤防破壞時(shí)間，尤其是新物質(zhì)覆蓋的堤壩受初期溢流的影響比土堤要小得多，而且破壞被明顯延緩了一段時(shí)間。

本研究尚存在一些不足有待改善，需要進(jìn)一步研究修改當(dāng)前的試驗(yàn)通道，以分析新物質(zhì)厚度為5cm的堤壩的性能。還需要進(jìn)行PIV分析以得出更精確的結(jié)果并驗(yàn)證流入速度與堤壩決口之間的相關(guān)性。此外，由于天然河流通常有植被，其堤壩的侵蝕和破裂機(jī)制可能與本研究中考慮的土堤壩有顯著不同。反映這一事實(shí)的適當(dāng)方法似乎對(duì)于提高研究結(jié)果可靠性是必要的。