鄒廣明

(開平市水政監(jiān)察大隊,廣東開平,529300)

0 引言

堤防岸坡安全穩(wěn)定性關(guān)乎著水利河道運營可靠[1-2],不同的護坡設(shè)計,對岸坡安全穩(wěn)定性具有差異性影響。常用的護坡設(shè)計包括有硬化坡面、格賓石籠等[3-4],而生態(tài)護坡設(shè)計乃是一種淺層護坡方案,其良好的生態(tài)效益與工程價值,在岸坡、邊坡工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。王章云等[5]、夏軍強等[6]、宋欣玲等[7]為研究岸坡護坡方案,采用建模仿真計算方法,分析了岸坡在靜、動力工況下位移、應(yīng)力變化,為分析岸坡安全穩(wěn)定性提供了計算依據(jù);李家棟[8]、王瓊亞等[9]為研究不良土層岸坡穩(wěn)定性,提出采用土體物化改良方法,對岸坡土層進行改良設(shè)計,分析了改良后岸坡土體力學(xué)特性與岸坡安全穩(wěn)定性;從物理模型試驗研究入手,李健等[10]、許彬等[11]設(shè)計了不同設(shè)計方案下的岸坡模型,探討了各類型護坡方案下,岸坡土層水力特性及安全穩(wěn)定性。本文為研究潭江開平段堤防岸坡生態(tài)護坡設(shè)計方案下土層含水特征及安全穩(wěn)定性,采用模型試驗設(shè)計了兩種護坡方案,并據(jù)此分析了岸坡內(nèi)土層含水變化及受降雨因素影響特性。

1 研究方法

1.1 工程背景

作為地區(qū)內(nèi)重要水利通道,潭江在江門市境內(nèi)河道全長63.7km,河面寬度最大可達(dá)900m,集水面積超過909.5km2,涉及區(qū)域內(nèi)司前、大澤、會城等鄉(xiāng)鎮(zhèn),承擔(dān)著各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)灌溉、蓄水調(diào)度及通航等水利功能。潭江全河段內(nèi)包括有多座節(jié)制水閘、供水樞紐及電排站等水工設(shè)施,水閘設(shè)計最大控流量為125m3/s,電排站設(shè)計排澇流量最大為35.8m3/s,均位于潭江中下游區(qū)域,有效保障下游河段防洪堤防安全穩(wěn)定性,監(jiān)測表明2020年臺風(fēng)天氣中堤防最大滲透坡降未超過0.25。受歷年臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害影響,潭江開平段局部堤防出現(xiàn)不穩(wěn)定運營,特別是在潭江開平段樁號4+500～8+350,河道水流流速最大可達(dá)2.3m/s,全河道斷面平均流速為1.4m/s,兩側(cè)堤防出現(xiàn)坡降滑移、局部出現(xiàn)坡面硬化混凝土沖刷脫落等現(xiàn)象;另一方面,由于開平市區(qū)潭江部分區(qū)段正進行河道清淤,對兩側(cè)堤防進行拓寬開挖,進一步加劇了堤防迎水側(cè)不安全性,特別是堤防岸坡出現(xiàn)顯著的滑移,岸坡坡底面防滲層受水侵蝕嚴(yán)重。為此,工程管理部門考慮對開平潭江河段進行生態(tài)治理,重點圍繞堤防岸坡護坡設(shè)計,據(jù)調(diào)研,治理河段全長為6.5km,其中包括清淤段3.5km,需重新進行護坡設(shè)計區(qū)段長度超過3km。

從潭江開平段堤防調(diào)研得知,其設(shè)計為50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),堤頂配置有生態(tài)景觀帶,圖1為其典型堤防岸坡設(shè)計,坡面與坡頂處構(gòu)建起完善的植物生態(tài)體系,對河段內(nèi)水生態(tài)環(huán)境治理有所幫助。但目前存在的問題主要包括兩側(cè)岸坡受清淤開挖,導(dǎo)致坡內(nèi)土體應(yīng)力穩(wěn)定性出現(xiàn)失衡,另一個則是岸坡坡面部分硬化層受水侵蝕、沖刷影響,無法有效形成硬化層與生態(tài)植被層的有機協(xié)調(diào)。因而,對開平段堤防進行岸坡整治很有必要,特別是岸坡部分土體為吸水性較大的粉質(zhì)壤土,在含水量較高時易出現(xiàn)較大沉降變形,對岸坡的運營帶來較大挑戰(zhàn)。為此,開平段堤防管理部門考慮以清淤段5+650～5+800區(qū)段內(nèi)典型岸坡為分析對象(圖1),從生態(tài)植被護坡層的恢復(fù)設(shè)計入手,探討其對岸坡穩(wěn)定性的加持作用。

圖1 5+650～5+800區(qū)段岸坡立面

1.2 研究過程

為探討潭江開平段生態(tài)護坡重設(shè)后岸坡穩(wěn)定性,本文設(shè)計有四種不同生態(tài)護坡形式,且為研究含水工況下岸坡穩(wěn)定性,設(shè)定有降雨強度與降雨時長兩個因素。以5+650～5+700區(qū)段岸坡為研究對象,分別設(shè)定生態(tài)護坡植被為金銀花、四季青,硬化層均采用同一防滲混凝土石籠網(wǎng)格,圖2為其中兩種典型植被。

(a)金銀花

(b)四季青圖2 典型植被

為研究岸坡土體含水狀態(tài)下穩(wěn)定性特征,設(shè)計有模擬降雨試驗,按照研究區(qū)段岸坡的坡度及土體壓實狀態(tài),設(shè)計有岸坡物理模型,且在該岸坡內(nèi)布置有多個含水特征監(jiān)測傳感器,如圖3所示。該模型按照相似比尺1/10,設(shè)計坡體軸長為5m,坡頂軸長為2.5m,坡高為2.5m,土層以實際工程岸坡土體堆筑,土體滲透系數(shù)為7.2×10-4cm/s,按照分層壓實度對照原則,確保岸坡工程與模型夯實狀態(tài)一致。按照均勻布置、點面結(jié)合的原則,設(shè)置三個監(jiān)測斷面,斷面間距為1m,所在位置如圖3中標(biāo)注;岸坡每個斷面所在位置布設(shè)傳感器8個,故岸坡內(nèi)傳感器總數(shù)為24個,達(dá)到對整個岸坡模型的上、中、下及橫向?qū)吶S度監(jiān)控。

圖3 模型試驗監(jiān)測斷面設(shè)計示意

由于需要模擬降雨條件,采用便攜式人工模擬降雨器進行降雨試驗。降雨條件分為降雨強度與降雨時長兩因素,前者按照堤防岸坡最大危險降雨強度150mm/h為邊界值設(shè)定,共設(shè)計降雨強度有30mm/h～150mm/h,每梯次30mm/h的五個方案,且設(shè)定有無降雨0mm/h對照方案。降雨時長按照岸坡失穩(wěn)極限值要求[12],設(shè)定降雨時長分別為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h?；诮涤陾l件影響,開展對岸坡模型土體含水特征及岸坡穩(wěn)定性分析。

2 不同護坡形式下岸坡土體含水特征

2.1 降雨強度影響

根據(jù)24個傳感器所在各斷面監(jiān)測,獲得了坡體軸長各斷面土體的最大含水量變化特征,如圖4所示。從圖中土體體積含水率變化特征可知,有降雨條件下含水量變化特征呈一致性,而無降雨下含水量在坡體各斷面上呈遞增變化。以金銀花生態(tài)護坡設(shè)計為例,降雨0mm/h下坡體下部斷面4m、中部2.5m處含水量較之上部斷面0.5m處分別增長了137.7%、59.2%,坡體全軸面上含水量在各斷面間平均增幅為12.3%,表明無降雨條件下岸坡內(nèi)土體含水量來源趨向于地表徑流活動。在各降雨工況下,降雨強度愈大,則岸坡土體含水量愈高,但含水量的漲幅在各降雨強度工況中為遞減變化,如降雨強度30mm/h下坡體斷面3m處含水量為9.6%,而降雨強度為90mm/h、120mm/h、150mm/h時同斷面處含水量分別增長了58.5%、85.5%、120.3%;降雨強度30mm/h岸坡斷面土體平均含水量為8.3%,而降雨強度每增長30mm/h,全斷面土體含水量平均增幅為28.5%,而在降雨強度30mm/h～90mm/h梯次內(nèi)具有平均增幅31.7%,在此之后平均漲幅為21.1%。分析認(rèn)為,降雨強度愈大,土體含水量愈高,其本質(zhì)上乃是由于降雨水分突破土體滲透層,土體吸收較多水分,進而體積含水量參數(shù)增高,但當(dāng)降雨強度愈大,土體內(nèi)部吸收的水分終究是有限的,因而愈大的降雨強度,只會更容易“突破”土層滲透,但對其含水量的促進作用卻是有限的[13]。

(a)金銀花生態(tài)護坡

(b)四季青生態(tài)護坡圖4 降雨強度影響下岸坡土層含水量特征

從各降雨工況中含水量變化可知,其呈“穩(wěn)定-遞增-穩(wěn)定”三階段變化,其中穩(wěn)定階段位于上部斷面中,而遞增-穩(wěn)定階段為中、下部斷面,表明降雨工況下岸坡土體含水量的變化乃是從上部逐步延伸至下部,且以下部土層中徑流量更活躍。特別地,當(dāng)降雨強度愈大,則上部斷面穩(wěn)定持續(xù)階段更短,如金銀花護坡設(shè)計中,在降雨強度30mm/h下穩(wěn)定段持續(xù)斷面為0～1.5m,而在降雨強度90mm/h、120mm/h下穩(wěn)定段持續(xù)斷面分別為0～1m、0～0.5m。由此可知,降雨強度會影響岸坡上部斷面土層含水量特征,特別是降雨強度愈大,更容易導(dǎo)致上部斷面的含水量出現(xiàn)遞增狀態(tài),并趨向于下部土層含水量。

對比兩種護坡形式的土體含水量變化特征可知(見圖4),相同降雨強度下坡內(nèi)土體含水量變化特征為一致,僅有量值上差異,以四季青生態(tài)護坡設(shè)計下含水量更低,如在降雨強度90mm/h下,兩者含水量差幅分布為38.7%～44.7%。另一方面,在坡內(nèi)上、中及下部土層中,土體含水量差幅弱于金銀花護坡體,如在含水量的“遞增-穩(wěn)定”段,降雨強度120mm/h下,含水量變幅為13.3%,而金銀花護坡設(shè)計下含水量變幅可達(dá)22.5%。由此可知,四季青護坡設(shè)計下,對土層防滲體系加固效應(yīng)更為顯著,且對坡內(nèi)各部位土層的防護具有一致性。

2.2 降雨時長影響

降雨時長乃是影響岸坡土體含水量的重要因素,圖5為各降雨時長岸坡土體含水量變化特征。從圖中可知,兩種護坡設(shè)計方案中,土層含水量變化特征與圖4呈一致性,但降雨時長對土層含水量影響具有特殊性。當(dāng)降雨時長愈長,則土層含水量愈高,同時促進效果愈為顯著,在金銀花護坡設(shè)計方案中,降雨時長0.5h下全土層內(nèi)平均含水量為11.3%,而降雨時長每增大0.5h,其岸坡土層內(nèi)含水量平均可增長36.8%,特別是在降雨時長2h后,其平均增幅可達(dá)36.8%。相比之下,四季青護坡設(shè)計形式抗?jié)B效果顯著,在各降雨時長中土層含水量變幅具有一致性,如在降雨時長每增大0.5h下,其土層含水量僅有23.2%增幅。另一方面,降雨時長對金銀花護坡設(shè)計形式下土層含水量“遞增-溫度”段無顯著影響,而四季青可顯著縮短此兩階段變化[14],在降雨時長1.5h工況下,金銀花護坡方案下的土層含水量“遞增-穩(wěn)定”段為斷面1m～5m,而四季青護坡方案下為2m～5m,顯著減少了岸坡內(nèi)土層含水量的不穩(wěn)定段。

(b)四季青生態(tài)護坡圖5 降雨時長影響下岸坡土層含水量特征

3 不同護坡形式下岸坡穩(wěn)定性

本文采用Midas GTS仿真平臺建立岸坡典型模型,如圖6所示,該模型為金銀花護坡設(shè)計,二維尺寸參照模型設(shè)計,相關(guān)土層滲透系數(shù)與抗剪等物理參數(shù)按照土工實測取值,護坡厚度為0.85m。研究工況按照降雨強度、降雨時長劃分,模擬其各方案中土層節(jié)點滲流量變化,并采用強度折減法計算獲得岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)。

圖6 岸坡計算模型

根據(jù)對降雨因素影響下岸坡安全系數(shù)計算,獲得各工況下岸坡安全系數(shù)變化特征,如圖7所示。從圖中安全系數(shù)變化可知,岸坡安全系數(shù)與降雨時長為負(fù)相關(guān)變化,降雨時長愈長,則安全系數(shù)愈低,在金銀花護坡設(shè)計方案中,降雨強度30mm/h下安全系數(shù)隨降雨時長梯次0.5h變化而平均降幅9.1%,而在四季青護坡方案中,該強度方案下安全系數(shù)的平均降幅4.8%,即四季青護坡設(shè)計方案下岸坡抗滑移、抗傾覆效果高于金銀花護坡設(shè)計。從降雨時長影響特征來看,兩種生態(tài)護坡方案均具有遞增特性,即愈長的降雨時長,對岸坡安全系數(shù)削弱效果愈大[15-16],在降雨時長1h后安全系數(shù)降幅趨增。降雨強度與岸坡安全系數(shù)亦為負(fù)相關(guān)變化,同降雨時長2h下,金銀花護坡設(shè)計方案中降雨強度為30mm/h下岸坡安全系數(shù)為3.04,而降雨強度每梯次增長60mm/h后,其安全系數(shù)平均減小28.7%;當(dāng)護坡方案為四季青時,其安全系數(shù)隨之平均減少16.7%。同樣的對比在其他降雨強度方案中亦是如此,均以四季青方案下降雨強度影響效應(yīng)較弱。綜上分析可知,四季青生態(tài)護坡設(shè)計對岸坡受降雨因素影響敏感更弱。

(a)金銀花生態(tài)護坡

(b)四季青生態(tài)護坡圖7 降雨因素影響下岸坡安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文主要獲得以下三點結(jié)論:

(1)降雨工況下土層含水量變化特征呈一致性,為“穩(wěn)定-遞增-穩(wěn)定”三階段變化,降雨強度愈大,則岸坡土體含水量愈高,但增幅遞減。四季青生態(tài)護坡設(shè)計下含水量最低,含水量變幅小于金銀花護坡。

(2)降雨時長愈長,則土層含水量愈高,金銀花、四季青護坡設(shè)計方案中,降雨時長每增大0.5h,土層含水量分別有36.8%、23.2%的增幅。四季青護坡方案中含水量變幅斷面較小。

(3)岸坡安全系數(shù)與降雨時長、降雨強度均為負(fù)相關(guān)變化,金銀花、四季青護坡設(shè)計方案中,降雨強度30mm/h下,降雨時長梯次0.5h變化,安全系數(shù)平均降幅分別為9.1%、4.8%。四季青護坡方案中安全系數(shù)受降雨強度影響效應(yīng)弱于金銀花護坡方案。