丁光華

(江西省水泰工程檢測(cè)有限公司,南昌 330038)

0 引 言

水庫土石壩是水資源利用和防洪抗旱的重要工程,其安全穩(wěn)定性關(guān)系到水庫周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。土石壩在長(zhǎng)期的使用過程中,會(huì)受到多種因素的影響,其中包括自然因素和人為因素[1]。降雨條件是土石壩受到自然因素影響的重要因素之一。當(dāng)發(fā)生降雨時(shí),土石壩表層的水分會(huì)滲透到土石壩內(nèi)部,導(dǎo)致土石壩內(nèi)部的滲流狀態(tài)發(fā)生變化,可能會(huì)引起壩體破壞或滑坡等嚴(yán)重后果[2-3]。植被護(hù)坡不僅能夠增加土石壩的抗沖刷能力和抗滑性能,還能夠起到防止壩體滲漏的作用。因此,對(duì)于水庫土石壩植被護(hù)坡的滲流狀態(tài)進(jìn)行研究,有助于深入了解土石壩內(nèi)部的滲流狀態(tài),為植被護(hù)坡的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某水庫總庫容1.85×108m3,控制流域面積903km2,是一座以防洪為主,兼顧灌溉、發(fā)電、供水、旅游等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫。水庫由大壩、溢洪道、泄洪洞、灌溉發(fā)電洞、副壩、水電站等組成。大壩為黏土心墻土石壩,最大壩高77m,壩頂寬8m,長(zhǎng)258m。水庫始建于1959年,1975年基本建成,于2007年11月至2011年6月進(jìn)行了加固處理,增設(shè)了監(jiān)控自動(dòng)化及安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。

2 材料與方法

2.1 人工降雨模擬器

人工降雨模擬器是一種常用于模擬降雨條件的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,它能夠通過噴水或噴嘴等方式將水分均勻噴灑在試驗(yàn)區(qū)域上,模擬出不同強(qiáng)度和頻率的降雨條件。在水利、環(huán)境、土木工程等領(lǐng)域的試驗(yàn)中,人工降雨模擬器被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕、坡面穩(wěn)定性、河流水文學(xué)、降雨徑流等研究中。本次試驗(yàn)中的人工降雨模擬器由噴嘴、泵、水箱、控制系統(tǒng)等部分組成。在試驗(yàn)過程中,通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模擬器的噴灑水量、噴灑時(shí)間、噴灑方式等參數(shù),模擬出不同條件下的降雨情況。模擬器的噴嘴數(shù)量和布置方式可以根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的均勻噴灑效果。

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,人工降雨模擬器需要進(jìn)行精細(xì)的校準(zhǔn)和測(cè)試。需要對(duì)噴嘴的流量進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整,以確保噴灑量的精度和一致性。同時(shí),還需對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的坡度、土壤類型等因素進(jìn)行考慮,試驗(yàn)中降雨模擬器的具體參數(shù)見表1。

表1 降雨模擬器參數(shù)

2.2 土壤水分傳感器

土壤水分傳感器是一種用于測(cè)量土壤中水分含量的傳感器,它能夠通過檢測(cè)土壤中的電容、電阻或電導(dǎo)率等參數(shù),反映土壤中水分含量的變化。土壤水分傳感器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、水利、土木工程等領(lǐng)域,是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉和水資源管理的重要工具之一。土壤水分傳感器的工作原理主要基于土壤和水之間的物理性質(zhì),即土壤中含有的水分會(huì)影響土壤的電容、電阻或電導(dǎo)率等參數(shù)。傳感器的探頭被埋入土壤中,當(dāng)土壤中的水分含量發(fā)生變化時(shí),傳感器會(huì)感知到這種變化,并通過輸出電信號(hào)來反映土壤水分含量的變化情況。本次試驗(yàn)采用的傳感器參數(shù)見表2。

2.3 護(hù)坡類型

本次試驗(yàn)中,設(shè)置裸土邊坡、四季青、金銀花3種護(hù)坡類型進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)。四季青植被在邊坡中具有重要的生態(tài)保護(hù)和地質(zhì)穩(wěn)定作用。它可以有效減緩雨水流速和沖刷作用,防止土壤侵蝕和坡面塌方。同時(shí),四季青植被的根系可以增強(qiáng)土壤的抗剪強(qiáng)度和黏聚力,提高坡面的穩(wěn)定性。此外,四季青植被還可以吸收大氣中的CO2,凈化空氣,改善生態(tài)環(huán)境。因此,在邊坡生態(tài)修復(fù)和防護(hù)工程中,四季青植被被廣泛應(yīng)用。

金銀花植被在邊坡中有著重要的生態(tài)保護(hù)和環(huán)境改善作用,可有效防止坡面被陽光直接照射,減少坡面水分的蒸發(fā)和土壤的流失。金銀花植被的根系可以增強(qiáng)土壤的穩(wěn)定性和黏聚力,防止土壤侵蝕和坡面塌方。此外,金銀花植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)吸收大量CO2,凈化空氣,改善空氣質(zhì)量。同時(shí),金銀花植被還具有很好的觀賞價(jià)值和藥用價(jià)值。因此,在邊坡生態(tài)修復(fù)和防護(hù)工程中,金銀花植被被廣泛應(yīng)用。

2.4 邊坡土壤體積含水率觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次試驗(yàn)中,通過觀測(cè)不同邊坡不同位置的土壤體積含水率,探究邊坡滲流狀態(tài)。邊坡水分傳感器的放置需要考慮邊坡的坡度、土層性質(zhì)以及周圍環(huán)境等因素,試驗(yàn)中,將邊坡分為1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)區(qū)域,將傳感器放置在邊坡的上部、中部和下部,了解邊坡的水分情況。傳感器放置在土層的根部深度,監(jiān)測(cè)土壤中植物根系所吸收的水分,試驗(yàn)中每個(gè)觀測(cè)截面的觀測(cè)點(diǎn)埋深設(shè)置為15和35cm。在放置傳感器時(shí),注意避免設(shè)置在可能受到水流沖刷的區(qū)域或土石流等自然災(zāi)害的影響下,確保傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。傳感器具體布置見圖1,其中1-1表示1號(hào)區(qū)域的第1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

圖1 傳感器布置圖

3 結(jié)果與分析

3.1 不同埋深處土壤體積含水率變化

1)圖2為不同邊坡15cm下土壤體積含水率與時(shí)間的關(guān)系。由圖2(a)可知,素土邊坡各觀測(cè)點(diǎn)的土壤體積含水率隨時(shí)間的增長(zhǎng)變化相同,當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到10min后,土壤體積含水率出現(xiàn)緩慢上升然后趨于平緩的情況,整體上土壤體積含水率變化不大。由圖2(b)可以看出,隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng),四季青護(hù)坡不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤含水率變化較大,與素土邊坡相似,降雨時(shí)間在8～15min左右土壤體積含水率先增大然后趨于平穩(wěn)。與素土邊坡相比,四季青護(hù)坡的土壤體積含水率較大,受降雨時(shí)間的影響其變化較大。由圖2(c)可以看出,金銀花護(hù)坡的土壤體積含水率受降雨時(shí)間的影響較大,當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)20～30min后,土壤體積含水率增大,然后趨于穩(wěn)定。與四季青護(hù)坡不同,金銀花護(hù)坡的土壤體積含水率出現(xiàn)增大的現(xiàn)象要遠(yuǎn)落后于四季青,并且體積含水率略小。

圖2 90mm/h雨強(qiáng)下不同護(hù)坡15cm埋深處含水率變化曲線

3種邊坡的體積含水率關(guān)系為:四季青護(hù)坡>金銀花護(hù)坡>素土邊坡,這可能是由于3種不同類型的邊坡所采用的植被護(hù)坡系統(tǒng)的差異所導(dǎo)致的。首先,四季青護(hù)坡和金銀花護(hù)坡的植被護(hù)坡系統(tǒng)可能比素土邊坡的植被護(hù)坡系統(tǒng)更加密集和茂盛。由于植被的覆蓋,四季青護(hù)坡和金銀花護(hù)坡的土壤表面受到保護(hù),能夠更有效地防止水分的蒸發(fā)和流失,因此這兩種護(hù)坡系統(tǒng)的土壤體積含水率可能更高。四季青護(hù)坡和金銀花護(hù)坡的植被護(hù)坡系統(tǒng)可能擁有更好的水分保持和排水能力,這些植被能夠吸收和存儲(chǔ)水分,并在土壤中形成更多的微孔和通道,從而使土壤更容易透水,同時(shí)也更能保持土壤的水分。這可能導(dǎo)致四季青護(hù)坡和金銀花護(hù)坡的土壤體積含水率更高,而且在持續(xù)的降雨條件下,水分的保持能力可能會(huì)更加顯著。綜上所述,四季青護(hù)坡和金銀花護(hù)坡的植被護(hù)坡系統(tǒng)可能比素土邊坡的植被護(hù)坡系統(tǒng)更加適應(yīng)降雨條件下的土壤保水和排水需求,兩種護(hù)坡系統(tǒng)的土壤體積含水率可能更高。

2)圖3為不同邊坡35cm下土壤體積含水率與時(shí)間的關(guān)系。由圖3(a)可知,不同觀測(cè)點(diǎn)的土壤體積含水率隨降雨時(shí)間的增長(zhǎng)基本上不會(huì)發(fā)生變化,這與圖2的觀測(cè)結(jié)果相似。由圖3(b)可知,四季青護(hù)坡的土壤體積含水率在8～10min左右增長(zhǎng),與20cm處相比,35cm處的土壤初始體積含水量較大。與20cm處的變化相同,四季青與金銀花護(hù)坡的體積含水率變化要晚于素土邊坡,植物護(hù)坡和素土邊坡在土壤含水率的變化速率上有所不同,植物護(hù)坡的土壤體積含水率變化要慢于素土邊坡。這是因?yàn)橹参锔祵?duì)土壤的水分有很強(qiáng)的吸收能力,能夠吸收并保存土壤中的水分,減緩?fù)寥浪值牧魇?。同時(shí),植物根系還能夠增加土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,從而使土壤更加緊密和穩(wěn)定,減少水分的滲漏。相比之下,素土邊坡沒有植物的保護(hù)和干擾,土壤中的水分更容易被風(fēng)化和流失;土壤的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性也較弱,容易被水侵蝕和侵蝕。因此,土壤體積含水率的變化速率會(huì)比植物護(hù)坡更快。植物根系對(duì)土壤水分的吸收和保存以及對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的增強(qiáng)能力,使植物護(hù)坡的土壤體積含水率變化速率要慢于素土邊坡。

圖3 90mm/h雨強(qiáng)下不同護(hù)坡35cm埋深處體積含水率變化

3.2 素土邊坡與植被護(hù)坡安全系數(shù)比較

本文應(yīng)用強(qiáng)度折減法[4],分析不同工況下3種邊坡的安全系數(shù)和安全系數(shù)增幅數(shù)據(jù),結(jié)果見表3。在無降雨情況下,3種邊坡的安全系數(shù)分別為1.94、2.10和2.18,顯示出四季青植被護(hù)坡和金銀花植被護(hù)坡具有更好的穩(wěn)定性。當(dāng)降雨12h后,3種邊坡的安全系數(shù)均有所下降。但與素土邊坡相比,四季青植被護(hù)坡和金銀花植被護(hù)坡的安全系數(shù)減幅更小,分別為15.62%和8.66%,而素土邊坡的安全系數(shù)減幅高達(dá)29.38%,表明邊坡植被覆蓋可有效減緩降雨對(duì)穩(wěn)定性的影響。此外,四季青植被護(hù)坡和金銀花植被護(hù)坡的安全系數(shù)增幅分別為8.18%和11.88%,表明邊坡植被覆蓋可顯著提高其穩(wěn)定性,提高其安全系數(shù)。綜上所述,植被覆蓋是提高邊坡穩(wěn)定性和安全系數(shù)的重要因素。

表3 不同工況邊坡的安全系數(shù)大小

4 結(jié) 論

1)水庫土石壩植被護(hù)坡中,不同植被護(hù)坡條件下,土壤體積含水率存在顯著差異。四季青護(hù)坡的土壤體積含水率最高,金銀花護(hù)坡次之,素土邊坡最低。因此,在水庫土石壩植被護(hù)坡的設(shè)計(jì)和維護(hù)中,應(yīng)考慮不同植被類型對(duì)滲流狀態(tài)的影響,選取合適的植被種類和密度,以達(dá)到最佳的防洪和穩(wěn)定效果。

2)植被覆蓋是提高邊坡穩(wěn)定性和安全系數(shù)的重要因素,可有效減緩降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,提高其安全系數(shù)。相比于素土邊坡,四季青植被邊坡和金銀花植被邊坡具有更好的穩(wěn)定性,其安全系數(shù)減幅更小,安全系數(shù)增幅更大。在水庫土石壩護(hù)坡的設(shè)計(jì)和維護(hù)中,建議考慮植被的作用,提高護(hù)坡防洪能力。