張 杰

(江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引言

生態(tài)護坡是目前渠坡、邊坡等工程中常見的解決方法[1-2]，如何保證生態(tài)護坡設計能夠匹配坡體工程，對推動滑坡面治理的更高水平發(fā)展具有重要意義。楊尚青等[3]、方文等[4-5]為研究生態(tài)護坡設計，從生態(tài)植被類型、生態(tài)植被特征等因素入手，評價了邊坡穩(wěn)定性與生態(tài)植被關系，有助于優(yōu)化護坡設計、生態(tài)植被選型等。邵偉華[6]、王涵等[7]為研究生態(tài)護坡的內在機理，探討了根系土的組成、根系植被以及土體自身因素影響，通過離散元或室內試驗等方法，分析了根系復合土體的應力、應變特征，豐富了生態(tài)改良復合土體的力學研究成果。不僅如此，根系植被與土體的良好契合，更需要反映在坡體工程中，蔣希雁等[8]、李潤發(fā)[9]利用仿真計算的方法，設計根系植被的最優(yōu)參數(shù)以及土體的最佳狀態(tài)，探討生態(tài)護坡下土層含水率、安全系數(shù)等演化過程，對生態(tài)護坡工程實際設計更具有參考價值。本文為研究鶴山高標準農田渠坡表層生態(tài)護坡設計下根系復合土的力學狀態(tài)以及護坡效果，分析了植被體生長特征與根系土力學關系，對優(yōu)化護坡方案更有意義。

1 研究概況

1.1 工程介紹

連云港贛榆區(qū)水資源豐，目前在營輸水干渠全長為165km，分布有15余座節(jié)制閘設施，最大渠首流量為6.6m3/s，每年經干、支渠輸水超過3500萬m3，大部分渠道都面臨高負荷運營，特別是2021、2022年夏季臺風汛期出現(xiàn)渠道回灌等現(xiàn)象，更加大了轄區(qū)內其他干、支渠輸水壓力。根據(jù)農業(yè)水利部門規(guī)劃，對轄區(qū)內農田開展整治工作，包括灌區(qū)節(jié)制閘、輸水干、支渠以及部分暗渠管道等，均進行高標準治理或擴建，提升轄區(qū)內水資源利用效率。圖1為贛榆區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)農田灌渠標準整治設計斷面，計劃擴建后渠底寬度為2m，深度為3.3m，以厚40cm砂礫石墊層為防滲層，同時采用C20混凝土墊層為防蝕層，水深控制在1.2～1.6m，渠兩側坡度為1/1.75，渠頂鋪設厚30cm的砂礫石墊層與厚8cm的混凝土硬化層，在兩側渠坡層由植物護坡層與混凝土硬化層網(wǎng)格化組成，降低兩側渠坡水土流失率。但不可忽視，輸水渠道兩側渠坡面的護坡設計關乎水土保持、渠坡穩(wěn)定等問題，故考慮采用渠坡表層與深層組合式生態(tài)護坡設計。為此，農業(yè)水利部門在前期渠面、襯砌結構運營可靠性的前提下，對渠坡土層以及穩(wěn)定性開展基礎試驗研究。

圖1 雙合鎮(zhèn)高標準農田灌渠斷面

1.2 試驗方法

為獲得渠坡土體穩(wěn)定性，計劃從表層生態(tài)改性入手，針對根系復合土體開展力學試驗，并基于此分析渠坡運營可靠性。圖2為復合土體力學試驗裝置，全設備包括有中控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置以及試驗加載裝置三部分，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制程序均在試驗中控系統(tǒng)中接入，可在試驗中實時處理數(shù)據(jù)與控制實驗進程。

圖2 土體力學試驗裝置

根據(jù)農田灌渠現(xiàn)狀，渠坡土層主要以砂質黏土為主，平均厚度為3.6m，采用香根草為護坡生態(tài)根系植物，該類型植物如圖3(a)所示，該類型根系植物在固土保水以及土體凈化領域已較為成熟應用，根系發(fā)育較強，可穿透薄弱巖土體，使之軟弱土體連成整體，黏附力較強。根據(jù)植物生長觀測，其根系1、2a的長度分別可達2、3m，且根系簇生物最大抗拉強度可達80MPa，可彌補軟弱土體不利的抗拉能力。從渠坡現(xiàn)場取回工程土樣后，按照對比試驗要求，兩側渠坡面分別栽種不同根系直徑、生長期不同的香根草，相鄰香根草間距控制在0.3m，從2020年4月1日開始第一批栽種，每次栽種數(shù)量控制在6～8株，每隔一個月進行一次栽種，直至2020年10月1日止，共進行了1～6個月不同的生長期栽種。同理，在另一側渠坡面分別栽種有其他根徑的香根草，栽種過程與前者一致，試驗坡面分布香根草根徑為0.2～2.2mm[9]。為確保香根草的生長以及根系土的融合，在11月1日進行了試驗取樣，所有根徑、生長期不同的根系土均取樣超過5個，取樣深度超過80cm，樣品直徑、高度分別為38、76mm，如圖3(b)所示。

圖3 根系復合土體試樣

根據(jù)6+235處渠坡取樣，獲得了不同生長期、不同根系直徑的根系復合土，其承載力學勢必有所差異，同時也會改變渠坡運營穩(wěn)定性，故采用試驗對比方法進行分組試驗。根據(jù)香根草生長期，共有1～6個月的根系土，同時根系直徑劃分成0.2、0.6、1、1.4、1.8、2.2mm，試驗中另設置有渠坡原狀黏土對照組。試驗圍壓設定為40、200、360kPa，各組試驗參數(shù)見表1。基于渠坡表層根系植物生長期特征，對護坡根系復合土力學特性開展試驗對比分析。

表1 試驗參數(shù)表

2 邊坡表層植物生長特征下根系土力學特性

2.1 植物生長期特征

基于不同生長期香根草生態(tài)護坡，獲得了植物生長期對根系復合土試樣應力應變影響，如圖4所示。

圖4 植物生長期與根系土試樣應力應變特征關系

依據(jù)圖4可看出，在不同生長期下，根系土試樣應力應變曲線發(fā)展趨勢有所差異，以圍壓40kPa為例，生長期4～6個月，根系土試樣峰值應力后均具有應力下降現(xiàn)象，而在生長期1～3個月，根系土試樣不出現(xiàn)顯著峰值應力后，在應變5.2%后出現(xiàn)了維持較長的塑性應變段，應變硬化特征顯著。同樣，在圍壓360kPa亦是如此，生長期4～6個月，峰值應力后均出現(xiàn)了一定應力降幅，分布為29.4%～34.5%，而在生長期1～3個月的3個試樣中，峰值應力后以應變硬化為主導，甚至超過LVDT位移傳感器量程。由此可知，植物生長期會影響根系土應變破壞特征，會改變試樣彈、塑性應變在變形破壞中占比，這也是根系復合土與一般土體的顯著差異[10-11]。

相比之下，隨植物生長期增大，根系土試樣應力水平提高，圖4(a)中原狀黏土試樣峰值應力為225.8kPa，而生長期1～6個月的6個試樣峰值應力均高于前者，漲幅分布為0.6～3.82倍。圍壓40kPa下，當植物生長期每遞增1個月，則根系土試樣峰值應力平均提高了145.5kPa，增幅為25.4%；與之同時，在各試樣中峰值應力漲幅有所差異，植物生長期從1個月增長至4個月，其峰值應力提高了499.2kPa，增幅為138.2%，平均增幅為34%，而生長期從4個月增長至6個月，峰值應力的增幅依次為15%、9.5%，平均增幅較之前一生長期階段有所減小。當圍壓提高至360kPa，根系土峰值應力受生長期影響效應仍保持一致，生長期1～6個月平均增幅為21.8%，且漲幅集中于生長期1～4個月，峰值應力提高了470kPa，而在生長期4～6個月，峰值應力分別為903.6、1034.2、1143kPa，平均增幅僅為9.7%。綜合分析可知，植物生長期對根系土應力影響作用具有“飽和期”，控制表層植物生長期在飽和期以內更為合理。

2.2 植物根徑特征

植物根徑特征同樣是根系土重要生長參數(shù)，圖5為不同根徑下的根系土試樣應力應變特征。

圖5 植物根徑與根系土試樣應力應變特征關系

從圖5可知，圍壓是40或是200kPa，均不會影響試樣應力應變趨勢特征，在圍壓40kPa下，根徑0.2～2.2mm 6個試樣均以應變軟化為破壞特征，峰值應力后均有應力降幅，分布為31.5%～39.3%，而圍壓200kPa下各試樣在應變5.3%后進入應變塑性段，應變硬化在該圍壓下為主導。分析可知，根徑特征不會改變同一圍壓下根系土應力應變曲線態(tài)勢，對試樣應變破壞類型影響較小。

根徑與試樣峰值應力呈正相關關系，圍壓40kPa下，根徑0.2、1mm試樣峰值應力分別為150.5、253.3kPa，隨植物根徑梯次變化，根系土峰值應力隨之增長幅度較穩(wěn)定，根徑每遞增0.4mm，則峰值應力平均提高了86.1kPa，增幅為31%，而在根徑0.2～1mm時，峰值應力增幅依次為28.2%、31.2%。圍壓增大至200kPa后，6個試樣峰值應力較之圍壓40kPa下增大了0.83～2.54倍，隨根徑梯次0.4mm變化，其峰值應力平均提高了106kPa，增幅為14.8%，較之圍壓40kPa下，峰值應力受根徑特征影響敏感性減弱了[6，12]。分析認為，圍壓增大，峰值應力整體水平提高，同時也會削弱根徑特征對峰值應力得影響。

3 根系土邊坡穩(wěn)定性特征

為探討表層植物生長特征對渠坡穩(wěn)定性影響，利用FLAC 3D建立起6+235渠坡模型，如圖6所示。

圖6 6+235渠坡計算模型

該模型位于渠道左側，表層植物覆蓋厚度為0.8m，渠內水位設定為1.5m，外環(huán)境下設定有降雨強度120mm/h，時長為8h，土層與植物根系采用二維固體單元，采用強度折減系數(shù)方法對潛在滑移面進行仿真計算。

根據(jù)渠坡穩(wěn)定性計算，獲得了渠坡安全系數(shù)、渠坡土層含水量與植物生長期關系，如圖7所示。

圖7 渠坡安全運營仿真計算結果

由圖7可看出，渠坡安全系數(shù)隨植物生長期為遞增，隨根徑參數(shù)也是遞增，但植物生長期在1～4個月的渠坡安全系數(shù)增幅顯著高于后續(xù)5、6個月。根徑0.2mm下，植物生長期1～6個月，渠坡安全系數(shù)分布為1.2～2.4，而根徑2.2mm方案內渠坡安全系數(shù)較之前者根徑方案下提高了0.95～1.5倍，隨植物生長期梯次變化，該根徑方案下安全系數(shù)平均提高了15.5%。渠坡斷面內土層含水量受植物根莖影響較小，實質上全斷面土層含水量分布也較穩(wěn)定，1個月土層含水量分布為21%～22.3%，而4、6個月斷面土層含水量較之前者分別平均降低了25%、53.5%。綜合分析來看，渠坡斷面上土層含水量變化較小[13]，但植物生長期會改變土層含水量值，對斷面上土層含水量分布變化特征影響較弱。

4 結論

(1)在植物生長期1～3與4～6個月下根系土試樣應變破壞特征分別呈硬化、軟化特征；隨植物生長期遞增，根系土應力水平提高，但主要增幅集中于生長期1～4個月。

(2)植物根徑對試樣應變破壞特征影響較小；峰值應力隨根徑參數(shù)增幅較為穩(wěn)定均衡，圍壓40、200kPa下隨根徑0.4mm變化，峰值應力分別平均提高了31%、14.8%。

(3)植物生長期對渠坡安全系數(shù)影響呈逐漸減弱，特別是在生長期4個月后，安全系數(shù)增幅較小；渠坡全斷面土層含水量分布變化較小，植物生長期遞增，土層含水量分布趨勢保持一致，僅其含水量值呈減小態(tài)勢。