羅進(jìn)琛

(廣東大禹水利建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515000)

0 引言

引水渠是農(nóng)田水利工程建設(shè)中的重點(diǎn)項(xiàng)目，其工程質(zhì)量和耐久性對保證工程項(xiàng)目的功能和作用發(fā)揮具有重要意義。在大型農(nóng)田引水渠道建設(shè)中，邊坡侵蝕和失穩(wěn)是經(jīng)常遇到的工程問題[1]。在當(dāng)前的農(nóng)田引水渠道建設(shè)中，由于過多考慮引水、排澇等功能，往往過多采用混凝土和漿砌石等硬性水工建筑材料進(jìn)行渠坡防護(hù)。上述傳統(tǒng)性護(hù)坡結(jié)構(gòu)雖然具有自身的優(yōu)勢和價(jià)值，但是也會(huì)隨著長期的風(fēng)化和水蝕作用而遭受破壞，同時(shí)這種護(hù)坡結(jié)構(gòu)生態(tài)意義和價(jià)值不足，不利于環(huán)境保護(hù)工作的順利開展[2]。在人們環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)的時(shí)代背景下，生態(tài)護(hù)坡應(yīng)用而生。國內(nèi)外諸多水利工程實(shí)踐也證明，生態(tài)護(hù)坡可以充分發(fā)揮植物根系的固土作用，不僅可以提升渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定性，還可以利用植物達(dá)到渠道工程綠化和美化的效果[3]。除此之外，生態(tài)護(hù)坡相較于傳統(tǒng)的硬質(zhì)護(hù)坡具有顯著的工程成本優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)意義十分明顯，必將在未來的水工渠道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

粉砂質(zhì)土在我國有十分廣泛的分布，其質(zhì)地比較疏松，穩(wěn)定性差，其生態(tài)渠道邊坡穩(wěn)定性一直是學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。金銀花是一種根系發(fā)達(dá)、枝葉茂盛的小灌木，具有良好的適應(yīng)能力，在防治水土流失方面具有突出效果，同時(shí)還是一種中藥材，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[4]。此次研究選擇金銀花為固坡植物，探討其對粉砂質(zhì)引水渠道邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 工程背景

此次研究以某灌區(qū)主干渠擴(kuò)建改造工程為背景展開研究。該工程渠道底寬4m，口寬18m，渠深3.2m，平均比降1/1000。項(xiàng)目所在地為丘崗區(qū)，土質(zhì)主要為粉砂質(zhì)土。由于項(xiàng)目區(qū)屬于典型的暖溫帶季風(fēng)性氣候，因此夏季多短時(shí)強(qiáng)降雨，并對渠道邊坡造成不利影響。

1.2 模型構(gòu)建

鑒于此次研究需要探討生態(tài)護(hù)坡在長歷時(shí)條件下的穩(wěn)定性，且研究方案和影響因素較多，采用現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式均難以滿足研究需要[5]。另一方面，目前的計(jì)算機(jī)和有限元軟件發(fā)展十分迅速，可以使巖土工程研究變得簡單化。因此，研究中選擇有限元模型和強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算研究。經(jīng)過50多年的發(fā)展和完善，Geo-Studio軟件目前已經(jīng)細(xì)化為8個(gè)專業(yè)化的模塊，是一套專業(yè)性強(qiáng)且功能強(qiáng)大的巖土計(jì)算分析軟件。研究中選擇該模型中的SEEP/W模塊進(jìn)行邊坡滲流-應(yīng)力耦合計(jì)算，并利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

由于背景工程整體地質(zhì)情況基本相同，因此選擇渠道斷面的局部作為模擬計(jì)算區(qū)域，整個(gè)計(jì)算區(qū)域的長為25m，高為12m，計(jì)算中將渠道概化為二維離散型網(wǎng)絡(luò)邊坡模型，從而在保證模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的同時(shí)，有效降低模擬難度[6]。對構(gòu)建的模型利用三角形網(wǎng)格剖分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊坡等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行必要的加密處理，整個(gè)模型劃分為1824個(gè)域單元和226個(gè)邊界單元，最大單元邊長為1m，最小單元邊長為0.4m。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在滲流模型中，模型的上邊界和坡面為大氣邊界條件，在降雨條件下為降雨邊界；模型的底部概化為無流動(dòng)邊界；模型左側(cè)設(shè)置為水頭邊界條件，為初始地下水位；模型的右側(cè)為滲流邊界條件[7]。在力學(xué)模型中，渠道坡面的上邊界、坡面和渠底均為自由邊界條件，不施加任何位移約束條件；模型的左右兩側(cè)邊界設(shè)置橫向位移約束，模型的底部為固定邊界條件，施加全位移約束[8]。根據(jù)工程現(xiàn)場采樣試驗(yàn)結(jié)果，渠坡原狀粉砂質(zhì)土的楊氏模量為1.0GPa，泊松比為0.33，密度為2200kg/m3，黏聚力為15.7kPa，內(nèi)摩擦角為19.8°。降雨條件下以及生態(tài)邊坡土體的相關(guān)參數(shù)結(jié)合相關(guān)研究成果和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)以系數(shù)折減的方式確定。

1.4 計(jì)算方法

結(jié)合工程實(shí)際，引水渠的水位變化、降雨以及運(yùn)行年限是影響渠道邊坡安全穩(wěn)定性的重要因素[9]。研究中選擇水位上升速率和下降速率、運(yùn)行年限、降雨類型和雨強(qiáng)作為模擬研究的變量，對不同類型邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，以便對生態(tài)邊坡的工程意義和價(jià)值進(jìn)行判斷。

在邊坡失穩(wěn)破壞判斷方面，此次研究主要采用如下三個(gè)準(zhǔn)則：一是計(jì)算結(jié)果不收斂，鑒于此時(shí)無法確定對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，因此將上一個(gè)折減系數(shù)作為邊坡的極限平衡狀態(tài)；二是渠道邊坡形成貫通坡腳到坡頂?shù)乃苄詤^(qū)，則貫通前的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)；三是發(fā)生位移突變，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 水位變化

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，設(shè)置0.2、0.4、0.6m/d等3種不同的渠道水位變化速率，對水位上升和下降2種不同情況下無植被邊坡和生態(tài)邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。其中，水位上升工況下邊坡安全系數(shù)的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同水位上升速率下邊坡安全系數(shù)變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可知，在水位上升情況下，無植被邊坡和生態(tài)邊坡的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果十分接近，說明邊坡類型對水位上升情況下渠道邊坡的安全穩(wěn)定性的影響不大。另一方面，隨著引水渠水位的上升，渠道邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出先小幅下降后迅速增加的變化過程，原因是隨著水位上升，淹沒區(qū)土體逐漸由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和狀態(tài)，因此抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)致安全系數(shù)下降。隨著水位的逐步上升，渠道水體產(chǎn)生的水壓力逐漸增大而有效抑制了坡體下滑，邊坡的穩(wěn)定性迅速增加。從不同水位上升速率的計(jì)算結(jié)果對比來看，水位上升速率越大，邊坡安全系數(shù)的增長速率越大，達(dá)到運(yùn)行水位后的安全系數(shù)也越大。建議在水位上升過程中應(yīng)該采取措施加快水位上升速率，以提升渠道邊坡的安全穩(wěn)定性。

水位上升工況下邊坡安全系數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同水位下降速率下邊坡安全系數(shù)變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可知，在水位上升情況下，無植被邊坡和生態(tài)邊坡的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果十分接近，說明邊坡類型對水位下降情況下渠道邊坡的安全穩(wěn)定性的影響不大。另一方面，隨著引水渠水位的下降，渠道邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出先迅速下降后小幅上升的變化過程。究其原因，在水位下降的情況下，露出淹沒區(qū)的土體逐漸轉(zhuǎn)化為不飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度提高。在水位下降的初期，由于外水壓力迅速減小導(dǎo)致安全系數(shù)迅速減小，在水位下降到一定程度后，土體抗剪強(qiáng)度強(qiáng)加的作用逐步顯現(xiàn)出來，安全系數(shù)逐漸穩(wěn)定并小幅上升。

從計(jì)算結(jié)果中提取出水位上升和下降兩種情況下邊坡安全系數(shù)的最小值，結(jié)果見表1。

表1 水位變化情況下邊坡安全系數(shù)最小值

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在其他條件相同的情況下，生態(tài)邊坡的安全系數(shù)最小值略高于無植被邊坡。原因是金銀花根系雖然比較發(fā)達(dá)，大多分布于邊坡表層1m的范圍內(nèi)，無法深入邊皮的深部滑移面，雖然可以有效維持邊坡淺層的穩(wěn)定性，但是難以大幅提升邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.2 降雨情況

根據(jù)相關(guān)研究成果，灌草類植被的降雨截留率一般在15%～30%之間，研究中區(qū)其均值22%，并以此為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合渠道邊坡的坡度，即可折算獲取不同邊坡位置的降雨強(qiáng)度值。針對不同雨型的影響，研究中選擇前鋒型、中峰型、后縫型和平均型等4中常見的雨型，降雨時(shí)長設(shè)定為3d，降雨強(qiáng)度為50mm/d。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制不同降雨雨型條件下邊坡安全系數(shù)變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同降雨雨型下邊坡安全系數(shù)變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同降雨雨型下邊坡的安全系數(shù)變化曲線均為倒三角形特征，且降雨強(qiáng)度最大時(shí)段內(nèi)的安全系數(shù)降幅也最大。從不同邊坡類型的計(jì)算結(jié)果來看，在不同雨型下的安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致，后峰型雨型的邊坡安全系數(shù)最小值最小，其次是平均型和中峰型，前鋒型的邊坡安全系數(shù)最小值最大。在相同雨型的條件下，生態(tài)邊坡的安全系數(shù)值顯著偏大，說明生態(tài)邊坡對提高降雨條件下邊坡安全系數(shù)具有重要作用。原因是生態(tài)邊坡可以截留相當(dāng)部分降雨，同時(shí)植物根系也可以減少雨水沖刷作用的影響，提高邊坡的安全穩(wěn)定性。

為了研究降雨強(qiáng)度的影響，設(shè)置20、50、100、200mm/d等4種不同的降雨強(qiáng)度，對平均雨型下的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。鑒于安全系數(shù)變化規(guī)律與上文類似，這里僅從計(jì)算結(jié)果中提取邊坡的安全系數(shù)最小值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 水位變化情況下邊坡安全系數(shù)最小值

從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著雨強(qiáng)的增大，邊坡安全系數(shù)的最小值呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，同時(shí)生態(tài)邊坡的安全系數(shù)顯著大于無植被邊坡。具體來看，在20、50、100、200mm/d等4種不同的雨強(qiáng)條件下，生態(tài)邊坡的安全系數(shù)與無植被邊坡相比分別提升了0.24%、0.36%、17.62^%和41.64%。由此可見，生態(tài)邊坡對提升降雨條件下渠道邊坡的安全穩(wěn)性具有重要作用，且降雨強(qiáng)度越大，作用越顯著。例如，在200mm/d強(qiáng)降雨的條件下，無植被邊坡的安全性系數(shù)僅為1.023，雖然仍大于1，但是冗余度較小，存在失穩(wěn)破壞的可能性，而生態(tài)邊坡的安全系數(shù)為1.449，邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 運(yùn)行年限

為了研究運(yùn)行年限因素的影響，研究中選擇20a為期限，對無植被邊坡、生態(tài)邊坡以及漿砌石邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制安全系數(shù)變化曲線，如圖5所示。

圖5 安全系數(shù)隨使用年限變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，引水渠邊坡安全系數(shù)均隨著使用年限的增加而不斷降低，但是不同的邊坡類型在變化特征方面存在比較顯著的差異性。其中，無植被邊坡安全系數(shù)隨著使用年限的增加降低最為迅速，在使用12a之后的安全系數(shù)值為0.856，說明此時(shí)的邊坡已經(jīng)失穩(wěn)破壞，需要采取重修加固等工程措施恢復(fù)其基本功能。生態(tài)邊坡的安全系數(shù)隨使用年限的增加降低幅度最小，在使用20a之后仍有1.521，可以充分保證渠道邊坡的安全穩(wěn)定性，渠道的基本功能也可以得到有效保護(hù)；漿砌石邊坡的在使用20a之后的安全系數(shù)為1.335，略小與生態(tài)邊坡。究其原因，主要是粉砂質(zhì)土質(zhì)地疏松、孔隙率高、穩(wěn)定性差，如無防護(hù)措施，其邊坡在外界環(huán)境作用下的安全性會(huì)迅速降低并失穩(wěn)破壞；金銀花生態(tài)邊坡隨著使用年限的增加，植物根系分布的深度和密度也會(huì)不斷增加，因此在提升邊坡安全性方面可以發(fā)揮出愈加顯著的作用，因此安全系數(shù)降低幅度較??；漿砌石邊坡屬于硬質(zhì)邊坡，其初始防護(hù)作用較好，安全水平較高，但是隨著材料的逐漸劣化特別是裂縫的逐漸增多，其下部的粉砂質(zhì)土體將受到滲漏水體的明顯影響，導(dǎo)致安全系數(shù)迅速降低?？傮w來看，在長期服役的條件下，生態(tài)邊坡具有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

農(nóng)業(yè)輸水渠道的安全性具有重要的意義和作用，而隨著全社會(huì)生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高，生態(tài)岸坡已經(jīng)成為近年來水利工程建設(shè)的內(nèi)容。此次研究針對粉砂質(zhì)土這一分布廣泛的土體類型，利用數(shù)值模擬的方式探討了生態(tài)岸坡在該土質(zhì)渠道中的應(yīng)用價(jià)值。計(jì)算結(jié)果顯示，金銀花生態(tài)岸坡具有顯著的優(yōu)勢，建議在工程建設(shè)中選用。當(dāng)然，生態(tài)岸坡建設(shè)中的可選擇植物類型眾多，今后需要對不同植物進(jìn)行對比分析，以獲得最佳的植物選擇方案。此外，此次研究僅通過數(shù)值模擬獲得研究結(jié)論，其科學(xué)性和準(zhǔn)確性需要背景工程運(yùn)行期間的實(shí)踐檢驗(yàn)。