章瑜

（塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

在設(shè)計(jì)河堤時(shí)，主要考慮的是如何防止一定水位下的沖刷、滲漏及地震帶來(lái)的破壞。但實(shí)際上，在高水位情況下，如果遭遇特大洪水、海嘯或風(fēng)暴潮，堤壩有時(shí)會(huì)面臨決堤的風(fēng)險(xiǎn)[1，2]。為了增強(qiáng)壩體的防滲能力，通常會(huì)選擇在壩體頂部或坡面使用混凝土面板，然而，這會(huì)增加壩體的自重，從而降低其抗震穩(wěn)定性。因此，研發(fā)一種新的加固技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)河堤可能面臨的溢流侵蝕和地震風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

土工合成加筋土（GRS）是一種創(chuàng)新技術(shù)，它通過(guò)直接將混凝土板與加筋土工格柵層相連接，顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。由于土工格柵展現(xiàn)出較好的抗拉性能，GRS 結(jié)構(gòu)在土石壩的抗震加固工程中得到了廣泛應(yīng)用[4]。然而，盡管GRS 在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，其防滲性能仍然是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[5]。本文對(duì)GRS 堤壩進(jìn)行加固和防滲處理，并對(duì)其在各種條件下的抗溢流侵蝕的效果進(jìn)行了深入研究，此外，還探討了土工格柵層對(duì)堤壩入滲的影響。

1 研究方法

1.1 溢流實(shí)驗(yàn)

該研究在一個(gè)5.000 m×0.200 m×0.350 m（長(zhǎng)×寬×高，下同）的明渠模型中對(duì)GRS 堤壩進(jìn)行溢流測(cè)試，如圖1 所示。通過(guò)壓實(shí)硅砂（硅砂平均粒徑為0.16 mm，最佳含水量Wopt為16.0%）形成高0.200 m、頂寬0.100 m、后坡度為1∶2 和1∶0.5 的模型堤壩。此次試驗(yàn)的模型比例設(shè)置為1∶25。根據(jù)Froude 相似準(zhǔn)則[6]，將堤壩的溢流深度設(shè)置為0.060 m。該實(shí)驗(yàn)的溢流流量Q為5.610×10-3m3/s，在該溢流深度下，假定原型堤壩崩塌需要50 min，根據(jù)Froude 相似準(zhǔn)則，將模型堤壩溢出時(shí)間定為10 min，并作為實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)溢流時(shí)間。

圖1 溢流模型試驗(yàn)中使用的明渠示意圖（單位：m）

溢流侵蝕試驗(yàn)的條件如表1 所示。為了增強(qiáng)GRS防洪堤的性能，設(shè)置了3種情況：1）GRS防洪堤斜坡比降設(shè)為1∶2和1∶0.5，目的是減少其橫截面面積，降低水流對(duì)堤壩的沖刷作用；2）設(shè)置全長(zhǎng)加筋和局部加筋的土工格柵層（圖2），以檢驗(yàn)GRS技術(shù)在現(xiàn)有防洪堤上的應(yīng)用效果；3）使用了粗、中、細(xì)3種土工格柵，尺寸分別是9.00 mm×10.00 mm，2.00 mm×8.00 mm 和0.60 mm× 0.60 mm。通過(guò)測(cè)試這3 種尺寸，以確定最適合防洪堤的網(wǎng)格尺寸。

表1 溢流侵蝕試驗(yàn)條件

圖2 土工格柵加固條件

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，土工格柵層每隔0.020 m 鋪設(shè)1 次，并使用相機(jī)記錄堤壩側(cè)視圖和俯視圖的數(shù)字視頻（DV）圖像，這些影像資料有助于進(jìn)一步了解堤壩的侵蝕情況。

1.2 滲透實(shí)驗(yàn)

為了研究土工格柵層對(duì)堤壩入滲能力的影響，在模擬堤壩上進(jìn)行了滲透實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)是在1.200 m×0.200 m×0.450 m 的水槽中進(jìn)行的，如圖3 所示。模型堤壩高0.200 m、寬0.100 m，坡度為1∶2，與溢流實(shí)驗(yàn)條件相同，選用土方大堤和不加面板的GRS 堤壩（也采用3 種土工格柵，其尺寸與溢流實(shí)驗(yàn)的尺寸相同）作為加固條件。模型堤壩和基礎(chǔ)采用分選良好的硅砂（壓實(shí)度Dc=90.0%，平均粒徑為0.26 mm，Wopt為16.0%，入滲系數(shù)k為1.700×10-4）。此外，進(jìn)行恒定水頭滲透試驗(yàn)時(shí)，堤岸河面水位在深度h=0.140 m 處保持恒定。

圖3 滲流模型試驗(yàn)中使用的水槽示意圖（單位：m）

為了觀察堤壩內(nèi)部的滲透行為，用墨水對(duì)水進(jìn)行著色，同時(shí)記錄堤壩的側(cè)視圖和俯視圖的DV圖像，以檢查堤壩中的滲透行為和侵蝕過(guò)程。此外，為了測(cè)量堤壩的滲流量和侵蝕率，試驗(yàn)中收集了堤壩后坡坡腳的水和泥沙，如圖3 所示。

2 結(jié)果分析

2.1 沖刷防護(hù)效果

圖4 顯示了案例1-1、案例1-2 和案例2-1 橫截面形狀隨時(shí)間的變化。圖4 用虛線繪制了初始堤壩表面，并標(biāo)明了混凝土面板的位置和方向。

圖4 堤壩形狀和混凝土面板位置的時(shí)間變化情況（單位：s）

由圖4（a）可知，案例1-1 在t=10 s 時(shí)（t為從溢流開始算起的時(shí)間）坡腳附近的基礎(chǔ)發(fā)生局部沖刷，隨著堤腳附近的混凝土面板被沖走，堤身沉積物在t=30 s 時(shí)被侵蝕，在t=65 s 時(shí)侵蝕面到達(dá)堤頂，并在t=70 s 時(shí)導(dǎo)致堤身大部分坍塌。對(duì)比圖4（a）和（b）的截面形狀，可以發(fā)現(xiàn)防沖刷保護(hù)可以有效防止后坡腳的沖刷，進(jìn)一步證明了沖刷防護(hù)能夠顯著提高鎧裝堤對(duì)溢流侵蝕的抵抗力。然而，在失去沖刷保護(hù)后，如圖4（b）所示，堤壩迅速被侵蝕，呈現(xiàn)出與圖4（a）相似的嚴(yán)重后果。案例2-1 在t=175 s 處發(fā)生較小坍塌，直到t=195 s 時(shí)堤身才部分坍塌，對(duì)比圖4（a）和（c）的截面形狀，發(fā)現(xiàn)GPS 大堤比鎧裝堤抵抗溢流侵蝕的能力強(qiáng)。

圖5給出了案例1-1、案例1-2、案例2-1和案例2-2 中截面面積的剩余率（任意時(shí)刻的截面面積除以初始截面積）。由圖5 可知，在t=50 s 和t=525 s時(shí)，有沖刷防護(hù)和無(wú)沖刷防護(hù)的鎧裝堤截面積剩余率均為90.0%，這一結(jié)果與圖4 一致，然而，即使有沖刷防護(hù)，鎧裝堤在達(dá)到目標(biāo)時(shí)間（600 s）前仍然出現(xiàn)了完全倒塌的情況。由圖5 還可以看出，在GRS 堤壩中，沖刷防護(hù)同樣提高了其抗溢流侵蝕的能力，即使超過(guò)目標(biāo)時(shí)間20 min 后，其截面仍能保持完整的形狀。因此，為了保持GRS 堤壩的基本形態(tài)，引入沖刷防護(hù)是十分必要的。

圖5 橫截面積剩余率的時(shí)間變化

2.2 陡后坡和局部加固對(duì)邊坡的影響

為考察陡后坡對(duì)鎧裝堤和GRS 堤壩溢流侵蝕的影響，對(duì)鎧裝堤和GRS 堤壩在1∶2 和1∶0.5 坡度下截面積的剩余率進(jìn)行了分析，見圖6。對(duì)于鎧裝堤，將后坡坡度從1∶2（案例1-2）陡化到1∶0.5（案例1-3）后，降低了其對(duì)溢流侵蝕的阻力，特別是在失去沖刷保護(hù)后，案例1-2 和案例1-3 的截面積剩余率迅速下降，最終導(dǎo)致鎧裝堤在目標(biāo)時(shí)間前垮塌。而對(duì)于坡度為1∶0.5（案例2-4 和案例3-2）的GRS 堤壩，在目標(biāo)時(shí)間后GRS 堤壩橫截面形狀的剩余率依舊接近100.0%，這意味著后坡較陡的GRS 堤壩可以在目標(biāo)時(shí)間之外保持較高的抗溢流侵蝕能力，因此，即使在較小的斷面上，GRS堤壩也能顯著提高抗溢流侵蝕能力。

圖6 模型橫截面積剩余率的時(shí)間序列

通過(guò)對(duì)比全長(zhǎng)和部分長(zhǎng)度加筋的GRS 堤壩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二者的截面積剩余率非常接近，這意味著部分加固策略同樣可以有效提高堤壩對(duì)溢流沖刷的抵抗力，能夠用于加固現(xiàn)有的堤壩。

2.3 網(wǎng)格大小對(duì)土工格柵的影響

以粗網(wǎng)格（案例2-3、案例3-1）、中網(wǎng)格（案例2-4、案例3-2）、細(xì)網(wǎng)格（案例2-5、案例3-3）為研究對(duì)象，探討格柵層的網(wǎng)格尺寸對(duì)抗溢流侵蝕能力的影響。圖7 顯示各案例下的堤壩破壞時(shí)間t90，t90代表截面積殘余率為90.0%的時(shí)間。

圖7 堤壩損壞時(shí)間t90

從圖7 可以看出，在全長(zhǎng)和局部加固的GRS堤壩中，細(xì)土工格柵中的t90大于粗土工格柵和中土工格柵。綜上，采用小尺寸土工格柵的GRS 防洪堤能夠長(zhǎng)期保持較高的截面積剩余率。

2.4 滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了深入了解土堤和GRS 堤壩的入滲性質(zhì)，圖8 給出了各種入滲實(shí)驗(yàn)條件下滲流線隨時(shí)間變化的結(jié)果（實(shí)線為用墨水可視化得到的滲流線，虛線為被侵蝕的堤壩形狀）。由圖8 可知，滲流線最初都是垂直陡峭的，隨著時(shí)間的推移變?yōu)檩^平緩的傾斜，這一現(xiàn)象表明，滲透流均流向后坡腳，且在地基附近具有相對(duì)較高的流速。值得注意的是，無(wú)論是土堤還是GRS 堤壩，滲流線均呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象。此外，GRS 堤壩中浸潤(rùn)線的不均勻高度并不一定與土工格柵層相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)條件下并未觀察到沿著地質(zhì)網(wǎng)格層的水流路徑。對(duì)于土堤，其侵蝕區(qū)域顯示背坡腳附近的侵蝕起始于1 140 s，侵蝕面積在1 680 s 時(shí)有所增加。相比之下，3 種不同土工格柵配置的GRS 防洪堤的侵蝕面積均小于土堤，這表明土工格柵層在抗沖刷侵蝕方面具有一定的作用[7]。

圖8 滲流線和堤壩侵蝕的時(shí)間變化情況（單位：s）

圖9 呈現(xiàn)了在不同入滲實(shí)驗(yàn)情況下入滲面積比隨時(shí)間變化的規(guī)律。入滲面積比是將任意時(shí)刻的入滲面積除以初始橫截面積。由圖9 可知，所有情況下的入滲面積比之間并未出現(xiàn)顯著的差異，GRS 堤壩的入滲面積比略低于土方大堤，這可能是由于二者在侵蝕面積上的差異所導(dǎo)致的。

圖9 滲透面積比率的時(shí)間序列

由在水箱下游端測(cè)得的堤壩滲流量和侵蝕速率時(shí)間序列（圖10，11）可知，土方防洪堤的滲流量和侵蝕速率均大于GRS 防洪堤，這可能是由于GRS 防洪堤能夠有效減少入滲侵蝕。

圖10 堤壩滲漏流量

圖11 堤壩侵蝕速率

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)GRS 防洪堤的溢流侵蝕和入滲性能進(jìn)行了深入研究，并強(qiáng)調(diào)了沖刷防護(hù)措施對(duì)GRS 堤壩穩(wěn)定性的重要性。GRS 堤壩在20 min 內(nèi)仍能保持完整的截面形狀，顯示出優(yōu)良的耐久性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)后坡腳較陡的土堤崩塌較快，而部分加固的GRS 堤壩則具有較強(qiáng)的抗溢流侵蝕能力。因此，選擇合適的土工格柵層尺寸對(duì)于提升堤壩抗溢流侵蝕能力具有重要意義。然而，本文的研究成果僅基于小型模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量值的可信度仍需進(jìn)一步研究。此外，本文中使用的混凝土面板和土工格柵類型不同，可能與相似定律不完全一致。為了解決這些問(wèn)題，后續(xù)應(yīng)開展高度大于1.000 m 的大型尺度模型試驗(yàn)。