土壩背水坡胡枝子護坡的壩坡穩(wěn)定性及綜合效益研究

楊 娟

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團有限公司，北京 102206)

1 工程背景

某水庫是一座以防洪和灌溉為主，集養(yǎng)殖和旅游等諸多功能為一體的中型水利工程，可以保護下游8個自然村的安全。水庫壩址以上控制流域面積540km2，總庫容5830萬m3。水庫主要建筑物包括大壩、泄洪閘和輸水洞[2]。其中水庫主壩為長700m的均質(zhì)土壩，設(shè)計高程134.60m，最大壩高8.04m，壩頂寬8.6～12.3 m，迎水坡坡比為1∶3.8，背水坡坡比為1∶2.9，迎水坡為干砌石護坡，背水坡為草皮護坡。雖然草皮護坡具有施工簡單、成本低廉和養(yǎng)護方便的優(yōu)勢，也存在比較顯著的缺陷，主要是壽命短、生態(tài)和經(jīng)濟效益差，根系較淺、錨固作用不足等[1]。胡枝子屬于一種多用途樹種，具有較高的經(jīng)濟價值，同時耐陰、耐寒、耐干旱和貧瘠，具有較強的適應(yīng)力。胡枝子的生長快、封閉性好，十分適宜坡地生長，是丘陵漫崗水土流失區(qū)的治理樹種，對控制水土流失意義重大[2]。本次研究以某水庫土壩背水坡為例，研究胡枝子護坡的壩坡穩(wěn)定性及綜合效益。

2 計算模型

2.1 計算軟件

Geo-studio軟件是加拿大Geo-studio公司開發(fā)的大型仿真工程軟件[3]。軟件中的SEEP/W模塊可以用于地下水滲流速度，壩體、堤防等在不同運行工況下的滲流和邊坡穩(wěn)態(tài)滲流分析[4]?；诖?，本次研究利用Geo-studio軟件中的SEEP/W模塊進行邊坡的穩(wěn)定性分析。

2.2 模型的構(gòu)建

研究中選擇某水庫背水壩坡為研究對象，從大壩的設(shè)計資料可知，該大壩為壤土沙殼心墻壩。為了研究胡枝子護坡的作用和價值，利用大壩背水坡的實際情況，利用Geo-studio軟件對壩坡的穩(wěn)定性進行建模分析，建模過程中結(jié)合研究對象的特點和相關(guān)研究經(jīng)驗，將模型簡化為平面模型[5]，如圖1所示。其中大壩上下游水位線以下為定水頭邊界，壩頂和背水坡為降雨入滲邊界。根據(jù)前期的地質(zhì)勘測和設(shè)計資料，大壩各部位的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 簡化平面模型

表1 壩坡各部位物理力學(xué)參數(shù)

為了研究不同降雨條件下胡枝子護坡的穩(wěn)定性，設(shè)置了3種不同的降雨條件和坡面覆蓋類型進行對比分析。其中降雨條件選擇的是90、120、160m 3種不同的降雨強度，坡面覆蓋類型選擇的是素土皮面、草皮坡面和胡枝子坡面3種坡面類型。研究中將降雨量轉(zhuǎn)化為單位流量設(shè)置在模型的降雨入滲邊界[6]。

為了簡化模擬計算過程，研究中將胡枝子等效為根系高度發(fā)達(dá)的植物，草皮等效為根系低度發(fā)達(dá)的植物[7]。依據(jù)植物根系研究方面的文獻成果，獲得高度發(fā)達(dá)和低度發(fā)達(dá)植物根系的各力學(xué)參數(shù)，用于模擬胡枝子和草皮根系對壩體的影響，結(jié)果見表2。將降雨和時間軸的函數(shù)用于不同性質(zhì)的坡面，進行沖刷分析和穩(wěn)定性分析。

表2 不同根系力學(xué)參數(shù)表

由于Geo-studio軟件的各個模塊之間具有兼容性，研究利用SEEP/W 模塊進行大壩背水坡在不同條件下的滲流和沖刷分析之后，直接將該模塊的數(shù)據(jù)導(dǎo)入創(chuàng)建的SLOPE/W 模塊進行大壩壩坡的穩(wěn)定性分析，獲得大壩背水坡的滑動面部位和不同降雨坡面條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，不需要重復(fù)建模[8]。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 抗沖刷試驗結(jié)果與分析

為了研究胡枝子護坡的抗沖刷能力，選擇大壩背水坡面2m×3m典型區(qū)域不同護坡類型和降雨強度下的沖刷情況。研究設(shè)計降雨歷時為12h，利用上節(jié)構(gòu)建的模型對沖刷的沙量進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果繪制護坡產(chǎn)沙量曲線，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)沙量計算結(jié)果

由圖2可知，在3種不同護坡形式下，坡面的產(chǎn)沙量均隨著降雨強度的增加而增加。究其原因，降雨強度的增加，會大幅增加坡面的產(chǎn)流量，進而增加對坡面的侵蝕作用。從3種不同坡面產(chǎn)沙量的對比結(jié)果來看，沒有植被的覆蓋的素土坡面的產(chǎn)沙量明顯大于有植被覆蓋坡面的產(chǎn)沙量。由此可見，采用植物護坡可以大幅減小坡面在降雨條件下的侵蝕作用，對保證坡面的安全穩(wěn)定十分有利。從胡枝子坡面和草皮坡面的對比來看，草皮坡面在90、120、160mm降雨強度下的產(chǎn)沙量分別為98、116、154g；胡枝子坡面在90、120、160mm降雨強度下的產(chǎn)沙量分別為65、72、91g，相比草皮護坡的產(chǎn)沙量分別降低33.7%、37.9%、40.9%。由此可見，采用胡枝子坡面可以有效抑制雨水的沖刷作用，并且降雨強度越大，作用效果越明顯[9- 10]。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果與分析

對3種不同降雨強度條件下的壩坡穩(wěn)定性進行分析，降雨歷時為12h，再觀察12h。模擬計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊坡穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果

由圖3坡面穩(wěn)定性系數(shù)隨時間的變化規(guī)律來看，各種坡面的穩(wěn)定性系數(shù)隨著時間的變化均呈現(xiàn)出先增大后減小的特征。在90mm降雨強度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.363、1.366、1.369；在120mm降雨強度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.341、1.343、1.347；在160mm降雨強度條件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.329、1.333、1.340。雖然不同坡面形式在不同降雨強度下的穩(wěn)定性系數(shù)都滿足設(shè)計要求，但是在相同條件下，胡枝子坡面的穩(wěn)定性系數(shù)要明顯高于其他2種坡面。由此可見，采用胡枝子坡面更有利于大壩背水坡在降雨條件下的安全穩(wěn)定[11- 12]。

4 胡枝子坡面的綜合效益分析

胡枝子不僅可以提高大壩背水坡的安全性，同樣具有顯著的經(jīng)濟價值，不僅是重要的蜜源植物、工業(yè)原料和飼料資源，還是重要的油料資源，含油量在9.2%左右。按照當(dāng)?shù)氐姆N植經(jīng)驗，在坡地種植的情況下，每畝可以產(chǎn)生16000元的純收入，可以創(chuàng)造十分顯著的經(jīng)濟效益，也可以為當(dāng)?shù)靥峁┮欢〝?shù)量的就業(yè)崗位，增加居民收入。此外，胡枝子還是重要的觀賞價值和保持水土流失的作用，具有較高的生態(tài)價值[13- 15]。

當(dāng)然，利用胡枝子作為大壩背水坡的護坡植物也具有自身的局限性。例如，由于胡枝子的莖葉比較繁茂，容易造成壩坡小區(qū)域濕潤和滲水問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，因此在每年7、8月的修剪枝條期間需要強化坡面監(jiān)控。同時，也可以利用胡枝子果實采摘期間進行坡面監(jiān)測，達(dá)到保證水庫大壩安全監(jiān)測的目的。

5 結(jié)語

隨著水利工程建設(shè)生態(tài)性要求的不斷提高，植物護坡獲得廣泛應(yīng)用。本次研究的結(jié)果顯示，將胡枝子用于土石壩背水壩坡護坡，不僅可以有效提升壩坡的安全性和穩(wěn)定性，還可以獲得良好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，具有良好的推廣應(yīng)用價值。當(dāng)然，受到野外試驗條件的限制，沒有對不同生長年限的胡枝子對背水坡的影響進行試驗。在后續(xù)的研究中，可以進一步試驗和探討不同生長年限胡枝子對土石壩背水坡的實際影響，尋求能發(fā)揮最大護坡效益的生長年限。此外，本次研究也沒有考慮胡枝子根系護坡的力學(xué)效應(yīng)，今后可以對該領(lǐng)域展開進一步的深入研究。