生物聚合物加筋土堤壩穩(wěn)定性評估的試驗研究

劉景青 李 蔚

(1.澇坡水利服務中心，山東 莒南 276600； 2.臨沂市水文中心，山東 臨沂 276037)

為研究建立和實施有效的對策，防止洪澇對堤防的侵蝕，本研究利用生物聚合物(一種環(huán)保巖土工程材料)進行了基于試驗的研究，開發(fā)出了一種新的生物聚合物。這項研究的創(chuàng)新之處在于這種新物質(zhì)被應用于堤防的建設。預計，該生物聚合物不僅能改善土壤，還能改善堤壩的耐久性和環(huán)境友好性。未來將通過進一步的試驗，確定溢流、滲流、管涌等各因素下的新工藝優(yōu)化方法，并將其應用于實際規(guī)模的試驗。

1 堤防破壞主因

洪水發(fā)生時堤防破壞的主要原因有三種:溢流、侵蝕和不穩(wěn)定的水體狀況[3]。當洪水徑流超過河道的輸送量時，或者當輸送量因砂子、土壤或碎屑而減少時，就會發(fā)生溢流；當陡峭的河流斜坡或彎道中過大的流速和剪切應力沖刷堤壩斜坡或底部時，就會發(fā)生侵蝕。堤體的失穩(wěn)包括壩體的管涌，是由填筑材料不良或壩體滲漏引起的；堤壩破裂也發(fā)生在跨河結構的倒塌或使用與堤壩不同的材料的結構的界面處。根據(jù)有關報告，溢水占中國堤壩破壞形式的40%[4]。

2 水力模型試驗

2.1 試驗設置

為進行試驗研究，建造一個高1m，寬3m，長度為5m，坡度為1 ∶2的中型堤壩，堤壩上游命名為A1通道，下游命名為A3通道(見圖1)。水力試驗的目的是使用新研發(fā)的物質(zhì)，對比分析土堤和擬建堤壩之間的漫頂決口期間堤壩的行為，并根據(jù)應用新型物質(zhì)的厚度驗證對堤壩決口的阻滯效果。

圖1 試驗通道示意圖(A3)

為分析溢流對堤壩邊坡的破壞情況，在試驗通道上安裝了圖像測量系統(tǒng)，在堤壩破壞部位的前方和兩側(cè)分別安裝了5臺GoPro攝像機和1臺攝像機。對整個試驗過程進行了不同角度的實時拍攝，以分析邊坡的表面沖刷和破壞部分。使用一架無人機拍攝堤壩決堤的過程。

2.2 試驗方法

由于幾項初步試驗已經(jīng)闡明，土質(zhì)堤壩在溢流過程中經(jīng)常會在堤頂與坡面之間的界面上發(fā)生初始破壞，因此，該區(qū)域被確定為溢流破壞的易損區(qū)，并被確定為新開發(fā)物質(zhì)的覆蓋區(qū)域。

根據(jù)土壤分類體系，試驗所用砂為均勻級配良好的砂(SW)(見圖2)。通過使用這種易開裂的砂，生物聚合物與最脆弱的材料混合的性能表現(xiàn)更加明顯，并加速誘導溢流決口橫截面的形成。由于試驗所用砂粒每次都有變化，因此進行了3次粒徑分布試驗，以驗證每次試驗的一致性。

圖2 粒徑分布

本研究所用新型物質(zhì)制作配比：1克生物聚合物 ∶10克水 ∶50克砂子。此外，通過應用不同厚度的新物質(zhì)(如1cm、3cm、5cm)來驗證擬議堤壩的性能(見圖3)。通過改變新物質(zhì)的厚度，可以量化隨著時間的推移對缺口的延遲效應。

圖3 試驗條件

本文試驗研究采用的堤身構造過程如下所述。首先，使用挖掘機(0.2m3)，從3m的高度拋下砂子，用于建造堤基。通過反復將20cm厚的砂土相互疊置碾壓，建造堤壩。修建土堤后，通過用水稀釋粉末生物聚合物制備生物聚合物溶液，然后將制備的溶液與砂土混合，然后將混合新物質(zhì)涂抹在堤頂和斜坡上(見圖4)。以此可比較土堤和使用新物質(zhì)的擬建堤壩之間的破壞機制。

圖4 使用生物聚合物覆蓋試驗堤壩過程示意圖(a) 生物聚合物和水混合；(b) 生物聚合物溶液和土壤混合；(c)～(e) 創(chuàng)建一個堤壩模型；(f) 用新物質(zhì)覆蓋

在下游通道進行試驗時，一般允許流量向下游流動。但本試驗在上游通道以3m3/s的速度讓流量向下游流動，然后逐漸增加位于下游端流出池的水位，使水回流，在下游通道產(chǎn)生溢流。這個設置是為了解決一個問題，即在通過下游河道約600m后，流量到達安裝堤壩模型的下游端需要相當長的時間。此外，由于實際決堤淹沒內(nèi)陸地區(qū)并不會造成河流水量的急劇減少，因此將該條件通過引入出流池來表示，出流池可以儲存比上游河道更大的流量。堤內(nèi)面在水位上升過程中保持穩(wěn)定，直至超過堤頂。

4、生物質(zhì)固化成型技術。生物質(zhì)固化技術是指在高壓或高溫高壓下通過生物質(zhì)中木質(zhì)素的塑化黏合，把原來疏松的生物質(zhì)壓縮成密度極高的高品質(zhì)成型燃料，以便儲運和高效率燃燒的技術。

3 結果與討論

3.1 新物質(zhì)使用過程中堤壩的破壞過程

通過對比兩種類型堤防的破壞過程，直觀分析新物質(zhì)的作用效果。以往的研究根據(jù)坡面溢水和破壞類型將土質(zhì)堤壩破壞過程分為幾個階段。在初始階段，堤頂發(fā)生溢流，下游邊坡受到侵蝕，形成小規(guī)模的溢流通道。隨著時間的推移，溢流在下游坡面形成階梯狀水流。因此，裂縫寬度增加，溢流量增加，最終形成裂縫。

土質(zhì)堤防的試驗也表明，初始溢流會引起堤頂和邊坡的侵蝕。即初始水流在堤防坡面上形成了一個主要的水流通道，從而導致侵蝕。水流的不斷流動和流速的增大加劇了徑流侵蝕，形成了溝槽侵蝕。最終，隨著溢流量的增加，堤頂完全坍塌，形成深潰面，在強剪應力作用下形成最大潰口寬度。在擬采用新物質(zhì)的堤防中，最初的溢流導致覆蓋部分出現(xiàn)裂縫；隨著水滲入裂縫，導致保護層脫落或膨脹。這似乎是因為新物質(zhì)沒有完全固結，或者生物土壤在溢流中溶解。因此，新物質(zhì)需要通過進一步的試驗來改進。由于堤頂上的溢流阻力產(chǎn)生了強烈的垂向水流，導致坡底局部沖刷，形成垂向沖刷(見圖5)。如果能同時比較兩類堤防的破壞機理，就能更好地識別出兩者破壞過程的差異。但由于土質(zhì)堤防的突破時間比擬建堤防短得多，因此將突破過程在不考慮時間的情況下，分為不同階段。

采用新物質(zhì)的防洪堤與土質(zhì)防洪堤表現(xiàn)出完全不同的破壞模式。雖然徑流在一定時間后增加，堤防的每個部分都被破壞，但與土質(zhì)堤防不同的是，在溢流的初始階段，沒有出現(xiàn)任何對堤防的侵蝕，而是從堤趾開始的逐漸侵蝕。隨著時間的推移，侵蝕面積有明顯減少的趨勢。通過施加不同厚度的新物質(zhì)，觀察到漫頂決口發(fā)現(xiàn)，主要區(qū)別僅在于破壞的體積，整個破壞模式是相似的。由于這種新物質(zhì)可以通過延緩堤壩破壞來減少洪峰徑流，因此它將有效減少低洼地區(qū)的洪水破壞或防止突然坍塌造成的二次破壞。

3.2 堤面破壞率的計算

對圖像測量系統(tǒng)拍攝的試驗圖像進行編輯和分析，以驗證隨時間變化的缺口規(guī)模。由于基于圖像的分析很容易產(chǎn)生溢出破壞引起的土壤徑流的不確定性或錯誤計算，因此，選取了堤壩邊坡破壞的橫斷面圖像進行定量分析。為了進行定量分析，采集了堤防邊坡隨時間變化的圖像，進行校準，然后進行數(shù)字化，以確定破壞的范圍(見圖6)。

圖6 數(shù)字化方法確定破壞范圍示意圖(a) 圖像校準；(b) 破壞范圍的數(shù)字化顯示

基于像素分析，使用圖形軟件對目標區(qū)域進行研究。以此方法計算堤面破壞的規(guī)模和比率。值得注意的是，在某些試驗條件下，出現(xiàn)過度破壞的原因是壓實不均勻。為了獲得穩(wěn)定的結果，在每種條件下進行了兩次試驗。最終將像素轉(zhuǎn)化為侵蝕面積作為物理單位，與堤坡相對應的像素總數(shù)為105000。當破壞開始時，每30s計算一次損失的面積。剛發(fā)生溢出時，假設破壞率為0%。當表面破壞率超過90%時，即使在相同條件下重復試驗，結果也往往不一致或數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。因此，任何超過90%的破壞率都被視為完全破壞，并被排除在分析范圍之外。

至于面積隨時間減少的趨勢(見圖7)，土堤(案例1、2)在發(fā)生溢流同時，面積急劇減少。150s后，面積減少90%以上，表明完全破壞。案例3中，如果涂抹了1cm厚的新物質(zhì)，則在溢出發(fā)生后，該區(qū)域保持60s。90s后，面積逐漸減小，然后急劇減小，直到150s。另一個1cm厚的新物質(zhì)案例(案例4)顯示，溢流初始階段，破壞面積減小，與案例3趨勢不同。這表明，新材料制造過程中產(chǎn)生的裂紋百分比極大地影響了初始破裂率。隨著時間的推移，誤差趨于減小。與案例1～4相比，3cm厚(案例5、6)在發(fā)生溢流后的一段時間內(nèi)保持相同的面積?？偟膩碚f，隨著時間的推移，面積有逐漸減少的趨勢。

圖7 試驗案例的面積減少隨時間推移的變化情況

然而，當使用5cm厚的新物質(zhì)時，裂口被過度延遲，堤趾開始被溢出的水淹沒。即回水效應影響了厚度為5cm的試驗，無法分析堤壩的性能。因此，本案例被排除在外(見圖8)。如上所述，本研究的試驗裝置反過來誘導水流從下游端流向上游端。因此，在堤壩被破壞之前，溢出的水回到了下游端。為了評估采用厚度超過5cm的新物質(zhì)的堤壩的性能，需要對試驗渠道進行相應修改。

圖8 新材料厚度5cm情況下的回水情況

圖9顯示了堤壩表面隨時間的破壞率。由于發(fā)生溢流，土堤(案例1、2)的破壞率在30s時為23%～24%，60s時為60%～64%，90s時為80%～81%，120s及之后為86%～92%。除初始溢流階段外，含有1cm新物質(zhì)的堤壩(案例3、4)的破壞率在120s時為54%～69%，150s時為67%～78%，180s時為72%～81%，210s時為74%～84%，240s及之后為78%～91%。另一個含有3cm新物質(zhì)的堤壩(案例5、6)在120s前的破壞率為5%或更低，最晚在390s時達到50%的破壞率。該堤壩在630s前逐漸破壞，之后破壞率超過90%，表明完全破壞。當使用1cm和3cm厚的新物質(zhì)時，根據(jù)上述破壞率計算，總破壞時間分別為300s和630s。這些結果表明，采用新材料可以延遲2～4.2倍的土堤破壞時間。

圖9 試驗案例隨時間推移的破壞率變化

在諸如堤壩決口之類的災難性情況下，特別強調(diào)快速的初始響應和應急恢復。本研究進行的試驗表明，土堤的初始破壞發(fā)展速度驚人，而帶有新物質(zhì)的堤防受初始溢流的影響較小，并且在一定時間內(nèi)延緩了破壞。盡管不能從根本上防止堤壩決堤造成損害，但本研究結果表明，通過適當?shù)闹鲃討獙Υ胧┛梢燥@著減少損害。

4 結 論

本研究通過建造一個中型堤防模型，進行了堤防破壞試驗。使用各種成像設備對比分析溢流堤的破壞機理。此外，采用基于像素的圖像分析方法計算堤防邊坡上的破壞規(guī)模隨時間的變化情況。通過這種方式，驗證了使用新物質(zhì)覆蓋堤壩的性能。研究結果表明：新物質(zhì)的堤壩表現(xiàn)出與土堤完全不同的破壞機制，土堤在堤頂和斜坡之間的界面處幾乎與溢流發(fā)生時同時發(fā)生塌陷，相反，帶有新物質(zhì)的堤壩由于堤趾的逐漸向后侵蝕而形成了裂口，此外，當施加不同厚度的新物質(zhì)后再觀察溢流破裂時，則僅隨著時間的推移塌陷量出現(xiàn)差異，整體破壞模式相似；在不同溢流條件下的破壞率方面，應用新物質(zhì)時，計算總破壞時間分別為300和630s，可以延緩土堤的2～4.2倍堤防破壞時間，尤其是新物質(zhì)覆蓋的堤壩受初期溢流的影響比土堤要小得多，而且破壞被明顯延緩了一段時間。

本研究尚存在一些不足有待改善，需要進一步研究修改當前的試驗通道，以分析新物質(zhì)厚度為5cm的堤壩的性能。還需要進行PIV分析以得出更精確的結果并驗證流入速度與堤壩決口之間的相關性。此外，由于天然河流通常有植被，其堤壩的侵蝕和破裂機制可能與本研究中考慮的土堤壩有顯著不同。反映這一事實的適當方法似乎對于提高研究結果可靠性是必要的。