基于Midas GTS的邗江區(qū)典型岸坡護坡設(shè)計研究

高 欣

（揚州市邗江區(qū)水利局，江蘇 揚州 225000）

河坡是河流水利安全的重要因素，河道岸坡的穩(wěn)定性及水土保持良好可以確保河流運營安全，也可為河道上各類水工設(shè)施的安全建設(shè)提供保障［1-2］。針對河道岸坡安全穩(wěn)定性開展護坡技術(shù)研究及實施具有重要意義［3-4］。高彥君［5］、趙勇［6］基于河坡水生態(tài)體系，探討以水質(zhì)凈化及水質(zhì)處理為研究方向，利用水生態(tài)植物根系固土、穩(wěn)水作用，提升整體岸坡穩(wěn)定性，降低坡內(nèi)徑流活動。從河道岸坡穩(wěn)定性計算考慮，劉麗琴［7］、陳強等［8］、葉慧君［9］采用ANSYS、FLAC 3D等有限元平臺建立岸坡計算模型，基于坡體實際工況施加相應荷載，進而研究坡體在模擬工況下的穩(wěn)定性，包括位移及應力分布特征，為護坡工程提供依據(jù)。針對岸坡穩(wěn)定性，其滲流場特征研究也很有必要，范孟華等［10］、李夢龍［11］、張江昊［12］通過Midas GTS等流場計算子單元，分析岸坡內(nèi)孔隙水壓力、體積含水率特征，從而為評價岸坡滲流安全及失穩(wěn)提供參考。在研究岸坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，李尋昌等［13］、尚亞雄等［14］、凌峰等［15］也通過對各種護坡方案的技術(shù)特點開展分析，研究了岸坡護坡的混凝土材料、生態(tài)護坡植物根系固土機理等，為確定最適配岸坡護坡方案提供基礎(chǔ)。本文基于邗江區(qū)各水系岸坡現(xiàn)狀，開展不同類型植物護坡方案的計算研究，分析各方案岸坡在降雨因素影響下穩(wěn)定性及滲流特征演變，旨在為岸坡護坡設(shè)計提供參考。

1 工程現(xiàn)狀分析與設(shè)計

1.1 工程概況

邗江區(qū)境內(nèi)水資源豐富，大小河流眾多，其南部支流的上游建設(shè)有蓄水庫，最大的蓄水庫位于儀揚河上游，最大庫容為235萬m3，承擔著邗江區(qū)南部生活供水、防洪排澇等水利功能。邗江區(qū)內(nèi)古運河分布有2個區(qū)段，從水閘控流效應來看，第一區(qū)段乃是揚州閘至便益門閘，長度約3.47 km，全河道內(nèi)岸坡坡度分布為1∶2.5～1∶3.5，坡內(nèi)土體以粉質(zhì)壤土、碎石土為主，坡內(nèi)滲流活動較穩(wěn)定，特別是靠近揚州閘水利設(shè)施處防滲效果較佳，設(shè)置有多個防滲擋墻結(jié)構(gòu)，既可確保河道岸坡安全穩(wěn)定性，亦可針對水閘控流提升滲流安全性，其兩側(cè)河坡采用圖1所示設(shè)計進行生態(tài)與硬化結(jié)合式護坡。古運河第二段自三汊口與儀揚河匯合，并從瓜洲閘匯入長江，全長16.76 km，瓜洲閘乃是古運河的重要水利控制樞紐，其兩側(cè)岸坡已做硬化處理，監(jiān)測表明瓜州閘沉降不超過8 mm，這也得益于瓜州閘所處地層基巖較穩(wěn)定，承載力較大，可滿足大型水工結(jié)構(gòu)建設(shè)。瓜州閘上段河口寬70～120 m，河床底寬40 m，河底標高約為-1～-2 m，而沿瓜洲閘下游直至新江口匯入段，河底標高為-2 m，兩側(cè)岸坡受水力沖刷的影響較弱，河口寬度約為80～100 m。邗江區(qū)內(nèi)流域長度僅為8.12 km的儀揚河與三汊河在古運河第一區(qū)段處會合，河口寬70～100 m，河底標高0 m，河底寬10 m，兩側(cè)岸坡受水力侵蝕影響較大，導致儀揚河在與古運河交匯處泥沙含量較大，兩側(cè)岸坡水土流失也較為嚴重，此一定程度上對堤防岸坡穩(wěn)定性具有負面影響，目前兩側(cè)岸坡坡度穩(wěn)定在1/∶3～1∶4。青龍港港底寬4～6 m，港底標高0～0.5 m，河口寬25～32 m，該河流乃是邗江區(qū)瓜洲片區(qū)全境農(nóng)田主引排干河，承擔著區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水供應，所建設(shè)引水灌渠長度約為70 km，采用全渠U型防滲結(jié)構(gòu)形式，全渠道輸水耗散率不超過25%。趙家溝河流走向與寧通公路相垂直，全長8.56 km，以公路劃分趙家溝為南、北兩段，南北兩段分別長4.5 km、4.06 km，河底標高1.5～2 m，河坡坡比分別為1∶2.5、1∶3；趙家溝全河段內(nèi)采用碎石土堆筑堤壩，沿線設(shè)置有6個水閘設(shè)施，最大控水流量為355 m3/s，但趙家溝兩側(cè)河坡未進行硬化處理，局部區(qū)段內(nèi)滲流活動處于非穩(wěn)狀態(tài)，其部分區(qū)段現(xiàn)狀如圖2所示。根據(jù)對邗江區(qū)內(nèi)多個河流的調(diào)查分析，大多河道岸坡穩(wěn)定性欠佳，且并未開展生態(tài)護坡設(shè)計，僅為自然生態(tài)護坡面，不利于邗江區(qū)整體水利安全性。因而，從邗江區(qū)境內(nèi)各河道岸坡護坡設(shè)計角度考慮，以典型岸坡為分析對象，探討邗江區(qū)境內(nèi)河坡的最適配設(shè)計方案。

圖1 生態(tài)與硬化結(jié)合式護坡設(shè)計方案

圖2 河坡現(xiàn)狀

1.2 建模設(shè)計

針對邗江區(qū)內(nèi)各河流岸坡護坡設(shè)計問題，以儀揚河與三汊河在古運河交匯處區(qū)段內(nèi)K2+108岸坡為分析對象，在簡化岸坡以外的其他水利設(shè)施的基礎(chǔ)上，以Midas GTS建立該岸坡有限元模型［12，16］，如圖3所示，并按照108岸坡實際巖土層建立材料本構(gòu)模型。以該岸坡迎水側(cè)水位1.5 m為初始條件，給定岸坡初始孔隙水壓力分布解，坡面層邊界設(shè)定為單位徑流量，模型頂、底部分別設(shè)定為YZ向自由及XY向自由，基于單元網(wǎng)格劃分獲得5 288個微單元體，節(jié)點數(shù)4 872個。

圖3 岸坡有限元模型

從生態(tài)護坡設(shè)計考慮，計劃對模型分別采用原始自然生態(tài)護坡（A方案）、全覆蓋草皮護坡（B方案）、四季春植物護坡（C方案）3種方案，3種方案均采用植物網(wǎng)格分布與混凝土硬化形式，除植物類型有所差異外，其他結(jié)構(gòu)層均保持一致，各方案護坡面深度按照植物的影響面設(shè)定，A～C 3種方案的護坡面深度分別為0.2 m、0.5 m、0.8 m。模型中護坡區(qū)域如圖4所示，該區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格密度較大，確保計算結(jié)果精度與可靠度。

圖4 模型護坡區(qū)域

根據(jù)實驗室測定的3種不同植物類型護坡土水特征，獲得壤土、自然生態(tài)護坡面及四季春護坡面滲透特性，如圖5所示，岸坡滲流計算時以此為基準。模型中壤土層及生態(tài)護坡的物理力學參數(shù)按照實測取值，其中108岸坡土體含水量為17.5%?？紤]邗江區(qū)內(nèi)降雨因素影響，在2018、2019、2020、2021年區(qū)內(nèi)日最大降雨強度基礎(chǔ)上，設(shè)定降雨強度影響方案分別為200 mm/d、250 mm/d、300 mm/d、350 mm/d，日降雨時長分別設(shè)定為3 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、21 h、24 h共8個方案?；诮涤暌蛩氐鸟詈嫌绊懴拢治鲇嬎?種植物護坡設(shè)計方案下的岸坡穩(wěn)定性與滲流特征。

圖5 各護坡方案滲透特性

2 不同護坡方案下安全穩(wěn)定性

2.1 運營期內(nèi)安全穩(wěn)定性

根據(jù)對不同護坡方案安全穩(wěn)定性計算，獲得3種植物護坡形式的岸坡安全系數(shù)變化特征，如圖6所示。觀察圖中安全系數(shù)變化趨勢可知，整體以四季春護坡方案安全系數(shù)最高，在全運營期內(nèi)安全系數(shù)平均值為2.55，而自然生態(tài)護坡方案平均安全系數(shù)為前者的81.5%，另全覆蓋草皮護坡方案安全系數(shù)與四季春護坡方案較為接近，局部運營期安全系數(shù)甚至超過四季春護坡方案。當運營期增長后，受水力沖刷導致的水土流失影響，各方案岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)均遞減，全覆蓋草皮護坡方案中，運營期第10 d時岸坡安全系數(shù)為2.58，而在運營期第50 d、130 d、170 d時安全系數(shù)較第10 d時分別減少了2.2%、12.9%、18.2%，運營期每增長40 d，可導致岸坡安全系數(shù)平均降低6.5%。同時，在四季春護坡及自然生態(tài)護坡方案中，安全系數(shù)隨運營期的變化導致的安全系數(shù)平均損耗分別為3.1%、14.2%，由此可見，四季春護坡方案中岸坡安全系數(shù)受運營期影響最小，對河道岸坡的水土保持具有較好作用。

圖6 不同植物類型護坡岸坡安全系數(shù)

2.2 降雨強度影響

圖7為疊加降雨強度因素3種護坡方案安全系數(shù)變化特征。從岸坡安全系數(shù)受降雨強度影響變化可知，降雨強度越大，則岸坡安全系數(shù)越低，以自然生態(tài)護坡方案為例，其在降雨強度為200 mm/d時，安全系數(shù)為2.75，而降雨強度為250 mm/d、350 mm/d時，安全系數(shù)分別減少了26.2%、73.5%，該類型護坡方案中降雨強度每增長50 mm/d，可導致安全系數(shù)降低35.4%。筆者認為，降雨強度越大，對岸坡內(nèi)徑流活動越能促進，從而導致岸坡內(nèi)滑移面位移加大，此也是安全系數(shù)降低的內(nèi)在原因。四季春護坡方案在各降雨強度方案中安全系數(shù)分布為1.92～3.5，降雨強度每增長50 mm/d，平均可導致岸坡安全系數(shù)降低18.4%，而全覆蓋草皮護坡受影響的平均降幅為26.4%。對比3種護坡方案受降雨強度的影響變化可知，以四季春護坡方案安全系數(shù)變幅最小，此與四季春這類植物根系固土、強沙效應有密切關(guān)聯(lián)，當降雨強度增大后，四季春護坡方案的岸坡內(nèi)抗水土流失效應較好，可減少岸坡潛在滑移面傾覆威脅，故安全系數(shù)增大［17-18］。

圖7 降雨強度影響岸坡安全系數(shù)

2.3 降雨時長影響

3種不同類型岸坡安全系數(shù)受降雨時長的影響，如圖8所示。分析圖8中降雨時長影響作用可知，岸坡安全系數(shù)與降雨時長呈負相關(guān)變化特征，在自然生態(tài)護坡方案中，降雨時長3 h時安全系數(shù)為1.38，而降雨時長為9 h、15 h時安全系數(shù)較前者分別減少了6.5%、11.4%，降雨時長每增大3 h，可導致岸坡安全系數(shù)減少5.6%。同樣在四季春與全覆蓋草皮護坡方案中安全系數(shù)受降雨時長影響的降幅分別為3.3%、4.7%。從整體來看，岸坡安全系數(shù)與降雨時長具有二次函數(shù)關(guān)系。3種護坡方案中，以四季春生態(tài)護坡方案受降雨因素綜合影響敏感最低，該方案護坡、固土技術(shù)優(yōu)勢最為顯著，有利于岸坡運營穩(wěn)定性。

圖8 降雨時長影響岸坡安全系數(shù)

3 不同護坡方案下滲流特征

為探討各護坡方案岸坡穩(wěn)定性，本文計算獲得降雨因素影響下岸坡滲流特征，以坡內(nèi)孔隙水壓力分布為分析對象，如圖9所示。

圖9 岸坡孔隙水壓力影響變化特征

根據(jù)圖中孔隙水壓力變化可知，在相同類型護坡方案中，降雨強度越大，則坡內(nèi)孔隙水壓力量值水平越高，如在覆蓋草坡護坡方案中，降雨強度為250 mm/d時岸坡在各降雨時間內(nèi)的平均孔隙水壓力為52.9 kPa，而降雨強度每增長50 mm/d，則平均孔隙水壓力可增長38%。當降雨強度增大，徑流效應超過坡內(nèi)土體滲透系數(shù)，此時坡內(nèi)孔隙水壓力會受到地表徑流影響，導致土體孔隙水壓力特征參數(shù)增多。降雨時長與岸坡孔隙水壓力呈正相關(guān)變化；在自然生態(tài)護坡方案中，每延長3 h降雨，則各降雨強度工況中孔隙水壓力平均遞增8.7%～17%；與之類似，全覆蓋草皮、四季春護坡方案中孔隙水壓力隨降雨時長平均增長分別為8.9%～24.9%、4.5%～17.2%。3種護坡方案中不僅孔隙水壓力受影響的增幅有所差異，且孔隙水壓力隨降雨時長變化曲線也有所不同，自然生態(tài)護坡與全覆蓋草皮護坡方案中孔隙水壓力的增長以降雨時長15 h為轉(zhuǎn)變節(jié)點，在該時長節(jié)點前、后方案內(nèi)增幅處于較慢與較快狀態(tài)，當降雨強度為300 mm/d時，全覆蓋草皮護坡方案在降雨時長3～15 h內(nèi)孔隙水壓力平均增幅為7.2%，而降雨時長超過15 h后，平均增幅可達16.2%。分析表明，在全覆蓋草皮護坡與自然生態(tài)護坡體系中，坡內(nèi)孔隙水壓力受降雨時長的影響具有一個增長過渡階段，當降雨時長過大時，孔隙水壓力的變化會朝著不可預見方向發(fā)展，極易出現(xiàn)岸坡失穩(wěn)現(xiàn)象。四季春護坡方案中各降雨強度工況下孔隙水壓力隨降雨時長的增長均較穩(wěn)定，降雨強度的改變，對孔隙水壓力受降雨時長的穩(wěn)定增幅變化無顯著影響，即四季春護坡方案中孔隙水壓力的變幅是可預見、可控狀態(tài)，不會出現(xiàn)突變，這也反映四季春護坡方案岸坡具有較佳的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）四季春護坡方案安全系數(shù)最高，且該方案岸坡穩(wěn)定性受運營期影響最低；運營期每增長40 d，可導致全覆蓋草皮、四季春護坡及自然生態(tài)護坡下安全系數(shù)分別平均降低6.5%、3.1%、14.2%。

（2）降雨強度越大，則岸坡安全系數(shù)越低，但四季春護坡方案安全系數(shù)受影響最??；自然生態(tài)護坡、四季春護坡及全覆蓋草皮方案降雨強度每增長50 mm/d，可導致安全系數(shù)降低35.4%、18.4%、26.4%。

（3）岸坡安全系數(shù)與降雨時長呈二次函數(shù)的負相關(guān)關(guān)系，自然生態(tài)護坡、四季春護坡及全覆蓋草皮方案降雨時長每增大3 h，可導致安全系數(shù)降低5.6%、3.3%、4.7%。

（4）降雨強度或降雨時長越大，孔隙水壓力水平越高；自然生態(tài)與全覆蓋草皮護坡兩種方案孔隙水壓力的增長以降雨時長15 h為轉(zhuǎn)變節(jié)點，降雨時長突破該節(jié)點，則孔隙水壓力增長迅速，而四季春護坡方案中孔隙水壓力隨降雨時長增長穩(wěn)定。