基于模型試驗(yàn)的堤防岸坡土層含水特征及安全穩(wěn)定性影響研究

鄒廣明

(開(kāi)平市水政監(jiān)察大隊(duì),廣東開(kāi)平,529300)

0 引言

堤防岸坡安全穩(wěn)定性關(guān)乎著水利河道運(yùn)營(yíng)可靠[1-2],不同的護(hù)坡設(shè)計(jì),對(duì)岸坡安全穩(wěn)定性具有差異性影響。常用的護(hù)坡設(shè)計(jì)包括有硬化坡面、格賓石籠等[3-4],而生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)乃是一種淺層護(hù)坡方案,其良好的生態(tài)效益與工程價(jià)值,在岸坡、邊坡工程中得到較為廣泛的應(yīng)用。王章云等[5]、夏軍強(qiáng)等[6]、宋欣玲等[7]為研究岸坡護(hù)坡方案,采用建模仿真計(jì)算方法,分析了岸坡在靜、動(dòng)力工況下位移、應(yīng)力變化,為分析岸坡安全穩(wěn)定性提供了計(jì)算依據(jù);李家棟[8]、王瓊亞等[9]為研究不良土層岸坡穩(wěn)定性,提出采用土體物化改良方法,對(duì)岸坡土層進(jìn)行改良設(shè)計(jì),分析了改良后岸坡土體力學(xué)特性與岸坡安全穩(wěn)定性;從物理模型試驗(yàn)研究入手,李健等[10]、許彬等[11]設(shè)計(jì)了不同設(shè)計(jì)方案下的岸坡模型,探討了各類型護(hù)坡方案下,岸坡土層水力特性及安全穩(wěn)定性。本文為研究潭江開(kāi)平段堤防岸坡生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)方案下土層含水特征及安全穩(wěn)定性,采用模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種護(hù)坡方案,并據(jù)此分析了岸坡內(nèi)土層含水變化及受降雨因素影響特性。

1 研究方法

1.1 工程背景

作為地區(qū)內(nèi)重要水利通道,潭江在江門(mén)市境內(nèi)河道全長(zhǎng)63.7km,河面寬度最大可達(dá)900m,集水面積超過(guò)909.5km2,涉及區(qū)域內(nèi)司前、大澤、會(huì)城等鄉(xiāng)鎮(zhèn),承擔(dān)著各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)灌溉、蓄水調(diào)度及通航等水利功能。潭江全河段內(nèi)包括有多座節(jié)制水閘、供水樞紐及電排站等水工設(shè)施,水閘設(shè)計(jì)最大控流量為125m3/s,電排站設(shè)計(jì)排澇流量最大為35.8m3/s,均位于潭江中下游區(qū)域,有效保障下游河段防洪堤防安全穩(wěn)定性,監(jiān)測(cè)表明2020年臺(tái)風(fēng)天氣中堤防最大滲透坡降未超過(guò)0.25。受歷年臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害影響,潭江開(kāi)平段局部堤防出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)營(yíng),特別是在潭江開(kāi)平段樁號(hào)4+500～8+350,河道水流流速最大可達(dá)2.3m/s,全河道斷面平均流速為1.4m/s,兩側(cè)堤防出現(xiàn)坡降滑移、局部出現(xiàn)坡面硬化混凝土沖刷脫落等現(xiàn)象;另一方面,由于開(kāi)平市區(qū)潭江部分區(qū)段正進(jìn)行河道清淤,對(duì)兩側(cè)堤防進(jìn)行拓寬開(kāi)挖,進(jìn)一步加劇了堤防迎水側(cè)不安全性,特別是堤防岸坡出現(xiàn)顯著的滑移,岸坡坡底面防滲層受水侵蝕嚴(yán)重。為此,工程管理部門(mén)考慮對(duì)開(kāi)平潭江河段進(jìn)行生態(tài)治理,重點(diǎn)圍繞堤防岸坡護(hù)坡設(shè)計(jì),據(jù)調(diào)研,治理河段全長(zhǎng)為6.5km,其中包括清淤段3.5km,需重新進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計(jì)區(qū)段長(zhǎng)度超過(guò)3km。

從潭江開(kāi)平段堤防調(diào)研得知,其設(shè)計(jì)為50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),堤頂配置有生態(tài)景觀帶,圖1為其典型堤防岸坡設(shè)計(jì),坡面與坡頂處構(gòu)建起完善的植物生態(tài)體系,對(duì)河段內(nèi)水生態(tài)環(huán)境治理有所幫助。但目前存在的問(wèn)題主要包括兩側(cè)岸坡受清淤開(kāi)挖,導(dǎo)致坡內(nèi)土體應(yīng)力穩(wěn)定性出現(xiàn)失衡,另一個(gè)則是岸坡坡面部分硬化層受水侵蝕、沖刷影響,無(wú)法有效形成硬化層與生態(tài)植被層的有機(jī)協(xié)調(diào)。因而,對(duì)開(kāi)平段堤防進(jìn)行岸坡整治很有必要,特別是岸坡部分土體為吸水性較大的粉質(zhì)壤土,在含水量較高時(shí)易出現(xiàn)較大沉降變形,對(duì)岸坡的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。為此,開(kāi)平段堤防管理部門(mén)考慮以清淤段5+650～5+800區(qū)段內(nèi)典型岸坡為分析對(duì)象(圖1),從生態(tài)植被護(hù)坡層的恢復(fù)設(shè)計(jì)入手,探討其對(duì)岸坡穩(wěn)定性的加持作用。

圖1 5+650～5+800區(qū)段岸坡立面

1.2 研究過(guò)程

為探討潭江開(kāi)平段生態(tài)護(hù)坡重設(shè)后岸坡穩(wěn)定性,本文設(shè)計(jì)有四種不同生態(tài)護(hù)坡形式,且為研究含水工況下岸坡穩(wěn)定性,設(shè)定有降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)因素。以5+650～5+700區(qū)段岸坡為研究對(duì)象,分別設(shè)定生態(tài)護(hù)坡植被為金銀花、四季青,硬化層均采用同一防滲混凝土石籠網(wǎng)格,圖2為其中兩種典型植被。

(a)金銀花

(b)四季青圖2 典型植被

為研究岸坡土體含水狀態(tài)下穩(wěn)定性特征,設(shè)計(jì)有模擬降雨試驗(yàn),按照研究區(qū)段岸坡的坡度及土體壓實(shí)狀態(tài),設(shè)計(jì)有岸坡物理模型,且在該岸坡內(nèi)布置有多個(gè)含水特征監(jiān)測(cè)傳感器,如圖3所示。該模型按照相似比尺1/10,設(shè)計(jì)坡體軸長(zhǎng)為5m,坡頂軸長(zhǎng)為2.5m,坡高為2.5m,土層以實(shí)際工程岸坡土體堆筑,土體滲透系數(shù)為7.2×10-4cm/s,按照分層壓實(shí)度對(duì)照原則,確保岸坡工程與模型夯實(shí)狀態(tài)一致。按照均勻布置、點(diǎn)面結(jié)合的原則,設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,斷面間距為1m,所在位置如圖3中標(biāo)注;岸坡每個(gè)斷面所在位置布設(shè)傳感器8個(gè),故岸坡內(nèi)傳感器總數(shù)為24個(gè),達(dá)到對(duì)整個(gè)岸坡模型的上、中、下及橫向?qū)吶S度監(jiān)控。

圖3 模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)示意

由于需要模擬降雨條件,采用便攜式人工模擬降雨器進(jìn)行降雨試驗(yàn)。降雨條件分為降雨強(qiáng)度與降雨時(shí)長(zhǎng)兩因素,前者按照堤防岸坡最大危險(xiǎn)降雨強(qiáng)度150mm/h為邊界值設(shè)定,共設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度有30mm/h～150mm/h,每梯次30mm/h的五個(gè)方案,且設(shè)定有無(wú)降雨0mm/h對(duì)照方案。降雨時(shí)長(zhǎng)按照岸坡失穩(wěn)極限值要求[12],設(shè)定降雨時(shí)長(zhǎng)分別為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h?；诮涤陾l件影響,開(kāi)展對(duì)岸坡模型土體含水特征及岸坡穩(wěn)定性分析。

2 不同護(hù)坡形式下岸坡土體含水特征

2.1 降雨強(qiáng)度影響

根據(jù)24個(gè)傳感器所在各斷面監(jiān)測(cè),獲得了坡體軸長(zhǎng)各斷面土體的最大含水量變化特征,如圖4所示。從圖中土體體積含水率變化特征可知,有降雨條件下含水量變化特征呈一致性,而無(wú)降雨下含水量在坡體各斷面上呈遞增變化。以金銀花生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)為例,降雨0mm/h下坡體下部斷面4m、中部2.5m處含水量較之上部斷面0.5m處分別增長(zhǎng)了137.7%、59.2%,坡體全軸面上含水量在各斷面間平均增幅為12.3%,表明無(wú)降雨條件下岸坡內(nèi)土體含水量來(lái)源趨向于地表徑流活動(dòng)。在各降雨工況下,降雨強(qiáng)度愈大,則岸坡土體含水量愈高,但含水量的漲幅在各降雨強(qiáng)度工況中為遞減變化,如降雨強(qiáng)度30mm/h下坡體斷面3m處含水量為9.6%,而降雨強(qiáng)度為90mm/h、120mm/h、150mm/h時(shí)同斷面處含水量分別增長(zhǎng)了58.5%、85.5%、120.3%;降雨強(qiáng)度30mm/h岸坡斷面土體平均含水量為8.3%,而降雨強(qiáng)度每增長(zhǎng)30mm/h,全斷面土體含水量平均增幅為28.5%,而在降雨強(qiáng)度30mm/h～90mm/h梯次內(nèi)具有平均增幅31.7%,在此之后平均漲幅為21.1%。分析認(rèn)為,降雨強(qiáng)度愈大,土體含水量愈高,其本質(zhì)上乃是由于降雨水分突破土體滲透層,土體吸收較多水分,進(jìn)而體積含水量參數(shù)增高,但當(dāng)降雨強(qiáng)度愈大,土體內(nèi)部吸收的水分終究是有限的,因而愈大的降雨強(qiáng)度,只會(huì)更容易“突破”土層滲透,但對(duì)其含水量的促進(jìn)作用卻是有限的[13]。

(a)金銀花生態(tài)護(hù)坡

(b)四季青生態(tài)護(hù)坡圖4 降雨強(qiáng)度影響下岸坡土層含水量特征

從各降雨工況中含水量變化可知,其呈“穩(wěn)定-遞增-穩(wěn)定”三階段變化,其中穩(wěn)定階段位于上部斷面中,而遞增-穩(wěn)定階段為中、下部斷面,表明降雨工況下岸坡土體含水量的變化乃是從上部逐步延伸至下部,且以下部土層中徑流量更活躍。特別地,當(dāng)降雨強(qiáng)度愈大,則上部斷面穩(wěn)定持續(xù)階段更短,如金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)中,在降雨強(qiáng)度30mm/h下穩(wěn)定段持續(xù)斷面為0～1.5m,而在降雨強(qiáng)度90mm/h、120mm/h下穩(wěn)定段持續(xù)斷面分別為0～1m、0～0.5m。由此可知,降雨強(qiáng)度會(huì)影響岸坡上部斷面土層含水量特征,特別是降雨強(qiáng)度愈大,更容易導(dǎo)致上部斷面的含水量出現(xiàn)遞增狀態(tài),并趨向于下部土層含水量。

對(duì)比兩種護(hù)坡形式的土體含水量變化特征可知(見(jiàn)圖4),相同降雨強(qiáng)度下坡內(nèi)土體含水量變化特征為一致,僅有量值上差異,以四季青生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)下含水量更低,如在降雨強(qiáng)度90mm/h下,兩者含水量差幅分布為38.7%～44.7%。另一方面,在坡內(nèi)上、中及下部土層中,土體含水量差幅弱于金銀花護(hù)坡體,如在含水量的“遞增-穩(wěn)定”段,降雨強(qiáng)度120mm/h下,含水量變幅為13.3%,而金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)下含水量變幅可達(dá)22.5%。由此可知,四季青護(hù)坡設(shè)計(jì)下,對(duì)土層防滲體系加固效應(yīng)更為顯著,且對(duì)坡內(nèi)各部位土層的防護(hù)具有一致性。

2.2 降雨時(shí)長(zhǎng)影響

降雨時(shí)長(zhǎng)乃是影響岸坡土體含水量的重要因素,圖5為各降雨時(shí)長(zhǎng)岸坡土體含水量變化特征。從圖中可知,兩種護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中,土層含水量變化特征與圖4呈一致性,但降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)土層含水量影響具有特殊性。當(dāng)降雨時(shí)長(zhǎng)愈長(zhǎng),則土層含水量愈高,同時(shí)促進(jìn)效果愈為顯著,在金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中,降雨時(shí)長(zhǎng)0.5h下全土層內(nèi)平均含水量為11.3%,而降雨時(shí)長(zhǎng)每增大0.5h,其岸坡土層內(nèi)含水量平均可增長(zhǎng)36.8%,特別是在降雨時(shí)長(zhǎng)2h后,其平均增幅可達(dá)36.8%。相比之下,四季青護(hù)坡設(shè)計(jì)形式抗?jié)B效果顯著,在各降雨時(shí)長(zhǎng)中土層含水量變幅具有一致性,如在降雨時(shí)長(zhǎng)每增大0.5h下,其土層含水量?jī)H有23.2%增幅。另一方面,降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)形式下土層含水量“遞增-溫度”段無(wú)顯著影響,而四季青可顯著縮短此兩階段變化[14],在降雨時(shí)長(zhǎng)1.5h工況下,金銀花護(hù)坡方案下的土層含水量“遞增-穩(wěn)定”段為斷面1m～5m,而四季青護(hù)坡方案下為2m～5m,顯著減少了岸坡內(nèi)土層含水量的不穩(wěn)定段。

(b)四季青生態(tài)護(hù)坡圖5 降雨時(shí)長(zhǎng)影響下岸坡土層含水量特征

3 不同護(hù)坡形式下岸坡穩(wěn)定性

本文采用Midas GTS仿真平臺(tái)建立岸坡典型模型,如圖6所示,該模型為金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì),二維尺寸參照模型設(shè)計(jì),相關(guān)土層滲透系數(shù)與抗剪等物理參數(shù)按照土工實(shí)測(cè)取值,護(hù)坡厚度為0.85m。研究工況按照降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)劃分,模擬其各方案中土層節(jié)點(diǎn)滲流量變化,并采用強(qiáng)度折減法計(jì)算獲得岸坡安全穩(wěn)定系數(shù)。

圖6 岸坡計(jì)算模型

根據(jù)對(duì)降雨因素影響下岸坡安全系數(shù)計(jì)算,獲得各工況下岸坡安全系數(shù)變化特征,如圖7所示。從圖中安全系數(shù)變化可知,岸坡安全系數(shù)與降雨時(shí)長(zhǎng)為負(fù)相關(guān)變化,降雨時(shí)長(zhǎng)愈長(zhǎng),則安全系數(shù)愈低,在金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中,降雨強(qiáng)度30mm/h下安全系數(shù)隨降雨時(shí)長(zhǎng)梯次0.5h變化而平均降幅9.1%,而在四季青護(hù)坡方案中,該強(qiáng)度方案下安全系數(shù)的平均降幅4.8%,即四季青護(hù)坡設(shè)計(jì)方案下岸坡抗滑移、抗傾覆效果高于金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)。從降雨時(shí)長(zhǎng)影響特征來(lái)看,兩種生態(tài)護(hù)坡方案均具有遞增特性,即愈長(zhǎng)的降雨時(shí)長(zhǎng),對(duì)岸坡安全系數(shù)削弱效果愈大[15-16],在降雨時(shí)長(zhǎng)1h后安全系數(shù)降幅趨增。降雨強(qiáng)度與岸坡安全系數(shù)亦為負(fù)相關(guān)變化,同降雨時(shí)長(zhǎng)2h下,金銀花護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中降雨強(qiáng)度為30mm/h下岸坡安全系數(shù)為3.04,而降雨強(qiáng)度每梯次增長(zhǎng)60mm/h后,其安全系數(shù)平均減小28.7%;當(dāng)護(hù)坡方案為四季青時(shí),其安全系數(shù)隨之平均減少16.7%。同樣的對(duì)比在其他降雨強(qiáng)度方案中亦是如此,均以四季青方案下降雨強(qiáng)度影響效應(yīng)較弱。綜上分析可知,四季青生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)對(duì)岸坡受降雨因素影響敏感更弱。

(a)金銀花生態(tài)護(hù)坡

(b)四季青生態(tài)護(hù)坡圖7 降雨因素影響下岸坡安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文主要獲得以下三點(diǎn)結(jié)論:

(1)降雨工況下土層含水量變化特征呈一致性,為“穩(wěn)定-遞增-穩(wěn)定”三階段變化,降雨強(qiáng)度愈大,則岸坡土體含水量愈高,但增幅遞減。四季青生態(tài)護(hù)坡設(shè)計(jì)下含水量最低,含水量變幅小于金銀花護(hù)坡。

(2)降雨時(shí)長(zhǎng)愈長(zhǎng),則土層含水量愈高,金銀花、四季青護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中,降雨時(shí)長(zhǎng)每增大0.5h,土層含水量分別有36.8%、23.2%的增幅。四季青護(hù)坡方案中含水量變幅斷面較小。

(3)岸坡安全系數(shù)與降雨時(shí)長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度均為負(fù)相關(guān)變化,金銀花、四季青護(hù)坡設(shè)計(jì)方案中,降雨強(qiáng)度30mm/h下,降雨時(shí)長(zhǎng)梯次0.5h變化,安全系數(shù)平均降幅分別為9.1%、4.8%。四季青護(hù)坡方案中安全系數(shù)受降雨強(qiáng)度影響效應(yīng)弱于金銀花護(hù)坡方案。