土工合成材料加固防洪堤對溢流侵蝕影響研究

章瑜

（塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

在設(shè)計河堤時，主要考慮的是如何防止一定水位下的沖刷、滲漏及地震帶來的破壞。但實際上，在高水位情況下，如果遭遇特大洪水、海嘯或風暴潮，堤壩有時會面臨決堤的風險[1，2]。為了增強壩體的防滲能力，通常會選擇在壩體頂部或坡面使用混凝土面板，然而，這會增加壩體的自重，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)來應(yīng)對河堤可能面臨的溢流侵蝕和地震風險至關(guān)重要。

土工合成加筋土（GRS）是一種創(chuàng)新技術(shù)，它通過直接將混凝土板與加筋土工格柵層相連接，顯著增強了結(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前需要解決的關(guān)鍵問題[5]。本文對GRS 堤壩進行加固和防滲處理，并對其在各種條件下的抗溢流侵蝕的效果進行了深入研究，此外，還探討了土工格柵層對堤壩入滲的影響。

1 研究方法

1.1 溢流實驗

該研究在一個5.000 m×0.200 m×0.350 m（長×寬×高，下同）的明渠模型中對GRS 堤壩進行溢流測試，如圖1 所示。通過壓實硅砂（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。此次試驗的模型比例設(shè)置為1∶25。根據(jù)Froude 相似準則[6]，將堤壩的溢流深度設(shè)置為0.060 m。該實驗的溢流流量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 相似準則，將模型堤壩溢出時間定為10 min，并作為實驗的目標溢流時間。

圖1 溢流模型試驗中使用的明渠示意圖（單位：m）

溢流侵蝕試驗的條件如表1 所示。為了增強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，降低水流對堤壩的沖刷作用；2）設(shè)置全長加筋和局部加筋的土工格柵層（圖2），以檢驗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。通過測試這3 種尺寸，以確定最適合防洪堤的網(wǎng)格尺寸。

表1 溢流侵蝕試驗條件

圖2 土工格柵加固條件

在實驗過程中，土工格柵層每隔0.020 m 鋪設(shè)1 次，并使用相機記錄堤壩側(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一步了解堤壩的侵蝕情況。

1.2 滲透實驗

為了研究土工格柵層對堤壩入滲能力的影響，在模擬堤壩上進行了滲透實驗。試驗是在1.200 m×0.200 m×0.450 m 的水槽中進行的，如圖3 所示。模型堤壩高0.200 m、寬0.100 m，坡度為1∶2，與溢流實驗條件相同，選用土方大堤和不加面板的GRS 堤壩（也采用3 種土工格柵，其尺寸與溢流實驗的尺寸相同）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，進行恒定水頭滲透試驗時，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，用墨水對水進行著色，同時記錄堤壩的側(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程。此外，為了測量堤壩的滲流量和侵蝕率，試驗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 橫截面形狀隨時間的變化。圖4 用虛線繪制了初始堤壩表面，并標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間變化情況（單位：s）

由圖4（a）可知，案例1-1 在t=10 s 時（t為從溢流開始算起的時間）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 時被侵蝕，在t=65 s 時侵蝕面到達堤頂，并在t=70 s 時導致堤身大部分坍塌。對比圖4（a）和（b）的截面形狀，可以發(fā)現(xiàn)防沖刷保護可以有效防止后坡腳的沖刷，進一步證明了沖刷防護能夠顯著提高鎧裝堤對溢流侵蝕的抵抗力。然而，在失去沖刷保護后，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 時堤身才部分坍塌，對比圖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。

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，有沖刷防護和無沖刷防護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，鎧裝堤在達到目標時間（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，沖刷防護同樣提高了其抗溢流侵蝕的能力，即使超過目標時間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)，引入沖刷防護是十分必要的。

圖5 橫截面積剩余率的時間變化

2.2 陡后坡和局部加固對邊坡的影響

為考察陡后坡對鎧裝堤和GRS 堤壩溢流侵蝕的影響，對鎧裝堤和GRS 堤壩在1∶2 和1∶0.5 坡度下截面積的剩余率進行了分析，見圖6。對于鎧裝堤，將后坡坡度從1∶2（案例1-2）陡化到1∶0.5（案例1-3）后，降低了其對溢流侵蝕的阻力，特別是在失去沖刷保護后，案例1-2 和案例1-3 的截面積剩余率迅速下降，最終導致鎧裝堤在目標時間前垮塌。而對于坡度為1∶0.5（案例2-4 和案例3-2）的GRS 堤壩，在目標時間后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 堤壩可以在目標時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間序列

通過對比全長和部分長度加筋的GRS 堤壩的實驗結(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）、細網(wǎng)格（案例2-5、案例3-3）為研究對象，探討格柵層的網(wǎng)格尺寸對抗溢流侵蝕能力的影響。圖7 顯示各案例下的堤壩破壞時間t90，t90代表截面積殘余率為90.0%的時間。

圖7 堤壩損壞時間t90

從圖7 可以看出，在全長和局部加固的GRS堤壩中，細土工格柵中的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 防洪堤能夠長期保持較高的截面積剩余率。

2.4 滲透實驗結(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 給出了各種入滲實驗條件下滲流線隨時間變化的結(jié)果（實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較高的流速。值得注意的是，無論是土堤還是GRS 堤壩，滲流線均呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象。此外，GRS 堤壩中浸潤線的不均勻高度并不一定與土工格柵層相對應(yīng)，說明在該實驗條件下并未觀察到沿著地質(zhì)網(wǎng)格層的水流路徑。對于土堤，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間變化情況（單位：s）

圖9 呈現(xiàn)了在不同入滲實驗情況下入滲面積比隨時間變化的規(guī)律。入滲面積比是將任意時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致的。

圖9 滲透面積比率的時間序列

由在水箱下游端測得的堤壩滲流量和侵蝕速率時間序列（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

本文對GRS 防洪堤的溢流侵蝕和入滲性能進行了深入研究，并強調(diào)了沖刷防護措施對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 堤壩則具有較強的抗溢流侵蝕能力。因此，選擇合適的土工格柵層尺寸對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驗，實際測量值的可信度仍需進一步研究。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。為了解決這些問題，后續(xù)應(yīng)開展高度大于1.000 m 的大型尺度模型試驗。