堤防岸坡黏土生态改良下力学特征及护坡稳定性分析研究

蔡宝宙

(广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510000)

水利工程中常遇到不良土体，而对不良土体的治理是工程设计的重点，有效的土体改良对提升水利设施运营可靠性具有较大帮助，故研究不良土体改良方法很有必要。常用的土体改良方法有物化改性[1-2]、生态改良[3]等，其中，生态改良方法在绿色建造、生态环境保护等方面具有较大优势。许江波等[4]、马滔[5]、段喜璐等[6]从土体力学特征的计算方法入手，采用PFC等离散元模型分析土体在模拟荷载下变形、应力等特征，并借此分析不同改良土的力学差异，为工程设计提供参照。周宇等[7]、王佩等[8]从土体宏、细观变形破坏特征入手，借助电镜、XRD等细观分解方法探讨土颗粒与改性剂之间的结合性，为土体与改性剂的最佳设计提供依据。室内试验可研究不同环境下土体力学特征差异，马柯等[9]、蒋希雁等[10]、巩齐齐等[11]通过对土体开展三轴或其他类型试验，研究原状与改良土的力学特征差异，分析生态植被根系因素或其他改性剂因素对土体力学特性的影响，从而为工程不良土体的改良设计提供佐证。本文基于北江流域堤防岸坡不良土体治理问题，开展不同根系直径的生态植被改良分析，探讨植被根系直径对改良土力学特征影响，从而为水利设施的加固防护试验提供参考。

1 工程背景

北江是流经韶关、清远等粤北城市的重要地表干流，对流域内农业生产、生活用水等供应带来较大保障，如何有效保障北江流域水利安全是工程管理部门的重中之重。北江流域干流总长度达460 km，水系支流发育丰富，年地表径流量可达125万m3，水资源调度惠及连州、石角等城区。为控制北江流域水利生态安全，上游建设有清远水利枢纽，中游建设有飞来峡水库，下游建设有英德调水枢纽。其中，清远水利枢纽具备发电、通航、蓄水调度、防洪排涝等水利功能，设计最大库容为1560万m3。与之相连的清远农业灌区干渠长度为85 km，设计渠首最大流量为7.5 m3/s，灌溉保证率90%下年可供应水量超过300万m3，面向地区生活用水、工业用水等方面，采用可调节式调压塔控制输水管道，管径为DN150，采用双层衬砌结构，输水耗散率不超过10%，清远灌渠也采用与输水管道相一致的衬砌结构，可承受动水压力50 kPa。输水灌渠建设渠坡长度为55 km，由于清远水利枢纽下游灌区发育较多沉降变形较大的黏性土，渠坡稳定性欠佳，因而，考虑采用生态植被护坡方法进行加固。飞来峡水库下游的石角城区堤防工程由于采用堆筑坝形式，堤底下卧黏土层受自重影响，堤坝防洪高度逐年下降，不利于北江石角城区段防洪安全。飞来峡水库流域受人类活动、汛期台风降雨等综合因素作用，流域内水土流失率较高，达60%，且植被覆盖率归一化参数仅为0.2，泥沙裹挟进入飞来峡水库内，导致库床水位逐年攀升，目前，蓄水库容相比设计值降低了38%。另一方面，水土流失导致进入石角城区河段的含沙量较高，对本就不稳定的石角堤防带来较大冲刷势能，水文监测表明，最大含沙量可达7.5 kg/m3。考虑到北江流域内水土防护特征，特别是和堤防与渠坡安全性密切相关，对渠坡及堤防的不良土体进行治理改良很有必要。为此，水利部门从工程勘察入手，选定渠坡、堤防等均涉及的黏土体为改良对象，采用生态植被方法对其进行改良，有效改善水利工程运营水平。

2 材料与方法

本文针对改良土开展三轴剪切试验，采用GCTS三轴剪切仪进行加载，该试验设备加载台内可同步监测试样变形、荷载状况，并实时传输至中控系统，确保实验过程中样品加载可控。设备最大荷载可达150 kN，可根据工程环境需要，添加相应的高温场、气体渗透等耦合场，试验中采用LVDT作为轴向变形测量主要设备，该传感器最大量程可达20 mm，可有效应对高围压下土体大变形测量问题，且试验程序中设定有土体应变达16%停机响应。三轴围压装置采用活塞位移推动控制，最大围压可达20 MPa，不论是围压或是剪切荷载等，力学传感器的波动稳定均低于1%。根据对清远灌区渠坡及石角堤防土体分析，两者土体性质基本接近，均为黏质土体，黏质含量较高，超过35%，颗粒粒径不超过3.6 mm，本文以石角堤防钻孔土样为试验对象，并采用高羊茅草为生态植被改良主材。在室内将试验样品重塑后，在不同根系直径的高羊茅草培育液中，完成28 d同条件下培养，后采用环刀法从各培养皿土样中取出试验土样，在饱和养护12 h后，完成三轴剪切试验。

本文试验对象虽仅为石角堤防黏土体，但研究成果需为清远灌区渠坡护坡设计提供参考，因而生态植被的培育根系直径分别设定为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm 共7个方案，并设定原状黏土试验对照组[12]，所有样品均环刀法取样制备不少于3个，试样为圆柱体，径、高尺寸分别为50 mm、100 mm。剪切试验中设定围压为100～400 kPa，阶次为100 kPa共4个方案。基于上述生态植被改良土试验方案，探讨改良土力学特征，并分析改良土堤防岸坡安全稳定性。

3 改良土力学特征

3.1 应力应变特征

根据对不同根系直径改良土三轴试验，获得植被根系特征影响下的改良土应力应变特征，如图1所示。从图中可看出，不论根系直径为何值，改良土试样承载应力水平均高于原状土，且根系直径愈大，则改良土承载应力愈高；在围压100 kPa下，应变5%时根系直径0.8 mm、1.2 mm、2.0 mm 的改良土加载偏应力较原状土分别增大了0.62倍、1.10倍、1.86倍。对比改良土三轴抗剪应力特征参数，根系直径0.8 mm试样抗剪应力为259.4 kPa，而随根系直径每增大0.2 mm，围压100 kPa下改良土试样抗剪应力平均增幅为7.9%，而围压400 kPa下增幅达9.4%。由此可知，根系植被有助于提升黏土承载稳定性，而围压愈大，各试样间承载应力水平均递增，根系直径0.8 mm改良土抗剪应力提升了1.29倍，而根系直径1.2 mm、2.0 mm试样抗剪应力分别增高了1.26倍、1.19倍，即根系直径愈小，围压效应愈敏感；同时，增大围压，根系直径差异化对改良土抗剪应力的影响效果也更显著。但不可忽视，抗剪应力受根系直径的影响敏感度在递减，如围压100 kPa下，根系直径小于1.6 mm下，即方案0.8～1.6 mm时，各试样间承载应力水平差异较大，当植被根系直径增大0.2 mm时，其抗剪应力的平均增幅可达11.3%，超过该围压整体方案间平均增幅；同样围压400 kPa下亦是如此，该根系直径低于1.6 mm时，其抗剪应力的平均增幅达12.8%。笔者认为，生态植被改良土的内在本质为改善原状土内部颗粒间咬合、协调及整体承载特性，对原状土的颗粒孔隙具有堵塞、充填作用，而随培养皿中根系直径增大，其对原状土颗粒孔隙结构的改良能力，会受到大直径根系的扰动影响，原状土内部孔隙被植物根系影响效应会抑制，导致改良土承载应力增长效果有所减弱；同时，围压增大，有助于削弱大直径根系的扰动影响，因而，根系直径的影响在高围压下更显著[13-14]。

图1 根系直径对改良土试样应力应变影响

从变形特征对比来看，各改良试样的变形特征基本保持一致，在低围压下均具有变形破坏后的应力陡降段，呈脆性变形特征，峰值应变在各改良土试样中基本接近，但均低于原状土，根系直径0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm四个改良土试样峰值应变稳定在6.7%～7.0%。高围压下，改良土试样抗剪应力后延性变形发展较显著，四个改良土试样均具有较长延性变形，如根系直径1.6 mm试样延性变形段应力降幅不超过5%。不论是围压100 kPa抑或是400 kPa，均以根系直径较高者试样的弹性变形模量更大，围压100 kPa下根系直径1.2 mm、2.0 mm试样弹性模量较之0.8 mm下分别增大了28.3%、109.2%。作为地区堤防和渠坡土体生态改良措施，根系直径控制在1.4～1.6 mm时较之更为有利，对水利设施的加固保护作用更为明显。

3.2 抗剪特征参数

图2为基于三轴力学试验所获得了抗剪特征参数影响变化。从图中可知，两抗剪特征参数与根系直径均为正相关特性，但均具有两阶段变幅特征。在根系直径为0.8 mm时，试样黏聚力参数为34.3 kPa，而在根系直径不超过1.6 mm时，随根系直径梯次0.2 mm变化，其黏聚力的增幅可达1.9%，同样内摩擦角参数增幅可达2.5%；而在根系直径超过1.6 mm后，两参数的增幅分别仅为0.2%、0.3%，此也印证了前文承载应力水平的敏感性减弱效应。另一方面，对比两抗剪特征参数可知，黏聚力在根系直径全方案中分布为34.3～36.6 kPa，其受根系直径影响敏感度低于内摩擦角；这说明生态植被对土体的改良，主要是改善颗粒间咬合、摩擦作用，增强土颗粒骨架整体摩擦阻力及稳定性。

图2 抗剪参数受根系直径影响

4 堤防岸坡稳定性特征

根据不同根系直径生态改良堤防岸坡，利用Abaqus建立堤防Z2+285区段几何模型[15]，如图3(a)所示，并采用模型单元网格进行有限元划分，获得图3(b)所示岸坡计算模型，共有模型微单元28 562个，22 635个节点数。模型上、下水位均以河道蓄水运营期计算，岩土体物理力学参数按照土工实测取值，而改良土采用主根系受拉构件为概化模型，力学本构参数以实际改良土试验取值。

图3 堤防岸坡模型(单位：mm)

根据岸坡稳定性计算，获得不同根系直径下岸坡最大位移及安全系数变化特征，如图4所示。从图中可知，岸坡最大位移随根系直径最大为递减变化，原状土岸坡增大位移为11.93 mm，而根系直径1.0 mm、1.6 mm、2.0 mm改良土岸坡的最大位移较前者分别减少了37.6%、63.4%、65.6%，岸坡最大位移参数在根系直径1.6 mm改良土方案后降幅减缓，且接近停滞状态，在根系直径1.6～2.0 mm方案中，岸坡最大位移的变幅最大仅为0.9%，平均变幅仅为0.8%，表明控制岸坡根系直径在1.6 mm前区间方案更佳。与之同时，岸坡安全系数与根系直径具有正相关关系[16]，其在根系直径1.6～2.0 mm方案内安全系数基本接近，稳定在2.2，而在根系直径低于1.6 mm时，随根系直径阶次0.2 mm变化，安全系数的平均增幅达4.8%。综合岸坡稳定性特征可知，改良土岸坡稳定性显著高于原状土，但植被根系直径控制在1.6 mm 左右更为有利。

图5为原状土和根系直径1.6 mm下岸坡位移分布特征。从图中可知，改良土方案下土体位移分布量值均低于原状土，且岸坡内潜在滑移面控制较佳，大位移值区间分布区域较小，生态改良效果显著。

图4 岸坡安全稳定性受根系直径影响

图5 岸坡位移分布

5 结 论

(1)改良土承载应力均高于原状土，根系直径愈大，改良后应力水平愈高，但根系直径1.6 mm后应力增幅减缓，根系直径0.8～2.0 mm方案间，围压100 kPa、400 kPa下改良土试样抗剪应力平均增幅为7.9%、9.4%；根系直径愈小，围压效应愈敏感；根系直径对变形发展态势影响较小，同围压下改良土变形特征具有一致性，但根系直径愈大，弹性模量愈大。

(2)抗剪特征参数与根系直径均为正相关特性，但变幅具有阶段差异，根系直径不超过1.6 mm下，每梯次根系直径0.2 mm，可导致其黏聚力、内摩擦角增幅达1.9%、2.5%，而在根系直径超过1.6 mm方案内，此两参数的增幅分别为0.2%、0.3%；前者受根系直径影响敏感度低于后者。

(3)岸坡最大位移随根系直径增大为递减，而安全系数随之为递增，但两者均在根系直径1.6 mm 后出现变幅差异，最大位移、安全系数在该方案后分别呈降幅减缓与增幅停滞态势；根系直径1.6 mm改良土方案下岸坡位移分布较合理，安全性较高。

(4)对比可知，生态植被根系直径为1.6 mm时更利于流域不良土体改良。