基于生态护坡理念的河道岸坡土体力学试验及安全稳定性研究

黄志豪

(广州市花都区赤坭镇农业农村技术服务中心，广东 广州 510830)

1 工程背景

北江为广东地区重要地表供水来源，其丰富的水资源、流域宽广性及多梯级水利枢纽等，使北江成为粤北、粤东地区重要干流，总流域面积达4.7万km2，年平均径流量超过156亿m3，支流水系涉及清远、石角、英德等地区，包括有官田水、连江等，流域内水系分布如图1所示。与英德地区密切相关的支流为连江支流，该支流全长为265 km，控制流域面积超过1.0万km2，乃是北江在粤东北地区重要中游水源补充支流，对北江河道水质净化、泥沙沉降具有举足轻重作用。北江上游多梯级水利枢纽分布在清远、韶关等地区，而英德为梯级水利枢纽的中游地带，连江是其中重要供水支流，各水利枢纽年供水量超过1000万m3，包括地区农业灌溉、居民生活用水等，所建设的输水干渠延伸长度超过150 km，对英德、石角等地区农业生产具有较大促进作用，改善地区水资源分布离散现状。

图1 北江流域水系分布

与连江支流水利安全密切相关的为韶关水利枢纽工程，该工程规划具有发电、水资源调度及蓄洪排涝等作用，规划年发电量超过2000万kW·h，设计年泄流量超过600万m3进入下游英德地区，该水利枢纽一期投入运营包括四孔式泄流溢洪道设施，设计最大泄流量为150 m3/s。由于北江流经韶关山地地区，干流裹挟有大量泥沙，该流段内水土流失较严重，导致进入下游英德地区泥沙量常年稳定在3.5～5.0 kg/m3，对英德连江地区水利工程具有较大冲刷影响，包括堤防、引水闸等水利设施。监测表明，受泥沙悬浮影响，英德输水干渠引水闸前泥沙淤积厚度以每年50 cm增长，闸前入流量常年下降。另一方面，连江堤防大部分采用混凝土挡墙护坡，挡墙工程受泥沙冲刷、沉积影响，在部分堤防堤脚处形成空洞，导致护坡挡墙受损严重，部分墙趾高度从设计值0.4 m 降低至0.20～0.25 m，墙底宽度仅为1.5～1.6 m，导致局部河段岸坡出现不稳定因素，渗流活动也显著活跃。为此，工程设计部门考虑对连江英德河段内岸坡开展护坡加固设计改进，为增强连江两岸水土保持力度，设计采用植被生态护坡形式特别是改善Z3+682～Z4+252岸坡不良黏土层。本文从生态护坡设计角度出发，研究黏土层岸坡生态护坡改善下稳定性。

2 试验介绍

生态植被护坡设计本质上是对岸坡土体进行生态改良，一方面改善岸坡土体力学稳定性，另一方面植被根系对岸坡潜在滑移面进行加固，增强岸坡静力稳定性，因而本文主要从根系植被复合土力学特征研究与岸坡安全稳定性应变化入手。力学研究借助SDS三轴剪切试验设备，该试验设备可完成三轴多状态下剪切试验、土体渗流试验等，试验围压最大可为20 MPa，力学传感器采用点触式测量装置，最大量程为500 kN，本试验中选用的量程为100 kN。变形数据以LVDT实测采集，其中LVDT装置量程为-15～15 mm。所有试验装置均在试验前完成误差标定工作，确保试验精度与误差符合试验规程要求[1-2]。

由于连江英德河段黏土层岸坡分布较长，且地勘表明土层延性基本接近，因而本文以桩号Z4+115～Z4+125区段岸坡为分析对象，所有试验土样均来自岸坡现场取样。为制备根系植被复合土，所有工程取样在室内进行重塑，后在相应的植被营养液中完成培育，改良龄期均统一设定为30 d，初始根系植被均采用20 d龄期的植苗。本试验中有多花木兰与狗牙根两种根系植被，图2为两种成熟植被的根系发育。

图2 生态护坡根系植被

所有重塑土分别在多花木兰与狗牙根两种根系植被的同等养护条件下，完成植被复合土培育，30 d后采用环刀法从生态培植土中取出力学试验样品，如图3所示。本文研究植被复合土力学特征设定有两个影响因素，一个为植被品种，另一个为植被营养液根系植被培植密度ρ，该密度参数取值设定为培养皿中栽育的植被数量，分别设定该密度参数为2～20株，方案梯次为3，共有7个植被复合土方案，另设置有一个原状土养护对照方案。

图3 环刀法制备植被复合土

采用三轴剪切试验开展植被复合土力学特征研究，设定围压分别为100 kPa、300 kPa，两种根系植被复合土分别依次开展剪切加载破坏试验，试验参数如表1所示。基于不同品种植被、植被培植密度因素影响特性分析，探讨连江英德段植被改良土力学特征，并基于改良土物理力学特征，开展岸坡安全稳定性分析。

表1 试验因素

3 植被复合土试验力学特征

3.1 植被品种影响

根据不同品种的植被复合土三轴力学试验，获得两围压下植被品种与原状土应力应变特征，如图4所示。分析三种试样加载应力可知，两种植被复合土承载应力较原状土均有提升，表明生态植被改良下岸坡土体力学稳定性提高。对比两种复合土承载应力可知，以多花木兰(A类)复合土试样最高，围压100 kPa下，加载应变均为5%时A类试样偏应力为362.9 kPa，而狗牙根(B类)复合土、原状土试样加载水平较之分别减少了27.7%、53.3%。当围压增大后，原状土与植被复合土的承载应力差距更大，同是应变5%下原状土、B类复合土较A类复合土分别减少了68.6%、35.7%。对比抗剪强度亦可知，原状土在围压100 kPa、300 kPa下分别为215.7 kPa，而在围压100 kPa下，A类、B类复合土试样抗剪强度较前者分别提高了71.4%、36.4%，而在围压300 kPa下的增幅分别为102.3%、46.6%。另一方面，在围压300 kPa与100 kPa对比下，A类、B类复合土试样抗剪强度分别提高了1.33倍、1.10倍，而原状土提升了98.8%。由此可知，围压增大，植被复合土对原状黏土体的改良作用更为显著，承载应力水平受影响敏感度更高，且以A类根系植被复合土体最为敏感。根系植被培育原状土，本质上可改善松散颗粒骨架稳定性，微细植被根系可对原状土内部孔隙起着填充、堵塞作用，从而复合土体承载应力更高，这也是岸坡生态护坡设计的力学基础[3-4]。

图4 植被复合土三轴应力应变特征

从变形特征对比来看，围压100 kPa下三个试样应变发展态势基本一致，峰值应变基本接近，稳定在5.7%～6.9%，峰值应力后均发生了陡降。试样弹性模量最高以A类复合土为最高，在围压100 kPa、300 kPa下分别为103.30 kPa、230.98 kPa，而B类复合土、原状土模量值在围压100 kPa下较前者分别减少了33.9%、65.4%，模量参数影响特性与承载强度基本一致。当围压增大至300 kPa下，两种复合土试样均具有延性变形特征，峰值应力后应力降幅分别为6.5%、12.8%，而原状土仍具短时脆性破坏特征，即围压较大时，复合土可改变原状土脆延性变形特征，但低围压下变形发展态势受影响较小。

3.2 植被覆盖密度影响

不同植被覆盖密度下复合土试样应力应变特征，如图5所示。

图5 植被覆盖参数影响下复合土应力应变特征

观察图中应力应变特征可知，当覆盖密度愈大，则复合土承载应力水平愈高，即植被覆盖密度与改良复合土的承载能力具有正相关特性。如B类复合土在应变5%、覆盖密度2株时试样承载应力最低，仅为151.2 kPa，但覆盖密度为8株、11株、20株时，加载应力均有增加，增幅分别为59.5%、104.7%、128.9%。从B类复合土试样的抗剪强度对比可知，覆盖密度2株时强度为192.7 kPa，当覆盖密度方案每阶次增长3株时，该类型复合土强度平均增幅为10.6%，而A类复合土平均增幅为15.5%。植被覆盖密度对复合土强度促进作用具有减弱态势，当植被覆盖密度超过11株后，强度增幅均减弱，A类复合土在覆盖密度11～20株梯次方案内，强度平均增幅为3.4%，低于全方案的平均增幅，更低于覆盖密度2～11株梯次区间的增幅。B类复合土亦是如此，其在覆盖密度2～11株与11～20株梯次区间内，强度分别为平均增幅17.4%、3.8%。从岸坡护坡经济性设计角度考量，控制根系植被覆盖密度在合适区间即可，并不需过大的植被覆盖密度，造成生态资源浪费。

两种根系植被复合土变形特征基本一致，改变植被覆盖密度参数，对复合土变形发展走向影响较小，A、B类复合土峰值应变分别稳定在6%～7%、5.8%～7%。当植被覆盖密度增大，两种复合土的弹性模量均有增加，A类复合土在覆盖密度11株、20株时弹性模量较2株时分别提高了1.52倍、2.02倍，覆盖密度每梯次3株增长，可引起弹性模量增加21.3%；同样B类复合土模量值也会提高17.8%。综合对比两种植被复合土，同等覆盖密度下复合土以A类承载应力最高，且与植被覆盖密度参数影响关联性更强，更适合该岸坡生态护坡设计，而覆盖密度11株的护坡设计更为经济合理。

4 岸坡稳定性特征

基于Z4+115区段内岸坡生态植被复合土力学特征研究，利用Abaqus建立岸坡数值计算模型，如图6所示，该模型采用复合土体作为基本单元，物理力学特征参数按照试验数据设定，计算该岸坡在不同品种植被、不同覆盖密度下安全稳定性。

图6 岸坡数值计算模型

基于Abaqus计算获得两种植被复合土岸坡安全系数随覆盖密度参数变化特征，如图7所示。分析安全系数变化可知，A类复合土岸坡安全系数在任一覆盖密度参数方案中均高于B类，在覆盖密度2～20株梯次内，两者安全系数的差幅分布为35.8%～43.8%。随覆盖密度参数递增，两种复合土岸坡安全系数均为递增，直至在覆盖密度11株 后出现增长停滞状态；在覆盖密度2～11株梯次区间内，A、B类复合土岸坡安全系数平均增幅分别为15.8%、14.6%，而在超过11株后，安全系数的增幅分别仅为5.5%、4.1%。分析说明，护坡设计时考虑植被覆盖密度参数在合理区间即可[5]，并不需过量的覆盖密度，计算结果表明，该合理区间为11株；安全系数结果也反映了A类多花木兰植被更适配该岸坡生态护坡。

图7 岸坡安全系数受覆盖密度参数影响特征

5 结 论

(1)多花木兰(A类)复合土承载能力最高，围压100 kPa下，A类、B类复合土抗剪强度较原状土分别提高了71.4%、36.4%，围压增大，植被复合土提升承载能力更显著；围压100 kPa下原状土与复合土均呈脆性变形，但围压增大，复合土具有延性变形特征。

(2)植被覆盖密度愈大，复合土承载应力水平愈高，但植被覆盖密度超过11株后，促进效果减弱，B类复合土在覆盖密度2～11株与11～20株梯次区间内，平均增幅分别为17.4%、3.8%，而A类复合土受影响增幅较B类更显著；植被覆盖密度参数对复合土变形发展走向影响较小。

(3)A类复合土岸坡安全系数最高，覆盖密度参数与安全系数具有正相关特性，但在覆盖密度11株后增幅减小，在覆盖密度2～11株梯次内，A、B类复合土岸坡安全系数平均增幅分别为15.8%、14.6%，而超过11株后，增幅分别仅为5.5%、4.1%。

(4)考虑植被覆盖密度与植被品种，认为覆盖密度11株时多花木兰植被生态护坡效果最好。