基于模型试验的堤防岸坡土层含水特征及安全稳定性影响研究

邹广明

(开平市水政监察大队,广东开平,529300)

0 引言

堤防岸坡安全稳定性关乎着水利河道运营可靠[1-2],不同的护坡设计,对岸坡安全稳定性具有差异性影响。常用的护坡设计包括有硬化坡面、格宾石笼等[3-4],而生态护坡设计乃是一种浅层护坡方案,其良好的生态效益与工程价值,在岸坡、边坡工程中得到较为广泛的应用。王章云等[5]、夏军强等[6]、宋欣玲等[7]为研究岸坡护坡方案,采用建模仿真计算方法,分析了岸坡在静、动力工况下位移、应力变化,为分析岸坡安全稳定性提供了计算依据;李家栋[8]、王琼亚等[9]为研究不良土层岸坡稳定性,提出采用土体物化改良方法,对岸坡土层进行改良设计,分析了改良后岸坡土体力学特性与岸坡安全稳定性;从物理模型试验研究入手,李健等[10]、许彬等[11]设计了不同设计方案下的岸坡模型,探讨了各类型护坡方案下,岸坡土层水力特性及安全稳定性。本文为研究潭江开平段堤防岸坡生态护坡设计方案下土层含水特征及安全稳定性,采用模型试验设计了两种护坡方案,并据此分析了岸坡内土层含水变化及受降雨因素影响特性。

1 研究方法

1.1 工程背景

作为地区内重要水利通道,潭江在江门市境内河道全长63.7km,河面宽度最大可达900m,集水面积超过909.5km2,涉及区域内司前、大泽、会城等乡镇,承担着各乡镇农业灌溉、蓄水调度及通航等水利功能。潭江全河段内包括有多座节制水闸、供水枢纽及电排站等水工设施,水闸设计最大控流量为125m3/s,电排站设计排涝流量最大为35.8m3/s,均位于潭江中下游区域,有效保障下游河段防洪堤防安全稳定性,监测表明2020年台风天气中堤防最大渗透坡降未超过0.25。受历年台风、暴雨等自然灾害影响,潭江开平段局部堤防出现不稳定运营,特别是在潭江开平段桩号4+500～8+350,河道水流流速最大可达2.3m/s,全河道断面平均流速为1.4m/s,两侧堤防出现坡降滑移、局部出现坡面硬化混凝土冲刷脱落等现象;另一方面,由于开平市区潭江部分区段正进行河道清淤,对两侧堤防进行拓宽开挖,进一步加剧了堤防迎水侧不安全性,特别是堤防岸坡出现显著的滑移,岸坡坡底面防渗层受水侵蚀严重。为此,工程管理部门考虑对开平潭江河段进行生态治理,重点围绕堤防岸坡护坡设计,据调研,治理河段全长为6.5km,其中包括清淤段3.5km,需重新进行护坡设计区段长度超过3km。

从潭江开平段堤防调研得知,其设计为50年一遇防洪标准,堤顶配置有生态景观带,图1为其典型堤防岸坡设计,坡面与坡顶处构建起完善的植物生态体系,对河段内水生态环境治理有所帮助。但目前存在的问题主要包括两侧岸坡受清淤开挖,导致坡内土体应力稳定性出现失衡,另一个则是岸坡坡面部分硬化层受水侵蚀、冲刷影响,无法有效形成硬化层与生态植被层的有机协调。因而,对开平段堤防进行岸坡整治很有必要,特别是岸坡部分土体为吸水性较大的粉质壤土,在含水量较高时易出现较大沉降变形,对岸坡的运营带来较大挑战。为此,开平段堤防管理部门考虑以清淤段5+650～5+800区段内典型岸坡为分析对象(图1),从生态植被护坡层的恢复设计入手,探讨其对岸坡稳定性的加持作用。

图1 5+650～5+800区段岸坡立面

1.2 研究过程

为探讨潭江开平段生态护坡重设后岸坡稳定性,本文设计有四种不同生态护坡形式,且为研究含水工况下岸坡稳定性,设定有降雨强度与降雨时长两个因素。以5+650～5+700区段岸坡为研究对象,分别设定生态护坡植被为金银花、四季青,硬化层均采用同一防渗混凝土石笼网格,图2为其中两种典型植被。

(a)金银花

(b)四季青图2 典型植被

为研究岸坡土体含水状态下稳定性特征,设计有模拟降雨试验,按照研究区段岸坡的坡度及土体压实状态,设计有岸坡物理模型,且在该岸坡内布置有多个含水特征监测传感器,如图3所示。该模型按照相似比尺1/10,设计坡体轴长为5m,坡顶轴长为2.5m,坡高为2.5m,土层以实际工程岸坡土体堆筑,土体渗透系数为7.2×10-4cm/s,按照分层压实度对照原则,确保岸坡工程与模型夯实状态一致。按照均匀布置、点面结合的原则,设置三个监测断面,断面间距为1m,所在位置如图3中标注;岸坡每个断面所在位置布设传感器8个,故岸坡内传感器总数为24个,达到对整个岸坡模型的上、中、下及横向对边全维度监控。

图3 模型试验监测断面设计示意

由于需要模拟降雨条件,采用便携式人工模拟降雨器进行降雨试验。降雨条件分为降雨强度与降雨时长两因素,前者按照堤防岸坡最大危险降雨强度150mm/h为边界值设定,共设计降雨强度有30mm/h～150mm/h,每梯次30mm/h的五个方案,且设定有无降雨0mm/h对照方案。降雨时长按照岸坡失稳极限值要求[12],设定降雨时长分别为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h。基于降雨条件影响,开展对岸坡模型土体含水特征及岸坡稳定性分析。

2 不同护坡形式下岸坡土体含水特征

2.1 降雨强度影响

根据24个传感器所在各断面监测,获得了坡体轴长各断面土体的最大含水量变化特征,如图4所示。从图中土体体积含水率变化特征可知,有降雨条件下含水量变化特征呈一致性,而无降雨下含水量在坡体各断面上呈递增变化。以金银花生态护坡设计为例,降雨0mm/h下坡体下部断面4m、中部2.5m处含水量较之上部断面0.5m处分别增长了137.7%、59.2%,坡体全轴面上含水量在各断面间平均增幅为12.3%,表明无降雨条件下岸坡内土体含水量来源趋向于地表径流活动。在各降雨工况下,降雨强度愈大,则岸坡土体含水量愈高,但含水量的涨幅在各降雨强度工况中为递减变化,如降雨强度30mm/h下坡体断面3m处含水量为9.6%,而降雨强度为90mm/h、120mm/h、150mm/h时同断面处含水量分别增长了58.5%、85.5%、120.3%;降雨强度30mm/h岸坡断面土体平均含水量为8.3%,而降雨强度每增长30mm/h,全断面土体含水量平均增幅为28.5%,而在降雨强度30mm/h～90mm/h梯次内具有平均增幅31.7%,在此之后平均涨幅为21.1%。分析认为,降雨强度愈大,土体含水量愈高,其本质上乃是由于降雨水分突破土体渗透层,土体吸收较多水分,进而体积含水量参数增高,但当降雨强度愈大,土体内部吸收的水分终究是有限的,因而愈大的降雨强度,只会更容易“突破”土层渗透,但对其含水量的促进作用却是有限的[13]。

(a)金银花生态护坡

(b)四季青生态护坡图4 降雨强度影响下岸坡土层含水量特征

从各降雨工况中含水量变化可知,其呈“稳定-递增-稳定”三阶段变化,其中稳定阶段位于上部断面中,而递增-稳定阶段为中、下部断面,表明降雨工况下岸坡土体含水量的变化乃是从上部逐步延伸至下部,且以下部土层中径流量更活跃。特别地,当降雨强度愈大,则上部断面稳定持续阶段更短,如金银花护坡设计中,在降雨强度30mm/h下稳定段持续断面为0～1.5m,而在降雨强度90mm/h、120mm/h下稳定段持续断面分别为0～1m、0～0.5m。由此可知,降雨强度会影响岸坡上部断面土层含水量特征,特别是降雨强度愈大,更容易导致上部断面的含水量出现递增状态,并趋向于下部土层含水量。

对比两种护坡形式的土体含水量变化特征可知(见图4),相同降雨强度下坡内土体含水量变化特征为一致,仅有量值上差异,以四季青生态护坡设计下含水量更低,如在降雨强度90mm/h下,两者含水量差幅分布为38.7%～44.7%。另一方面,在坡内上、中及下部土层中,土体含水量差幅弱于金银花护坡体,如在含水量的“递增-稳定”段,降雨强度120mm/h下,含水量变幅为13.3%,而金银花护坡设计下含水量变幅可达22.5%。由此可知,四季青护坡设计下,对土层防渗体系加固效应更为显著,且对坡内各部位土层的防护具有一致性。

2.2 降雨时长影响

降雨时长乃是影响岸坡土体含水量的重要因素,图5为各降雨时长岸坡土体含水量变化特征。从图中可知,两种护坡设计方案中,土层含水量变化特征与图4呈一致性,但降雨时长对土层含水量影响具有特殊性。当降雨时长愈长,则土层含水量愈高,同时促进效果愈为显著,在金银花护坡设计方案中,降雨时长0.5h下全土层内平均含水量为11.3%,而降雨时长每增大0.5h,其岸坡土层内含水量平均可增长36.8%,特别是在降雨时长2h后,其平均增幅可达36.8%。相比之下,四季青护坡设计形式抗渗效果显著,在各降雨时长中土层含水量变幅具有一致性,如在降雨时长每增大0.5h下,其土层含水量仅有23.2%增幅。另一方面,降雨时长对金银花护坡设计形式下土层含水量“递增-温度”段无显著影响,而四季青可显著缩短此两阶段变化[14],在降雨时长1.5h工况下,金银花护坡方案下的土层含水量“递增-稳定”段为断面1m～5m,而四季青护坡方案下为2m～5m,显著减少了岸坡内土层含水量的不稳定段。

(b)四季青生态护坡图5 降雨时长影响下岸坡土层含水量特征

3 不同护坡形式下岸坡稳定性

本文采用Midas GTS仿真平台建立岸坡典型模型,如图6所示,该模型为金银花护坡设计,二维尺寸参照模型设计,相关土层渗透系数与抗剪等物理参数按照土工实测取值,护坡厚度为0.85m。研究工况按照降雨强度、降雨时长划分,模拟其各方案中土层节点渗流量变化,并采用强度折减法计算获得岸坡安全稳定系数。

图6 岸坡计算模型

根据对降雨因素影响下岸坡安全系数计算,获得各工况下岸坡安全系数变化特征,如图7所示。从图中安全系数变化可知,岸坡安全系数与降雨时长为负相关变化,降雨时长愈长,则安全系数愈低,在金银花护坡设计方案中,降雨强度30mm/h下安全系数随降雨时长梯次0.5h变化而平均降幅9.1%,而在四季青护坡方案中,该强度方案下安全系数的平均降幅4.8%,即四季青护坡设计方案下岸坡抗滑移、抗倾覆效果高于金银花护坡设计。从降雨时长影响特征来看,两种生态护坡方案均具有递增特性,即愈长的降雨时长,对岸坡安全系数削弱效果愈大[15-16],在降雨时长1h后安全系数降幅趋增。降雨强度与岸坡安全系数亦为负相关变化,同降雨时长2h下,金银花护坡设计方案中降雨强度为30mm/h下岸坡安全系数为3.04,而降雨强度每梯次增长60mm/h后,其安全系数平均减小28.7%;当护坡方案为四季青时,其安全系数随之平均减少16.7%。同样的对比在其他降雨强度方案中亦是如此,均以四季青方案下降雨强度影响效应较弱。综上分析可知,四季青生态护坡设计对岸坡受降雨因素影响敏感更弱。

(a)金银花生态护坡

(b)四季青生态护坡图7 降雨因素影响下岸坡安全系数

4 结论

本文主要获得以下三点结论:

(1)降雨工况下土层含水量变化特征呈一致性,为“稳定-递增-稳定”三阶段变化,降雨强度愈大,则岸坡土体含水量愈高,但增幅递减。四季青生态护坡设计下含水量最低,含水量变幅小于金银花护坡。

(2)降雨时长愈长,则土层含水量愈高,金银花、四季青护坡设计方案中,降雨时长每增大0.5h,土层含水量分别有36.8%、23.2%的增幅。四季青护坡方案中含水量变幅断面较小。

(3)岸坡安全系数与降雨时长、降雨强度均为负相关变化,金银花、四季青护坡设计方案中,降雨强度30mm/h下,降雨时长梯次0.5h变化,安全系数平均降幅分别为9.1%、4.8%。四季青护坡方案中安全系数受降雨强度影响效应弱于金银花护坡方案。