农业引水渠道粉砂质生态边坡稳定性研究

罗进琛

(广东大禹水利建设有限公司，广东 汕头 515000)

0 引言

引水渠是农田水利工程建设中的重点项目，其工程质量和耐久性对保证工程项目的功能和作用发挥具有重要意义。在大型农田引水渠道建设中，边坡侵蚀和失稳是经常遇到的工程问题[1]。在当前的农田引水渠道建设中，由于过多考虑引水、排涝等功能，往往过多采用混凝土和浆砌石等硬性水工建筑材料进行渠坡防护。上述传统性护坡结构虽然具有自身的优势和价值，但是也会随着长期的风化和水蚀作用而遭受破坏，同时这种护坡结构生态意义和价值不足，不利于环境保护工作的顺利开展[2]。在人们环保意识逐渐增强的时代背景下，生态护坡应用而生。国内外诸多水利工程实践也证明，生态护坡可以充分发挥植物根系的固土作用，不仅可以提升渠道边坡的抗滑稳定性，还可以利用植物达到渠道工程绿化和美化的效果[3]。除此之外，生态护坡相较于传统的硬质护坡具有显著的工程成本优势，经济意义十分明显，必将在未来的水工渠道建设中得到广泛应用。

粉砂质土在我国有十分广泛的分布，其质地比较疏松，稳定性差，其生态渠道边坡稳定性一直是学界关注的重点领域。金银花是一种根系发达、枝叶茂盛的小灌木，具有良好的适应能力，在防治水土流失方面具有突出效果，同时还是一种中药材，具有良好的经济价值[4]。此次研究选择金银花为固坡植物，探讨其对粉砂质引水渠道边坡稳定性的影响。

1 计算模型与方法

1.1 工程背景

此次研究以某灌区主干渠扩建改造工程为背景展开研究。该工程渠道底宽4m，口宽18m，渠深3.2m，平均比降1/1000。项目所在地为丘岗区，土质主要为粉砂质土。由于项目区属于典型的暖温带季风性气候，因此夏季多短时强降雨，并对渠道边坡造成不利影响。

1.2 模型构建

鉴于此次研究需要探讨生态护坡在长历时条件下的稳定性，且研究方案和影响因素较多，采用现场试验和室内模型试验的方式均难以满足研究需要[5]。另一方面，目前的计算机和有限元软件发展十分迅速，可以使岩土工程研究变得简单化。因此，研究中选择有限元模型和强度折减法进行边坡稳定性计算研究。经过50多年的发展和完善，Geo-Studio软件目前已经细化为8个专业化的模块，是一套专业性强且功能强大的岩土计算分析软件。研究中选择该模型中的SEEP/W模块进行边坡渗流-应力耦合计算，并利用强度折减法进行边坡稳定性计算。

由于背景工程整体地质情况基本相同，因此选择渠道断面的局部作为模拟计算区域，整个计算区域的长为25m，高为12m，计算中将渠道概化为二维离散型网络边坡模型，从而在保证模拟计算结果准确性和可靠性的同时，有效降低模拟难度[6]。对构建的模型利用三角形网格剖分法进行网格划分，边坡等重点区域进行必要的加密处理，整个模型划分为1824个域单元和226个边界单元，最大单元边长为1m，最小单元边长为0.4m。有限元模型示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.3 边界条件与计算参数

在渗流模型中，模型的上边界和坡面为大气边界条件，在降雨条件下为降雨边界；模型的底部概化为无流动边界；模型左侧设置为水头边界条件，为初始地下水位；模型的右侧为渗流边界条件[7]。在力学模型中，渠道坡面的上边界、坡面和渠底均为自由边界条件，不施加任何位移约束条件；模型的左右两侧边界设置横向位移约束，模型的底部为固定边界条件，施加全位移约束[8]。根据工程现场采样试验结果，渠坡原状粉砂质土的杨氏模量为1.0GPa，泊松比为0.33，密度为2200kg/m3，黏聚力为15.7kPa，内摩擦角为19.8°。降雨条件下以及生态边坡土体的相关参数结合相关研究成果和现场试验数据以系数折减的方式确定。

1.4 计算方法

结合工程实际，引水渠的水位变化、降雨以及运行年限是影响渠道边坡安全稳定性的重要因素[9]。研究中选择水位上升速率和下降速率、运行年限、降雨类型和雨强作为模拟研究的变量，对不同类型边坡的安全稳定性进行对比分析，以便对生态边坡的工程意义和价值进行判断。

在边坡失稳破坏判断方面，此次研究主要采用如下三个准则：一是计算结果不收敛，鉴于此时无法确定对应的应力应变，因此将上一个折减系数作为边坡的极限平衡状态；二是渠道边坡形成贯通坡脚到坡顶的塑性区，则贯通前的折减系数即为边坡的安全系数；三是发生位移突变，此时的折减系数即为边坡的安全系数。

2 计算结果与分析

2.1 水位变化

在数值模拟计算过程中，设置0.2、0.4、0.6m/d等3种不同的渠道水位变化速率，对水位上升和下降2种不同情况下无植被边坡和生态边坡的安全稳定性进行模拟计算。其中，水位上升工况下边坡安全系数的变化曲线如图2所示。

图2 不同水位上升速率下边坡安全系数变化曲线

从计算结果可知，在水位上升情况下，无植被边坡和生态边坡的安全系数计算结果十分接近，说明边坡类型对水位上升情况下渠道边坡的安全稳定性的影响不大。另一方面，随着引水渠水位的上升，渠道边坡的安全系数呈现出先小幅下降后迅速增加的变化过程，原因是随着水位上升，淹没区土体逐渐由非饱和状态转化为饱和状态，因此抗剪强度减小，导致安全系数下降。随着水位的逐步上升，渠道水体产生的水压力逐渐增大而有效抑制了坡体下滑，边坡的稳定性迅速增加。从不同水位上升速率的计算结果对比来看，水位上升速率越大，边坡安全系数的增长速率越大，达到运行水位后的安全系数也越大。建议在水位上升过程中应该采取措施加快水位上升速率，以提升渠道边坡的安全稳定性。

水位上升工况下边坡安全系数的变化曲线如图3所示。

图3 不同水位下降速率下边坡安全系数变化曲线

从计算结果可知，在水位上升情况下，无植被边坡和生态边坡的安全系数计算结果十分接近，说明边坡类型对水位下降情况下渠道边坡的安全稳定性的影响不大。另一方面，随着引水渠水位的下降，渠道边坡的安全系数呈现出先迅速下降后小幅上升的变化过程。究其原因，在水位下降的情况下，露出淹没区的土体逐渐转化为不饱和状态，抗剪强度提高。在水位下降的初期，由于外水压力迅速减小导致安全系数迅速减小，在水位下降到一定程度后，土体抗剪强度强加的作用逐步显现出来，安全系数逐渐稳定并小幅上升。

从计算结果中提取出水位上升和下降两种情况下边坡安全系数的最小值，结果见表1。

表1 水位变化情况下边坡安全系数最小值

从计算结果可以看出，在其他条件相同的情况下，生态边坡的安全系数最小值略高于无植被边坡。原因是金银花根系虽然比较发达，大多分布于边坡表层1m的范围内，无法深入边皮的深部滑移面，虽然可以有效维持边坡浅层的稳定性，但是难以大幅提升边坡的整体稳定性。

2.2 降雨情况

根据相关研究成果，灌草类植被的降雨截留率一般在15%～30%之间，研究中区其均值22%，并以此为标准结合渠道边坡的坡度，即可折算获取不同边坡位置的降雨强度值。针对不同雨型的影响，研究中选择前锋型、中峰型、后缝型和平均型等4中常见的雨型，降雨时长设定为3d，降雨强度为50mm/d。根据计算结果绘制不同降雨雨型条件下边坡安全系数变化曲线，如图4所示。

图4 不同降雨雨型下边坡安全系数变化曲线

从计算结果可以看出，不同降雨雨型下边坡的安全系数变化曲线均为倒三角形特征，且降雨强度最大时段内的安全系数降幅也最大。从不同边坡类型的计算结果来看，在不同雨型下的安全系数变化规律基本一致，后峰型雨型的边坡安全系数最小值最小，其次是平均型和中峰型，前锋型的边坡安全系数最小值最大。在相同雨型的条件下，生态边坡的安全系数值显著偏大，说明生态边坡对提高降雨条件下边坡安全系数具有重要作用。原因是生态边坡可以截留相当部分降雨，同时植物根系也可以减少雨水冲刷作用的影响，提高边坡的安全稳定性。

为了研究降雨强度的影响，设置20、50、100、200mm/d等4种不同的降雨强度，对平均雨型下的边坡安全系数进行计算。鉴于安全系数变化规律与上文类似，这里仅从计算结果中提取边坡的安全系数最小值进行对比，结果见表2。

表2 水位变化情况下边坡安全系数最小值

从计算结果可以看出，随着雨强的增大，边坡安全系数的最小值呈现出不断减小的变化特点，同时生态边坡的安全系数显著大于无植被边坡。具体来看，在20、50、100、200mm/d等4种不同的雨强条件下，生态边坡的安全系数与无植被边坡相比分别提升了0.24%、0.36%、17.62^%和41.64%。由此可见，生态边坡对提升降雨条件下渠道边坡的安全稳性具有重要作用，且降雨强度越大，作用越显著。例如，在200mm/d强降雨的条件下，无植被边坡的安全性系数仅为1.023，虽然仍大于1，但是冗余度较小，存在失稳破坏的可能性，而生态边坡的安全系数为1.449，边坡处于安全稳定状态。

2.3 运行年限

为了研究运行年限因素的影响，研究中选择20a为期限，对无植被边坡、生态边坡以及浆砌石边坡的安全稳定性进行模拟计算。根据计算结果，绘制安全系数变化曲线，如图5所示。

图5 安全系数随使用年限变化曲线

从计算结果可以看出，引水渠边坡安全系数均随着使用年限的增加而不断降低，但是不同的边坡类型在变化特征方面存在比较显著的差异性。其中，无植被边坡安全系数随着使用年限的增加降低最为迅速，在使用12a之后的安全系数值为0.856，说明此时的边坡已经失稳破坏，需要采取重修加固等工程措施恢复其基本功能。生态边坡的安全系数随使用年限的增加降低幅度最小，在使用20a之后仍有1.521，可以充分保证渠道边坡的安全稳定性，渠道的基本功能也可以得到有效保护；浆砌石边坡的在使用20a之后的安全系数为1.335，略小与生态边坡。究其原因，主要是粉砂质土质地疏松、孔隙率高、稳定性差，如无防护措施，其边坡在外界环境作用下的安全性会迅速降低并失稳破坏；金银花生态边坡随着使用年限的增加，植物根系分布的深度和密度也会不断增加，因此在提升边坡安全性方面可以发挥出愈加显著的作用，因此安全系数降低幅度较小；浆砌石边坡属于硬质边坡，其初始防护作用较好，安全水平较高，但是随着材料的逐渐劣化特别是裂缝的逐渐增多，其下部的粉砂质土体将受到渗漏水体的明显影响，导致安全系数迅速降低。总体来看，在长期服役的条件下，生态边坡具有明显的优势。

3 结语

农业输水渠道的安全性具有重要的意义和作用，而随着全社会生态环保意识的提高，生态岸坡已经成为近年来水利工程建设的内容。此次研究针对粉砂质土这一分布广泛的土体类型，利用数值模拟的方式探讨了生态岸坡在该土质渠道中的应用价值。计算结果显示，金银花生态岸坡具有显著的优势，建议在工程建设中选用。当然，生态岸坡建设中的可选择植物类型众多，今后需要对不同植物进行对比分析，以获得最佳的植物选择方案。此外，此次研究仅通过数值模拟获得研究结论，其科学性和准确性需要背景工程运行期间的实践检验。