土工合成材料加固防洪堤对溢流侵蚀影响研究

章瑜

（塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

在设计河堤时，主要考虑的是如何防止一定水位下的冲刷、渗漏及地震带来的破坏。但实际上，在高水位情况下，如果遭遇特大洪水、海啸或风暴潮，堤坝有时会面临决堤的风险[1，2]。为了增强坝体的防渗能力，通常会选择在坝体顶部或坡面使用混凝土面板，然而，这会增加坝体的自重，从而降低其抗震稳定性。因此，研发一种新的加固技术来应对河堤可能面临的溢流侵蚀和地震风险至关重要。

土工合成加筋土（GRS）是一种创新技术，它通过直接将混凝土板与加筋土工格栅层相连接，显著增强了结构的稳定性[3]。由于土工格栅展现出较好的抗拉性能，GRS 结构在土石坝的抗震加固工程中得到了广泛应用[4]。然而，尽管GRS 在稳定性方面表现出色，其防渗性能仍然是当前需要解决的关键问题[5]。本文对GRS 堤坝进行加固和防渗处理，并对其在各种条件下的抗溢流侵蚀的效果进行了深入研究，此外，还探讨了土工格栅层对堤坝入渗的影响。

1 研究方法

1.1 溢流实验

该研究在一个5.000 m×0.200 m×0.350 m（长×宽×高，下同）的明渠模型中对GRS 堤坝进行溢流测试，如图1 所示。通过压实硅砂（硅砂平均粒径为0.16 mm，最佳含水量Wopt为16.0%）形成高0.200 m、顶宽0.100 m、后坡度为1∶2 和1∶0.5 的模型堤坝。此次试验的模型比例设置为1∶25。根据Froude 相似准则[6]，将堤坝的溢流深度设置为0.060 m。该实验的溢流流量Q为5.610×10-3m3/s，在该溢流深度下，假定原型堤坝崩塌需要50 min，根据Froude 相似准则，将模型堤坝溢出时间定为10 min，并作为实验的目标溢流时间。

图1 溢流模型试验中使用的明渠示意图（单位：m）

溢流侵蚀试验的条件如表1 所示。为了增强GRS防洪堤的性能，设置了3种情况：1）GRS防洪堤斜坡比降设为1∶2和1∶0.5，目的是减少其横截面面积，降低水流对堤坝的冲刷作用；2）设置全长加筋和局部加筋的土工格栅层（图2），以检验GRS技术在现有防洪堤上的应用效果；3）使用了粗、中、细3种土工格栅，尺寸分别是9.00 mm×10.00 mm，2.00 mm×8.00 mm 和0.60 mm× 0.60 mm。通过测试这3 种尺寸，以确定最适合防洪堤的网格尺寸。

表1 溢流侵蚀试验条件

图2 土工格栅加固条件

在实验过程中，土工格栅层每隔0.020 m 铺设1 次，并使用相机记录堤坝侧视图和俯视图的数字视频（DV）图像，这些影像资料有助于进一步了解堤坝的侵蚀情况。

1.2 渗透实验

为了研究土工格栅层对堤坝入渗能力的影响，在模拟堤坝上进行了渗透实验。试验是在1.200 m×0.200 m×0.450 m 的水槽中进行的，如图3 所示。模型堤坝高0.200 m、宽0.100 m，坡度为1∶2，与溢流实验条件相同，选用土方大堤和不加面板的GRS 堤坝（也采用3 种土工格栅，其尺寸与溢流实验的尺寸相同）作为加固条件。模型堤坝和基础采用分选良好的硅砂（压实度Dc=90.0%，平均粒径为0.26 mm，Wopt为16.0%，入渗系数k为1.700×10-4）。此外，进行恒定水头渗透试验时，堤岸河面水位在深度h=0.140 m 处保持恒定。

图3 渗流模型试验中使用的水槽示意图（单位：m）

为了观察堤坝内部的渗透行为，用墨水对水进行着色，同时记录堤坝的侧视图和俯视图的DV图像，以检查堤坝中的渗透行为和侵蚀过程。此外，为了测量堤坝的渗流量和侵蚀率，试验中收集了堤坝后坡坡脚的水和泥沙，如图3 所示。

2 结果分析

2.1 冲刷防护效果

图4 显示了案例1-1、案例1-2 和案例2-1 横截面形状随时间的变化。图4 用虚线绘制了初始堤坝表面，并标明了混凝土面板的位置和方向。

图4 堤坝形状和混凝土面板位置的时间变化情况（单位：s）

由图4（a）可知，案例1-1 在t=10 s 时（t为从溢流开始算起的时间）坡脚附近的基础发生局部冲刷，随着堤脚附近的混凝土面板被冲走，堤身沉积物在t=30 s 时被侵蚀，在t=65 s 时侵蚀面到达堤顶，并在t=70 s 时导致堤身大部分坍塌。对比图4（a）和（b）的截面形状，可以发现防冲刷保护可以有效防止后坡脚的冲刷，进一步证明了冲刷防护能够显著提高铠装堤对溢流侵蚀的抵抗力。然而，在失去冲刷保护后，如图4（b）所示，堤坝迅速被侵蚀，呈现出与图4（a）相似的严重后果。案例2-1 在t=175 s 处发生较小坍塌，直到t=195 s 时堤身才部分坍塌，对比图4（a）和（c）的截面形状，发现GPS 大堤比铠装堤抵抗溢流侵蚀的能力强。

图5给出了案例1-1、案例1-2、案例2-1和案例2-2 中截面面积的剩余率（任意时刻的截面面积除以初始截面积）。由图5 可知，在t=50 s 和t=525 s时，有冲刷防护和无冲刷防护的铠装堤截面积剩余率均为90.0%，这一结果与图4 一致，然而，即使有冲刷防护，铠装堤在达到目标时间（600 s）前仍然出现了完全倒塌的情况。由图5 还可以看出，在GRS 堤坝中，冲刷防护同样提高了其抗溢流侵蚀的能力，即使超过目标时间20 min 后，其截面仍能保持完整的形状。因此，为了保持GRS 堤坝的基本形态，引入冲刷防护是十分必要的。

图5 横截面积剩余率的时间变化

2.2 陡后坡和局部加固对边坡的影响

为考察陡后坡对铠装堤和GRS 堤坝溢流侵蚀的影响，对铠装堤和GRS 堤坝在1∶2 和1∶0.5 坡度下截面积的剩余率进行了分析，见图6。对于铠装堤，将后坡坡度从1∶2（案例1-2）陡化到1∶0.5（案例1-3）后，降低了其对溢流侵蚀的阻力，特别是在失去冲刷保护后，案例1-2 和案例1-3 的截面积剩余率迅速下降，最终导致铠装堤在目标时间前垮塌。而对于坡度为1∶0.5（案例2-4 和案例3-2）的GRS 堤坝，在目标时间后GRS 堤坝横截面形状的剩余率依旧接近100.0%，这意味着后坡较陡的GRS 堤坝可以在目标时间之外保持较高的抗溢流侵蚀能力，因此，即使在较小的断面上，GRS堤坝也能显著提高抗溢流侵蚀能力。

图6 模型横截面积剩余率的时间序列

通过对比全长和部分长度加筋的GRS 堤坝的实验结果，二者的截面积剩余率非常接近，这意味着部分加固策略同样可以有效提高堤坝对溢流冲刷的抵抗力，能够用于加固现有的堤坝。

2.3 网格大小对土工格栅的影响

以粗网格（案例2-3、案例3-1）、中网格（案例2-4、案例3-2）、细网格（案例2-5、案例3-3）为研究对象，探讨格栅层的网格尺寸对抗溢流侵蚀能力的影响。图7 显示各案例下的堤坝破坏时间t90，t90代表截面积残余率为90.0%的时间。

图7 堤坝损坏时间t90

从图7 可以看出，在全长和局部加固的GRS堤坝中，细土工格栅中的t90大于粗土工格栅和中土工格栅。综上，采用小尺寸土工格栅的GRS 防洪堤能够长期保持较高的截面积剩余率。

2.4 渗透实验结果与讨论

为了深入了解土堤和GRS 堤坝的入渗性质，图8 给出了各种入渗实验条件下渗流线随时间变化的结果（实线为用墨水可视化得到的渗流线，虚线为被侵蚀的堤坝形状）。由图8 可知，渗流线最初都是垂直陡峭的，随着时间的推移变为较平缓的倾斜，这一现象表明，渗透流均流向后坡脚，且在地基附近具有相对较高的流速。值得注意的是，无论是土堤还是GRS 堤坝，渗流线均呈现出不均匀的现象。此外，GRS 堤坝中浸润线的不均匀高度并不一定与土工格栅层相对应，说明在该实验条件下并未观察到沿着地质网格层的水流路径。对于土堤，其侵蚀区域显示背坡脚附近的侵蚀起始于1 140 s，侵蚀面积在1 680 s 时有所增加。相比之下，3 种不同土工格栅配置的GRS 防洪堤的侵蚀面积均小于土堤，这表明土工格栅层在抗冲刷侵蚀方面具有一定的作用[7]。

图8 渗流线和堤坝侵蚀的时间变化情况（单位：s）

图9 呈现了在不同入渗实验情况下入渗面积比随时间变化的规律。入渗面积比是将任意时刻的入渗面积除以初始横截面积。由图9 可知，所有情况下的入渗面积比之间并未出现显著的差异，GRS 堤坝的入渗面积比略低于土方大堤，这可能是由于二者在侵蚀面积上的差异所导致的。

图9 渗透面积比率的时间序列

由在水箱下游端测得的堤坝渗流量和侵蚀速率时间序列（图10，11）可知，土方防洪堤的渗流量和侵蚀速率均大于GRS 防洪堤，这可能是由于GRS 防洪堤能够有效减少入渗侵蚀。

图10 堤坝渗漏流量

图11 堤坝侵蚀速率

3 结语

本文对GRS 防洪堤的溢流侵蚀和入渗性能进行了深入研究，并强调了冲刷防护措施对GRS 堤坝稳定性的重要性。GRS 堤坝在20 min 内仍能保持完整的截面形状，显示出优良的耐久性。此外，研究还发现后坡脚较陡的土堤崩塌较快，而部分加固的GRS 堤坝则具有较强的抗溢流侵蚀能力。因此，选择合适的土工格栅层尺寸对于提升堤坝抗溢流侵蚀能力具有重要意义。然而，本文的研究成果仅基于小型模型实验，实际测量值的可信度仍需进一步研究。此外，本文中使用的混凝土面板和土工格栅类型不同，可能与相似定律不完全一致。为了解决这些问题，后续应开展高度大于1.000 m 的大型尺度模型试验。