堤防岸坡黏土生態改良下力學特征及護坡穩定性分析研究

蔡寶宙

(廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣東 廣州 510000)

水利工程中常遇到不良土體，而對不良土體的治理是工程設計的重點，有效的土體改良對提升水利設施運營可靠性具有較大幫助，故研究不良土體改良方法很有必要。常用的土體改良方法有物化改性[1-2]、生態改良[3]等，其中，生態改良方法在綠色建造、生態環境保護等方面具有較大優勢。許江波等[4]、馬滔[5]、段喜璐等[6]從土體力學特征的計算方法入手，采用PFC等離散元模型分析土體在模擬荷載下變形、應力等特征，并借此分析不同改良土的力學差異，為工程設計提供參照。周宇等[7]、王佩等[8]從土體宏、細觀變形破壞特征入手，借助電鏡、XRD等細觀分解方法探討土顆粒與改性劑之間的結合性，為土體與改性劑的最佳設計提供依據。室內試驗可研究不同環境下土體力學特征差異，馬柯等[9]、蔣希雁等[10]、鞏齊齊等[11]通過對土體開展三軸或其他類型試驗，研究原狀與改良土的力學特征差異，分析生態植被根系因素或其他改性劑因素對土體力學特性的影響，從而為工程不良土體的改良設計提供佐證。本文基于北江流域堤防岸坡不良土體治理問題，開展不同根系直徑的生態植被改良分析，探討植被根系直徑對改良土力學特征影響，從而為水利設施的加固防護試驗提供參考。

1 工程背景

北江是流經韶關、清遠等粵北城市的重要地表干流，對流域內農業生產、生活用水等供應帶來較大保障，如何有效保障北江流域水利安全是工程管理部門的重中之重。北江流域干流總長度達460 km，水系支流發育豐富，年地表徑流量可達125萬m3，水資源調度惠及連州、石角等城區。為控制北江流域水利生態安全，上游建設有清遠水利樞紐，中游建設有飛來峽水庫，下游建設有英德調水樞紐。其中，清遠水利樞紐具備發電、通航、蓄水調度、防洪排澇等水利功能，設計最大庫容為1560萬m3。與之相連的清遠農業灌區干渠長度為85 km，設計渠首最大流量為7.5 m3/s，灌溉保證率90%下年可供應水量超過300萬m3，面向地區生活用水、工業用水等方面，采用可調節式調壓塔控制輸水管道，管徑為DN150，采用雙層襯砌結構，輸水耗散率不超過10%，清遠灌渠也采用與輸水管道相一致的襯砌結構，可承受動水壓力50 kPa。輸水灌渠建設渠坡長度為55 km，由于清遠水利樞紐下游灌區發育較多沉降變形較大的黏性土，渠坡穩定性欠佳，因而，考慮采用生態植被護坡方法進行加固。飛來峽水庫下游的石角城區堤防工程由于采用堆筑壩形式，堤底下臥黏土層受自重影響，堤壩防洪高度逐年下降，不利于北江石角城區段防洪安全。飛來峽水庫流域受人類活動、汛期臺風降雨等綜合因素作用，流域內水土流失率較高，達60%，且植被覆蓋率歸一化參數僅為0.2，泥沙裹挾進入飛來峽水庫內，導致庫床水位逐年攀升，目前，蓄水庫容相比設計值降低了38%。另一方面，水土流失導致進入石角城區河段的含沙量較高，對本就不穩定的石角堤防帶來較大沖刷勢能，水文監測表明，最大含沙量可達7.5 kg/m3。考慮到北江流域內水土防護特征，特別是和堤防與渠坡安全性密切相關，對渠坡及堤防的不良土體進行治理改良很有必要。為此，水利部門從工程勘察入手，選定渠坡、堤防等均涉及的黏土體為改良對象，采用生態植被方法對其進行改良，有效改善水利工程運營水平。

2 材料與方法

本文針對改良土開展三軸剪切試驗，采用GCTS三軸剪切儀進行加載，該試驗設備加載臺內可同步監測試樣變形、荷載狀況，并實時傳輸至中控系統，確保實驗過程中樣品加載可控。設備最大荷載可達150 kN，可根據工程環境需要，添加相應的高溫場、氣體滲透等耦合場，試驗中采用LVDT作為軸向變形測量主要設備，該傳感器最大量程可達20 mm，可有效應對高圍壓下土體大變形測量問題，且試驗程序中設定有土體應變達16%停機響應。三軸圍壓裝置采用活塞位移推動控制，最大圍壓可達20 MPa，不論是圍壓或是剪切荷載等，力學傳感器的波動穩定均低于1%。根據對清遠灌區渠坡及石角堤防土體分析，兩者土體性質基本接近，均為黏質土體，黏質含量較高，超過35%，顆粒粒徑不超過3.6 mm，本文以石角堤防鉆孔土樣為試驗對象，并采用高羊茅草為生態植被改良主材。在室內將試驗樣品重塑后，在不同根系直徑的高羊茅草培育液中，完成28 d同條件下培養，后采用環刀法從各培養皿土樣中取出試驗土樣，在飽和養護12 h后，完成三軸剪切試驗。

本文試驗對象雖僅為石角堤防黏土體，但研究成果需為清遠灌區渠坡護坡設計提供參考，因而生態植被的培育根系直徑分別設定為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm 共7個方案，并設定原狀黏土試驗對照組[12]，所有樣品均環刀法取樣制備不少于3個，試樣為圓柱體，徑、高尺寸分別為50 mm、100 mm。剪切試驗中設定圍壓為100～400 kPa，階次為100 kPa共4個方案。基于上述生態植被改良土試驗方案，探討改良土力學特征，并分析改良土堤防岸坡安全穩定性。

3 改良土力學特征

3.1 應力應變特征

根據對不同根系直徑改良土三軸試驗，獲得植被根系特征影響下的改良土應力應變特征，如圖1所示。從圖中可看出，不論根系直徑為何值，改良土試樣承載應力水平均高于原狀土，且根系直徑愈大，則改良土承載應力愈高；在圍壓100 kPa下，應變5%時根系直徑0.8 mm、1.2 mm、2.0 mm 的改良土加載偏應力較原狀土分別增大了0.62倍、1.10倍、1.86倍。對比改良土三軸抗剪應力特征參數，根系直徑0.8 mm試樣抗剪應力為259.4 kPa，而隨根系直徑每增大0.2 mm，圍壓100 kPa下改良土試樣抗剪應力平均增幅為7.9%，而圍壓400 kPa下增幅達9.4%。由此可知，根系植被有助于提升黏土承載穩定性，而圍壓愈大，各試樣間承載應力水平均遞增，根系直徑0.8 mm改良土抗剪應力提升了1.29倍，而根系直徑1.2 mm、2.0 mm試樣抗剪應力分別增高了1.26倍、1.19倍，即根系直徑愈小，圍壓效應愈敏感；同時，增大圍壓，根系直徑差異化對改良土抗剪應力的影響效果也更顯著。但不可忽視，抗剪應力受根系直徑的影響敏感度在遞減，如圍壓100 kPa下，根系直徑小于1.6 mm下，即方案0.8～1.6 mm時，各試樣間承載應力水平差異較大，當植被根系直徑增大0.2 mm時，其抗剪應力的平均增幅可達11.3%，超過該圍壓整體方案間平均增幅；同樣圍壓400 kPa下亦是如此，該根系直徑低于1.6 mm時，其抗剪應力的平均增幅達12.8%。筆者認為，生態植被改良土的內在本質為改善原狀土內部顆粒間咬合、協調及整體承載特性，對原狀土的顆粒孔隙具有堵塞、充填作用，而隨培養皿中根系直徑增大，其對原狀土顆粒孔隙結構的改良能力，會受到大直徑根系的擾動影響，原狀土內部孔隙被植物根系影響效應會抑制，導致改良土承載應力增長效果有所減弱；同時，圍壓增大，有助于削弱大直徑根系的擾動影響，因而，根系直徑的影響在高圍壓下更顯著[13-14]。

圖1 根系直徑對改良土試樣應力應變影響

從變形特征對比來看，各改良試樣的變形特征基本保持一致，在低圍壓下均具有變形破壞后的應力陡降段，呈脆性變形特征，峰值應變在各改良土試樣中基本接近，但均低于原狀土，根系直徑0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm四個改良土試樣峰值應變穩定在6.7%～7.0%。高圍壓下，改良土試樣抗剪應力后延性變形發展較顯著，四個改良土試樣均具有較長延性變形，如根系直徑1.6 mm試樣延性變形段應力降幅不超過5%。不論是圍壓100 kPa抑或是400 kPa，均以根系直徑較高者試樣的彈性變形模量更大，圍壓100 kPa下根系直徑1.2 mm、2.0 mm試樣彈性模量較之0.8 mm下分別增大了28.3%、109.2%。作為地區堤防和渠坡土體生態改良措施，根系直徑控制在1.4～1.6 mm時較之更為有利，對水利設施的加固保護作用更為明顯。

3.2 抗剪特征參數

圖2為基于三軸力學試驗所獲得了抗剪特征參數影響變化。從圖中可知，兩抗剪特征參數與根系直徑均為正相關特性，但均具有兩階段變幅特征。在根系直徑為0.8 mm時，試樣黏聚力參數為34.3 kPa，而在根系直徑不超過1.6 mm時，隨根系直徑梯次0.2 mm變化，其黏聚力的增幅可達1.9%，同樣內摩擦角參數增幅可達2.5%；而在根系直徑超過1.6 mm后，兩參數的增幅分別僅為0.2%、0.3%，此也印證了前文承載應力水平的敏感性減弱效應。另一方面，對比兩抗剪特征參數可知，黏聚力在根系直徑全方案中分布為34.3～36.6 kPa，其受根系直徑影響敏感度低于內摩擦角；這說明生態植被對土體的改良，主要是改善顆粒間咬合、摩擦作用，增強土顆粒骨架整體摩擦阻力及穩定性。

圖2 抗剪參數受根系直徑影響

4 堤防岸坡穩定性特征

根據不同根系直徑生態改良堤防岸坡，利用Abaqus建立堤防Z2+285區段幾何模型[15]，如圖3(a)所示，并采用模型單元網格進行有限元劃分，獲得圖3(b)所示岸坡計算模型，共有模型微單元28 562個，22 635個節點數。模型上、下水位均以河道蓄水運營期計算，巖土體物理力學參數按照土工實測取值，而改良土采用主根系受拉構件為概化模型，力學本構參數以實際改良土試驗取值。

圖3 堤防岸坡模型(單位：mm)

根據岸坡穩定性計算，獲得不同根系直徑下岸坡最大位移及安全系數變化特征，如圖4所示。從圖中可知，岸坡最大位移隨根系直徑最大為遞減變化，原狀土岸坡增大位移為11.93 mm，而根系直徑1.0 mm、1.6 mm、2.0 mm改良土岸坡的最大位移較前者分別減少了37.6%、63.4%、65.6%，岸坡最大位移參數在根系直徑1.6 mm改良土方案后降幅減緩，且接近停滯狀態，在根系直徑1.6～2.0 mm方案中，岸坡最大位移的變幅最大僅為0.9%，平均變幅僅為0.8%，表明控制岸坡根系直徑在1.6 mm前區間方案更佳。與之同時，岸坡安全系數與根系直徑具有正相關關系[16]，其在根系直徑1.6～2.0 mm方案內安全系數基本接近，穩定在2.2，而在根系直徑低于1.6 mm時，隨根系直徑階次0.2 mm變化，安全系數的平均增幅達4.8%。綜合岸坡穩定性特征可知，改良土岸坡穩定性顯著高于原狀土，但植被根系直徑控制在1.6 mm 左右更為有利。

圖5為原狀土和根系直徑1.6 mm下岸坡位移分布特征。從圖中可知，改良土方案下土體位移分布量值均低于原狀土，且岸坡內潛在滑移面控制較佳，大位移值區間分布區域較小，生態改良效果顯著。

圖4 岸坡安全穩定性受根系直徑影響

圖5 岸坡位移分布

5 結 論

(1)改良土承載應力均高于原狀土，根系直徑愈大，改良后應力水平愈高，但根系直徑1.6 mm后應力增幅減緩，根系直徑0.8～2.0 mm方案間，圍壓100 kPa、400 kPa下改良土試樣抗剪應力平均增幅為7.9%、9.4%；根系直徑愈小，圍壓效應愈敏感；根系直徑對變形發展態勢影響較小，同圍壓下改良土變形特征具有一致性，但根系直徑愈大，彈性模量愈大。

(2)抗剪特征參數與根系直徑均為正相關特性，但變幅具有階段差異，根系直徑不超過1.6 mm下，每梯次根系直徑0.2 mm，可導致其黏聚力、內摩擦角增幅達1.9%、2.5%，而在根系直徑超過1.6 mm方案內，此兩參數的增幅分別為0.2%、0.3%；前者受根系直徑影響敏感度低于后者。

(3)岸坡最大位移隨根系直徑增大為遞減，而安全系數隨之為遞增，但兩者均在根系直徑1.6 mm 后出現變幅差異，最大位移、安全系數在該方案后分別呈降幅減緩與增幅停滯態勢；根系直徑1.6 mm改良土方案下岸坡位移分布較合理，安全性較高。

(4)對比可知，生態植被根系直徑為1.6 mm時更利于流域不良土體改良。