基于生態護坡理念的河道岸坡土體力學試驗及安全穩定性研究

黃志豪

(廣州市花都區赤坭鎮農業農村技術服務中心，廣東 廣州 510830)

1 工程背景

北江為廣東地區重要地表供水來源，其豐富的水資源、流域寬廣性及多梯級水利樞紐等，使北江成為粵北、粵東地區重要干流，總流域面積達4.7萬km2，年平均徑流量超過156億m3，支流水系涉及清遠、石角、英德等地區，包括有官田水、連江等，流域內水系分布如圖1所示。與英德地區密切相關的支流為連江支流，該支流全長為265 km，控制流域面積超過1.0萬km2，乃是北江在粵東北地區重要中游水源補充支流，對北江河道水質凈化、泥沙沉降具有舉足輕重作用。北江上游多梯級水利樞紐分布在清遠、韶關等地區，而英德為梯級水利樞紐的中游地帶，連江是其中重要供水支流，各水利樞紐年供水量超過1000萬m3，包括地區農業灌溉、居民生活用水等，所建設的輸水干渠延伸長度超過150 km，對英德、石角等地區農業生產具有較大促進作用，改善地區水資源分布離散現狀。

圖1 北江流域水系分布

與連江支流水利安全密切相關的為韶關水利樞紐工程，該工程規劃具有發電、水資源調度及蓄洪排澇等作用，規劃年發電量超過2000萬kW·h，設計年泄流量超過600萬m3進入下游英德地區，該水利樞紐一期投入運營包括四孔式泄流溢洪道設施，設計最大泄流量為150 m3/s。由于北江流經韶關山地地區，干流裹挾有大量泥沙，該流段內水土流失較嚴重，導致進入下游英德地區泥沙量常年穩定在3.5～5.0 kg/m3，對英德連江地區水利工程具有較大沖刷影響，包括堤防、引水閘等水利設施。監測表明，受泥沙懸浮影響，英德輸水干渠引水閘前泥沙淤積厚度以每年50 cm增長，閘前入流量常年下降。另一方面，連江堤防大部分采用混凝土擋墻護坡，擋墻工程受泥沙沖刷、沉積影響，在部分堤防堤腳處形成空洞，導致護坡擋墻受損嚴重，部分墻趾高度從設計值0.4 m 降低至0.20～0.25 m，墻底寬度僅為1.5～1.6 m，導致局部河段岸坡出現不穩定因素，滲流活動也顯著活躍。為此，工程設計部門考慮對連江英德河段內岸坡開展護坡加固設計改進，為增強連江兩岸水土保持力度，設計采用植被生態護坡形式特別是改善Z3+682～Z4+252岸坡不良黏土層。本文從生態護坡設計角度出發，研究黏土層岸坡生態護坡改善下穩定性。

2 試驗介紹

生態植被護坡設計本質上是對岸坡土體進行生態改良，一方面改善岸坡土體力學穩定性，另一方面植被根系對岸坡潛在滑移面進行加固，增強岸坡靜力穩定性，因而本文主要從根系植被復合土力學特征研究與岸坡安全穩定性應變化入手。力學研究借助SDS三軸剪切試驗設備，該試驗設備可完成三軸多狀態下剪切試驗、土體滲流試驗等，試驗圍壓最大可為20 MPa，力學傳感器采用點觸式測量裝置，最大量程為500 kN，本試驗中選用的量程為100 kN。變形數據以LVDT實測采集，其中LVDT裝置量程為-15～15 mm。所有試驗裝置均在試驗前完成誤差標定工作，確保試驗精度與誤差符合試驗規程要求[1-2]。

由于連江英德河段黏土層岸坡分布較長，且地勘表明土層延性基本接近，因而本文以樁號Z4+115～Z4+125區段岸坡為分析對象，所有試驗土樣均來自岸坡現場取樣。為制備根系植被復合土，所有工程取樣在室內進行重塑，后在相應的植被營養液中完成培育，改良齡期均統一設定為30 d，初始根系植被均采用20 d齡期的植苗。本試驗中有多花木蘭與狗牙根兩種根系植被，圖2為兩種成熟植被的根系發育。

圖2 生態護坡根系植被

所有重塑土分別在多花木蘭與狗牙根兩種根系植被的同等養護條件下，完成植被復合土培育，30 d后采用環刀法從生態培植土中取出力學試驗樣品，如圖3所示。本文研究植被復合土力學特征設定有兩個影響因素，一個為植被品種，另一個為植被營養液根系植被培植密度ρ，該密度參數取值設定為培養皿中栽育的植被數量，分別設定該密度參數為2～20株，方案梯次為3，共有7個植被復合土方案，另設置有一個原狀土養護對照方案。

圖3 環刀法制備植被復合土

采用三軸剪切試驗開展植被復合土力學特征研究，設定圍壓分別為100 kPa、300 kPa，兩種根系植被復合土分別依次開展剪切加載破壞試驗，試驗參數如表1所示。基于不同品種植被、植被培植密度因素影響特性分析，探討連江英德段植被改良土力學特征，并基于改良土物理力學特征，開展岸坡安全穩定性分析。

表1 試驗因素

3 植被復合土試驗力學特征

3.1 植被品種影響

根據不同品種的植被復合土三軸力學試驗，獲得兩圍壓下植被品種與原狀土應力應變特征，如圖4所示。分析三種試樣加載應力可知，兩種植被復合土承載應力較原狀土均有提升，表明生態植被改良下岸坡土體力學穩定性提高。對比兩種復合土承載應力可知，以多花木蘭(A類)復合土試樣最高，圍壓100 kPa下，加載應變均為5%時A類試樣偏應力為362.9 kPa，而狗牙根(B類)復合土、原狀土試樣加載水平較之分別減少了27.7%、53.3%。當圍壓增大后，原狀土與植被復合土的承載應力差距更大，同是應變5%下原狀土、B類復合土較A類復合土分別減少了68.6%、35.7%。對比抗剪強度亦可知，原狀土在圍壓100 kPa、300 kPa下分別為215.7 kPa，而在圍壓100 kPa下，A類、B類復合土試樣抗剪強度較前者分別提高了71.4%、36.4%，而在圍壓300 kPa下的增幅分別為102.3%、46.6%。另一方面，在圍壓300 kPa與100 kPa對比下，A類、B類復合土試樣抗剪強度分別提高了1.33倍、1.10倍，而原狀土提升了98.8%。由此可知，圍壓增大，植被復合土對原狀黏土體的改良作用更為顯著，承載應力水平受影響敏感度更高，且以A類根系植被復合土體最為敏感。根系植被培育原狀土，本質上可改善松散顆粒骨架穩定性，微細植被根系可對原狀土內部孔隙起著填充、堵塞作用，從而復合土體承載應力更高，這也是岸坡生態護坡設計的力學基礎[3-4]。

圖4 植被復合土三軸應力應變特征

從變形特征對比來看，圍壓100 kPa下三個試樣應變發展態勢基本一致，峰值應變基本接近，穩定在5.7%～6.9%，峰值應力后均發生了陡降。試樣彈性模量最高以A類復合土為最高，在圍壓100 kPa、300 kPa下分別為103.30 kPa、230.98 kPa，而B類復合土、原狀土模量值在圍壓100 kPa下較前者分別減少了33.9%、65.4%，模量參數影響特性與承載強度基本一致。當圍壓增大至300 kPa下，兩種復合土試樣均具有延性變形特征，峰值應力后應力降幅分別為6.5%、12.8%，而原狀土仍具短時脆性破壞特征，即圍壓較大時，復合土可改變原狀土脆延性變形特征，但低圍壓下變形發展態勢受影響較小。

3.2 植被覆蓋密度影響

不同植被覆蓋密度下復合土試樣應力應變特征，如圖5所示。

圖5 植被覆蓋參數影響下復合土應力應變特征

觀察圖中應力應變特征可知，當覆蓋密度愈大，則復合土承載應力水平愈高，即植被覆蓋密度與改良復合土的承載能力具有正相關特性。如B類復合土在應變5%、覆蓋密度2株時試樣承載應力最低，僅為151.2 kPa，但覆蓋密度為8株、11株、20株時，加載應力均有增加，增幅分別為59.5%、104.7%、128.9%。從B類復合土試樣的抗剪強度對比可知，覆蓋密度2株時強度為192.7 kPa，當覆蓋密度方案每階次增長3株時，該類型復合土強度平均增幅為10.6%，而A類復合土平均增幅為15.5%。植被覆蓋密度對復合土強度促進作用具有減弱態勢，當植被覆蓋密度超過11株后，強度增幅均減弱，A類復合土在覆蓋密度11～20株梯次方案內，強度平均增幅為3.4%，低于全方案的平均增幅，更低于覆蓋密度2～11株梯次區間的增幅。B類復合土亦是如此，其在覆蓋密度2～11株與11～20株梯次區間內，強度分別為平均增幅17.4%、3.8%。從岸坡護坡經濟性設計角度考量，控制根系植被覆蓋密度在合適區間即可，并不需過大的植被覆蓋密度，造成生態資源浪費。

兩種根系植被復合土變形特征基本一致，改變植被覆蓋密度參數，對復合土變形發展走向影響較小，A、B類復合土峰值應變分別穩定在6%～7%、5.8%～7%。當植被覆蓋密度增大，兩種復合土的彈性模量均有增加，A類復合土在覆蓋密度11株、20株時彈性模量較2株時分別提高了1.52倍、2.02倍，覆蓋密度每梯次3株增長，可引起彈性模量增加21.3%；同樣B類復合土模量值也會提高17.8%。綜合對比兩種植被復合土，同等覆蓋密度下復合土以A類承載應力最高，且與植被覆蓋密度參數影響關聯性更強，更適合該岸坡生態護坡設計，而覆蓋密度11株的護坡設計更為經濟合理。

4 岸坡穩定性特征

基于Z4+115區段內岸坡生態植被復合土力學特征研究，利用Abaqus建立岸坡數值計算模型，如圖6所示，該模型采用復合土體作為基本單元，物理力學特征參數按照試驗數據設定，計算該岸坡在不同品種植被、不同覆蓋密度下安全穩定性。

圖6 岸坡數值計算模型

基于Abaqus計算獲得兩種植被復合土岸坡安全系數隨覆蓋密度參數變化特征，如圖7所示。分析安全系數變化可知，A類復合土岸坡安全系數在任一覆蓋密度參數方案中均高于B類，在覆蓋密度2～20株梯次內，兩者安全系數的差幅分布為35.8%～43.8%。隨覆蓋密度參數遞增，兩種復合土岸坡安全系數均為遞增，直至在覆蓋密度11株 后出現增長停滯狀態；在覆蓋密度2～11株梯次區間內，A、B類復合土岸坡安全系數平均增幅分別為15.8%、14.6%，而在超過11株后，安全系數的增幅分別僅為5.5%、4.1%。分析說明，護坡設計時考慮植被覆蓋密度參數在合理區間即可[5]，并不需過量的覆蓋密度，計算結果表明，該合理區間為11株；安全系數結果也反映了A類多花木蘭植被更適配該岸坡生態護坡。

圖7 岸坡安全系數受覆蓋密度參數影響特征

5 結 論

(1)多花木蘭(A類)復合土承載能力最高，圍壓100 kPa下，A類、B類復合土抗剪強度較原狀土分別提高了71.4%、36.4%，圍壓增大，植被復合土提升承載能力更顯著；圍壓100 kPa下原狀土與復合土均呈脆性變形，但圍壓增大，復合土具有延性變形特征。

(2)植被覆蓋密度愈大，復合土承載應力水平愈高，但植被覆蓋密度超過11株后，促進效果減弱，B類復合土在覆蓋密度2～11株與11～20株梯次區間內，平均增幅分別為17.4%、3.8%，而A類復合土受影響增幅較B類更顯著；植被覆蓋密度參數對復合土變形發展走向影響較小。

(3)A類復合土岸坡安全系數最高，覆蓋密度參數與安全系數具有正相關特性，但在覆蓋密度11株后增幅減小，在覆蓋密度2～11株梯次內，A、B類復合土岸坡安全系數平均增幅分別為15.8%、14.6%，而超過11株后，增幅分別僅為5.5%、4.1%。

(4)考慮植被覆蓋密度與植被品種，認為覆蓋密度11株時多花木蘭植被生態護坡效果最好。