降雨條件下水庫土石壩植被護坡的滲流狀態研究

2023-11-17 04:55:08丁光華

水利科技與經濟 2023年11期

丁光華

(江西省水泰工程檢測有限公司,南昌 330038)

0 引言

水庫土石壩是水資源利用和防洪抗旱的重要工程,其安全穩定性關系到水庫周邊群眾的生命財產安全。土石壩在長期的使用過程中,會受到多種因素的影響,其中包括自然因素和人為因素[1]。降雨條件是土石壩受到自然因素影響的重要因素之一。當發生降雨時,土石壩表層的水分會滲透到土石壩內部,導致土石壩內部的滲流狀態發生變化,可能會引起壩體破壞或滑坡等嚴重后果[2-3]。植被護坡不僅能夠增加土石壩的抗沖刷能力和抗滑性能,還能夠起到防止壩體滲漏的作用。因此,對于水庫土石壩植被護坡的滲流狀態進行研究,有助于深入了解土石壩內部的滲流狀態,為植被護坡的設計和施工提供科學依據。

1 工程概況

某水庫總庫容1.85×108m3,控制流域面積903km2,是一座以防洪為主,兼顧灌溉、發電、供水、旅游等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫。水庫由大壩、溢洪道、泄洪洞、灌溉發電洞、副壩、水電站等組成。大壩為黏土心墻土石壩,最大壩高77m,壩頂寬8m,長258m。水庫始建于1959年,1975年基本建成,于2007年11月至2011年6月進行了加固處理,增設了監控自動化及安全監測設施。

2 材料與方法

2.1 人工降雨模擬器

人工降雨模擬器是一種常用于模擬降雨條件的實驗設備,它能夠通過噴水或噴嘴等方式將水分均勻噴灑在試驗區域上,模擬出不同強度和頻率的降雨條件。在水利、環境、土木工程等領域的試驗中,人工降雨模擬器被廣泛應用于土壤侵蝕、坡面穩定性、河流水文學、降雨徑流等研究中。本次試驗中的人工降雨模擬器由噴嘴、泵、水箱、控制系統等部分組成。在試驗過程中,通過控制系統調節模擬器的噴灑水量、噴灑時間、噴灑方式等參數,模擬出不同條件下的降雨情況。模擬器的噴嘴數量和布置方式可以根據試驗需要進行調整,以達到試驗區域內的均勻噴灑效果。

為了保證試驗的準確性和可重復性,人工降雨模擬器需要進行精細的校準和測試。需要對噴嘴的流量進行測量和調整,以確保噴灑量的精度和一致性。同時,還需對試驗區域的坡度、土壤類型等因素進行考慮,試驗中降雨模擬器的具體參數見表1。

表1 降雨模擬器參數

2.2 土壤水分傳感器

土壤水分傳感器是一種用于測量土壤中水分含量的傳感器,它能夠通過檢測土壤中的電容、電阻或電導率等參數,反映土壤中水分含量的變化。土壤水分傳感器廣泛應用于農業、生態環境、水利、土木工程等領域,是實現節水灌溉和水資源管理的重要工具之一。土壤水分傳感器的工作原理主要基于土壤和水之間的物理性質,即土壤中含有的水分會影響土壤的電容、電阻或電導率等參數。傳感器的探頭被埋入土壤中,當土壤中的水分含量發生變化時,傳感器會感知到這種變化,并通過輸出電信號來反映土壤水分含量的變化情況。本次試驗采用的傳感器參數見表2。

2.3 護坡類型

本次試驗中,設置裸土邊坡、四季青、金銀花3種護坡類型進行人工模擬降雨試驗。四季青植被在邊坡中具有重要的生態保護和地質穩定作用。它可以有效減緩雨水流速和沖刷作用,防止土壤侵蝕和坡面塌方。同時,四季青植被的根系可以增強土壤的抗剪強度和黏聚力,提高坡面的穩定性。此外,四季青植被還可以吸收大氣中的CO2,凈化空氣,改善生態環境。因此,在邊坡生態修復和防護工程中,四季青植被被廣泛應用。

金銀花植被在邊坡中有著重要的生態保護和環境改善作用,可有效防止坡面被陽光直接照射,減少坡面水分的蒸發和土壤的流失。金銀花植被的根系可以增強土壤的穩定性和黏聚力,防止土壤侵蝕和坡面塌方。此外,金銀花植物在生長過程中會吸收大量CO2,凈化空氣,改善空氣質量。同時,金銀花植被還具有很好的觀賞價值和藥用價值。因此,在邊坡生態修復和防護工程中,金銀花植被被廣泛應用。

2.4 邊坡土壤體積含水率觀測點設置

本次試驗中,通過觀測不同邊坡不同位置的土壤體積含水率,探究邊坡滲流狀態。邊坡水分傳感器的放置需要考慮邊坡的坡度、土層性質以及周圍環境等因素,試驗中,將邊坡分為1號和2號兩個區域,將傳感器放置在邊坡的上部、中部和下部,了解邊坡的水分情況。傳感器放置在土層的根部深度,監測土壤中植物根系所吸收的水分,試驗中每個觀測截面的觀測點埋深設置為15和35cm。在放置傳感器時,注意避免設置在可能受到水流沖刷的區域或土石流等自然災害的影響下,確保傳感器測量結果的準確性和可靠性。傳感器具體布置見圖1,其中1-1表示1號區域的第1個觀測點。

圖1 傳感器布置圖

3 結果與分析

3.1 不同埋深處土壤體積含水率變化

1)圖2為不同邊坡15cm下土壤體積含水率與時間的關系。由圖2(a)可知,素土邊坡各觀測點的土壤體積含水率隨時間的增長變化相同,當降雨時間達到10min后,土壤體積含水率出現緩慢上升然后趨于平緩的情況,整體上土壤體積含水率變化不大。由圖2(b)可以看出,隨著降雨時間的增長,四季青護坡不同監測點的土壤含水率變化較大,與素土邊坡相似,降雨時間在8～15min左右土壤體積含水率先增大然后趨于平穩。與素土邊坡相比,四季青護坡的土壤體積含水率較大,受降雨時間的影響其變化較大。由圖2(c)可以看出,金銀花護坡的土壤體積含水率受降雨時間的影響較大,當降雨時間持續20～30min后,土壤體積含水率增大,然后趨于穩定。與四季青護坡不同,金銀花護坡的土壤體積含水率出現增大的現象要遠落后于四季青,并且體積含水率略小。

圖2 90mm/h雨強下不同護坡15cm埋深處含水率變化曲線

3種邊坡的體積含水率關系為:四季青護坡>金銀花護坡>素土邊坡,這可能是由于3種不同類型的邊坡所采用的植被護坡系統的差異所導致的。首先,四季青護坡和金銀花護坡的植被護坡系統可能比素土邊坡的植被護坡系統更加密集和茂盛。由于植被的覆蓋,四季青護坡和金銀花護坡的土壤表面受到保護,能夠更有效地防止水分的蒸發和流失,因此這兩種護坡系統的土壤體積含水率可能更高。四季青護坡和金銀花護坡的植被護坡系統可能擁有更好的水分保持和排水能力,這些植被能夠吸收和存儲水分,并在土壤中形成更多的微孔和通道,從而使土壤更容易透水,同時也更能保持土壤的水分。這可能導致四季青護坡和金銀花護坡的土壤體積含水率更高,而且在持續的降雨條件下,水分的保持能力可能會更加顯著。綜上所述,四季青護坡和金銀花護坡的植被護坡系統可能比素土邊坡的植被護坡系統更加適應降雨條件下的土壤保水和排水需求,兩種護坡系統的土壤體積含水率可能更高。

2)圖3為不同邊坡35cm下土壤體積含水率與時間的關系。由圖3(a)可知,不同觀測點的土壤體積含水率隨降雨時間的增長基本上不會發生變化,這與圖2的觀測結果相似。由圖3(b)可知,四季青護坡的土壤體積含水率在8～10min左右增長,與20cm處相比,35cm處的土壤初始體積含水量較大。與20cm處的變化相同,四季青與金銀花護坡的體積含水率變化要晚于素土邊坡,植物護坡和素土邊坡在土壤含水率的變化速率上有所不同,植物護坡的土壤體積含水率變化要慢于素土邊坡。這是因為植物根系對土壤的水分有很強的吸收能力,能夠吸收并保存土壤中的水分,減緩土壤水分的流失。同時,植物根系還能夠增加土壤的結構和穩定性,從而使土壤更加緊密和穩定,減少水分的滲漏。相比之下,素土邊坡沒有植物的保護和干擾,土壤中的水分更容易被風化和流失;土壤的結構和穩定性也較弱,容易被水侵蝕和侵蝕。因此,土壤體積含水率的變化速率會比植物護坡更快。植物根系對土壤水分的吸收和保存以及對土壤結構和穩定性的增強能力,使植物護坡的土壤體積含水率變化速率要慢于素土邊坡。

圖3 90mm/h雨強下不同護坡35cm埋深處體積含水率變化

3.2 素土邊坡與植被護坡安全系數比較

本文應用強度折減法[4],分析不同工況下3種邊坡的安全系數和安全系數增幅數據,結果見表3。在無降雨情況下,3種邊坡的安全系數分別為1.94、2.10和2.18,顯示出四季青植被護坡和金銀花植被護坡具有更好的穩定性。當降雨12h后,3種邊坡的安全系數均有所下降。但與素土邊坡相比,四季青植被護坡和金銀花植被護坡的安全系數減幅更小,分別為15.62%和8.66%,而素土邊坡的安全系數減幅高達29.38%,表明邊坡植被覆蓋可有效減緩降雨對穩定性的影響。此外,四季青植被護坡和金銀花植被護坡的安全系數增幅分別為8.18%和11.88%,表明邊坡植被覆蓋可顯著提高其穩定性,提高其安全系數。綜上所述,植被覆蓋是提高邊坡穩定性和安全系數的重要因素。