黃志豪

(廣州市花都區(qū)赤坭鎮(zhèn)農業(yè)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(qū)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(qū)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(qū)，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(qū)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(qū)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(qū)，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(qū)農業(yè)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(qū)農業(yè)生產具有較大促進作用，改善地區(qū)水資源分布離散現(xiàn)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(guī)劃具有發(fā)電、水資源調度及蓄洪排澇等作用，規(guī)劃年發(fā)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(qū)，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(jīng)韶關山地地區(qū)，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(qū)泥沙量常年穩(wěn)定在3.5～5.0 kg/m3，對英德連江地區(qū)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(jiān)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?lián)鯄κ軗p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(xiàn)不穩(wěn)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(tài)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(tài)護坡設計角度出發(fā)，研究黏土層岸坡生態(tài)護坡改善下穩(wěn)定性。

2 試驗介紹

生態(tài)植被護坡設計本質上是對岸坡土體進行生態(tài)改良，一方面改善岸坡土體力學穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(tài)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(shù)據(jù)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(guī)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(qū)段岸坡為分析對象，所有試驗土樣均來自岸坡現(xiàn)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(yǎng)液中完成培育，改良齡期均統(tǒng)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(fā)育。

圖2 生態(tài)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(yǎng)護條件下，完成植被復合土培育，30 d后采用環(huán)刀法從生態(tài)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(yǎng)液根系植被培植密度ρ，該密度參數(shù)取值設定為培養(yǎng)皿中栽育的植被數(shù)量，分別設定該密度參數(shù)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(yǎng)護對照方案。

圖3 環(huán)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(shù)如表1所示?；诓煌贩N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(wěn)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(jù)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(tài)植被改良下岸坡土體力學穩(wěn)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(wěn)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(tài)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(fā)展態(tài)勢基本一致，峰值應變基本接近，穩(wěn)定在5.7%～6.9%，峰值應力后均發(fā)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(shù)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(fā)展態(tài)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(shù)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(tài)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(qū)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(qū)間內，強度分別為平均增幅17.4%、3.8%。從岸坡護坡經(jīng)濟性設計角度考量，控制根系植被覆蓋密度在合適區(qū)間即可，并不需過大的植被覆蓋密度，造成生態(tài)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(shù)，對復合土變形發(fā)展走向影響較小，A、B類復合土峰值應變分別穩(wěn)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(shù)影響關聯(lián)性更強，更適合該岸坡生態(tài)護坡設計，而覆蓋密度11株的護坡設計更為經(jīng)濟合理。

4 岸坡穩(wěn)定性特征

基于Z4+115區(qū)段內岸坡生態(tài)植被復合土力學特征研究，利用Abaqus建立岸坡數(shù)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(shù)按照試驗數(shù)據(jù)設定，計算該岸坡在不同品種植被、不同覆蓋密度下安全穩(wěn)定性。

圖6 岸坡數(shù)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(shù)隨覆蓋密度參數(shù)變化特征，如圖7所示。分析安全系數(shù)變化可知，A類復合土岸坡安全系數(shù)在任一覆蓋密度參數(shù)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(shù)的差幅分布為35.8%～43.8%。隨覆蓋密度參數(shù)遞增，兩種復合土岸坡安全系數(shù)均為遞增，直至在覆蓋密度11株 后出現(xiàn)增長停滯狀態(tài)；在覆蓋密度2～11株梯次區(qū)間內，A、B類復合土岸坡安全系數(shù)平均增幅分別為15.8%、14.6%，而在超過11株后，安全系數(shù)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(shù)在合理區(qū)間即可[5]，并不需過量的覆蓋密度，計算結果表明，該合理區(qū)間為11株；安全系數(shù)結果也反映了A類多花木蘭植被更適配該岸坡生態(tài)護坡。

圖7 岸坡安全系數(shù)受覆蓋密度參數(shù)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(qū)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(shù)對復合土變形發(fā)展走向影響較小。

(3)A類復合土岸坡安全系數(shù)最高，覆蓋密度參數(shù)與安全系數(shù)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(shù)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(tài)護坡效果最好。