降雨条件下水库土石坝植被护坡的渗流状态研究.pdf

第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-05-30作者简介 丁光华(1989-),男,江西南昌人,助理工程师,研究方向为水利工程.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.004降雨条件下水库土石坝植被护坡的渗流状态研究丁光华(江西省水泰工程检测有限公司,南昌 330038)摘 要为了分析水库土石坝植被护坡的渗流状态,通过室内试验,研究不同植被护坡条件下土石坝渗流特性。结果表明,在不同降雨条件下,不同植被护坡的土壤体积含水率具有明显差异,3 种边坡的体积含水率关系为:四季青护坡金银花护坡素土边坡。植被的存在还能有效改善土壤的稳定性,降低护坡的失稳风险。在水库土石坝护坡设计和维护中,应充分考虑植被的作用,选择适宜的植被类型,提高护坡的稳定性和防洪能力。关键词降雨条件;植被护坡;体积含水率;稳定性中图分类号 TV698.2+33 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0015-040 引 言水库土石坝是水资源利用和防洪抗旱的重要工程,其安全稳定性关系到水库周边群众的生命财产安全。土石坝在长期的使用过程中,会受到多种因素的影响,其中包括自然因素和人为因素1。降雨条件是土石坝受到自然因素影响的重要因素之一。当发生降雨时,土石坝表层的水分会渗透到土石坝内部,导致土石坝内部的渗流状态发生变化,可能会引起坝体破坏或滑坡等严重后果2-3。植被护坡不仅能够增加土石坝的抗冲刷能力和抗滑性能,还能够起到防止坝体渗漏的作用。因此,对于水库土石坝植被护坡的渗流状态进行研究,有助于深入了解土石坝内部的渗流状态,为植被护坡的设计和施工提供科学依据。1 工程概况某水库总库容 1.85108m3,控制流域面积903km2,是一座以防洪为主,兼顾灌溉、发电、供水、旅游等综合利用的大()型水库。水库由大坝、溢洪道、泄洪洞、灌溉发电洞、副坝、水电站等组成。大坝为黏土心墙土石坝,最大坝高77m,坝顶宽 8m,长 258m。水库始建于 1959 年,1975 年基本建成,于 2007 年 11 月至 2011 年 6 月进行了加固处理,增设了监控自动化及安全监测设施。2 材料与方法2.1 人工降雨模拟器 人工降雨模拟器是一种常用于模拟降雨条件的实验设备,它能够通过喷水或喷嘴等方式将水分均匀喷洒在试验区域上,模拟出不同强度和频率的降雨条件。在水利、环境、土木工程等领域的试验中,人工降雨模拟器被广泛应用于土壤侵蚀、坡面稳定性、河流水文学、降雨径流等研究中。本次试验中的人工降雨模拟器由喷嘴、泵、水箱、控制系统等部分组成。在试验过程中,通过控制系统调节模拟器的喷洒水量、喷洒时间、喷洒方式等参数,模拟出不同条件下的降雨情况。模拟器的喷嘴数量和布置方式可以根据试验需要进行调整,以达到试验区域内的均匀喷洒效果。为了保证试验的准确性和可重复性,人工降雨模拟器需要进行精细的校准和测试。需要对喷嘴的流量进行测量和调整,以确保喷洒量的精度和一致性。同时,还需对试验区域的坡度、土壤类型等因素进行考虑,试验中降雨模拟器的具体参数见表 1。51第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023表 1 降雨模拟器参数降雨强度与范围/mmh-1降雨面积/m2降雨高度/m降雨均匀度降雨调节精度/mmh-1901493769%4.52.2 土壤水分传感器土壤水分传感器是一种用于测量土壤中水分含量的传感器,它能够通过检测土壤中的电容、电阻或电导率等参数,反映土壤中水分含量的变化。土壤水分传感器广泛应用于农业、生态环境、水利、土木工程等领域,是实现节水灌溉和水资源管理的重要工具之一。土壤水分传感器的工作原理主要基于土壤和水之间的物理性质,即土壤中含有的水分会影响土壤的电容、电阻或电导率等参数。传感器的探头被埋入土壤中,当土壤中的水分含量发生变化时,传感器会感知到这种变化,并通过输出电信号来反映土壤水分含量的变化情况。本次试验采用的传感器参数见表 2。表 2 土壤水分传感器参数测量参数测量量程测量误差分辨率安装方法土壤体积含水率0100%金银花护坡素土边坡,这可能是由于 3 种不同类型的边坡所采用的植被护坡系统的差异所导致的。首先,四季青护坡和金银花护坡的植被护坡系统可能比素土边坡的植被护坡系统更加密集和茂盛。由于植被的覆盖,四季青护坡和金银花护坡的土壤表面受到保护,能够更有效地防止水分的蒸发和流失,因此这两种护坡系统的土壤体积含水率可能更高。四季青护坡和金银花护坡的植被护坡系统可能拥有更好的水分保持和排水能力,这些植被能够吸收和存储水分,并在土壤中形成更多的微孔和通道,从而使土壤更容易透水,同时也更能保持土壤的水分。这可能导致四季青护坡和金银花护坡的土壤体积含水率更高,而且在持续的降雨条件下,水分的保持能力可能会更加显著。综上所述,四季青护坡和金银花护坡的植被护坡系统可能比素土边坡的植被护坡系统更加适应降雨条件下的土壤保水和排水需求,两种护坡系统的土壤体积含水率可能更高。图 2 90mm/h 雨强下不同护坡 15cm 埋深处含水率变化曲线 2)图 3 为不同边坡 35cm 下土壤体积含水率与时间的关系。由图 3(a)可知,不同观测点的土壤体积含水率随降雨时间的增长基本上不会发生变化,这与图 2 的观测结果相似。由图 3(b)可知,四季青护坡的土壤体积含水率在 810min 左右增长,与 20cm 处相比,35cm 处的土壤初始体积含水量较大。与 20cm 处的变化相同,四季青与金银花护坡的体积含水率变化要晚于素土边坡,植物护坡和素土边坡在土壤含水率的变化速率上有所不同,植物护坡的土壤体积含水率变化要慢于素土边坡。这是因为植物根系对土壤的水分有很强的吸收能力,能够吸收并保存土壤中的水分,减缓土壤水分的流失。同时,植物根系还能够增加土壤的结构和稳定性,从而使土壤更加紧密和稳定,减少水分的渗漏。相比之下,素土边坡没有植物的保护和干扰,土壤中的水分更71第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023容易被风化和流失;土壤的结构和稳定性也较弱,容易被水侵蚀和侵蚀。因此,土壤体积含水率的变化速率会比植物护坡更快。植物根系对土壤水分的吸收和保存以及对土壤结构和稳定性的增强能力,使植物护坡的土壤体积含水率变化速率要慢于素土边坡。图 3 90mm/h 雨强下不同护坡 35cm 埋深处体积含水率变化3.2 素土边坡与植被护坡安全系数比较本文应用强度折减法4,分析不同工况下3 种边坡的安全系数和安全系数增幅数据,结果见表 3。在无降雨情况下,3 种边坡的安全系数分别为 1.94、2.10 和 2.18,显示出四季青植被护坡和金银花植被护坡具有更好的稳定性。当降雨 12h 后,3 种边坡的安全系数均有所下降。但与素土边坡相比,四季青植被护坡和金银花植被护坡的安全系数减幅更小,分别为15.62%和8.66%,而素土边坡的安全系数减幅高达 29.38%,表明边坡植被覆盖可有效减缓降雨对稳定性的影响。此外,四季青植被护坡和金银花植被护坡的安全系数增幅分别为 8.18%和 11.88%,表明边坡植被覆盖可显著提高其稳定性,提高其安全系数。综上所述,植被覆盖是提高边坡稳定性和安全系数的重要因素。表 3 不同工况边坡的安全系数大小边坡工况降雨工况安全系数安全系数增幅/%素土边坡无降雨1.940降雨 12h1.350四季青植被护坡无降雨2.18.18降雨 12h1.5615.62金银花植被护坡无降雨2.1811.88降雨 12h1.478.66(下转第 43 页)81丁 培:河流水位与地下水流量联合效应对河岸稳定性分析第 11 期1.54 开始持续下降,特别是 Vw为 2.0 m/h 时触发失效。因此,从模拟中可以得出,地下水位与河流水位之间的关系对河岸的稳定性起着重要的作用。图 4 不同 Vw值下 FS 随 Hw/H 的变化情况3 结 论本文提出的新方法将地下水流动和稳定性分析相结合,以获得更真实的地下水位,从而确定正负孔隙水压力对河岸稳定性的影响。同时,可以预测河岸破坏的时间以及分析河岸稳定状态。结论如下:1)基质吸力的作用对河岸稳定性影响较大,尤其在地下水位较低的情况下,应予以考虑。2)低渗透或高产水率的河岸土质、严重的入渗和快速沉降阶段有可能导致河岸不稳定。3)即使在下落阶段,河岸也可能发生破坏,这主要取决于土壤性质。因此,河岸的材料特性不仅决定了抗剪强度,而且直接影响地下水位分布,需要特别重视。参考文献1 邓合玉.水流冲蚀作用下的河岸边坡稳定性分析J.价值工程,2020,39(21):238-240.2 黄本胜,白玉川,万艳春.河岸崩塌机理的理论模式及其计算J.水利学报,2002(9):49-54,60.3 吕庆标,岳红艳,朱勇辉,等.水位变化速率对河道崩岸的影响J.长江科学院院报,2021,38(5):11-16.4 孙家文,房克照,刘忠波,等.关于 Boussinesq 型水波方程理论和应用研究的综述J.海洋学报,2020,42(5):1-11.(上接第 18 页)4 结 论1)水库土石坝植被护坡中,不同植被护坡条件下,土壤体积含水率存在显著差异。四季青护坡的土壤体积含水率最高,金银花护坡次之,素土边坡最低。因此,在水库土石坝植被护坡的设计和维护中,应考虑不同植被类型对渗流状态的影响,选取合适的植被种类和密度,以达到最佳的防洪和稳定效果。2)植被覆盖是提高边坡稳定性和安全系数的重要因素,可有效减缓降雨对边坡稳定性的影响,提高其安全系数。相比于素土边坡,四季青植被边坡和金银花植被边坡具有更好的稳定性,其安全系数减幅更小,安全系数增幅更大。在水库土石坝护坡的设计和维护中,建议考虑植被的作用,提高护坡防洪能力。参考文献1 高媛.不同植被防护条件下土石坝背水坡降雨入渗规律及稳定性研究D.泰安:山东农业大学,2021.2 候帅.草本植物根系复合土物理力学性能及浅层黄土边坡渗流稳定性研究D.西安:长安大学,2020.3 嵇晓雷,杨平.不同根系布置模式对降雨条件下边坡稳定性的影响J.东北林业大学学报,2020,48(7):86-89,97.4 胡炜,刘宇峰,秦卫星.考虑植被护坡的河道生态岸坡稳定性分析 J/OL.长江科学院院报:1-6.2021-11-04.http:/