基于模型试验的堤防岸坡土层含水特征及安全稳定性影响研究.pdf

四 川 水 利 基于模型试验的堤防岸坡土层含水特征及安全稳定性影响研究邹广明(开平市水政监察大队广东 开平)【摘 要】为研究不同生态护坡设计方案下土层含水特性及岸坡安全稳定性采用物理模型试验方法设计开展了金银花、四季青两种护坡方案下土层含水特征及坡体稳定性计算 降雨工况下土层含水量在坡体断面上均呈“稳定递增稳定”变化降雨强度对土层含水量促进作用在后期减小两种护坡方案中四季青护坡方案中土层含水量最低且坡体断面上含水量变幅较小 当降雨时长每增大 则金银花、四季青护坡方案中土层含水量分别平均增幅 、两个降雨因素对岸坡安全稳定性均为削弱作用四季青护坡方案中抗降雨因素影响更强在降雨强度/下降雨时长梯次 变化金银花、四季青护坡方案的安全系数平均降幅分别为 、研究结论可为模型试验在堤防岸坡生态护坡设计中应用提供参考【关键词】堤防岸坡 含水量 安全系数 模型试验 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言堤防岸坡安全稳定性关乎着水利河道运营可靠不同的护坡设计对岸坡安全稳定性具有差异性影响 常用的护坡设计包括有硬化坡面、格宾石笼等而生态护坡设计乃是一种浅层护坡方案其良好的生态效益与工程价值在岸坡、边坡工程中得到较为广泛的应用 王章云等、夏军强等、宋欣玲等为研究岸坡护坡方案采用建模仿真计算方法分析了岸坡在静、动力工况下位移、应力变化为分析岸坡安全稳定性提供了计算依据李家栋、王琼亚等为研究不良土层岸坡稳定性提出采用土体物化改良方法对岸坡土层进行改良设计分析了改良后岸坡土体力学特性与岸坡安全稳定性从物理模型试验研究入手李健等、许彬等设计了不同设计方案下的岸坡模型探讨了各类型护坡方案下岸坡土层水力特性及安全稳定性 本文为研究潭江开平段堤防岸坡生态护坡设计方案下土层含水特征及安全稳定性采用模型试验设计了两种护坡方案并据此分析了岸坡内土层含水变化及受降雨因素影响特性 研究方法 工工程程背背景景作为地区内重要水利通道潭江在江门市境内河道全长 河面宽度最大可达 集水面积超过 涉及区域内司前、大泽、会城等乡镇承担着各乡镇农业灌溉、蓄水调度及通航等水利功能 潭江全河段内包括有多座节制水闸、供水枢纽及电排站等水工设施水闸设计最大控流量为 /电排站设计排涝流量最大为 /均位于潭江中下游区域有效保障下游河段防洪堤防安全稳定性监测表明 年台风天气中堤防最大渗透坡降未超过 受历年台风、暴雨等自然灾害影响潭江开平段局部堤防出现不稳定运营特别是在潭江开平段桩号 河道水流流速最大可达 /全河道断面平均流速为 /两侧堤防出现坡降滑移、局部出现坡面硬化混凝土冲刷脱落等现象另一方面由于开平市区潭江部分区段正进行河道清淤对两侧堤防进行拓宽开挖进一步加剧了堤防迎水侧不安全性特别是堤防岸坡出现显著的滑移岸坡坡底面防渗层受水侵蚀严重 为 四 川 水 利此工程管理部门考虑对开平潭江河段进行生态治理重点围绕堤防岸坡护坡设计据调研治理河段全长为 其中包括清淤段 需重新进行护坡设计区段长度超过 从潭江开平段堤防调研得知其设计为 年一遇防洪标准堤顶配置有生态景观带图 为其典型堤防岸坡设计坡面与坡顶处构建起完善的植物生态体系对河段内水生态环境治理有所帮助 但目前存在的问题主要包括两侧岸坡受清淤开挖导致坡内土体应力稳定性出现失衡另一个则是岸坡坡面部分硬化层受水侵蚀、冲刷影响无法有效形成硬化层与生态植被层的有机协调 因而对开平段堤防进行岸坡整治很有必要特别是岸坡部分土体为吸水性较大的粉质壤土在含水量较高时易出现较大沉降变形对岸坡的运营带来较大挑战 为此开平段堤防管理部门考虑以清淤段 区段内典型岸坡为分析对象(图)从生态植被护坡层的恢复设计入手探讨其对岸坡稳定性的加持作用图 区段岸坡立面 研研究究过过程程为探讨潭江开平段生态护坡重设后岸坡稳定性本文设计有四种不同生态护坡形式且为研究含水工况下岸坡稳定性设定有降雨强度与降雨时长两个因素 以 区段岸坡为研究对象分别设定生态护坡植被为金银花、四季青硬化层均采用同一防渗混凝土石笼网格图 为其中两种典型植被()金银花()四季青图 典型植被 为研究岸坡土体含水状态下稳定性特征设计有模拟降雨试验按照研究区段岸坡的坡度及土体压实状态设计有岸坡物理模型且在该岸坡内布置有多个含水特征监测传感器如图 所示该模型按照相似比尺/设计坡体轴长为 坡顶轴长为 坡高为 土层以实际工程岸坡土体堆筑土体渗透系数为 /按照分层压实度对照原则确保岸坡工程与模型夯实状态一致 按照均匀布置、点面结合的原则设置三个监测断面断面间距为 所在位置如图 中标注岸坡每个断面所在位置布设传感器 个故岸坡内传感器总数为 个达到对整个岸坡模型的上、中、下及横向对边全维度监控图 模型试验监测断面设计示意由于需要模拟降雨条件采用便携式人工模邹广明:基于模型试验的堤防岸坡土层含水特征及安全稳定性影响研究 拟降雨器进行降雨试验 降雨条件分为降雨强度与降雨时长两因素前者按照堤防岸坡最大危险降雨强度/为边界值设定共设计降雨强度有/每梯次/的五个方案且设定有无降雨/对照方案 降雨时长按照岸坡失稳极限值要求设定降雨时长分别为 、基于降雨条件影响开展对岸坡模型土体含水特征及岸坡稳定性分析 不同护坡形式下岸坡土体含水特征 降降雨雨强强度度影影响响根据 个传感器所在各断面监测获得了坡体轴长各断面土体的最大含水量变化特征如图 所示 从图中土体体积含水率变化特征可知有降雨条件下含水量变化特征呈一致性而无降雨下含水量在坡体各断面上呈递增变化 以金银花生态护坡设计为例降雨/下坡体下部断面、中部 处含水量较之上部断面 处分别增长了 、坡体全轴面上含水量在各断面间平均增幅为 表明无降雨条件下岸坡内土体含水量来源趋向于地表径流活动 在各降雨工况下降雨强度愈大则岸坡土体含水量愈高但含水量的涨幅在各降雨强度工况中为递减变化如降雨强度/下坡体断面 处含水量为 而降雨强度为/、/、/时同断面处含水量分别增长了 、降雨强度/岸坡断面土体平均含水量为 而降雨强度每增长/全断面土体含水量平均增幅为 而在降雨强度/梯次内具有平均增幅 在此之后平均涨幅为 分析认为降雨强度愈大土体含水量愈高其本质上乃是由于降雨水分突破土体渗透层土体吸收较多水分进而体积含水量参数增高但当降雨强度愈大土体内部吸收的水分终究是有限的因而愈大的降雨强度只会更容易“突破”土层渗透但对其含水量的促进作用却是有限的从各降雨工况中含水量变化可知其呈“稳定递增稳定”三阶段变化其中稳定阶段位于上部断面中而递增稳定阶段为中、下部断面表明降雨工况下岸坡土体含水量的变化乃是从上部逐步延伸至下部且以下部土层中径流量更活跃 特别地当降雨强度愈大则上部断面稳定持续阶段更短如金银花护坡设计中在降雨强度/下稳定段持续断面为 而在降雨强度/、/下稳定段持续断面分别为、由此可知降雨强度会影响岸坡上部断面土层含水量特征特别是降雨强度愈大更容易导致上部断面的含水量出现递增状态并趋向于下部土层含水量对比两种护坡形式的土体含水量变化特征可知(见图)相同降雨强度下坡内土体含水量变化特征为一致仅有量值上差异以四季青生态护坡设计下含水量更低如在降雨强度/下两者含水量差幅分布为 另一方面在坡内上、中及下部土层中土体含水量差幅弱于金银花护坡体如在含水量的“递增稳定”段降雨强度/下含水量变幅为 而金银花护坡设计下含水量变幅可达 由此可知四季青护坡设计下对土层防渗体系加固效应更为显著且对坡内各部位土层的防护具有一致性 ()金银花生态护坡()四季青生态护坡图 降雨强度影响下岸坡土层含水量特征 四 川 水 利 降降雨雨时时长长影影响响降雨时长乃是影响岸坡土体含水量的重要因素图 为各降雨时长岸坡土体含水量变化特征从图中可知两种护坡设计方案中土层含水量变化特征与图 呈一致性但降雨时长对土层含水量影响具有特殊性 当降雨时长愈长则土层含水量愈高同时促进效果愈为显著在金银花护坡设计方案中降雨时长 下全土层内平均含水量为 而降雨时长每增大 其岸坡土层内含水量平均可增长 特别是在降雨时长 后其平均增幅可达 相比之下四季青护坡设计形式抗渗效果显著在各降雨时长中土层含水量变幅具有一致性如在降雨时长每增大 下其土层含水量仅有 增幅 另一方面降雨时长对金银花护坡设计形式下土层含水量“递增温度”段无显著影响而四季青可显著缩短此两阶段变化在降雨时长 工况下金银花护坡方案下的土层含水量“递增稳定”段为断面 而四季青护坡方案下为 显著减少了岸坡内土层含水量的不稳定段 ()金银花生态护坡()四季青生态护坡图 降雨时长影响下岸坡土层含水量特征 不同护坡形式下岸坡稳定性本文采用 仿真平台建立岸坡典型模型如图 所示该模型为金银花护坡设计二维尺寸参照模型设计相关土层渗透系数与抗剪等物理参数按照土工实测取值 护坡厚度为 研究工况按照降雨强度、降雨时长划分模拟其各方案中土层节点渗流量变化并采用强度折减法计算获得岸坡安全稳定系数图 岸坡计算模型根据对降雨因素影响下岸坡安全系数计算获得各工况下岸坡安全系数变化特征如图 所示 从图中安全系数变化可知岸坡安全系数与降雨时长为负相关变化降雨时长愈长则安全系数愈低在金银花护坡设计方案中降雨强度/下安全系数随降雨时长梯次 变化而平均降幅 而在四季青护坡方案中该强度方案下安全系数的平均降幅 即四季青护坡设计方案下岸坡抗滑移、抗倾覆效果高于金银花护坡设计 从降雨时长影响特征来看两种生态护坡方案均具有递增特性即愈长的降雨时长对岸坡安全系数削弱效果愈大在降雨时长 后安全系数降幅趋增 降雨强度与岸坡安全系数亦为负相关变化同降雨时长 下金银花护坡设计方案中降雨强度为/下岸坡安全系数为 而降雨强度每梯次增长/后其安全系数平均减小 当护坡方案为四季青时其安全系数随之平均减少 同样的对比在其他降雨强度方案中亦是如此均以四季青方案下降雨强度影响效应较弱 综上分析可知四季青生态护坡设计对岸坡受降雨因素影响敏感更弱邹广明:基于模型试验的堤防岸坡土层含水特征及安全稳定性影响研究 ()金银花生态护坡()四季青生态护坡图 降雨因素影响下岸坡安全系数 结论本文主要获得以下三点结论:()降雨工况下土层含水量变化特征呈一致性为“稳定递增稳定”三阶段变化降雨强度愈大则岸坡土体含水量愈高但增幅递减 四季青生态护坡设计下含水量最低含水量变幅小于金银花护坡()降雨时长愈长则土层含水量愈高金银花、四季青护坡设计方案中降雨时长每增大 土层含水量分别有 、的增幅四季青护坡方案中含水量变幅断面较小()岸坡安全系数与降雨时长、降雨强度均为负相关变化金银花、四季青护坡设计方案中降雨强度/下降雨时长梯次 变化安全系数平均降幅分别为 、四季青护坡方案中安全系数受降雨强度影响效应弱于金银花护坡方案参 考 文 献尤德纯管丽萍.钻孔灌注桩在城市防洪高陡岸坡堤防中的应用.水利建设与管理():.薛亚民王 毅王 峰.基于不同堤防防护结构方案的岸坡渗流及滑动稳定性分析 以山东德惠新河滨州段堤防工程为例.地下水():.甘小艳胡 强王萱子.鄱阳湖区重点圩堤护坡现状及展望.河南水利与南水北调():.周树朋荆惠霖范华峰.格宾护垫护坡技术在河道岸坡治理中应用.山东水利():.王章云郑维栋.基于强度折减法的岸坡稳定性评价.科学技术创新():.夏军强周悦瑶邓珊珊等.荆江段抛石护岸稳定性计算及其影响因素分析.水力发电学报():.宋欣玲陈文蛟.降雨条件下含裂缝岸坡渗流稳定特性研究.河南水利与南水北调():.李家栋.水泥改良土加固填筑边坡效果数值分析.西部交通科技():.王琼亚刘 瑾李 鼎等.高分子稳定剂改良河道岸坡表层砂土水稳定性试验研究.防灾减灾工程学报():.李 健王平义付中敏等.新型生态护坡结构物理模型动床试验研究.水运工程():.许 彬刘新荣周小涵等.消落带岩体劣化下顺层岩质边坡动力响应规律试验研究/.岩土工程学报:.王志浩.水位升降及降雨联合作用下库岸边坡稳定性研究.西北农林科技大学.颜佩风.辽西坡耕地不同植物篱对水土流失及土壤养分空间分布的影响.水土保持应用技术():.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/.长江科学院院报:.:/./.杨淑惠.基于 的洛河治理工程中河道岸坡安全稳定性分析研究.水利科学与寒区工程():.王 飞.降雨作用对航道岸坡稳定性的影响分析.中国水运(下半月)():.作者简介:邹广明()男汉广东河源人工程师本科主要从事水利工程建设管理工作: