土坝背水坡胡枝子护坡的坝坡稳定性及综合效益研究

杨 娟

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

1 工程背景

某水库是一座以防洪和灌溉为主，集养殖和旅游等诸多功能为一体的中型水利工程，可以保护下游8个自然村的安全。水库坝址以上控制流域面积540km2，总库容5830万m3。水库主要建筑物包括大坝、泄洪闸和输水洞[2]。其中水库主坝为长700m的均质土坝，设计高程134.60m，最大坝高8.04m，坝顶宽8.6～12.3 m，迎水坡坡比为1∶3.8，背水坡坡比为1∶2.9，迎水坡为干砌石护坡，背水坡为草皮护坡。虽然草皮护坡具有施工简单、成本低廉和养护方便的优势，也存在比较显著的缺陷，主要是寿命短、生态和经济效益差，根系较浅、锚固作用不足等[1]。胡枝子属于一种多用途树种，具有较高的经济价值，同时耐阴、耐寒、耐干旱和贫瘠，具有较强的适应力。胡枝子的生长快、封闭性好，十分适宜坡地生长，是丘陵漫岗水土流失区的治理树种，对控制水土流失意义重大[2]。本次研究以某水库土坝背水坡为例，研究胡枝子护坡的坝坡稳定性及综合效益。

2 计算模型

2.1 计算软件

Geo-studio软件是加拿大Geo-studio公司开发的大型仿真工程软件[3]。软件中的SEEP/W模块可以用于地下水渗流速度，坝体、堤防等在不同运行工况下的渗流和边坡稳态渗流分析[4]。基于此，本次研究利用Geo-studio软件中的SEEP/W模块进行边坡的稳定性分析。

2.2 模型的构建

研究中选择某水库背水坝坡为研究对象，从大坝的设计资料可知，该大坝为壤土沙壳心墙坝。为了研究胡枝子护坡的作用和价值，利用大坝背水坡的实际情况，利用Geo-studio软件对坝坡的稳定性进行建模分析，建模过程中结合研究对象的特点和相关研究经验，将模型简化为平面模型[5]，如图1所示。其中大坝上下游水位线以下为定水头边界，坝顶和背水坡为降雨入渗边界。根据前期的地质勘测和设计资料，大坝各部位的物理力学参数见表1。

图1 简化平面模型

表1 坝坡各部位物理力学参数

为了研究不同降雨条件下胡枝子护坡的稳定性，设置了3种不同的降雨条件和坡面覆盖类型进行对比分析。其中降雨条件选择的是90、120、160m 3种不同的降雨强度，坡面覆盖类型选择的是素土皮面、草皮坡面和胡枝子坡面3种坡面类型。研究中将降雨量转化为单位流量设置在模型的降雨入渗边界[6]。

为了简化模拟计算过程，研究中将胡枝子等效为根系高度发达的植物，草皮等效为根系低度发达的植物[7]。依据植物根系研究方面的文献成果，获得高度发达和低度发达植物根系的各力学参数，用于模拟胡枝子和草皮根系对坝体的影响，结果见表2。将降雨和时间轴的函数用于不同性质的坡面，进行冲刷分析和稳定性分析。

表2 不同根系力学参数表

由于Geo-studio软件的各个模块之间具有兼容性，研究利用SEEP/W 模块进行大坝背水坡在不同条件下的渗流和冲刷分析之后，直接将该模块的数据导入创建的SLOPE/W 模块进行大坝坝坡的稳定性分析，获得大坝背水坡的滑动面部位和不同降雨坡面条件下的稳定性系数，不需要重复建模[8]。

3 计算结果与分析

3.1 抗冲刷试验结果与分析

为了研究胡枝子护坡的抗冲刷能力，选择大坝背水坡面2m×3m典型区域不同护坡类型和降雨强度下的冲刷情况。研究设计降雨历时为12h，利用上节构建的模型对冲刷的沙量进行模拟计算，根据计算结果绘制护坡产沙量曲线，如图2所示。

图2 产沙量计算结果

由图2可知，在3种不同护坡形式下，坡面的产沙量均随着降雨强度的增加而增加。究其原因，降雨强度的增加，会大幅增加坡面的产流量，进而增加对坡面的侵蚀作用。从3种不同坡面产沙量的对比结果来看，没有植被的覆盖的素土坡面的产沙量明显大于有植被覆盖坡面的产沙量。由此可见，采用植物护坡可以大幅减小坡面在降雨条件下的侵蚀作用，对保证坡面的安全稳定十分有利。从胡枝子坡面和草皮坡面的对比来看，草皮坡面在90、120、160mm降雨强度下的产沙量分别为98、116、154g；胡枝子坡面在90、120、160mm降雨强度下的产沙量分别为65、72、91g，相比草皮护坡的产沙量分别降低33.7%、37.9%、40.9%。由此可见，采用胡枝子坡面可以有效抑制雨水的冲刷作用，并且降雨强度越大，作用效果越明显[9- 10]。

3.2 边坡稳定性计算结果与分析

对3种不同降雨强度条件下的坝坡稳定性进行分析，降雨历时为12h，再观察12h。模拟计算结果如图3所示。

图3 边坡稳定性模拟计算结果

由图3坡面稳定性系数随时间的变化规律来看，各种坡面的稳定性系数随着时间的变化均呈现出先增大后减小的特征。在90mm降雨强度条件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的稳定性系数分别为1.363、1.366、1.369；在120mm降雨强度条件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的稳定性系数分别为1.341、1.343、1.347；在160mm降雨强度条件下，素土坡面、草皮坡面和胡枝子坡面的稳定性系数分别为1.329、1.333、1.340。虽然不同坡面形式在不同降雨强度下的稳定性系数都满足设计要求，但是在相同条件下，胡枝子坡面的稳定性系数要明显高于其他2种坡面。由此可见，采用胡枝子坡面更有利于大坝背水坡在降雨条件下的安全稳定[11- 12]。

4 胡枝子坡面的综合效益分析

胡枝子不仅可以提高大坝背水坡的安全性，同样具有显著的经济价值，不仅是重要的蜜源植物、工业原料和饲料资源，还是重要的油料资源，含油量在9.2%左右。按照当地的种植经验，在坡地种植的情况下，每亩可以产生16000元的纯收入，可以创造十分显著的经济效益，也可以为当地提供一定数量的就业岗位，增加居民收入。此外，胡枝子还是重要的观赏价值和保持水土流失的作用，具有较高的生态价值[13- 15]。

当然，利用胡枝子作为大坝背水坡的护坡植物也具有自身的局限性。例如，由于胡枝子的茎叶比较繁茂，容易造成坝坡小区域湿润和渗水问题不能被及时发现，因此在每年7、8月的修剪枝条期间需要强化坡面监控。同时，也可以利用胡枝子果实采摘期间进行坡面监测，达到保证水库大坝安全监测的目的。

5 结语

随着水利工程建设生态性要求的不断提高，植物护坡获得广泛应用。本次研究的结果显示，将胡枝子用于土石坝背水坝坡护坡，不仅可以有效提升坝坡的安全性和稳定性，还可以获得良好的经济效益、社会效益和生态效益，具有良好的推广应用价值。当然，受到野外试验条件的限制，没有对不同生长年限的胡枝子对背水坡的影响进行试验。在后续的研究中，可以进一步试验和探讨不同生长年限胡枝子对土石坝背水坡的实际影响，寻求能发挥最大护坡效益的生长年限。此外，本次研究也没有考虑胡枝子根系护坡的力学效应，今后可以对该领域展开进一步的深入研究。