生物聚合物加筋土堤坝稳定性评估的试验研究

刘景青 李 蔚

(1.涝坡水利服务中心，山东 莒南 276600； 2.临沂市水文中心，山东 临沂 276037)

为研究建立和实施有效的对策，防止洪涝对堤防的侵蚀，本研究利用生物聚合物(一种环保岩土工程材料)进行了基于试验的研究，开发出了一种新的生物聚合物。这项研究的创新之处在于这种新物质被应用于堤防的建设。预计，该生物聚合物不仅能改善土壤，还能改善堤坝的耐久性和环境友好性。未来将通过进一步的试验，确定溢流、渗流、管涌等各因素下的新工艺优化方法，并将其应用于实际规模的试验。

1 堤防破坏主因

洪水发生时堤防破坏的主要原因有三种:溢流、侵蚀和不稳定的水体状况[3]。当洪水径流超过河道的输送量时，或者当输送量因砂子、土壤或碎屑而减少时，就会发生溢流；当陡峭的河流斜坡或弯道中过大的流速和剪切应力冲刷堤坝斜坡或底部时，就会发生侵蚀。堤体的失稳包括坝体的管涌，是由填筑材料不良或坝体渗漏引起的；堤坝破裂也发生在跨河结构的倒塌或使用与堤坝不同的材料的结构的界面处。根据有关报告，溢水占中国堤坝破坏形式的40%[4]。

2 水力模型试验

2.1 试验设置

为进行试验研究，建造一个高1m，宽3m，长度为5m，坡度为1 ∶2的中型堤坝，堤坝上游命名为A1通道，下游命名为A3通道(见图1)。水力试验的目的是使用新研发的物质，对比分析土堤和拟建堤坝之间的漫顶决口期间堤坝的行为，并根据应用新型物质的厚度验证对堤坝决口的阻滞效果。

图1 试验通道示意图(A3)

为分析溢流对堤坝边坡的破坏情况，在试验通道上安装了图像测量系统，在堤坝破坏部位的前方和两侧分别安装了5台GoPro摄像机和1台摄像机。对整个试验过程进行了不同角度的实时拍摄，以分析边坡的表面冲刷和破坏部分。使用一架无人机拍摄堤坝决堤的过程。

2.2 试验方法

由于几项初步试验已经阐明，土质堤坝在溢流过程中经常会在堤顶与坡面之间的界面上发生初始破坏，因此，该区域被确定为溢流破坏的易损区，并被确定为新开发物质的覆盖区域。

根据土壤分类体系，试验所用砂为均匀级配良好的砂(SW)(见图2)。通过使用这种易开裂的砂，生物聚合物与最脆弱的材料混合的性能表现更加明显，并加速诱导溢流决口横截面的形成。由于试验所用砂粒每次都有变化，因此进行了3次粒径分布试验，以验证每次试验的一致性。

图2 粒径分布

本研究所用新型物质制作配比：1克生物聚合物 ∶10克水 ∶50克砂子。此外，通过应用不同厚度的新物质(如1cm、3cm、5cm)来验证拟议堤坝的性能(见图3)。通过改变新物质的厚度，可以量化随着时间的推移对缺口的延迟效应。

图3 试验条件

本文试验研究采用的堤身构造过程如下所述。首先，使用挖掘机(0.2m3)，从3m的高度抛下砂子，用于建造堤基。通过反复将20cm厚的砂土相互叠置碾压，建造堤坝。修建土堤后，通过用水稀释粉末生物聚合物制备生物聚合物溶液，然后将制备的溶液与砂土混合，然后将混合新物质涂抹在堤顶和斜坡上(见图4)。以此可比较土堤和使用新物质的拟建堤坝之间的破坏机制。

图4 使用生物聚合物覆盖试验堤坝过程示意图(a) 生物聚合物和水混合；(b) 生物聚合物溶液和土壤混合；(c)～(e) 创建一个堤坝模型；(f) 用新物质覆盖

在下游通道进行试验时，一般允许流量向下游流动。但本试验在上游通道以3m3/s的速度让流量向下游流动，然后逐渐增加位于下游端流出池的水位，使水回流，在下游通道产生溢流。这个设置是为了解决一个问题，即在通过下游河道约600m后，流量到达安装堤坝模型的下游端需要相当长的时间。此外，由于实际决堤淹没内陆地区并不会造成河流水量的急剧减少，因此将该条件通过引入出流池来表示，出流池可以储存比上游河道更大的流量。堤内面在水位上升过程中保持稳定，直至超过堤顶。

4、生物质固化成型技术。生物质固化技术是指在高压或高温高压下通过生物质中木质素的塑化黏合，把原来疏松的生物质压缩成密度极高的高品质成型燃料，以便储运和高效率燃烧的技术。

3 结果与讨论

3.1 新物质使用过程中堤坝的破坏过程

通过对比两种类型堤防的破坏过程，直观分析新物质的作用效果。以往的研究根据坡面溢水和破坏类型将土质堤坝破坏过程分为几个阶段。在初始阶段，堤顶发生溢流，下游边坡受到侵蚀，形成小规模的溢流通道。随着时间的推移，溢流在下游坡面形成阶梯状水流。因此，裂缝宽度增加，溢流量增加，最终形成裂缝。

土质堤防的试验也表明，初始溢流会引起堤顶和边坡的侵蚀。即初始水流在堤防坡面上形成了一个主要的水流通道，从而导致侵蚀。水流的不断流动和流速的增大加剧了径流侵蚀，形成了沟槽侵蚀。最终，随着溢流量的增加，堤顶完全坍塌，形成深溃面，在强剪应力作用下形成最大溃口宽度。在拟采用新物质的堤防中，最初的溢流导致覆盖部分出现裂缝；随着水渗入裂缝，导致保护层脱落或膨胀。这似乎是因为新物质没有完全固结，或者生物土壤在溢流中溶解。因此，新物质需要通过进一步的试验来改进。由于堤顶上的溢流阻力产生了强烈的垂向水流，导致坡底局部冲刷，形成垂向冲刷(见图5)。如果能同时比较两类堤防的破坏机理，就能更好地识别出两者破坏过程的差异。但由于土质堤防的突破时间比拟建堤防短得多，因此将突破过程在不考虑时间的情况下，分为不同阶段。

采用新物质的防洪堤与土质防洪堤表现出完全不同的破坏模式。虽然径流在一定时间后增加，堤防的每个部分都被破坏，但与土质堤防不同的是，在溢流的初始阶段，没有出现任何对堤防的侵蚀，而是从堤趾开始的逐渐侵蚀。随着时间的推移，侵蚀面积有明显减少的趋势。通过施加不同厚度的新物质，观察到漫顶决口发现，主要区别仅在于破坏的体积，整个破坏模式是相似的。由于这种新物质可以通过延缓堤坝破坏来减少洪峰径流，因此它将有效减少低洼地区的洪水破坏或防止突然坍塌造成的二次破坏。

3.2 堤面破坏率的计算

对图像测量系统拍摄的试验图像进行编辑和分析，以验证随时间变化的缺口规模。由于基于图像的分析很容易产生溢出破坏引起的土壤径流的不确定性或错误计算，因此，选取了堤坝边坡破坏的横断面图像进行定量分析。为了进行定量分析，采集了堤防边坡随时间变化的图像，进行校准，然后进行数字化，以确定破坏的范围(见图6)。

图6 数字化方法确定破坏范围示意图(a) 图像校准；(b) 破坏范围的数字化显示

基于像素分析，使用图形软件对目标区域进行研究。以此方法计算堤面破坏的规模和比率。值得注意的是，在某些试验条件下，出现过度破坏的原因是压实不均匀。为了获得稳定的结果，在每种条件下进行了两次试验。最终将像素转化为侵蚀面积作为物理单位，与堤坡相对应的像素总数为105000。当破坏开始时，每30s计算一次损失的面积。刚发生溢出时，假设破坏率为0%。当表面破坏率超过90%时，即使在相同条件下重复试验，结果也往往不一致或数据不稳定。因此，任何超过90%的破坏率都被视为完全破坏，并被排除在分析范围之外。

至于面积随时间减少的趋势(见图7)，土堤(案例1、2)在发生溢流同时，面积急剧减少。150s后，面积减少90%以上，表明完全破坏。案例3中，如果涂抹了1cm厚的新物质，则在溢出发生后，该区域保持60s。90s后，面积逐渐减小，然后急剧减小，直到150s。另一个1cm厚的新物质案例(案例4)显示，溢流初始阶段，破坏面积减小，与案例3趋势不同。这表明，新材料制造过程中产生的裂纹百分比极大地影响了初始破裂率。随着时间的推移，误差趋于减小。与案例1～4相比，3cm厚(案例5、6)在发生溢流后的一段时间内保持相同的面积。总的来说，随着时间的推移，面积有逐渐减少的趋势。

图7 试验案例的面积减少随时间推移的变化情况

然而，当使用5cm厚的新物质时，裂口被过度延迟，堤趾开始被溢出的水淹没。即回水效应影响了厚度为5cm的试验，无法分析堤坝的性能。因此，本案例被排除在外(见图8)。如上所述，本研究的试验装置反过来诱导水流从下游端流向上游端。因此，在堤坝被破坏之前，溢出的水回到了下游端。为了评估采用厚度超过5cm的新物质的堤坝的性能，需要对试验渠道进行相应修改。

图8 新材料厚度5cm情况下的回水情况

图9显示了堤坝表面随时间的破坏率。由于发生溢流，土堤(案例1、2)的破坏率在30s时为23%～24%，60s时为60%～64%，90s时为80%～81%，120s及之后为86%～92%。除初始溢流阶段外，含有1cm新物质的堤坝(案例3、4)的破坏率在120s时为54%～69%，150s时为67%～78%，180s时为72%～81%，210s时为74%～84%，240s及之后为78%～91%。另一个含有3cm新物质的堤坝(案例5、6)在120s前的破坏率为5%或更低，最晚在390s时达到50%的破坏率。该堤坝在630s前逐渐破坏，之后破坏率超过90%，表明完全破坏。当使用1cm和3cm厚的新物质时，根据上述破坏率计算，总破坏时间分别为300s和630s。这些结果表明，采用新材料可以延迟2～4.2倍的土堤破坏时间。

图9 试验案例随时间推移的破坏率变化

在诸如堤坝决口之类的灾难性情况下，特别强调快速的初始响应和应急恢复。本研究进行的试验表明，土堤的初始破坏发展速度惊人，而带有新物质的堤防受初始溢流的影响较小，并且在一定时间内延缓了破坏。尽管不能从根本上防止堤坝决堤造成损害，但本研究结果表明，通过适当的主动应对措施可以显著减少损害。

4 结 论

本研究通过建造一个中型堤防模型，进行了堤防破坏试验。使用各种成像设备对比分析溢流堤的破坏机理。此外，采用基于像素的图像分析方法计算堤防边坡上的破坏规模随时间的变化情况。通过这种方式，验证了使用新物质覆盖堤坝的性能。研究结果表明：新物质的堤坝表现出与土堤完全不同的破坏机制，土堤在堤顶和斜坡之间的界面处几乎与溢流发生时同时发生塌陷，相反，带有新物质的堤坝由于堤趾的逐渐向后侵蚀而形成了裂口，此外，当施加不同厚度的新物质后再观察溢流破裂时，则仅随着时间的推移塌陷量出现差异，整体破坏模式相似；在不同溢流条件下的破坏率方面，应用新物质时，计算总破坏时间分别为300和630s，可以延缓土堤的2～4.2倍堤防破坏时间，尤其是新物质覆盖的堤坝受初期溢流的影响比土堤要小得多，而且破坏被明显延缓了一段时间。

本研究尚存在一些不足有待改善，需要进一步研究修改当前的试验通道，以分析新物质厚度为5cm的堤坝的性能。还需要进行PIV分析以得出更精确的结果并验证流入速度与堤坝决口之间的相关性。此外，由于天然河流通常有植被，其堤坝的侵蚀和破裂机制可能与本研究中考虑的土堤坝有显著不同。反映这一事实的适当方法似乎对于提高研究结果可靠性是必要的。