考虑表层植物生长特征的高标准农田渠坡生态改良试验研究

2024-01-30张杰

水利技术监督 2024年1期

张杰

(江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏南京 210029)

0 引言

生态护坡是目前渠坡、边坡等工程中常见的解决方法[1-2]，如何保证生态护坡设计能够匹配坡体工程，对推动滑坡面治理的更高水平发展具有重要意义。杨尚青等[3]、方文等[4-5]为研究生态护坡设计，从生态植被类型、生态植被特征等因素入手，评价了边坡稳定性与生态植被关系，有助于优化护坡设计、生态植被选型等。邵伟华[6]、王涵等[7]为研究生态护坡的内在机理，探讨了根系土的组成、根系植被以及土体自身因素影响，通过离散元或室内试验等方法，分析了根系复合土体的应力、应变特征，丰富了生态改良复合土体的力学研究成果。不仅如此，根系植被与土体的良好契合，更需要反映在坡体工程中，蒋希雁等[8]、李润发[9]利用仿真计算的方法，设计根系植被的最优参数以及土体的最佳状态，探讨生态护坡下土层含水率、安全系数等演化过程，对生态护坡工程实际设计更具有参考价值。本文为研究鹤山高标准农田渠坡表层生态护坡设计下根系复合土的力学状态以及护坡效果，分析了植被体生长特征与根系土力学关系，对优化护坡方案更有意义。

1 研究概况

1.1 工程介绍

连云港赣榆区水资源丰，目前在营输水干渠全长为165km，分布有15余座节制闸设施，最大渠首流量为6.6m3/s，每年经干、支渠输水超过3500万m3，大部分渠道都面临高负荷运营，特别是2021、2022年夏季台风汛期出现渠道回灌等现象，更加大了辖区内其他干、支渠输水压力。根据农业水利部门规划，对辖区内农田开展整治工作，包括灌区节制闸、输水干、支渠以及部分暗渠管道等，均进行高标准治理或扩建，提升辖区内水资源利用效率。图1为赣榆区某乡镇农田灌渠标准整治设计断面，计划扩建后渠底宽度为2m，深度为3.3m，以厚40cm砂砾石垫层为防渗层，同时采用C20混凝土垫层为防蚀层，水深控制在1.2～1.6m，渠两侧坡度为1/1.75，渠顶铺设厚30cm的砂砾石垫层与厚8cm的混凝土硬化层，在两侧渠坡层由植物护坡层与混凝土硬化层网格化组成，降低两侧渠坡水土流失率。但不可忽视，输水渠道两侧渠坡面的护坡设计关乎水土保持、渠坡稳定等问题，故考虑采用渠坡表层与深层组合式生态护坡设计。为此，农业水利部门在前期渠面、衬砌结构运营可靠性的前提下，对渠坡土层以及稳定性开展基础试验研究。

图1 双合镇高标准农田灌渠断面

1.2 试验方法

为获得渠坡土体稳定性，计划从表层生态改性入手，针对根系复合土体开展力学试验，并基于此分析渠坡运营可靠性。图2为复合土体力学试验装置，全设备包括有中控系统、数据采集装置以及试验加载装置三部分，所有监测数据、控制程序均在试验中控系统中接入，可在试验中实时处理数据与控制实验进程。

图2 土体力学试验装置

根据农田灌渠现状，渠坡土层主要以砂质黏土为主，平均厚度为3.6m，采用香根草为护坡生态根系植物，该类型植物如图3(a)所示，该类型根系植物在固土保水以及土体净化领域已较为成熟应用，根系发育较强，可穿透薄弱岩土体，使之软弱土体连成整体，黏附力较强。根据植物生长观测，其根系1、2a的长度分别可达2、3m，且根系簇生物最大抗拉强度可达80MPa，可弥补软弱土体不利的抗拉能力。从渠坡现场取回工程土样后，按照对比试验要求，两侧渠坡面分别栽种不同根系直径、生长期不同的香根草，相邻香根草间距控制在0.3m，从2020年4月1日开始第一批栽种，每次栽种数量控制在6～8株，每隔一个月进行一次栽种，直至2020年10月1日止，共进行了1～6个月不同的生长期栽种。同理，在另一侧渠坡面分别栽种有其他根径的香根草，栽种过程与前者一致，试验坡面分布香根草根径为0.2～2.2mm[9]。为确保香根草的生长以及根系土的融合，在11月1日进行了试验取样，所有根径、生长期不同的根系土均取样超过5个，取样深度超过80cm，样品直径、高度分别为38、76mm，如图3(b)所示。

图3 根系复合土体试样

根据6+235处渠坡取样，获得了不同生长期、不同根系直径的根系复合土，其承载力学势必有所差异，同时也会改变渠坡运营稳定性，故采用试验对比方法进行分组试验。根据香根草生长期，共有1～6个月的根系土，同时根系直径划分成0.2、0.6、1、1.4、1.8、2.2mm，试验中另设置有渠坡原状黏土对照组。试验围压设定为40、200、360kPa，各组试验参数见表1。基于渠坡表层根系植物生长期特征，对护坡根系复合土力学特性开展试验对比分析。

表1 试验参数表

2 边坡表层植物生长特征下根系土力学特性

2.1 植物生长期特征

基于不同生长期香根草生态护坡，获得了植物生长期对根系复合土试样应力应变影响，如图4所示。

图4 植物生长期与根系土试样应力应变特征关系

依据图4可看出，在不同生长期下，根系土试样应力应变曲线发展趋势有所差异，以围压40kPa为例，生长期4～6个月，根系土试样峰值应力后均具有应力下降现象，而在生长期1～3个月，根系土试样不出现显著峰值应力后，在应变5.2%后出现了维持较长的塑性应变段，应变硬化特征显著。同样，在围压360kPa亦是如此，生长期4～6个月，峰值应力后均出现了一定应力降幅，分布为29.4%～34.5%，而在生长期1～3个月的3个试样中，峰值应力后以应变硬化为主导，甚至超过LVDT位移传感器量程。由此可知，植物生长期会影响根系土应变破坏特征，会改变试样弹、塑性应变在变形破坏中占比，这也是根系复合土与一般土体的显著差异[10-11]。

相比之下，随植物生长期增大，根系土试样应力水平提高，图4(a)中原状黏土试样峰值应力为225.8kPa，而生长期1～6个月的6个试样峰值应力均高于前者，涨幅分布为0.6～3.82倍。围压40kPa下，当植物生长期每递增1个月，则根系土试样峰值应力平均提高了145.5kPa，增幅为25.4%；与之同时，在各试样中峰值应力涨幅有所差异，植物生长期从1个月增长至4个月，其峰值应力提高了499.2kPa，增幅为138.2%，平均增幅为34%，而生长期从4个月增长至6个月，峰值应力的增幅依次为15%、9.5%，平均增幅较之前一生长期阶段有所减小。当围压提高至360kPa，根系土峰值应力受生长期影响效应仍保持一致，生长期1～6个月平均增幅为21.8%，且涨幅集中于生长期1～4个月，峰值应力提高了470kPa，而在生长期4～6个月，峰值应力分别为903.6、1034.2、1143kPa，平均增幅仅为9.7%。综合分析可知，植物生长期对根系土应力影响作用具有“饱和期”，控制表层植物生长期在饱和期以内更为合理。

2.2 植物根径特征

植物根径特征同样是根系土重要生长参数，图5为不同根径下的根系土试样应力应变特征。

图5 植物根径与根系土试样应力应变特征关系

从图5可知，围压是40或是200kPa，均不会影响试样应力应变趋势特征，在围压40kPa下，根径0.2～2.2mm 6个试样均以应变软化为破坏特征，峰值应力后均有应力降幅，分布为31.5%～39.3%，而围压200kPa下各试样在应变5.3%后进入应变塑性段，应变硬化在该围压下为主导。分析可知，根径特征不会改变同一围压下根系土应力应变曲线态势，对试样应变破坏类型影响较小。

根径与试样峰值应力呈正相关关系，围压40kPa下，根径0.2、1mm试样峰值应力分别为150.5、253.3kPa，随植物根径梯次变化，根系土峰值应力随之增长幅度较稳定，根径每递增0.4mm，则峰值应力平均提高了86.1kPa，增幅为31%，而在根径0.2～1mm时，峰值应力增幅依次为28.2%、31.2%。围压增大至200kPa后，6个试样峰值应力较之围压40kPa下增大了0.83～2.54倍，随根径梯次0.4mm变化，其峰值应力平均提高了106kPa，增幅为14.8%，较之围压40kPa下，峰值应力受根径特征影响敏感性减弱了[6，12]。分析认为，围压增大，峰值应力整体水平提高，同时也会削弱根径特征对峰值应力得影响。

3 根系土边坡稳定性特征

为探讨表层植物生长特征对渠坡稳定性影响，利用FLAC 3D建立起6+235渠坡模型，如图6所示。

图6 6+235渠坡计算模型

该模型位于渠道左侧，表层植物覆盖厚度为0.8m，渠内水位设定为1.5m，外环境下设定有降雨强度120mm/h，时长为8h，土层与植物根系采用二维固体单元，采用强度折减系数方法对潜在滑移面进行仿真计算。

根据渠坡稳定性计算，获得了渠坡安全系数、渠坡土层含水量与植物生长期关系，如图7所示。

图7 渠坡安全运营仿真计算结果

由图7可看出，渠坡安全系数随植物生长期为递增，随根径参数也是递增，但植物生长期在1～4个月的渠坡安全系数增幅显著高于后续5、6个月。根径0.2mm下，植物生长期1～6个月，渠坡安全系数分布为1.2～2.4，而根径2.2mm方案内渠坡安全系数较之前者根径方案下提高了0.95～1.5倍，随植物生长期梯次变化，该根径方案下安全系数平均提高了15.5%。渠坡断面内土层含水量受植物根茎影响较小，实质上全断面土层含水量分布也较稳定，1个月土层含水量分布为21%～22.3%，而4、6个月断面土层含水量较之前者分别平均降低了25%、53.5%。综合分析来看，渠坡断面上土层含水量变化较小[13]，但植物生长期会改变土层含水量值，对断面上土层含水量分布变化特征影响较弱。