脆弱水生态环境下用于水土保持的植被改良土设计力学试验研究

胡世英

(广东城华工程咨询有限公司，广东 广州 510660)

1 概述

脆弱水生态环境下，在地表径流活动时期，河坡、堤防等水利工程极易出现水土流失[1- 2]，不利于河道排沙、冲砂等，有效的固土防沙措施可减弱水土流失率，而生态植被改良土是解决此问题的重要方法[3- 4]，开展生态植被改良土效果研究对推动水土保持设计具有重要意义。刘守伟等[5]、范陈斌等[6]从改良土的宏、细观特征对比入手，研究不同品种改良土的颗粒骨架与植被根系的咬合，探讨植被单根根系的力学特性，推动生态植被改良土设计最优化。黄艳婷[7]、余启清[8]、王盛[9]从改良土抗剪力学效果研究入手，采用离散元计算方法，建立根系植被改良土仿真模型，在模拟力学加载过程中，分析改良土模型的应力、变形特征，评价改良土力学效果影响因素，为生态植被改良土设计提供依据。当然，研究改良土剪切力学特性，可采用室内试验方法，何伟鹏等[10]、李东彪等[11]、许桐等[12]设计开展了不同品种改良土的抗剪力学破坏试验，研究了各品种改良土力学特征差异，分析了植被根系对改良土力学稳定性的影响机理，对推动不良土体的生态改良设计具有重要参考价值。本文根据北江脆弱水生态环境中水土流失区段内不同根系品种植被改良土设计，探讨三种植被改良土在干湿作用下剪切力学特征，为区域内水土保持生态改良土设计提供参照。

2 试验介绍

2.1 试验工程背景

北江乃是粤北地区重要河流，承担着地区供水、水力发电及农田灌溉等多项水利功能，流域总面积超过4.7万km2，涉及韶关、清远等地区，干流总长度达463km，沿线建设水利枢纽包括有清远水利枢纽工程、飞来峡水库及社岗流域干渠工程等，有效保障地区水利安全，全流域内水系分布如图1所示。农业灌溉95%保证率下年供水量超过350万m3，生活用水保证率90%下年供应量超过500万m3，依赖于超过80km的支渠工程，使之社岗灌区每年农业生产缺水率不超过5%。清远水利枢纽工程为地区重要水力发电、通航、泄流防洪的综合水利设施，其主坝最大坝高达65.5m，在受泄流、水力势能影响的重点区域设置高度为3m的防渗墙结构，主坝右侧建设有阶梯式溢洪道，堰顶高度较之最大坝高降低了28%，采用双孔式泄洪洞设计，最大泄流量可达255m3/s。水文监测表明，清远水利枢纽工程溢洪道常态化泄流量为185～200m3/s，但受上游韶关径流区域内泥沙悬浮、水土流失影响，导致泄洪洞上游闸前泥沙淤积厚度较大，监测得到水体含沙量峰值可达5.8kg/m3，闸前排沙设施底板淹没度已达80%，运行可靠性欠佳，此也是影响清远水利枢纽溢洪道满流量泄流的重要原因。飞来峡水库乃是北江流域重要调节水库，设计库容量达3000万m3，覆盖流域内人口超过30万，其建设的社岗灌渠支渠工程渠首即为该水库，设计引水最大流量为7.5m3/s，由于清远水利枢纽的高含沙量水体逐步迁移、沉积，在飞来峡水库上游含沙量较高，在汛期受降雨、河道岸坡植被缺乏影响，导致进入社岗灌渠干渠中的泥沙含量达6.5kg/m3，特别是在3～9月降雨期，叠加飞来峡水库流域内人口活动影响，径流活动活跃，而植被覆盖率较低，流域内植被归一化指数仅为0.25，据估算每年降雨期社岗干渠输沙量超过80万t。根据水文调查得知，社岗干渠内泥沙基本均来自流域两侧河道、渠坡及上游堤防，其颗粒级配曲线如图2所示。大量的水土流失，渠底衬砌结构磨损化严重，一方面渠内水生植物的生长受限，另一方面渠内泥沙沉积导致渠底防渗系统破坏，而两侧渠坡、上游水库流域内植被无法有效固土护沙等，导致社岗干渠及北江部分流域出现水生态系统逐步受损严重。为此，流域管理部门针对地区水土流失特点，探讨采用根系植被固土、改土，提升水库、干渠全流域内土体稳定性，降低水土流失率。

图1 北江流域水系分布

图2 北江流域水土流失泥沙颗粒特征

2.2 试验概况

为研究脆弱水生态环境的北江流域根系植被改良土效果，采用DTC三轴剪切试验设备开展力学试验，该试验设备采用电脑程序控制，加载全过程均预先设定，可对试样变形过程进行监测控制，采用LVDT传感器与变形监测片对试样加载过程中应力应变数据采集，由于土体试样延性变形较强，为保护试验设备，系统设定有应变超过16%的保护停机限制，试验设备如图3所示。根据社岗流域内土体特性，本试验中加载装置最大荷载为50kN，荷载最大波幅不超过1%，三轴围压最大可达10MPa，加载过程中仅围压荷载采用的是荷载加载控制方式，速率为1MPa/min。轴、环向变形监测传感器根据试样高度分别设定量程为-15～15mm、-10～10mm。所有试验样品均取自北江流域各脆弱水生态系统的干渠、河坡及冲积平原，根据土工试验表明，全流域内土质85%以上均为粉质黏土，因而本文主要以该类型土质开展力学试验。干湿交替试验有助于研究土体在汛期环境下物理力学状态，因而，本文在改良土三轴剪切加载前，所有试样均需完成干湿交替物理试验[13- 14]。采用饱和真空仪与烘干箱完成干湿试验，其中每次真空饱和与烘干过程均各保持4h，烘干温度为100℃。

图3 DTC三轴剪切试验设备

所有重塑土均无损伤、无影响的营养液培育后，栽育相应根系植被品种，本文选取龄期均为1年的柠条锦鸡儿(A类)、紫花苜蓿(B类)、沙棘(C类)三种，分别在相应的重塑土营养液环境下培育30d，并保证各土体培育环境一致，后采用环刀法从各培育土样中取出各植被品种的改良土试样，且设置有一原状土对照组。三轴剪切试验中围压设定为100～400kPa，梯次100kPa的四个方案。干湿交替试验中相应设定有梯次为2次的0～10次交替方案。试样为径、高50mm、100mm的圆柱体试样，重塑培育根系植被改良土试验参数方案见表1。基于剪切试验中植被品种、围压及干湿交替影响，探讨最适配北江脆弱水生态环境下水土流失的固土植被。

表1 试验因素参数表

3 干湿循环下改良土应力应变特征

3.1 围压影响

根据对各围压下改良土开展三轴剪切试验，获得不同品种植被改良土的三轴应力应变特征，如图4所示。从图中可知，不论是围压100kPa或是围压400kPa下，三种根系植被改良土加载应力水平最高的为柠条锦鸡儿(A类)试样。在围压100kPa下，应变5%时原状土试样加载应力为150.5kPa，而同一应变下A～C类三种改良土试样加载应力依次分别增大，增幅为165.6%、111.3%、52.1%，即以A类改良土承载应力水平增幅最为显著，改良效果较佳。对比原状土试样，三种植被改良土加载应力水平均高于前者，围压100kPa下，A～C类三种改良土试样峰值抗剪应力较之原状土增长了135%、95.8%、51%，而围压400kPa下增幅甚至达到了65.5%～164.5%。由此可知，根系植被覆盖下，北江脆弱水生态环境下的粉质黏土会受到良好固土护坡效应。当围压增大至400kPa后，各试样加载应力水平均有增长，但受围压效应最为显著的属A类改良土试样，在屈服阶段至峰值应力阶段，围压400kPa下加载应力分布为805～1370.8kPa，其峰值抗剪应力较之围压100kPa下增大了2.25倍，而B、C类改良土试样在围压效应影响下的增幅分别为1.86倍、2.05倍。

图4 不同品种植被改良土试样应变应变特征

从变形特征对比可知，三种植被改良土试样中，均在弹性变形段就出现了应力应变差异性，且以A类改良土试样弹性模量为最高，围压100kPa下该试样弹性模量为97.7kPa，而B、C类改良土试样较之分别减少了21.8%、54.1%。各改良土试样峰值应变基本保持一致，围压100kPa下峰后残余应力呈显著脆性陡降，而围压400kPa具有显著延性变形，而以A类改良土试样延性变形发展程度最高，峰值应力后应力降幅不超过5%，而B、C类改良土试样为13.3%、12.7%。由此可知，A类改良土试样受围压侧向约束效果最佳，其内部根系对黏质土颗粒的拉结、咬合等细观作用力均较优[15]，三种植被中以A类植被根系在粉质黏土颗粒骨架的孔隙中楔入程度最适中，此也是北江流域水土保持生态改良土的较优方案。

3.2 干湿交替影响

干湿交替作为一种物理损伤试验，基于干湿交替试验下植被改良土三轴剪切试验，获得干湿交替作用对改良土应力应变影响特征，如图5所示。

从图中可知，当干湿作用次数愈多，各改良土试样的加载应力水平均为递减，此也说明了干湿交替作用对三种植被改良土的承载能力均为损伤效应。在A类改良土试样中，作用0次时应变5%下对应的加载应力为785.5kPa，而作用4、8、10次较前者分别降低了20.4%、43.7%、56%；从抗剪强度对比来看，在作用0次时A类改良土试样为805.6kPa，而随干湿作用阶次2次的增长，则该改良土试样抗剪强度平均损耗7.8%。与此同时，B、C类改良土试样抗剪强度亦是如此，受每2阶次干湿作业影响，强度分别具有损耗12.4%、14.8%。对比可知，三种改良土试样在相同干湿物理作用下，以A类改良土试样抗损伤效果最优；如同为干湿作用8次下，A类改良土试样抗剪强度为573.2kPa，而B、C类改良土试样在该作用次数下的强度较之分别减少了38.1%、56%，同时在各阶次干湿作用过程中，以A类改良土试样强度受影响敏感度最弱。在同种改良土试样中，干湿作用次数增多，不影响其整体应力应变特征趋势，仅弹性变形段增长斜率有所差异，如A类改良土试样在各作用次数方案下均为显著脆性变形特征，且峰值应变基本稳定在6.5%～6.9%，而作用0次的弹性模量较之8次、10次分别增大了1.2倍、1.8倍，表明干湿交替作用下，各改良土试样承载变形发展趋势不受影响，仅影响加载应力水平。分析表明，北江流域内河坡、渠坡或干堤等水土流失区域，即使发生类干湿交替作用，但仍以A类根系植被改良土试样固土防护效果最优。

4 干湿循环下改良土抗剪特征

基于各改良土试样三轴剪切试验，获得不同植被品种改良土试样抗剪特征参数影响变化特性，如图6所示。从图中可知，各品种植被改良土两抗剪特征参数与干湿作用次数均为负相关变化，且具有线性函数关系，A类改良土试样在作用4、10次时粘聚力较之作用0次时分别减少了3.9%、7%，随每2阶次作用下，A～C类改良土粘聚力分别平均减少1.5%、4.6%、5.8%，而内摩擦角随之变化降幅为0.43%、0.97%、1.8%。由此说明：在受干湿作用过程中，各品种改良土试样的内摩擦角参数受影响敏感度弱于粘聚力。同时，抗剪特征参数的降幅变化，也反映了A类改良土试样抗剪特性削弱程度最小，其抗剪性能最优[16]。在两抗剪特征参数中，A类改良土试样粘聚力分布为54.85～58.98kPa，较之B、C类试样粘聚力分别具有差幅6.6%～20.5%、12.3%～27.4%，同理在内摩擦角中亦是如此，包括有原状土在内的B、C类改良土内摩擦角较之A类试样分别具有差幅2.2%～4.9%、4%～10.2%、6.1%～13.9%。综合分析可知，3种根系植被改良土试样中，以A类改良土试样抗剪特性最佳，抵抗干湿作用最强。

图5 干湿作用下改良土应力应变特征

图6 抗剪特征参数受掺量影响变化

5 结论

(1)改良土承载应力均高于原状土，且承载最高为柠条锦鸡儿(A类)；A类改良土承载应力受围压促进效应最为显著；不同品种改良土在弹性变形段出现力学特征差异，A类改良土弹性模量最高，且高围压下延性变形最强。

(2)干湿作用对改良土承载能力具有损伤效应；干湿作用对改良土变形发展影响较弱，对加载应力影响较大。

(3)干湿作用与改良土抗剪特性具有负相关关系；A类改良土受干湿作用影响最弱，且抗剪特征参数值均高于其他品种改良土。

(4)对比改良土力学特征，水土保持生态改良土最适配A类柠条锦鸡儿植被。