考慮表層植物生長特征的高標準農田渠坡生態改良試驗研究

張 杰

(江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引言

生態護坡是目前渠坡、邊坡等工程中常見的解決方法[1-2]，如何保證生態護坡設計能夠匹配坡體工程，對推動滑坡面治理的更高水平發展具有重要意義。楊尚青等[3]、方文等[4-5]為研究生態護坡設計，從生態植被類型、生態植被特征等因素入手，評價了邊坡穩定性與生態植被關系，有助于優化護坡設計、生態植被選型等。邵偉華[6]、王涵等[7]為研究生態護坡的內在機理，探討了根系土的組成、根系植被以及土體自身因素影響，通過離散元或室內試驗等方法，分析了根系復合土體的應力、應變特征，豐富了生態改良復合土體的力學研究成果。不僅如此，根系植被與土體的良好契合，更需要反映在坡體工程中，蔣希雁等[8]、李潤發[9]利用仿真計算的方法，設計根系植被的最優參數以及土體的最佳狀態，探討生態護坡下土層含水率、安全系數等演化過程，對生態護坡工程實際設計更具有參考價值。本文為研究鶴山高標準農田渠坡表層生態護坡設計下根系復合土的力學狀態以及護坡效果，分析了植被體生長特征與根系土力學關系，對優化護坡方案更有意義。

1 研究概況

1.1 工程介紹

連云港贛榆區水資源豐，目前在營輸水干渠全長為165km，分布有15余座節制閘設施，最大渠首流量為6.6m3/s，每年經干、支渠輸水超過3500萬m3，大部分渠道都面臨高負荷運營，特別是2021、2022年夏季臺風汛期出現渠道回灌等現象，更加大了轄區內其他干、支渠輸水壓力。根據農業水利部門規劃，對轄區內農田開展整治工作，包括灌區節制閘、輸水干、支渠以及部分暗渠管道等，均進行高標準治理或擴建，提升轄區內水資源利用效率。圖1為贛榆區某鄉鎮農田灌渠標準整治設計斷面，計劃擴建后渠底寬度為2m，深度為3.3m，以厚40cm砂礫石墊層為防滲層，同時采用C20混凝土墊層為防蝕層，水深控制在1.2～1.6m，渠兩側坡度為1/1.75，渠頂鋪設厚30cm的砂礫石墊層與厚8cm的混凝土硬化層，在兩側渠坡層由植物護坡層與混凝土硬化層網格化組成，降低兩側渠坡水土流失率。但不可忽視，輸水渠道兩側渠坡面的護坡設計關乎水土保持、渠坡穩定等問題，故考慮采用渠坡表層與深層組合式生態護坡設計。為此，農業水利部門在前期渠面、襯砌結構運營可靠性的前提下，對渠坡土層以及穩定性開展基礎試驗研究。

圖1 雙合鎮高標準農田灌渠斷面

1.2 試驗方法

為獲得渠坡土體穩定性，計劃從表層生態改性入手，針對根系復合土體開展力學試驗，并基于此分析渠坡運營可靠性。圖2為復合土體力學試驗裝置，全設備包括有中控系統、數據采集裝置以及試驗加載裝置三部分，所有監測數據、控制程序均在試驗中控系統中接入，可在試驗中實時處理數據與控制實驗進程。

圖2 土體力學試驗裝置

根據農田灌渠現狀，渠坡土層主要以砂質黏土為主，平均厚度為3.6m，采用香根草為護坡生態根系植物，該類型植物如圖3(a)所示，該類型根系植物在固土保水以及土體凈化領域已較為成熟應用，根系發育較強，可穿透薄弱巖土體，使之軟弱土體連成整體，黏附力較強。根據植物生長觀測，其根系1、2a的長度分別可達2、3m，且根系簇生物最大抗拉強度可達80MPa，可彌補軟弱土體不利的抗拉能力。從渠坡現場取回工程土樣后，按照對比試驗要求，兩側渠坡面分別栽種不同根系直徑、生長期不同的香根草，相鄰香根草間距控制在0.3m，從2020年4月1日開始第一批栽種，每次栽種數量控制在6～8株，每隔一個月進行一次栽種，直至2020年10月1日止，共進行了1～6個月不同的生長期栽種。同理，在另一側渠坡面分別栽種有其他根徑的香根草，栽種過程與前者一致，試驗坡面分布香根草根徑為0.2～2.2mm[9]。為確保香根草的生長以及根系土的融合，在11月1日進行了試驗取樣，所有根徑、生長期不同的根系土均取樣超過5個，取樣深度超過80cm，樣品直徑、高度分別為38、76mm，如圖3(b)所示。

圖3 根系復合土體試樣

根據6+235處渠坡取樣，獲得了不同生長期、不同根系直徑的根系復合土，其承載力學勢必有所差異，同時也會改變渠坡運營穩定性，故采用試驗對比方法進行分組試驗。根據香根草生長期，共有1～6個月的根系土，同時根系直徑劃分成0.2、0.6、1、1.4、1.8、2.2mm，試驗中另設置有渠坡原狀黏土對照組。試驗圍壓設定為40、200、360kPa，各組試驗參數見表1?；谇卤韺痈抵参锷L期特征，對護坡根系復合土力學特性開展試驗對比分析。

表1 試驗參數表

2 邊坡表層植物生長特征下根系土力學特性

2.1 植物生長期特征

基于不同生長期香根草生態護坡，獲得了植物生長期對根系復合土試樣應力應變影響，如圖4所示。

圖4 植物生長期與根系土試樣應力應變特征關系

依據圖4可看出，在不同生長期下，根系土試樣應力應變曲線發展趨勢有所差異，以圍壓40kPa為例，生長期4～6個月，根系土試樣峰值應力后均具有應力下降現象，而在生長期1～3個月，根系土試樣不出現顯著峰值應力后，在應變5.2%后出現了維持較長的塑性應變段，應變硬化特征顯著。同樣，在圍壓360kPa亦是如此，生長期4～6個月，峰值應力后均出現了一定應力降幅，分布為29.4%～34.5%，而在生長期1～3個月的3個試樣中，峰值應力后以應變硬化為主導，甚至超過LVDT位移傳感器量程。由此可知，植物生長期會影響根系土應變破壞特征，會改變試樣彈、塑性應變在變形破壞中占比，這也是根系復合土與一般土體的顯著差異[10-11]。

相比之下，隨植物生長期增大，根系土試樣應力水平提高，圖4(a)中原狀黏土試樣峰值應力為225.8kPa，而生長期1～6個月的6個試樣峰值應力均高于前者，漲幅分布為0.6～3.82倍。圍壓40kPa下，當植物生長期每遞增1個月，則根系土試樣峰值應力平均提高了145.5kPa，增幅為25.4%；與之同時，在各試樣中峰值應力漲幅有所差異，植物生長期從1個月增長至4個月，其峰值應力提高了499.2kPa，增幅為138.2%，平均增幅為34%，而生長期從4個月增長至6個月，峰值應力的增幅依次為15%、9.5%，平均增幅較之前一生長期階段有所減小。當圍壓提高至360kPa，根系土峰值應力受生長期影響效應仍保持一致，生長期1～6個月平均增幅為21.8%，且漲幅集中于生長期1～4個月，峰值應力提高了470kPa，而在生長期4～6個月，峰值應力分別為903.6、1034.2、1143kPa，平均增幅僅為9.7%。綜合分析可知，植物生長期對根系土應力影響作用具有“飽和期”，控制表層植物生長期在飽和期以內更為合理。

2.2 植物根徑特征

植物根徑特征同樣是根系土重要生長參數，圖5為不同根徑下的根系土試樣應力應變特征。

圖5 植物根徑與根系土試樣應力應變特征關系

從圖5可知，圍壓是40或是200kPa，均不會影響試樣應力應變趨勢特征，在圍壓40kPa下，根徑0.2～2.2mm 6個試樣均以應變軟化為破壞特征，峰值應力后均有應力降幅，分布為31.5%～39.3%，而圍壓200kPa下各試樣在應變5.3%后進入應變塑性段，應變硬化在該圍壓下為主導。分析可知，根徑特征不會改變同一圍壓下根系土應力應變曲線態勢，對試樣應變破壞類型影響較小。

根徑與試樣峰值應力呈正相關關系，圍壓40kPa下，根徑0.2、1mm試樣峰值應力分別為150.5、253.3kPa，隨植物根徑梯次變化，根系土峰值應力隨之增長幅度較穩定，根徑每遞增0.4mm，則峰值應力平均提高了86.1kPa，增幅為31%，而在根徑0.2～1mm時，峰值應力增幅依次為28.2%、31.2%。圍壓增大至200kPa后，6個試樣峰值應力較之圍壓40kPa下增大了0.83～2.54倍，隨根徑梯次0.4mm變化，其峰值應力平均提高了106kPa，增幅為14.8%，較之圍壓40kPa下，峰值應力受根徑特征影響敏感性減弱了[6，12]。分析認為，圍壓增大，峰值應力整體水平提高，同時也會削弱根徑特征對峰值應力得影響。

3 根系土邊坡穩定性特征

為探討表層植物生長特征對渠坡穩定性影響，利用FLAC 3D建立起6+235渠坡模型，如圖6所示。

圖6 6+235渠坡計算模型

該模型位于渠道左側，表層植物覆蓋厚度為0.8m，渠內水位設定為1.5m，外環境下設定有降雨強度120mm/h，時長為8h，土層與植物根系采用二維固體單元，采用強度折減系數方法對潛在滑移面進行仿真計算。

根據渠坡穩定性計算，獲得了渠坡安全系數、渠坡土層含水量與植物生長期關系，如圖7所示。

圖7 渠坡安全運營仿真計算結果

由圖7可看出，渠坡安全系數隨植物生長期為遞增，隨根徑參數也是遞增，但植物生長期在1～4個月的渠坡安全系數增幅顯著高于后續5、6個月。根徑0.2mm下，植物生長期1～6個月，渠坡安全系數分布為1.2～2.4，而根徑2.2mm方案內渠坡安全系數較之前者根徑方案下提高了0.95～1.5倍，隨植物生長期梯次變化，該根徑方案下安全系數平均提高了15.5%。渠坡斷面內土層含水量受植物根莖影響較小，實質上全斷面土層含水量分布也較穩定，1個月土層含水量分布為21%～22.3%，而4、6個月斷面土層含水量較之前者分別平均降低了25%、53.5%。綜合分析來看，渠坡斷面上土層含水量變化較小[13]，但植物生長期會改變土層含水量值，對斷面上土層含水量分布變化特征影響較弱。

4 結論

(1)在植物生長期1～3與4～6個月下根系土試樣應變破壞特征分別呈硬化、軟化特征；隨植物生長期遞增，根系土應力水平提高，但主要增幅集中于生長期1～4個月。

(2)植物根徑對試樣應變破壞特征影響較小；峰值應力隨根徑參數增幅較為穩定均衡，圍壓40、200kPa下隨根徑0.4mm變化，峰值應力分別平均提高了31%、14.8%。

(3)植物生長期對渠坡安全系數影響呈逐漸減弱，特別是在生長期4個月后，安全系數增幅較??；渠坡全斷面土層含水量分布變化較小，植物生長期遞增，土層含水量分布趨勢保持一致，僅其含水量值呈減小態勢。