铺置PLA粘合剂涂层材料的土质堤坝稳定性试验研究

Experimental Research on the Stability of Earthen Embankments Coated with PLA Binder Material

摘要

为了提高老旧土质堤坝稳定性和防洪性能，选用聚乳酸（PLA）粘合剂、水和砂制备涂层材料，铺置于土质堤坝边坡及坝顶，通过建造模拟堤坝开展试验，利用拍摄器材结合图像测量分析系统，对比分析土质堤坝与铺置涂层材料的模拟堤坝在漫溢决口期间的阻滞效应。试验结果表明，铺置PLA涂层可改变决口模式，延迟决口进程，铺置5 cm厚涂层可完全阻滞决口。本研究可为老旧堤坝生态加固提供参考。

Abstract

To enhance the stability and flood control capacity of aged earthen embankments， a coating material prepared from polylactic acid （PLA） binder， water， and sand was selected and laid on the slopes and crests of the embankments. Tests were conducted on simulated embankments， where photographic equipment combined with an image measurement and analysis system was employed to compare the blocking effect between untreated earthen embankments and those coated with the material during overtopping breaching. The results revealed that applying the PLA coating altered the breaching pattern and delayed the breaching process， with a 5cm-thick coating completely preventing breaching. This study provides a reference for the ecological reinforcement of aging embankments.

Graphical abstract

关键词

聚乳酸粘合剂 / 土质堤坝 / 漫溢 / 阻滞效应 / 堤坝决口

Key words

polylactic acid binder / earthen embankment / overtopping / blocking effect / embankment breach

0 引 言

堤坝不仅能保护低洼地区免受洪水侵袭，而且还是陆地与河流之间的重要连接纽带。许多老旧土质堤坝的防洪功能不断退化，因堤坝决口导致生命和财产遭受巨大损失^［1］。洪水期间堤坝决口通常有三个主要原因：漫溢、侵蚀以及坝体不稳定。其中，当洪水径流量超过河道的输送能力时，就会发生漫溢^［2］；当过高的流速和剪应力冲刷堤坝边坡或底部时，就会发生侵蚀^［3］；当坝体填充料不佳或不同填充料粘接处出现渗漏时，就会发生坝体不稳定^［4］。

在上述背景下，为减少并预测因堤坝决口而造成的洪水破坏，一些学者开展了研究工作。章瑜^［5］根据堤坝材料进行小规模试验，分析了漫溢决口或侵蚀的形成及过程。杨志轩^［6］在接近实际规模条件下开展了堤坝模型试验，根据渗流和漫溢情况分析了决口行为。张小明^［7］采用多层复合的加固结构分析了堤坝决口的阻滞效应。彭良泉^［8］利用掺有水泥的混合材料来提高堤坝抗侵蚀和抗渗透的稳定性。虽然现有研究已取得了一些成果^［9-10］，但是鲜有关注聚乳酸（polylactic acid，PLA）粘合剂铺置土壤对堤坝阻滞决口的稳定性影响。基于此，本研究选用PLA粘合剂、水和砂制备用于岩土工程的涂层材料，并将其铺置在土质堤坝边坡及坝顶。通过试验与模拟对比分析不同厚度的涂层材料对土质堤坝稳定性的影响，为设计优化土质堤坝阻滞效应提供参考。

1 试验材料及装置

1.1　采用PLA粘合剂制备涂层材料

图1为涂层材料制备过程，首先将PLA粘合剂用水稀释制成溶液，并将溶液与砂混合。在模型试验前，通过土壤-水接触角试验和渗透试验优化PLA粘合剂掺量。当PLA与砂质量比为1∶50时，接触角达到32°±2°，渗透系数降低至1.2×10^-5 cm/s，可兼顾粘结强度与透水性要求。因此，PLA粘合剂、水和砂的质量配比为1∶10∶50。其中，依据土壤分类系统，试验中使用200号及以下的筛选取均匀级配良好的砂（SW）^［11］。采用机械搅拌方式以200 r/min转速搅拌20 min，确保PLA溶液均匀包裹砂颗粒。混合后过2 mm筛网剔除结块，保证涂层材料的均匀性。

1.2　试验装置

为了对比分析土质堤坝与铺置涂层材料的模拟堤坝在漫溢决口期间的行为，并验证铺置厚度对堤坝决口的阻滞效应。本研究在核工业南京工程勘察院贵州分院实验中心建造了一座宽度为3 m的试验渠道，如图2所示。

为了深入分析漫溢对堤坝边坡的破坏，在试验堤坝中安装图像测量系统，并在堤坝决口部位的前方及两侧放置了5台GoPro相机^［12］和1台摄像机。整个试验从不同角度实时拍摄，分析边坡的表面冲刷情况。

2 试验方法

2.1　建造模拟堤坝

模拟堤坝高度为1 m、顶宽为1 m、底宽为5 m，边坡比为1∶2。为模拟老旧土质堤坝材料老化、结构松散的特性，采用“高空倾倒+薄层铺设”方式，模拟老旧堤坝因长期渗透、冻融循环导致的土体疏松现象。使用挖掘机（容积为0.2 m³）将砂从3 m高处倾倒下来，用于建造堤坝基底，形成孔隙比较大且力学性能接近长期使用后呈弱化状态的土体。通过反复铺设水包土（厚度为20 cm）的方式建造堤坝。铺设时采用人工轻度夯实，压实度控制在85%±5%，模拟老旧堤坝因长期沉降导致的非均匀压实状态。建成后自然固结7d，期间监测孔隙水压力消散至稳定状态。

在土质堤坝建成后，将涂层材料铺置在堤坝坝顶和边坡上，从而比较土质堤坝与铺置涂层材料的模拟堤坝在漫溢决口期间的阻滞效应^［13］。模拟堤坝建造过程如图3所示。

2.2　铺置涂层材料

在漫溢过程中，土质堤坝常在坝顶与边坡的交接处发生初始决口^［14］，因此将该区域确定为易发生漫溢决口的薄弱区域。

图4为铺置涂层材料的试验条件。通过铺置不同厚度（1 cm、3 cm、5 cm）的涂层量化材料随时间变化对决口的阻滞效应，进而验证PLA粘合剂涂层材料对土质堤坝的稳定性影响。

在试验中，水流以3 m³/s的流速向下排放，并逐渐提高下游端的溢流池水位，致使水回流并产生漫溢。此外，由于真实的堤坝决口不会使河流水位急剧下降^［15］，所以通过引导水流从比上游水量更多的溢流池流出来以模拟边坡表面冲刷情况。在水位上升直至漫溢之前，堤坝的边坡内侧保持稳定^［16］。

3 试验分析

3.1　堤坝决口过程对比分析

根据边坡漫溢情况和决口类型将土质堤坝的决口过程分为三个阶段^［17］：初始阶段，漫溢发生在堤坝坝顶，下游边坡受到侵蚀，形成小规模的漫溢通道；中间阶段，随着时间推移，下游边坡的漫溢变成阶梯状水流；最终阶段，决口宽度和漫溢量都增加，最终堤坝完全决口。通过铺置不同厚度（1 cm和3 cm）的PLA材料视觉对比堤坝决口过程，以便直观展示各类决口模式，如图5所示。

由图5可见，铺置涂层材料的模拟堤坝呈现出与土质堤坝完全不同的决口模式。与初始漫溢导致坝顶开始坍塌的土质堤坝不同，模拟堤坝在漫溢初始阶段坝顶并未出现侵蚀现象，而是堤脚逐渐受到侵蚀。随着时间推移，侵蚀面积有明显的减小趋势。通过铺置1 cm和3 cm厚度的涂层材料来观察漫溢决口情况，发现只是坍塌量有所不同，而决口的整体模式相似。当铺置5 cm厚度的涂层材料时，随着时间推移决口未进一步扩展。结果表明，PLA粘合剂通过分子间作用力增强了土体颗粒粘结力，形成具有一定抗拉强度的涂层结构。当漫溢发生时，未铺置涂层的堤坝因坝顶与边坡交接处应力集中率先坍塌；而铺置涂层的堤坝由于涂层对边坡土体的约束作用，侵蚀从抗冲刷能力相对较弱的堤脚开始逐渐向上发展，体现了涂层对土体抗侵蚀路径的调控作用，且5 cm厚涂层可完全阻滞决口。

3.2　堤坝边坡阻滞效应

本研究选取堤坝边坡决口的断面图像进行定量分析，随着时间推移对堤坝边坡图像进行校准，然后通过数字化确定决口范围，如图6所示。

利用图形软件^［18］对目标区域进行基于像素的分析，计算出堤坝边坡决口的规模和速率。在每种条件下的试验对应堤坝边坡的像素总数为105000个，将像素转化为以边坡面积为单位的物理量^［19］。当发生决口时，每30s计算一次侵蚀面积。设定边坡面积减少超过90%时视为完全决口。随时间变化的边坡面积如图7所示。

由图7可见，在发生漫溢后，土质堤坝的边坡面积急剧下降，在150 s后边坡面积减少超过90%，即完全决口。当土质堤坝铺置1 cm厚的涂层材料时，边坡面积在60 s内维持基本相同，在60 s至150 s期间边坡面积逐渐下降。当土质堤坝铺置3 cm厚的涂层材料时，边坡面积在90 s内维持基本相同，在90 s至150 s期间边坡面积缓慢减少。当土质堤坝铺置5 cm厚的涂层材料时，决口被完全阻滞，从而堤脚开始被漫溢的水淹没，如图8所示。

3.3　堤坝边坡决口进程的计算

将决口进程定义为单位时间内边坡侵蚀面积占初始面积的百分比，用于量化决口扩展速度。设定漫溢发生时刻决口进程为0%，边坡决口进程超过90%时视为完全决口。随时间变化的堤坝边坡决口进程如图9所示。

由图9可见，在发生漫溢后，土质堤坝在150 s时决口进程达到92%。当土质堤坝铺置1 cm厚涂层材料时，在300 s时决口进程达到91%。当土质堤坝铺置3 cm厚涂层材料时，在600 s时决口进程达到90%。结果表明，与土质堤坝相比，当铺置1 cm和3 cm厚的涂层材料时，决口进程分别被延迟到2倍和4倍，且受初始漫溢影响较小。

4 结 论

随着老旧土质堤坝的防洪功能不断退化，快速的初期响应和应急修复变得愈发重要。在此背景下，本研究采使用PLA粘合剂制备涂层材料，将其铺置于土质堤坝坝顶和边坡，运用成像设备分析漫溢致堤坝决口机理，采用基于像素的图像分析方法计算决口规模，验证了铺置涂层材料加固土质堤坝的稳定性能，所获得的主要结论如下：

（1） 决口机理方面，土质堤坝漫溢时坝顶与边坡交接处几乎同时坍塌，铺置涂层材料的模拟堤坝则从堤脚逐渐向上侵蚀形成决口。

（2） 铺置厚度方面，实际工程中，建议优先采用3 cm厚PLA涂层，兼顾经济性和阻滞效果；若防洪等级较高，可采用5 cm厚涂层以确保完全阻滞。

（3） 决口进程方面，铺置1 cm和3 cm厚的涂层材料时，决口进程可分别延迟2倍和4倍，且受初始漫溢影响较小。

（4） 工程应用方面：PLA在自然环境中降解周期为2~3年，可满足老旧堤坝应急加固的短期需求。对于长期防护工程，需定期检测涂层完整性，或在关键部位采用防紫外线添加剂延长材料的使用寿命。

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