陜南秦巴山區(qū)PP織物袋筑坎梯田田坎穩(wěn)定性分析

高 霞，李光錄，柳詩眾，鄧民興，周茂玲

(1．西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100;2．陜西省水土保持局，陜西西安710004;3．洋縣水土保持工作站，陜西洋縣723300)

陜南秦巴山區(qū)土坎梯田垮坎現(xiàn)象非常嚴重。為了解決這個問題，陜西省水土保持局曾多次組織專家開展調(diào)研，采取了一系列預(yù)防梯田垮坎的措施，如修建塑料編織袋坎梯田、石坎梯田和混凝土預(yù)制件筑坎梯田等［1］，但往往由于材料易風化、建設(shè)成本高、石料短缺、開山取石易造成新的水土流失或形成新的安全隱患等，沒能得到大面積的普及和推廣［2－3］。

聚丙烯復(fù)合材料織物袋簡稱PP 織物袋，具有抗紫外線、耐風化的特點，將其用于坡改梯梯田筑坎能提高工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、有效解決垮坎問題，經(jīng)陜南秦巴山區(qū)實地驗證，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景［4－5］。依據(jù)陜南秦巴山區(qū)土壤特征，對PP 織物袋田坎穩(wěn)定性進行計算和分析，希望能為PP 織物袋筑坎技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論支撐。

1 垮坎原因分析

陜南秦巴山區(qū)的黃褐土山地梯田容易發(fā)生垮坎，尤其是黃泥巴土梯田垮坎現(xiàn)象最為嚴重，一般當年修的梯田在翌年雨季中就有30%～40%的田坎出現(xiàn)崩塌或滑塌。通常，垮坎以坎中上部淺表層崩塌和滑塌為主要形式，尤其是在坡面中下部和坡度大的地方比較嚴重。

黃褐土全剖面呈黃褐色或褐棕色，表層疏松，為團粒或團塊狀結(jié)構(gòu)，心土層黏化作用明顯，黏粒(＜0．002 mm)含量為40%左右，物理性黏粒(＜0．01 mm)含量為50%～65%。由于心土層黏粒含量高、脹縮性強，遇水后土粒膨脹，容易引起孔隙堵塞，降低了土壤的透水性，在雨季常發(fā)生土體滯水，不僅增加了土體壓力，而且為地表徑流在極短時間內(nèi)出現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，從而導(dǎo)致梯田垮坎現(xiàn)象的發(fā)生。

2 PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計算

2．1 計算模型

PP 織物袋筑坎是將織物袋橫向單行錯位碼放形成田坎，田坎穩(wěn)定主要依靠自身重力，故其穩(wěn)定性可依據(jù)重力式擋土墻進行計算。圖1 給出了單寬PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計算模型，圖中:θ 為坎背與水平面夾角，(°);α 為坎背與豎直線夾角，(°);β為填土表面與水平面夾角，(°)，當坎后填土水平時β =0;d 為田坎頂寬，m;H 為坎高，m。

圖1 PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計算模型

2．2 主動土壓力計算

重力式擋土墻穩(wěn)定性計算多依據(jù)經(jīng)典庫侖土壓力理論和朗肯土壓力理論，其中朗肯土壓力理論只適用于墻背光滑、墻后填土表面水平的情況;庫侖土壓力理論則要求填土為理想的散粒體，即黏聚力為零的無黏性土。PP 織物袋田坎的實際情況是田坎坎背仰斜、坎后填土為黏性土，這與上述理論的適用條件存在較大差異。為計算其穩(wěn)定性，本研究采用蔡偉銘等編寫的《土力學與基礎(chǔ)工程》中擋土墻墻后填土為黏性土的穩(wěn)定性計算方法，把黏聚力作為邊界面上的周圍壓力，其中一部分轉(zhuǎn)化為側(cè)向土壓力，另一部分轉(zhuǎn)化為豎向壓力，即坎后填土表面的均布荷載(q=C·cotφ)，通過疊加計算PP 織物袋田坎的主動土壓力［6］。PP 織物袋田坎土壓力強度分布示意見圖2。圖中:C 為土壤黏聚力，kN/m2;φ 為填土內(nèi)摩擦角，(°);EA為主動土壓力，kN/m;ET為主動土壓力的切向分量，kN/m;EN為主動土壓力的法向分量，kN/m。

圖2 PP 織物袋田坎土壓力分布示意

(1)頂部土壓力強度PA的計算公式為

其中:

式中:δ 為填土與坎背之間的摩擦角，(°)，當坎背粗糙、排水良好時，δ［6］;Ka為庫侖主動土壓力系數(shù);其余參數(shù)意義同上。

(2)底部土壓力強度PB的計算公式為

式中:γ 為土壤容重，kN/m3;其余符號意義同上。

(3)總土壓力E 的計算公式為

(4)主動土壓力EA的計算公式為

其中:ET=Esinδ，EN=

(5)主動土壓力與田坎的偏斜角δ'的計算公式為

(6)作用點位置h(距坎底高度)的計算公式為

2．3 穩(wěn)定性分析與計算

(1)PP 織物袋田坎抗滑穩(wěn)定性計算。PP 織物袋田坎抗滑穩(wěn)定性應(yīng)滿足下列要求:

式中:Ex、Ey分別為主動土壓力在水平方向、垂直方向的分量，Ex=EAcos(δ' +α)，Ey=EAsin(δ' +α)，kN/m;μ 為基底摩擦系數(shù)，由試驗確定，具體取值見表1;W 為田坎自重，W=dHγ;其余符號意義同上。

(2)PP 織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定性計算。PP 織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)滿足下列要求:

式中:a、b、h 分別為W、Ex、Ey對坎趾M 點的力臂，m;其余符號意義同上。

表1 PP 織物袋田坎與不同基底摩擦系數(shù)參考值

2．4 結(jié)果分析

在陜南黑山鎮(zhèn)取原狀土，由直剪試驗測得C =2．67 kPa、φ=16°、γ=15．6 kN/m3。PP 織物袋田坎頂寬d=0．4 m，假定不同的田坎坎高及田坎坡度，代入式(7)、(8)，計算得到Kc、Kq值見表2。

表2 PP 織物袋筑坎梯田田坎穩(wěn)定性計算結(jié)果

由表2 知:①當θ≥75°、H≤1．6 m，65°≤θ ＜75°、H≤1．8 m，θ ＜65°、H≤2 m 時，Kc、Kq均滿足穩(wěn)定要求。②相同坡度的田坎，隨著坎高的增加，Kc、Kq逐漸減小。③相同坎高的田坎，隨著坡度的增加，Kc、Kq逐漸減小。④當Kc滿足穩(wěn)定要求時，Kq也會滿足要求，但當Kc不滿足穩(wěn)定要求時，Kq的情況不一定，可能滿足穩(wěn)定要求，也可能不滿足。如θ=70°、H =2 m 時，Kc=1．07 ＜1．3 不滿足抗滑穩(wěn)定要求，而Kq=2．58 ＞1．5 滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。

綜上所述，在修建PP 織物袋筑坎梯田時，應(yīng)依據(jù)田坎坡度選擇適宜的田坎高度，以保證田坎的穩(wěn)定性。田坎坡度越大，適宜的坎高越低，反之則越高。具體來說，θ≥75°時，坎高應(yīng)不高于1．6 m;65°≤θ ＜75°時，坎高應(yīng)不高于1．8 m，θ ＜65°時，適宜的坎高應(yīng)在2 m 以下。

3 結(jié) 語

作為一種新的梯田筑坎材料，PP織物袋筑坎技術(shù)用于坡改梯工程建設(shè)，對于提高工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、有效解決梯田垮坎問題具有重要意義。以陜南秦巴山區(qū)為研究區(qū)，分析了PP 織物袋筑坎梯田田坎坎坡、坎高與穩(wěn)定性之間的關(guān)系，得到了不同坎坡對應(yīng)的適宜坎高，為PP 織物袋梯田筑坎技術(shù)在陜南秦巴山區(qū)及其他地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供了理論依據(jù)。

(西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院白振峰、李想、劉鵬和張鵬鑫同學參與了基底摩擦系數(shù)的測定工作，在此表示感謝!)

［1］朱建強．陜南土坎梯地垮坎的原因分析及防治對策［J］．水土保持通報，1994，14(6):44－47．

［2］朱建強，李靖．陜南西部土坎梯地建設(shè)研究［J］．水土保持通報，1998，18(2):19－24．

［3］朱建強，李靖．陜南膨脹土分布區(qū)土坎梯地建設(shè)探討［J］．中國水土保持，1998(12):34－36．

［4］李光錄，柳詩眾，鄧民興，等．PP 織物袋梯田筑坎技術(shù)在陜南秦巴山區(qū)的應(yīng)用［J］．中國水土保持，2011(11):29－30．

［5］李光錄，柳詩眾，鄧民興，等．陜南秦巴山區(qū)PP 織物袋梯田筑坎結(jié)構(gòu)和坎型研究［J］．中國水土保持，2012(9):44－45．

［6］蔡偉銘，胡中雄．土力學與基礎(chǔ)工程［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1991:138－176．