保水型土工袋保水性能影響因素試驗(yàn)研究

張 鵬于士彥溫其正李欣欣何 露

(1.河海大學(xué)大禹學(xué)院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098；3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210098；4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098)

0 引言

淡水資源短缺是全球面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，特別在干旱地區(qū)，已成為制約城市綠地發(fā)展的重要因素。在街道綠化中，雖然已采取污水凈化等水資源再利用的措施，但仍不能滿(mǎn)足綠地增加的需要[1]。如何減少土壤水分的無(wú)效消耗，形成合理的緩釋過(guò)程，使珍貴的土壤水分能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停留在土壤當(dāng)中，為樹(shù)木生長(zhǎng)提供充足的水分是當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。

而保水型土工袋就是基于這一難題提出的解決方案。土工袋是指將土石料或工業(yè)廢渣等材料裝填至袋狀土工合成材料中，形成滿(mǎn)足工程要求的袋裝物。它是當(dāng)前一種新的建筑材料，已廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域[2]。保水型土工袋是在土工袋原有性能的基礎(chǔ)上，將其向生態(tài)環(huán)保方面進(jìn)行拓展的嘗試，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文介紹了保水型土工袋的技術(shù)原理，在南京地區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，以保水型土工袋為研究對(duì)象，以土壤含水率變化為參照，從保水型土工袋的材料透水性差值、填埋深度及內(nèi)部填充物三個(gè)方面對(duì)保水型土工袋的保水性能進(jìn)行綜合研究，驗(yàn)證保水型土工袋技術(shù)在綠地施工中的有效性，以期為推廣該項(xiàng)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 保水型土工袋技術(shù)原理

圖1 保水型土工袋實(shí)物圖Fig.1 The photo of water-holding soilbags

如圖1、圖2、圖3所示，保水型土工袋頂面用透水性土工布制作，側(cè)面及底面用具有一定強(qiáng)度、不透水性土工膜布制作。在綠地施工時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖出來(lái)的土壤取部分裝入該保水型土工袋中，扎口后堆放在旁邊待用；根據(jù)種植植物的種類(lèi)來(lái)確定開(kāi)挖深度，開(kāi)挖完成后將保水型土工袋安放進(jìn)去，用機(jī)械或人工夯實(shí)，再回填上層土壤，種植植被。保水型土工袋制作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、保水效果強(qiáng)，有利于綠化節(jié)約用水，可做到局部防洪，有助于在邊坡加固同時(shí)解決綠化防水方面的問(wèn)題。

保水型土工袋保水的基本原理是，當(dāng)雨水通過(guò)上層土壤滲入地下時(shí)，土工袋側(cè)面和底面不透水的土工膜布將其阻擋防止其繼續(xù)下滲，并將水存儲(chǔ)在土工袋中。由于毛細(xì)作用及蒸發(fā)作用，儲(chǔ)存的雨水逐漸上升，滿(mǎn)足上層植被的生長(zhǎng)需要，有利于節(jié)約綠化用水。

圖2 保水型土工袋示意圖Fig.2 Schematic diagram of water-holding soilbags

圖3 保水系統(tǒng)Fig.3 Water-retention system

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

保水型土工袋試驗(yàn)在南京市某小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，開(kāi)挖土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土壤基本性質(zhì)如表1所示：

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil in test area

保水型土工袋由河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所研制，上層采用以聚丙烯為原材料的濾水型土工編織布，并含抗老化劑，側(cè)面及底面采用具有不同防滲效果的土工膜。攤鋪尺寸為75cm×55cm，土工袋成型后尺寸為60cm×40cm×15cm，編織袋質(zhì)量100g/m2。

2.2 試驗(yàn)方法

先進(jìn)行三種單因素的試驗(yàn)方案，如圖4所示。通過(guò)單因素試驗(yàn)確定使保水型土工袋保水效果顯著的因素及其水平。再利用SPSS對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)表格進(jìn)行試驗(yàn)，分析各因素對(duì)土壤有效含水量增加量的影響程度，得到在一定水平范圍內(nèi)保水效果顯著的組合。

圖4 保水型土工袋單因素試驗(yàn)Fig.4 Single factor experiment of water-holding soilbags

2.2.1 土工袋鋪填方式

土工袋鋪設(shè)采用人工鋪填方式：在錯(cuò)縫鋪設(shè)的前提下，土工袋之間應(yīng)保留5～10cm的空隙，保證土工袋在壓實(shí)過(guò)程中有足夠的延伸空間；用開(kāi)挖土進(jìn)行填縫，并利用小型平板振動(dòng)碾碾壓2遍，盡可能使3種方案中袋內(nèi)填充物達(dá)到相同的壓實(shí)性[5]。

2.2.2 土工袋材料透水性對(duì)土壤保水性能的影響

將保水型土工袋側(cè)面及底面土工膜布分別設(shè)置為普通土工布、LDPE膜(低密度聚乙烯膜)、EVA膜（乙烯-醋酸乙烯共聚膜）、HDPE膜（高密度聚乙烯膜）4種處理，4種材料防滲性由低到高，具體相關(guān)性能見(jiàn)表2。每組保水型土工袋內(nèi)分別裝入25kg的粘土，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至50cm深地下，澆足量水，每隔一周取上層土壤土樣測(cè)定含水率，并記錄數(shù)據(jù)的變化。每組設(shè)置3個(gè)試樣。

表2 土工膜性能參數(shù)Tab.2 Properties of soilbags coating

2.2.3 土工袋填埋深度對(duì)土壤保水性能的影響

將保水型土工袋的填埋深度設(shè)置為25cm、50cm、75cm共3組處理，每組3個(gè)試樣（土工袋材料參照2.2.2種保水效果顯著的材料）。每組保水型土工袋內(nèi)分別裝入25kg的粘土，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至地下，澆足量水，每隔一月取上層土壤土樣測(cè)定含水率，并記錄數(shù)據(jù)的變化。每組設(shè)置3個(gè)試樣。

2.2.4 土工袋內(nèi)部填充物對(duì)土壤保水性能的影響

查閱相關(guān)資料[3]將保水型土工袋的內(nèi)部填充物設(shè)置為粘土、陶粒、砂土、砼碎塊共4組處理，填充物的相關(guān)性質(zhì)見(jiàn)表3，每組3個(gè)試樣（土工袋材料參照2.2.2保水效果顯著的材料，填埋深度參照2.2.3中保水效果顯著的填埋深度）。每組保水型土工袋內(nèi)分別裝入25kg的填充物，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至地下，澆足量水，每隔一月取上層土壤土樣測(cè)定含水率，并記錄數(shù)據(jù)的變化。每組設(shè)置3個(gè)試樣。

表3 內(nèi)部填充物基本性質(zhì)Tab.3 Basic properties of infilling

2.2.5 土壤保水效果的計(jì)算方法

用烘干法測(cè)定出土壤含水率，參照《土工測(cè)試技術(shù)》中的試驗(yàn)方法測(cè)出各組土壤含水率，再用各試驗(yàn)組土壤含水率與自然條件下土壤含水率之差來(lái)衡量土工袋對(duì)于土壤的保水效果[4]。具體方法為，每隔一個(gè)月取上述3個(gè)試驗(yàn)中土工袋上方距地表20cm深度處土樣及自然條件下距地表20cm深度處土樣各50g，用烘干法在溫度105℃下烘10小時(shí)后稱(chēng)量試樣質(zhì)量變化，測(cè)定土壤含水率，并記錄各組數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 保水型土工袋在土壤中保水性能的影響因素

3.1.1 土工袋材料透水性的影響

方案一所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著側(cè)面及底面土工膜布透水性的增強(qiáng)，土壤的含水率越高。當(dāng)側(cè)面及底面為L(zhǎng)DPE膜時(shí)，土工袋在土壤中的保水性能最優(yōu)，土壤的含水率較對(duì)比提高了8.36%。采用EVA膜時(shí)保水效果稍弱，為3.09%。而采用普通土工布和HDPE膜作為側(cè)面及底面材料，反而會(huì)引起嚴(yán)重的反效果，土壤含水率分別下降7.75%和10.4%。其原因是采用LDPE膜的土工袋能夠有效的蓄積雨水，提升土壤濕度；同時(shí)由于LDPE膜具有一定的透水性能，保證了保水型土工袋下側(cè)土壤中的水分在毛細(xì)作用下上升不受到阻礙，使土壤中水分得到及時(shí)補(bǔ)充。

圖5 土工袋材料透水性的影響圖Fig.5 The effect of the material permeability

3.1.2 土工袋填埋深度的影響

方案二所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。保水型土工袋材料選擇一致，填埋深度不同，則土壤的含水率變化顯著，其填埋深度越淺，土壤的含水率越高。填埋深度為25cm時(shí)，土壤含水率增加8.9%；而填埋為50cm和75cm時(shí)，土壤含水率分別增加4.0%和2.9%，保水效果降低明顯。其原因是土工袋將水分蓄積在袋內(nèi)，隨著土工袋埋深的增加，其對(duì)表層土壤含水率的影響逐漸降低，但土工袋之上土壤總的含水量應(yīng)相差不大。

圖6 土工袋填埋深度的影響圖Fig.6 The effect of the buried depth

3.1.3 土工袋內(nèi)部填充物的影響

方案三所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。保水型土工袋在內(nèi)部填充物為陶粒時(shí)土壤含水率的增加量達(dá)13.03%，比采用粘土、砂土、碎砼塊時(shí)保水效果顯著，后三者誒的土壤含水率增加量分別9.15%、7.54%、5.27%，所以保水型土工袋在內(nèi)部填充物為陶粒時(shí)保水效果明顯。其原因是當(dāng)袋內(nèi)填充物顆粒較為粗大時(shí)，顆粒間空隙大，儲(chǔ)水量大，隨著蒸發(fā)作用，水分上升，迅速提升上層土壤含水率；當(dāng)袋內(nèi)填充物為細(xì)顆粒時(shí)土壤對(duì)水的吸附作用較強(qiáng)，水分釋放緩慢，土壤含水率提升緩慢。

圖7 土工袋不同內(nèi)部填充物的影響Fig.7 The effect of the infilling

表4 SPSS正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The result of the SPSSorthogonal experiment design

3.2 SPSS正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

單因素試驗(yàn)表明，保水型土工袋材料透水性、填埋深度和內(nèi)部填充物類(lèi)型對(duì)其在土壤中保水性的影響均較為顯著，經(jīng)過(guò)單因素初步優(yōu)化，確定各因素的取用范圍。對(duì)3個(gè)因素編碼，內(nèi)部填充物類(lèi)型設(shè)4個(gè)水平，分別是陶粒（1）、粘土（2）和砂土（3）、砼碎塊（4）；側(cè)面和底面土工膜布設(shè)4個(gè)水平，分別是普通土工布(0)、LDPE膜（1）、EVA膜（2）、HDPE膜（3）；填埋深度設(shè)3個(gè)水平，分別是25cm、50cm和75cm。

按SPSS正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出的方案進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，所得的結(jié)果見(jiàn)表4。各因素的方差分析所得結(jié)果見(jiàn)表5。由三因素的Sig＜0.05可知，保水型土工袋的材料透水性、填埋深度和內(nèi)部填充物類(lèi)型的主效應(yīng)都是高度顯著的。同時(shí)由方差分析中的F值可知，三者的交互作用并不顯著。由III型平方和比較可知，各因素對(duì)保水型土工袋保水效果的影響顯著性：材料透水性ffgt;內(nèi)部填充物類(lèi)型ffgt;填埋深度。

表5 單因素方差分析結(jié)果Tab.5 The result of one-way analysis of variance

從表6中我們可以清楚地看出每個(gè)因素的最佳水平為：側(cè)面和底面土工膜為L(zhǎng)DPE膜，內(nèi)部填充物類(lèi)型為陶粒，填埋深度為25cm。按照上述組合進(jìn)行試驗(yàn)保水效果最好，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一個(gè)月時(shí)土壤含水率較自然條件下增加16.5%，后續(xù)時(shí)間雖有所下降，但也穩(wěn)定在10%左右。其確為保水效果最佳的組合。

表6 SPSS優(yōu)化分析結(jié)果Tab.6 The optimized analyzing result of SPSS

4 結(jié)論

（1）保水型土工袋保水效果與材料透水性、填埋深度和內(nèi)部填充物類(lèi)型等有關(guān)；當(dāng)保水型土工袋以底側(cè)土工膜布類(lèi)型為L(zhǎng)DPE膜，內(nèi)部填充物類(lèi)型為陶粒，填埋深度為25cm的方案實(shí)施時(shí)保水效果最為顯著，一個(gè)月后土壤含水率增加達(dá)到16.5%，后續(xù)時(shí)間也穩(wěn)定在10%左右。

（2）該試驗(yàn)求得了保水型土工袋材料透水性、填埋深度和內(nèi)部填充物類(lèi)型與土壤含水率變化關(guān)系的模型。由模型可知，這三個(gè)因素均為影響保水性的顯著因素（Sig＜0.05），且三者的交互作用不顯著，可為生產(chǎn)上合理應(yīng)用此種技術(shù)提供參考。

（3）保水型土工袋作為一項(xiàng)新的工程技術(shù)，需進(jìn)一步開(kāi)展在理論、施工工藝、質(zhì)量檢測(cè)等方面的研究，尤其是需研發(fā)相應(yīng)的施工機(jī)械，提高施工效率，盡早制訂相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以便推廣使用。另外該試驗(yàn)是在南京地區(qū)實(shí)施，對(duì)于西部干旱、半干旱地區(qū)的適用情況也有待進(jìn)一步研究。

致謝：

衷心感謝尊敬的指導(dǎo)老師劉斯宏教授在論文撰寫(xiě)中給予的悉心指導(dǎo)和鼓勵(lì)，正是他悉心的指導(dǎo)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格和孜孜不倦的教誨，給了筆者無(wú)窮的啟發(fā)和指引。

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