土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道固坡效果監(jiān)測(cè)

張 力，王紅雨，王小東，周 波

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，銀川 750002)

0 引 言

寧夏引(揚(yáng))黃灌區(qū)已建農(nóng)田排水溝道受土壤質(zhì)地、地層條件以及地下水位高、干濕與凍融交替循環(huán)作用等影響，排水溝滑塌破壞成為制約寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田水利配套設(shè)施建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[1-3]。地質(zhì)勘查資料顯示，沿黃河兩岸近代沖洪積、河湖積等沉積物構(gòu)成河套平原的主體。沖積、湖積物以粉質(zhì)、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂為主，間夾黏性土。引黃灌區(qū)地面以下埋深約1.5～2.5 m范圍內(nèi)普遍分布有流砂層，農(nóng)田排水溝道滑塌嚴(yán)重地段土質(zhì)多為黏質(zhì)粉細(xì)砂土。

灌區(qū)農(nóng)田排水溝道雖然采取了相應(yīng)的治理措施，例如目前普遍使用的草土木樁護(hù)坡、干砌石護(hù)坡等技術(shù)，一般運(yùn)行2-3年之后，便會(huì)發(fā)生局部滑移、塌坡等破壞。另外，采用干砌石護(hù)坡、塊石鉛絲籠格賓護(hù)坡技術(shù)，還存在工程造價(jià)較高、石材匱乏的弊端。

目前，土工袋裝技術(shù)在土木、水利、港口、道路交通等領(lǐng)域的大型工程中應(yīng)用較多，而在農(nóng)業(yè)排水系統(tǒng)的溝道治理等小型工程方面的應(yīng)用研究鮮有報(bào)道[4-7]。因此，探索采用土工袋裝技術(shù)砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡構(gòu)建穩(wěn)固的農(nóng)業(yè)灌排系統(tǒng)，具有重要的研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用前景。

文中詳細(xì)介紹了在寧夏青銅峽灌區(qū)采用土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)施工、原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布置以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，并與傳統(tǒng)的草土柳樁護(hù)坡技術(shù)進(jìn)行了比較，以期為土工袋新技術(shù)在農(nóng)田排水溝道固坡的推廣應(yīng)用提供基本依據(jù)。

1 土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性的原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝邊坡的原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段位于寧夏青銅峽市邵剛鎮(zhèn)東方紅村營(yíng)橋三隊(duì)第三排水溝。其位于青銅峽市區(qū)以北，屬于邵剛鎮(zhèn)轄區(qū)，該區(qū)域北起果子渠，南至王渠，西靠漢延渠，東至惠農(nóng)渠，溝道水流走向?yàn)闁|西走向，試驗(yàn)區(qū)位于黃河Ⅱ級(jí)階地上，主要以全新統(tǒng)沖積相湖積組成。全新統(tǒng)沖積相巖性表層為2～6 m壤土、砂壤土，局部有沖積粉細(xì)砂層，下部為砂礫、卵礫石層。其位置如圖1所示。土工袋砌護(hù)段長(zhǎng)100 m，選取砌護(hù)段中間部位進(jìn)行原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，溝道南北兩處測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

圖1 試驗(yàn)段位置圖Fig.1 Location map of the test section

圖2 土工袋砌護(hù)試驗(yàn)段Fig.2 Geotechnical protective bag test section

1.2 試驗(yàn)區(qū)土工袋的設(shè)計(jì)與施工

土工袋砌護(hù)段的設(shè)計(jì)與施工，首先是對(duì)袋材的選擇，通過(guò)進(jìn)行梯度對(duì)比試驗(yàn)，選取白色人革基布作為土工袋砌護(hù)段所需袋材。其次土工袋袋內(nèi)填料的選擇秉著“就地取材”的原則，袋內(nèi)裝填土為溝道邊坡的開挖原土，并以當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的稻草與土混合作為排水溝護(hù)坡基質(zhì)。土工袋砌護(hù)段完工后現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，砌護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 木樁支擋基礎(chǔ)袋裝砌護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位：mm)Fig.3 Design drawing of the foundation bag of wooden pile foundation

1.3 原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的布置

在土工袋砌護(hù)段選取一個(gè)斷面進(jìn)行原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。采用WYJ型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)[8]對(duì)土工袋砌護(hù)段邊坡內(nèi)部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)斷面處南北邊坡相同位置各布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)孔，每個(gè)孔設(shè)置4個(gè)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)，間隔30 cm，分別監(jiān)測(cè)不同時(shí)期邊坡內(nèi)部距砌護(hù)面上部為30、60、90、120 cm處的不同深度的變形情況。

邊坡土壓力采用PL-TY25型振弦式土壓力計(jì)測(cè)定，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔在不同位置處布設(shè)4支土壓力計(jì)，以此測(cè)定邊坡砌護(hù)面不同位置所受的坡體壓重值。邊坡土壤含水率采用TDR儀[9]進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究土工袋砌護(hù)下農(nóng)田排水溝邊坡在受到外界環(huán)境影響下的土體水分遷移變化規(guī)律，邊坡土壓力和邊坡含水率的監(jiān)測(cè)位置與多點(diǎn)位移計(jì)相對(duì)應(yīng)。

采用PL-KY03型振弦式孔隙水壓力計(jì)對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，南北邊坡在監(jiān)測(cè)孔120 cm處各布置一支孔隙水壓力計(jì)。為了判斷溝道水和邊坡地下水之間的關(guān)系，采用定制的不銹鋼水位尺對(duì)溝道水位進(jìn)行測(cè)定。在溝道邊坡監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)選擇合適位置打入由PVC工程塑料制成的水位管，之后再使用鋼尺水位計(jì)對(duì)排水溝道邊坡監(jiān)測(cè)斷面地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。土工袋邊坡原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)儀器布置方式如圖4、圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)儀器位置示意圖(單位：mm)Fig.4 Monitor the location of the instrument

圖5 地下水位管布置示意圖Fig.5 Diagram of underground water level tube layout

此外，在埋設(shè)土壓力計(jì)時(shí)，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)斷面的地質(zhì)條件，如該工程中在120 cm處，有流砂層的存在，故在安裝土壓力計(jì)時(shí)需采用簡(jiǎn)易固定裝置使土壓力計(jì)光面一側(cè)緊貼砌護(hù)體背面。在布置位移計(jì)時(shí)，對(duì)于不同深度的排水溝道邊坡應(yīng)定制不同長(zhǎng)度的位移探頭，且一定要將位移探頭牢牢地固定在位移傳感器內(nèi)。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理與分析

對(duì)土工袋砌護(hù)段進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)所選的數(shù)據(jù)為2016年11月20日至2017年11月15日期間所測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)計(jì)劃為15 d/次，但也根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境變化而增加或縮短周期，例如暴雨期或灌溉期等會(huì)縮短監(jiān)測(cè)周期，旨在監(jiān)測(cè)特殊環(huán)境時(shí)邊坡的變化。土壓力、邊坡內(nèi)部位移、孔隙水壓力這三者數(shù)據(jù)讀取使用頻率讀數(shù)表進(jìn)行讀取，之后通過(guò)相關(guān)公式轉(zhuǎn)換為所需數(shù)據(jù)值。

2.1 土工袋護(hù)坡南北測(cè)點(diǎn)邊坡土壓力變化情況

監(jiān)測(cè)期土工袋南北坡各測(cè)點(diǎn)坡體土壓力變化如圖6、圖7所示。隨著深度增加土壓力強(qiáng)度相應(yīng)增加，在90 cm處土壓力達(dá)到最大值，但在120 cm處土壓力強(qiáng)度保持穩(wěn)定，變化趨勢(shì)起伏不大。由此推斷，在邊坡50～100 cm內(nèi)各點(diǎn)土壓力增加較快，這個(gè)位置是溝道邊坡附近地下水位變化及溝內(nèi)承泄的水位變化比較頻繁的范圍，水的作用致使邊坡土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，土體的抗剪強(qiáng)度減小，邊坡在該位置處可能發(fā)生滑塌，通過(guò)對(duì)邊坡土壓力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析與判斷，可以將其作為土工袋防滑塌砌護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

作為“胚胎生物化學(xué)之父”的李約瑟博士(Joseph Needham，1900～1995)怎么會(huì)從生物化學(xué)的研究，轉(zhuǎn)向中國(guó)古代科技史的研究呢？原來(lái)，1937年劍橋大學(xué)來(lái)了三位攻讀博士學(xué)位的中國(guó)留學(xué)生——沈詩(shī)章、魯桂珍和王應(yīng)睞。他們的到來(lái)改變了李約瑟的生活軌跡，使他將后半生獻(xiàn)給了對(duì)中國(guó)古代科學(xué)與文明的研究，撰寫了多卷本巨著《中國(guó)的科學(xué)與文明》，充分顯示了他對(duì)中國(guó)古代技術(shù)成就的景仰。李約瑟回顧三位中國(guó)學(xué)生對(duì)他的影響：“其一，他們激勵(lì)我學(xué)習(xí)他們的語(yǔ)言；其二，他們提出了這樣一個(gè)問(wèn)題——為何當(dāng)代科學(xué)只是發(fā)源于歐洲？”[1]

圖6 土工袋北側(cè)不同位置土壓力Fig.6 Soil pressure at different positions on the north side of geotextiles

圖7 土工袋南側(cè)不同位置土壓力Fig.7 Soil pressure of different positions on the south side of geotextiles

2.2 土工袋護(hù)坡南北測(cè)點(diǎn)邊坡孔隙水壓力變化情況

監(jiān)測(cè)期土工袋南北邊坡孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律見(jiàn)圖8。當(dāng)?shù)叵滤簧仙?rùn)線以下邊坡土體受到孔隙水壓力作用，土體的天然重度變?yōu)楦≈囟?，?dǎo)致邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變。但經(jīng)過(guò)一年的監(jiān)測(cè)，由于土工袋具有濾水保土性能，且土工袋砌護(hù)方式下的邊坡孔隙水壓力數(shù)據(jù)變化并不明顯，說(shuō)明不會(huì)因?yàn)檫吰率艿降叵滤疂B流作用，使袋體內(nèi)土顆粒發(fā)生遷移從而影響土工袋組合體的穩(wěn)定性。

圖8 土工袋南北兩側(cè)孔隙水壓力變化Fig.8 Changes of pore water pressure on the north and south of geotextiles

2.3 土工袋護(hù)坡南北測(cè)點(diǎn)邊坡內(nèi)部位移變化情況

監(jiān)測(cè)期土工袋砌護(hù)南北坡各測(cè)點(diǎn)的內(nèi)部位移變化如圖9、圖10所示。當(dāng)邊坡受溝道水流沖刷和滲流作用影響時(shí)，坡內(nèi)會(huì)產(chǎn)生潛在的滑移面，且易從坡腳處發(fā)生滑塌。但以土工袋為砌護(hù)方式的農(nóng)田排水溝道邊坡，邊坡內(nèi)部位移變化較小，且在坡腳處設(shè)置有土工袋裝砂礫石的壓坡抗滑體，能有效固坡防塌，同時(shí)也減緩了坡腳處受溝道水流的沖刷作用，加之土工袋具有良好的透水性，邊坡內(nèi)部受滲流作用的影響也相應(yīng)減小。

圖9 土工袋北側(cè)不同位置位移變化量Fig.9 Displacement variation of the north side of geotextiles

圖10 土工袋南側(cè)不同位置位移變化量Fig.10 Displacement variation of different positions on the south side of geotextiles

2.4 土工袋護(hù)坡南北測(cè)點(diǎn)邊坡含水率變化情況

監(jiān)測(cè)期內(nèi)土工袋砌護(hù)南北坡測(cè)點(diǎn)不同位置含水率變化如圖11、圖12。由邊坡砌護(hù)面上部豎直向下，邊坡不同土層深度的土壤體積含水率隨著深度的增加而增加。邊坡土壤體積含水率在120 cm處最大，與地下水位埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，這個(gè)位置受地下水位動(dòng)態(tài)變化和溝道長(zhǎng)期積水的影響，接近飽和狀態(tài)。排水溝坡腳處較高的含水率，會(huì)引起土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響土體的抗剪強(qiáng)度，但一年多的觀測(cè)顯示土工袋砌護(hù)的坡腳處未發(fā)生滑移現(xiàn)象，說(shuō)明土工袋壓坡效果好且坡腳處袋內(nèi)填充的砂礫料有較好的透水性，在農(nóng)田排水溝道承泄地下水的滲流過(guò)程中能有效消散滲透壓力。

圖11 監(jiān)測(cè)期土工袋砌護(hù)北坡測(cè)點(diǎn)不同位置含水率變化圖Fig.11 The variation of water content at different position of the geotextile in the monitoring period

圖12 土工袋南坡測(cè)點(diǎn)不同位置含水率變化圖Fig.12 Water content variation of the south slope of the geotextiles

2.5 土工袋與傳統(tǒng)草土柳樁護(hù)坡效果的對(duì)比

為對(duì)比分析土工袋與傳統(tǒng)草土柳樁護(hù)坡效果的差別，課題組在距土工袋砌護(hù)的同一條排水溝道上游約200 m處，相同時(shí)期采用草土柳樁治理的溝段上，也布置了監(jiān)測(cè)斷面。選取溝道南坡同期監(jiān)測(cè)的內(nèi)部位移數(shù)據(jù)如圖13～16所示，外觀情景見(jiàn)圖17和18。從圖中可知，草土木樁內(nèi)部位移變化量遠(yuǎn)大于土工袋內(nèi)部位移變化，尤其在30、90、120 cm處草土木樁位移變化量明顯大于土工袋。另外，從土工袋與草土木樁監(jiān)測(cè)期間所拍外觀圖也可知，土工袋砌護(hù)方式下的邊坡外觀完整美觀，無(wú)明顯滑塌跡象，而草土木樁砌護(hù)下的邊坡坡腳處局部滑塌明顯。筆者認(rèn)為有以下原因：

圖13 草土木樁與土工袋30 cm處位移變化Fig.13 Displacement variation between the soil and geotextiles at 30 cm

圖14 草土木樁與土工袋60 cm處位移變化Fig.14 Displacement variation between the soil and geotextiles at 60 cm

(1)土工袋袋體尺寸大，袋與袋之間采用聯(lián)結(jié)扣連接，整體性能好。而傳統(tǒng)的草土柳樁坡面用草束固土，僅對(duì)溝坡表土起一定約束作用，整體性較差。

(2)設(shè)計(jì)與施工時(shí)，土工袋在溝道坡腳處進(jìn)行了加固處理，袋內(nèi)填充砂礫料增加了壓坡效果和透水保土性能。而草土柳樁護(hù)坡在坡腳處只有柳樁護(hù)底，抑制滲透變形的發(fā)生與發(fā)展的作用有限。

(3)雖然土工袋砌護(hù)和草土柳樁護(hù)坡均為柔性護(hù)坡方式，但土工袋的袋材為土工新材料，防紫外線、抗腐蝕以及張拉性能好，產(chǎn)品使用年限可達(dá)8～10 a，具有較強(qiáng)的加筋固土作用。而草土柳樁護(hù)坡靠草束固土，受環(huán)境影響，草束極易被腐蝕(爛)軟化，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。

因此，農(nóng)田排水溝道在地下水滲流潛蝕、溝內(nèi)明流沖刷、降雨徑流、蒸發(fā)以及干濕與凍融的交替作用下，土工袋的固坡效果和長(zhǎng)期穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于草土柳樁護(hù)坡。當(dāng)然，相較于土工袋的設(shè)計(jì)與施工程序，傳統(tǒng)的草土柳樁護(hù)坡在寧夏引黃灌區(qū)有一定的群眾基礎(chǔ)，施工工藝簡(jiǎn)單，當(dāng)?shù)厥┕り?duì)伍技術(shù)嫻熟，方便快捷。

圖15 草土木樁與土工袋90 cm處位移變化Fig.15 Displacement variation between the soil and geotextiles at 90 cm

圖16 草土木樁與土工袋120 cm處位移變化Fig.16 Displacement variation between the soil and geotextiles at 120 cm

圖17 土工袋外觀圖Fig.17 Appearance of geotextile bags

圖18 草土木樁外觀圖Fig.18 Appearance of geotextile bags

2.6 土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道質(zhì)量控制

土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道應(yīng)重點(diǎn)控制鋪砌結(jié)構(gòu)型式、土工袋鋪設(shè)方式和壓實(shí)效果3個(gè)環(huán)節(jié)。土工袋鋪砌結(jié)構(gòu)型式應(yīng)與農(nóng)田排水溝道地質(zhì)條件相結(jié)合，如該工程區(qū)域地層分布以粉質(zhì)黏土為主，下部多為流沙層，故采用木樁支擋土工袋基礎(chǔ)層，從而保證基礎(chǔ)層的穩(wěn)定；若排水溝道地質(zhì)條件良好，則無(wú)需打樁。考慮到袋體的尺寸及鋪設(shè)方式會(huì)影響到邊坡的滲透系數(shù)，從而影響邊坡的穩(wěn)定性，故在施工前，應(yīng)對(duì)土工袋整體結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)確定合理的滲透系數(shù)，選擇合適的土工袋尺寸及鋪設(shè)方式。在該工程中土工袋尺寸為70 cm×35 cm×15 cm，鋪設(shè)方式采用錯(cuò)縫搭接。施工期間應(yīng)嚴(yán)格控制坡面的平整度，逐層鋪設(shè)并在初平之后采用小型振動(dòng)平板夯碾壓，整個(gè)土工袋砌筑過(guò)程以及層與層之間銜接位置，應(yīng)通過(guò)測(cè)量放線進(jìn)行控制。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)溝道試驗(yàn)段區(qū)域地層分布以粉質(zhì)黏土為主，下部多為流砂層的地質(zhì)條件，為了增加土工袋組合體的穩(wěn)定性，采用逐層錯(cuò)縫鋪設(shè)，坡腳輔以袋裝砂礫石壓坡及柳樁穿過(guò)流砂層抗滑的固坡方式是可行的，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，土工袋固坡達(dá)到預(yù)期效果。

(2)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)具體條件合理布置儀器設(shè)備并注意檢查儀器線頭是否接觸良好，以防因接觸不良導(dǎo)致無(wú)法獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。此外，還要不定期地使用萬(wàn)用電表對(duì)儀器的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查。

(3)通過(guò)對(duì)土工袋砌護(hù)段邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力、土壓力、邊坡內(nèi)部位移等數(shù)據(jù)變化較小，數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明在以邊坡開挖土為填料的土工袋組合砌護(hù)體，可以滿足農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定要求，同時(shí)也減少了開挖過(guò)程中的棄土量，充分保護(hù)了水土資源。

(4)土工袋砌護(hù)試驗(yàn)段運(yùn)行一年多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與外部觀測(cè)都表明，土工袋不但可以控制邊坡土體浸水后的膨脹變形，而且可以避免其因?yàn)槭ニ侄l(fā)生貫穿性裂縫。尤其在季凍區(qū)，凍融作用對(duì)溝道邊坡砌護(hù)工程的穩(wěn)定性影響較大，但經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融期的觀察，由于土工袋的抗拉伸能力及其約束散體土顆粒的作用，能有效地防止因土體凍融產(chǎn)生的融沉變形過(guò)大而發(fā)生的局部滑塌現(xiàn)象，達(dá)到了固坡防滑塌的作用。

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