紫色土坡耕地不同規(guī)格土坎穩(wěn)定性分析

李進(jìn)林， 韋 杰， 賀秀斌

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610041，成都；2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，401331，重慶；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

埂坎除劃分地塊權(quán)屬和便于田間行走外，還具有調(diào)控坡耕地土壤侵蝕的重要功能[1]，通過(guò)分割坡長(zhǎng)、降低坡面坡度，埂坎能改變坡面水文過(guò)程從而減控坡耕地水土流失[2-3]。埂坎可有效攔蓄坡耕地地表徑流，可使徑流系數(shù)降到5%左右，攔截泥沙高達(dá)90%[4-8]，減少土壤氮磷鉀流失量32%～54%[9]。與水平溝、植物籬等措施合理搭配時(shí)，埂坎水土保持效果更明顯[10-11]。埂坎穩(wěn)定性是其水土保持作用發(fā)揮的重要前提，與其結(jié)構(gòu)特征、材料屬性、建造工藝、利用方式和環(huán)境條件等密切相關(guān)[12]。研究表明，坎高和外邊坡坡度是影響埂坎穩(wěn)定性的2個(gè)重要參數(shù)[13]。陳萬(wàn)鈴等[14]認(rèn)為紫色砂泥巖區(qū)梯地土坎高度控制在1.5 m以內(nèi)為宜，土坎邊坡除沙土外，以65°～78°不超過(guò)80°為限。張宏等[15]指出鈣質(zhì)紫色土坎高不宜超過(guò)2.0 m，外邊坡80°，中性紫色土坎高不宜超過(guò)1.5 m，外邊坡60°左右。顧再柯等[16]則認(rèn)為坎高在1.2 m以內(nèi)、坡度在80%以內(nèi)的土坎均較穩(wěn)定。

穩(wěn)定性系數(shù)是定量評(píng)價(jià)土坡穩(wěn)定性的指標(biāo)，不同分析方法所得的穩(wěn)定性系數(shù)物理意義也有所差異。極限平衡分析中，通常是計(jì)算土體沿最危險(xiǎn)潛在滑動(dòng)面整體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的平均強(qiáng)度折減系數(shù)(也稱為強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù))，可理解為土體抗剪強(qiáng)度沿潛在滑動(dòng)面的積分與剪應(yīng)力沿潛在滑動(dòng)面的積分之比，也就是沿潛在滑動(dòng)面阻滑力和滑動(dòng)力的比值[17]。穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法有Ordinary法、Bishop法、Janbu法、M-P(Morgenstern-Price)法、Sarma法、Spencer法、Fellenius法等，這些方法都是建立在土體剛塑性假定的基礎(chǔ)上，但還有其特定的假設(shè)前提和計(jì)算規(guī)則[18]；因此，運(yùn)用不同的計(jì)算方法得到的結(jié)果可能存在差異。研究表明，簡(jiǎn)化Bishop法所給出的圓弧滑動(dòng)面安全系數(shù)與嚴(yán)格條分法計(jì)算所得的安全系數(shù)非常接近，且還具有計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[19-20]。

紫色土坡耕地是三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要載體，土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3 460～9 450 t/(km2·a)[21]，埂坎在減控紫色土坡耕地侵蝕產(chǎn)沙中起到了重要作用[22]。調(diào)查表明，三峽庫(kù)區(qū)坡耕地埂坎類型多樣，其中，土坎因其造價(jià)低、生態(tài)適宜、農(nóng)民接受意愿高等優(yōu)點(diǎn)占比較高，超過(guò)了65%[23]。三峽庫(kù)區(qū)地表起伏大，坎高和外邊坡坡度變化幅度也較大。然而，有關(guān)于紫色土坡耕地土坎高度、外邊坡坡度與穩(wěn)定性的關(guān)系尚不明確，埂坎的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)也缺乏依據(jù)；因此，筆者以紫色土坡耕地土坎為對(duì)象，設(shè)定0.8、1.0、1.2、1.4 m 4種高度和50°、60°、70°、80°4種外邊坡坡度共組合成16種紫色土坎規(guī)格(依次用B1～B16表示)，利用直剪試驗(yàn)獲取埂坎土壤抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用極限平衡分析法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)并建立穩(wěn)定性系數(shù)與高度和外邊坡坡度響應(yīng)模型，以便為三峽庫(kù)區(qū)乃至長(zhǎng)江上游紫色土區(qū)坡耕地整治等工程中土坎建造提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇與采樣

試驗(yàn)土壤樣品采集自重慶市萬(wàn)州區(qū)甘寧鎮(zhèn)桐坪村，區(qū)內(nèi)廣泛出露中生代侏羅系沙溪廟組和自流井組紫色巖層，強(qiáng)烈風(fēng)化后所形成的紫色土具有土層淺薄、礦物養(yǎng)分豐富、侵蝕強(qiáng)烈等特點(diǎn)。試驗(yàn)采樣的土坎所在坡耕地田塊呈月牙形，田面寬1.6～6.4 m，坡度為7°，坡耕地內(nèi)有邊溝、水平溝、背溝等，種植的玉米在采樣前已收獲。試驗(yàn)土坎高度約0.9 m，土坎外邊坡為變坡，坡度46°～72°，坡面長(zhǎng)有牛筋草(Eleusineindica)、馬唐草(Digitariasanguinalis)、狗尾巴草(Setariaviridis)等雜草。部分坎頂有地埂，埂高約10 cm，寬約30 cm。

在試驗(yàn)土坎選取3個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于埂坎的正中位置及其相距5 m的兩側(cè)。每個(gè)采樣點(diǎn)分上、中和下3層采集土壤樣品。采樣時(shí)，先除去坎面雜草、腐殖質(zhì)及礫石，再采集坎頂、坎腰和坎趾處的土壤。用50.46 mm×50 mm的環(huán)刀采集土樣用于測(cè)試天然重度。用61.80 mm×20 mm的環(huán)刀采集直剪試樣，每組4個(gè)樣品。另外，各樣點(diǎn)采集約500 g土壤帶回實(shí)驗(yàn)室用于其他理化性質(zhì)分析。

1.2 室內(nèi)測(cè)試分析

用馬爾文MS2000激光粒度儀測(cè)定土壤的顆粒組成。直剪試驗(yàn)測(cè)試原狀土抗剪強(qiáng)度具有操作簡(jiǎn)便、耗時(shí)短、結(jié)果符合實(shí)際等優(yōu)點(diǎn)；因此，筆者采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn))測(cè)試紫色土埂坎原狀土抗剪強(qiáng)度，量力環(huán)率定系數(shù)190.4 kPa/mm，剪切速率0.8 mm/min，剪切總位移10 mm。其他操作按照GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，結(jié)果見表1。

表1 試樣土壤物理力學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值標(biāo)準(zhǔn)差。 Notes: Value in table is mean ±standard deviation.

1.3 穩(wěn)定性模擬

考慮到三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地土坎高度多在0.8～1.5 m，外邊坡坡度多在50°～80°的實(shí)際情況，共設(shè)計(jì)0.8、1.0、1.2和1.4 m 4種高度和50°、60°、70°和80°4種外邊坡坡度，兩兩組合形成共16種規(guī)格。選用Ordinary法、Bishop法、Janbu法和M-P法分別計(jì)算并取其平均值作為土坎的穩(wěn)定性系數(shù)。模擬分析在Geo-Studio軟件中完成，詳見文獻(xiàn)[24]和[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土坎穩(wěn)定性系數(shù)

運(yùn)用Ordinary法、Bishop法、Janbu法和M-P法計(jì)算的土坎穩(wěn)定性系數(shù)(表2)有所不同，總體表現(xiàn)為Janbu法>M-P法>Bishop法>Ordinary法，其中，M-P法與Bishop法所得的結(jié)果最接近。方差分析結(jié)果表明，各方法所得穩(wěn)定性系數(shù)沒(méi)有顯著性差異(P<0.05)，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可靠。16種規(guī)格土坎中，穩(wěn)定性系數(shù)最低的是B16，最高的是B2，平均值分別為3.526和7.938，極差達(dá)4.412。穩(wěn)定性系數(shù)平均值>7的土坎有B1、B2和B3，分別為7.884、7.938和7.786，占土坎總數(shù)的18.75%。穩(wěn)定性系數(shù)平均值<7，但>6的土坎有B4、B5、B6和B10，分別為6.385、6.647、6.977和6.172，占土坎總數(shù)的25%。穩(wěn)定性系數(shù)平均值<6，但>5的土坎有B7、B8、B9、B13和B14，分別為5.428、5.057、5.939、5.876和5.141，占土坎總數(shù)的31.25%。穩(wěn)定性系數(shù)平均值<5的土坎有B11、B12、B15和B16，分別為4.891、4.146、4.424和3.526，占土坎總數(shù)的25%。

2.2 土坎穩(wěn)定性系數(shù)與高度和外邊坡坡度的關(guān)系

2.2.1 土坎穩(wěn)定性系數(shù)與高度 土坎外邊坡坡度一定時(shí)，隨著高度增加，穩(wěn)定性系數(shù)呈非線性降低趨勢(shì)(圖1)，但降低幅度逐漸減小。高度從0.8 m增加到1.0 m時(shí)，土坎穩(wěn)定性系數(shù)降低最明顯，外邊坡為50°、60°、70°和80°的土坎穩(wěn)定性系數(shù)分別降低1.237、0.961、2.358和1.328，降幅分別為15.69%、12.11%、30.29%和20.80%，平均降幅為19.72%。土坎高度從1.0 m增加到1.2 m時(shí)，這4種外邊坡土坎穩(wěn)定性系數(shù)分別降低0.708、0.805、0.537和0.911，降幅分別為10.65%、11.54%、9.89%和18.01%，平均降幅為12.52%?？哺邚?.2 m增加到1.4 m時(shí)，土坎穩(wěn)定性系數(shù)分別降低了0.063、0.986、0.467和0.620，降幅分別為1.06%、16.70%、9.55%和14.95%，平均降幅為10.57%。

表2 不同規(guī)格土坎穩(wěn)定性系數(shù)

圖1 土坎穩(wěn)定性系數(shù)隨高度的變化Fig.1 Soil bund stability coefficient varies with the height

2.2.2 土坎穩(wěn)定性系數(shù)與外邊坡坡度 土坎高度一定時(shí)，隨著外邊坡坡度變陡，穩(wěn)定性系數(shù)總體呈降低趨勢(shì)，但階段性特征有所差異(圖2)。高度為0.8 m的土坎，其外邊坡從50°增加到70°的過(guò)程中，穩(wěn)定性系數(shù)變化不明顯，而從70°增加到80°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)降低18.00%。高度為1.0和1.2 m的土坎，其外邊坡從50°增加到60°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)分別增加4.96%和3.92%；從60°增加到70°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)分別降低18.00%和20.76%；坡度繼續(xù)增加到80°時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)分別降低6.83%和15.23%。高度為1.4 m的土坎，其外邊坡坡度從50°增加到80°的過(guò)程中，穩(wěn)定性系數(shù)近似線性降低，降幅為39.99%。

圖2 土坎穩(wěn)定性系數(shù)隨外邊坡坡度的變化Fig.2 Soil bund stability coefficient varies with the outside slope

2.2.3 土坎穩(wěn)定性響應(yīng)面分析 運(yùn)用Design Expert軟件對(duì)土坎穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行多因素方差分析(表3)以確定主效應(yīng)和交互效應(yīng)。以坎高h(yuǎn)和外邊坡坡度s為自變量、穩(wěn)定性系數(shù)F為響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析確定穩(wěn)定性對(duì)規(guī)格的響應(yīng)模型。

表3 土坎穩(wěn)定性系數(shù)方差分析結(jié)果

注：表中h和s分別為土坎的高度和外邊坡坡度，h×s為土坎高度和外邊坡坡度的交互效應(yīng)，h2和s2分別為土坎高度和外邊坡坡度的二次項(xiàng)。Notes: In this table,handsare height and outside slope of soil bund, respectively,h×sis the interaction effects of height and slope,h2ands2are quadratic term of soil bund height and slope, respectively.

方差分析(表3)表明，高度h和外邊坡坡度s2個(gè)影響因素的概率P均<0.001，表明高度和外邊坡坡度對(duì)土坎穩(wěn)定性的影響極為顯著。二次項(xiàng)h2和s22個(gè)影響因素的概率P分別為0.016和0.028，均>0.01，但<0.05，表明二者對(duì)土坎穩(wěn)定性影響相對(duì)較顯著。交互效應(yīng)因素h×s的概率P為0.157，>0.1，表明高度與外邊坡坡度的交互效應(yīng)對(duì)土坎穩(wěn)定性的影響不顯著；因此，二次項(xiàng)因素h×s不能寫入穩(wěn)定性系數(shù)響應(yīng)模型。最終得到的土坎穩(wěn)定性系數(shù)F的響應(yīng)模型

(1)

式中：h為土坎高度，m；s為土坎外邊坡坡度，(°)。

圖3 土坎穩(wěn)定性對(duì)規(guī)格的響應(yīng)面Fig.3 Response surface of soil bund stability to scale

2.3 土坎穩(wěn)定性與土體條塊受力的關(guān)系

圖4 土坎潛在滑動(dòng)面土體條塊受力分析(單位：kN)Fig.4 Free body force diagram of a soil bund potential sliding surface (Unit: kN)

圖5 土坎穩(wěn)定性與潛在滑動(dòng)面土體條塊受力的關(guān)系Fig.5 Relationship between bund stability and the free body force of a soil bund potential sliding surface

不同規(guī)格土坎潛在滑動(dòng)面土體條塊受力情況不同，以M-P法計(jì)算結(jié)果為例(圖4)，B9基底法向力和運(yùn)動(dòng)剪切力最大，分別為0.579和0.419 kN。B3基底法向力和運(yùn)動(dòng)剪應(yīng)切力最小，分別為0.055和0.114 kN。各土坎潛在滑動(dòng)面土體條塊基底抗剪力最大值和最小值分別是0.860和2.483 kN，均大于運(yùn)動(dòng)剪切力。這也說(shuō)明所設(shè)計(jì)的16種規(guī)格土坎均處于穩(wěn)定狀態(tài)。土坎潛在滑動(dòng)面土體條塊右側(cè)最大(B9)和最小(B3)法向力分別為0.712和0.125 kN，最大(B12)和最小(B2)剪切力分別為0.062和0.001 kN。整體來(lái)看，土坎規(guī)格對(duì)潛在滑動(dòng)面土體條塊受力的影響沒(méi)有明顯規(guī)律。這可能是因?yàn)橥量惨?guī)格不同時(shí)，潛在滑動(dòng)面土體條塊尺寸和形態(tài)差異具有一定的隨機(jī)性，盡管土壤力學(xué)參數(shù)相同，受力狀態(tài)也會(huì)不存在明顯的變化規(guī)律。

隨著土坎潛在滑動(dòng)面上土條基底運(yùn)動(dòng)剪切力和土體條塊右側(cè)剪切力的增加，穩(wěn)定性系數(shù)呈降低趨勢(shì)(圖5)。這主要是因?yàn)楣】餐寥揽辜魪?qiáng)度一定時(shí)，剪切力越大，埂坎穩(wěn)定性就越低。而穩(wěn)定性系數(shù)隨基底法向力和右側(cè)法向力的變化趨勢(shì)不明顯。這可能是法向力是通過(guò)間接作用對(duì)土坎穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還依賴于潛在滑裂面位置、深度等因素。

3 討論

3.1 坡耕地土坎穩(wěn)定性的主要影響因素

坡耕地土坎穩(wěn)定性主要受規(guī)格、極端降雨、利用方式、管護(hù)措施等因素的影響[12-13,23,26]。本研究表明，紫色土坡耕地土坎高度和外邊坡坡度對(duì)穩(wěn)定性的影響極為顯著(P<0.01)，隨著土坎高度增加或者外邊坡坡度變陡，穩(wěn)定性系數(shù)均呈降低趨勢(shì)。這可能是因?yàn)橥量苍礁?，土體重心越高，穩(wěn)度則越低；埂坎外邊坡越陡，外傾結(jié)構(gòu)越明顯，土體重力沿潛在破壞面的下滑分量越大，土坎穩(wěn)定性則越低。土坎高度與外邊坡坡度的交互效應(yīng)對(duì)穩(wěn)定性的影響不顯著。極端降雨過(guò)程容易導(dǎo)致裸露的土坎邊坡劇烈侵蝕，最終可能塌陷破壞[26]。生物利用能對(duì)土坎起一定的保護(hù)作用，比如，三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)民通常在土坎上種植蠶豆(Viciafaba)、豌豆(Pisumsativum)、黃豆(Glycinemax)、黃花(Hemerocalliscitrina)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)等作物[23]，這些植被不但能在雨季削弱降雨對(duì)土坎的侵蝕，還能通過(guò)植物根系的“加筋”作用能夠提高土坎穩(wěn)定性[27]。然而，部分作物種植時(shí)需“挖坑”點(diǎn)播、收獲時(shí)?！斑B根拔起”，這些傳統(tǒng)的耕作習(xí)慣也會(huì)對(duì)土坎穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3.2 紫色土坡耕地土坎規(guī)格

土坎規(guī)格不但影響其穩(wěn)定性，還影響占地面積。通常情況下，土坎外邊坡坡度越陡，占地面積越小，但穩(wěn)定性較低，相反，外邊坡坡度越緩，占地面積越大，但穩(wěn)定性較高。本研究表明，高度為0.8～1.4 m、外邊坡坡度為50°～80°的紫色土坎均處于穩(wěn)定狀態(tài)。相比而言，當(dāng)土坎高度為1.4 m左右時(shí)，外邊坡約50°較合適(圖2)。也有研究認(rèn)為，若紫色土坎高度控制在1.5 m以內(nèi)，外邊坡以80°為上限[14]，但野外調(diào)查結(jié)果表明，這類規(guī)格土坎比例相對(duì)較小[23]。這可能是因?yàn)槿龒{庫(kù)區(qū)現(xiàn)有坡耕地多為陡坡耕地，不宜修建高度相對(duì)較高、外邊坡坡度相對(duì)較陡的土坎。當(dāng)土坎高為1.0～1.2 m時(shí)，外邊坡約60°較為合適(圖2)，張宏等[15]也得出了相似的結(jié)果，這類規(guī)格土坎在三峽庫(kù)區(qū)坡耕地現(xiàn)存土坎中的比例相對(duì)較高[23]。當(dāng)土坎高約0.8 m時(shí)，外邊坡70°左右較為合適(圖2)，這類規(guī)格土坎在三峽庫(kù)區(qū)坡耕地現(xiàn)存土坎中的比例最高，可能是同時(shí)兼顧到了穩(wěn)定性和耕作便利性。然而，若在陡坡耕地修建高度相對(duì)較低的土坎，最終形成的水平梯地田面較窄，農(nóng)民的接受意愿較低。綜合而言，建議新建紫色土坎高度為1.0～1.2 m，外邊坡約60°。

還需要說(shuō)明的是，筆者運(yùn)用極限平衡分析模擬了16種規(guī)格紫色土坎的穩(wěn)定性，構(gòu)建了穩(wěn)定性對(duì)規(guī)格的響應(yīng)模型。后續(xù)研究中，除了注重紫色土坎應(yīng)力變形方面的研究外，還應(yīng)加強(qiáng)埂坎空間配置優(yōu)化及埂坎與區(qū)域傳統(tǒng)水土保持措施搭配方法研究。

4 結(jié)論

1) 土坎外邊坡坡度一定時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)隨高度增加呈非線性衰減；高度一定時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)隨外邊坡坡度變陡總體呈降低趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，高度和外邊坡坡度對(duì)土坎穩(wěn)定性的影響極為顯著(P<0.01)，但二者的交互效應(yīng)對(duì)穩(wěn)定性的影響不顯著。

2)研究規(guī)格范圍內(nèi)，土坎潛在滑動(dòng)面最不穩(wěn)定的土體條塊基底抗剪力均大于運(yùn)動(dòng)剪切力。土坎穩(wěn)定性系數(shù)隨著運(yùn)動(dòng)剪切力和右側(cè)剪切力的增加呈降低趨勢(shì)，而基底法向力和右側(cè)法向力變化對(duì)土坎穩(wěn)定性系數(shù)沒(méi)有明顯影響。

3) 結(jié)合紫色土坎的穩(wěn)定性特征、三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地的條件和農(nóng)民耕作的便利性，土坎高為1.0～1.2 m，外邊坡約60°較為適宜。