基于集對(duì)法的土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

柴鵬翔，王紅雨,2，馬利軍，姚自凱，李 星，麥文慧

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)教育部節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝道受干濕、凍融循環(huán)作用以及運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)扔绊慬1,2]，易產(chǎn)生滑塌破壞，制約了寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田水利的可持續(xù)發(fā)展。為提高農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性，針對(duì)干、支、斗溝采取了相應(yīng)的放緩邊坡、設(shè)置復(fù)式斷面、草土木樁護(hù)坡等工程治理措施[2]，但是一般投入使用2～3 a之后，便會(huì)發(fā)生局部滑塌等破壞。

土工袋加固技術(shù)在大型工程中應(yīng)用研究較多，劉斯宏等[3-5]對(duì)土工袋技術(shù)在地基加固、擋墻提防、淤泥處理以及雨水回收利用方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析；李卓等[6,7]等對(duì)土工袋砌護(hù)季節(jié)性凍土地區(qū)凍融循環(huán)影響進(jìn)行了研究；劉建偉[8]探索和總結(jié)了土工袋處理膨脹土渠道邊坡施工膨脹土處理；張力[9]對(duì)比農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了土工袋砌護(hù)與草土木樁護(hù)坡方法的固坡效果；陸立國、朱思遠(yuǎn)、張海晨等[10-12]對(duì)寧夏引黃灌區(qū)渠道砌護(hù)破壞原因與防治措施進(jìn)行了研究。但是，土工袋在農(nóng)田排水溝道治理方面應(yīng)用的研究目前處于監(jiān)測(cè)階段，采用具體的數(shù)學(xué)分析方法判斷溝道邊坡是否穩(wěn)定的問題還有待進(jìn)一步研究。

集對(duì)法作為處理系統(tǒng)不確定性問題的分析方法，可較完整的分析和處理各種因素以及它們之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià)。曹文貴等[13]根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性，建立山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；王文圣等[14]建立了自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；張明媛等[15]分析了聯(lián)系度中差異度系數(shù)的取值方法，并建立了城市災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；鐘登華等[16]基于集對(duì)分析聯(lián)系度的可展性，將其改進(jìn)為多元聯(lián)系數(shù)。本文在寧夏青銅峽灌區(qū)土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝試驗(yàn)段的原型監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用集對(duì)分析法對(duì)土工袋砌護(hù)固坡方式下的農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為土工袋加固技術(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 試驗(yàn)概況以及監(jiān)測(cè)方案

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，屬于黃河Ⅱ級(jí)階地，主要以全新統(tǒng)沖積相組成[9]。土工袋砌護(hù)試驗(yàn)段長(zhǎng)100 m，見圖1，選取試驗(yàn)段中間橫截面進(jìn)行原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)儀器的選取以及監(jiān)測(cè)位置，見表1。監(jiān)測(cè)方案為每半個(gè)月采集數(shù)據(jù)一次，此次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析選取2018年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

圖1 土工袋砌護(hù)固坡效果監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段Fig.1 The test section for monitoring the effect of solibags protecting slope

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)儀器的選取以及監(jiān)測(cè)位置Tab.1 Monitoring items, selection of monitoring instruments and monitoring location

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 土工袋砌護(hù)溝道監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)內(nèi)部位移狀況

土工袋砌護(hù)排水溝道的內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示，監(jiān)測(cè)位置處邊坡內(nèi)部位移較小。邊坡受滲流作用影響，坡內(nèi)會(huì)產(chǎn)生潛在滑移面，且滑塌大多發(fā)生在坡腳處。采用土工袋砌護(hù)方式的農(nóng)田排水溝道，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。

圖2 南北各測(cè)點(diǎn)內(nèi)部位移變化Fig.2 The internal displacement change of the north and south measuring points

2.2 監(jiān)測(cè)斷面上各測(cè)點(diǎn)土壓力、孔隙水壓力分布規(guī)律

土工袋砌護(hù)排水溝道邊坡土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。埋深小于90 cm時(shí)，隨著埋深增大，土壓力隨之增大。90 cm埋深處是溝道邊坡地下水位變化變化比較頻繁的范圍，孔隙水壓力的作用致使土體的抗剪強(qiáng)度減小，邊坡在該位置處可能產(chǎn)生滑塌。120 cm埋深處土壓力小于90 cm處土壓力且保持穩(wěn)定，根據(jù)地質(zhì)資料顯示以及埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器時(shí)發(fā)現(xiàn)，120 cm埋深處為流沙層，土壓力變化較小。

圖3 南北坡各測(cè)點(diǎn)土壓力變化Fig.3 Variation of earth pressure at different measuring points on the north and south slopes

土工袋邊坡孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律見圖4，孔隙水壓力變化較小。土工袋的濾水保土性能使邊坡孔隙水壓力趨于穩(wěn)定。土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道南北兩側(cè)邊坡土壓力與孔隙水壓力變化幅度不大，土體的有效應(yīng)力變化范圍較小，農(nóng)田排水溝道邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 南北坡孔隙水壓力變化Fig.4 Variation of pore water pressure on the north and south slope

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出土工袋砌護(hù)模式良好的固坡效果，但是排水溝道穩(wěn)定性的影響因素十分復(fù)雜，為了更好地說明土工袋組合砌護(hù)排水溝道的穩(wěn)定性，在監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮多種因素，采用集對(duì)法對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)。

3 集對(duì)分析法評(píng)價(jià)土工袋砌護(hù)溝道邊坡穩(wěn)定性

農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌兼顧多項(xiàng)指標(biāo)。由于指標(biāo)影響因素具有很多不確定性，導(dǎo)致客觀評(píng)價(jià)穩(wěn)定性具有一定的難度。本文采用系統(tǒng)工程中的集對(duì)分析法評(píng)價(jià)土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性。

3.1 集對(duì)分析理論

集對(duì)分析理論[17]于1989年由我國學(xué)者趙克勤提出，將確定與不確定視作一個(gè)系統(tǒng)。建立具有聯(lián)系的兩個(gè)集合集對(duì)H=(A,B)，并通過聯(lián)系度μ對(duì)集對(duì)中兩集合的特性從同、異、反3方面進(jìn)行描述[18]

(1)

式中：μ為集對(duì)的聯(lián)系度；i為差異不確定系數(shù)，i∈[-1,1]；j為對(duì)立度系數(shù)，j=-1；N為集對(duì)特性總數(shù)，N=S+F+P，S為集對(duì)中公有特性數(shù)，P為集對(duì)中對(duì)立特性數(shù)，F(xiàn)為集對(duì)中差異特性數(shù)；a,b,c分別為同一度、差異度、對(duì)立度，a+b+c=1。

傳統(tǒng)集對(duì)分析法中集對(duì)勢(shì)Shi的計(jì)算公式存在分母等于零的情況，有一定的局限性，本文采用文獻(xiàn)[19]提出的改進(jìn)后的計(jì)算方法。根據(jù)集對(duì)勢(shì)的取值判斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 集對(duì)模型的構(gòu)建

令不同安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分集合為Q，穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)集合為X，建立集對(duì)H=(Q,X)，構(gòu)造子系統(tǒng)的樣本值xij與排水溝道評(píng)價(jià)等級(jí)k之間的聯(lián)系度μk。指標(biāo)權(quán)重的大小影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，為了減小專家評(píng)分的主觀因素影響，用區(qū)間數(shù)表示專家判斷，建立不確定型判斷矩陣，通過其相似性和差異性[20]確定專家置信度，進(jìn)一步計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重，計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[21]。由以上計(jì)算得出排水溝道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W，進(jìn)一步計(jì)算綜合聯(lián)系度A=W·μ，從而得出集對(duì)勢(shì)，確定判斷系統(tǒng)所處的安全等級(jí)。

本站使用的CHS-10型側(cè)滑檢驗(yàn)臺(tái)，是交通部汽車保修機(jī)械廠產(chǎn)品。本檢測(cè)臺(tái)用于前輪定位的綜合檢驗(yàn)。當(dāng)汽車低速駛過檢驗(yàn)臺(tái)時(shí)，通過測(cè)定車輪作用在測(cè)試設(shè)備上的側(cè)向力，來判斷前輪定位參數(shù)是否正確。它以輪胎每公里的側(cè)滑米數(shù)來表示。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析與討論

根據(jù)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)成寧夏引黃灌區(qū)的主體，沖積、湖積物以間夾黏性土的粉質(zhì)、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂為主，地面以下埋深約1.5～2.5m范圍內(nèi)普遍分布有流沙層，農(nóng)田排水溝道坍塌嚴(yán)重地段土質(zhì)多為粉質(zhì)黏土[9]，工程施工難度較大。影響農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性的原因較多，地下水位高、土壤穩(wěn)定性差，降雨沖刷、凍脹作用等因素導(dǎo)致溝道邊坡內(nèi)部土壓力、孔隙水壓力、內(nèi)部位移產(chǎn)生不穩(wěn)定的較大幅度變化，會(huì)導(dǎo)致溝道邊坡產(chǎn)生不同程度的坍塌。另一方面，土工袋砌護(hù)模式主要依靠土工袋自重產(chǎn)生的摩擦力保護(hù)溝道邊坡穩(wěn)定，因此袋材質(zhì)量以及土工袋搭接質(zhì)量對(duì)固坡效果影響較大。此外，寧夏引黃灌區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重，地下水中富含鹽分，排水溝道運(yùn)行過程中可能會(huì)對(duì)土工袋袋材產(chǎn)生侵蝕作用[22,23]，故邊坡穩(wěn)定性的影響因素還應(yīng)該包括土工袋砌護(hù)的工程質(zhì)量、溝道邊坡的坡度、土工袋的袋材質(zhì)量、土工袋的搭接質(zhì)量、地下水的含鹽量以及土工袋受侵蝕程度等。

參考張國棟等[24]將水庫大壩的安全風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)定性定量的描述方法，對(duì)土工袋砌護(hù)的排水溝道邊坡穩(wěn)定性根據(jù)影響因素進(jìn)行分級(jí)。邀請(qǐng)專家根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)狀況以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)依據(jù)表2對(duì)溝道邊坡穩(wěn)定影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。專家評(píng)分均值見表3。

表2 農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定分級(jí)及其定性定量描述Tab.2 The stability classification and qualitative and quantitative description of the safety of farmland ditches

表3 農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)得分均值Tab.3 The average score of stability evaluation index of farmland ditches

計(jì)算聯(lián)系度矩陣：

μ=(a+bi+cj)j×k=

計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重，見表4。

表4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重Tab.4 Comprehensive weight of stability evaluation index

計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量：

W=[ω1,ω2,…,ω9]=

0.111 5, 0.105 4, 0.108 0, 0.114 8]

計(jì)算排水溝道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)綜合聯(lián)系度矩陣：

計(jì)算集對(duì)勢(shì)向量：

N=[1.740 0, 2.588 6, 2.279 4, 1.408 9, 0.9503]

其中Shimax=2.588 6，根據(jù)最大集對(duì)勢(shì)原則結(jié)合表2，說明該排水溝道穩(wěn)定評(píng)價(jià)等級(jí)為B(Ⅱ)型，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 土工袋砌護(hù)溝道固坡效果分析與建議

4.1 土工袋砌護(hù)與傳統(tǒng)草土木樁護(hù)坡效果對(duì)比

課題組在位于寧夏青銅峽市邵剛鎮(zhèn)東方紅村農(nóng)田排水溝道上同時(shí)設(shè)置了土工袋砌護(hù)試驗(yàn)段和草土木樁護(hù)坡試驗(yàn)段，圖5為草土木樁護(hù)坡試驗(yàn)段的現(xiàn)狀。與圖1的土工袋砌護(hù)固坡效果監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段相比較可以看出，土工袋砌護(hù)邊坡段的溝道運(yùn)行狀況良好，無明顯坍塌跡象，但是草土木樁護(hù)坡段的溝道坍塌明顯。采用集對(duì)分析法對(duì)草土木樁護(hù)坡邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同樣選取內(nèi)部土壓力、孔隙水壓力、內(nèi)部位移、工程質(zhì)量、坡度作為評(píng)分指標(biāo)，并且根據(jù)草土木樁的護(hù)坡機(jī)理[25]選取木樁的間距、木樁的直徑和入土深度、草土層的間距、地下水位等指標(biāo)，其中地下水位過高會(huì)加快草土結(jié)構(gòu)中草層的腐爛速度，不利于邊坡穩(wěn)定。采取類似的分級(jí)方法、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算步驟，得出草土木樁護(hù)坡邊坡穩(wěn)定的最大集對(duì)勢(shì)為3.816 4，大于土工袋砌護(hù)模式下的集對(duì)勢(shì)2.588 6。雖然草土木樁護(hù)坡下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是與不穩(wěn)定狀態(tài)的臨界值相當(dāng)接近，失穩(wěn)隱患較大?？梢缘贸鐾凉ご鲎o(hù)固坡效果優(yōu)于草土木樁護(hù)坡。

圖5 草土木樁護(hù)坡效果試驗(yàn)段Fig.5 The test section of slope protection effect of Grass-soil-pile

4.2 土工袋砌護(hù)排水溝道施工中注意事項(xiàng)

土工袋砌護(hù)邊坡的溝道整體運(yùn)行狀況良好，但是個(gè)別土工袋由于抗滑力不足，導(dǎo)致產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，對(duì)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定造成隱患。因此相似的工程中應(yīng)選取摩擦系數(shù)較高的土工袋，并且在施工過程中注意土工袋的搭接質(zhì)量問題，建議采用“鑫三角”系統(tǒng)的鋪設(shè)方式見圖6，并且布設(shè)連接扣增強(qiáng)穩(wěn)定性[26]；每層土工袋鋪設(shè)完成后，應(yīng)進(jìn)行多次循環(huán)夯壓土工袋呈扁平狀，增加接觸面積，提高抗滑力，會(huì)使土工袋砌護(hù)的固坡效果更加良好。

圖6 “鑫三角”基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of Xin-triangle

4.3 使用集對(duì)分析法評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定的建議

集對(duì)分析法統(tǒng)籌兼顧多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用區(qū)間數(shù)理論確定綜合權(quán)重，減小了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。因此，采用集對(duì)分析法評(píng)價(jià)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，其中評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定、綜合權(quán)重的計(jì)算顯得十分重要。在分析過程中，需充分查閱資料，了解待評(píng)價(jià)體系的工作原理，選取合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行綜合權(quán)重的計(jì)算，讓評(píng)價(jià)結(jié)果合理可靠。

5 結(jié) 論

(1)土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡監(jiān)測(cè)結(jié)果表明邊坡土體孔隙水壓力、土壓力及內(nèi)部位移變化較小，說明土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡效果較好，能夠滿足農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定的要求。

(2)采用集對(duì)分析法對(duì)農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與原型監(jiān)測(cè)結(jié)果保持一致，相對(duì)于草土木樁護(hù)坡更加穩(wěn)定。說明將集對(duì)分析法應(yīng)用于農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中具有一定的適用性。

(3)集對(duì)分析法評(píng)價(jià)指標(biāo)中包含了地下水的含鹽量和土工袋受侵蝕程度，僅僅作為評(píng)價(jià)依據(jù)。土工袋袋材受地下水中的鹽分侵蝕影響后，摩擦系數(shù)、拉伸性能等與溝道邊坡穩(wěn)定聯(lián)系較為密切的特性具體如何變化，將作為下一步研究的重點(diǎn)。

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