降雨條件下土工袋護(hù)坡抗沖刷試驗(yàn)研究

黃 波，吳 平，萬燎榕，張呈斌

（1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院，南京210000；2.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，南昌330029；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京210098）

在我國(guó)的季風(fēng)氣候區(qū)，裸露的邊坡，如人工切坡、河堤和路堤等，在雨季降雨強(qiáng)度較大時(shí)容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害［1］。邊坡破壞的主要原因是大量的雨水在短時(shí)間內(nèi)滲入邊坡，在土壤中產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度降低［2］。此外，雨水下落時(shí)的沖擊力會(huì)破壞土坡表面的土壤結(jié)構(gòu)；當(dāng)降雨速率超過土壤雨水的入滲速度，坡面會(huì)形成地表徑流，帶走表層土顆粒，引起水土流失［3］。

為了加固邊坡并攔截雨水的滲透，工程師和研究人員提出了基于不同土工材料的護(hù)坡技術(shù)，例如采用碎石、石籠、混凝土砌塊、混凝土樁、土釘、土工織物和植物根系加固等［4-8］。各種護(hù)坡對(duì)邊坡的保護(hù)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是攔截雨水，避免雨水對(duì)土壤的直接沖刷，并加速排水，比如碎石護(hù)坡、漿砌塊石護(hù)坡、石籠護(hù)坡等；二是加固土體，提高土體的抗剪強(qiáng)度，比如混凝土框隔田石護(hù)坡等。長(zhǎng)期以來，碎石和塊石由于施工方便和技術(shù)簡(jiǎn)單，一直是護(hù)坡工程的主要材料。但當(dāng)工程現(xiàn)場(chǎng)缺少石料，則需要異地運(yùn)輸，增加建設(shè)成本。為了充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，近年來Matsuoka 等［9］提出了一種用土工袋加固邊坡的新方法。

土工袋，俗稱“軟石頭”，最初用于防御洪水，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種巖土工程，例如地基加固、膨脹土和淤泥的處理、擋土墻和海岸防浪墻等［10–18］。土工袋有諸多優(yōu)點(diǎn)：可以充分利用原位土壤、生態(tài)土工袋不影響表層植被的生長(zhǎng)、具有較高的抗壓強(qiáng)度［9，19］。Fan等［20］通過模型試驗(yàn)證明在土工袋擋土墻中，土工袋通過自重和袋體之間的摩擦來保持穩(wěn)定；Liu 等［12］發(fā)現(xiàn)土工袋的壓坡作用有利于邊坡的穩(wěn)定性，并將其應(yīng)用于南水北調(diào)中線工程河道邊坡膨脹土處理工程中，取得了良好的效果［13］；土袋對(duì)斜坡的加固已得到廣泛證實(shí)，但其抗侵蝕能力尚未得到有效評(píng)估。

本文通過砂土邊坡、石籠護(hù)坡、土工袋護(hù)坡三種護(hù)坡形式的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，分析土工袋護(hù)坡在不同降雨歷時(shí)下的沖沙量和入滲量。最終根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)了土工袋護(hù)坡的抗沖作用機(jī)理，為進(jìn)一步研究土工袋護(hù)坡抗沖刷性能及土工袋護(hù)坡的推廣使用提供參考。

1 土工袋護(hù)坡可行性分析

Matsuoka 與劉斯宏［22］等人的研究表明，在假設(shè)土工袋內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角?不變的情況下，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，當(dāng)袋內(nèi)土體處于極限破壞狀態(tài)時(shí)，土工袋相比單獨(dú)土體增加了一個(gè)附加黏聚力cT，而cT主要受袋內(nèi)土體自身強(qiáng)度、編織袋的特性以及外力影響。試驗(yàn)表明普通的土工袋的極限抗壓強(qiáng)度能夠到達(dá)1 MPa 以上［21］，這為土工袋用于邊坡防護(hù)提供了強(qiáng)度保障。

土工袋采用臺(tái)階式布置，主要依靠于自重及上部荷載產(chǎn)生的層間摩擦力來維持穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工袋層間摩擦性能做了許多研究。如Matsuoka［22］等通過模型試驗(yàn)研究了不同袋內(nèi)材料和不同堆砌條件下的土工袋摩擦性能；陳笑林等［23］通過試驗(yàn)?zāi)M，發(fā)現(xiàn)上層土工袋在平動(dòng)過程中，受袋間摩擦作用力的作用，袋體層間移動(dòng)時(shí)緊貼的一面的拉力會(huì)增大。土工袋堆積體的穩(wěn)定主要與袋子的上部荷載、編織袋本身的摩擦系數(shù)、土工袋的堆積方式有關(guān)，編織袋本身的摩擦系數(shù)越大、選擇最優(yōu)的堆積方式，能夠極大地提高土工袋堆積體的穩(wěn)定性。

大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬表明土工袋具有一定的耐久性和單體強(qiáng)度，土工袋組合體在自重和外力作用下能夠保持穩(wěn)定性，因此土工袋能夠應(yīng)用于護(hù)坡工程。

2 土工袋護(hù)坡降雨沖刷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案與步驟

2.1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)在河海大學(xué)189 試驗(yàn)基地進(jìn)行，邊坡示意圖如圖1。試驗(yàn)區(qū)邊坡為碾壓砂土邊坡，坡內(nèi)土體為天然黏土，其物理力學(xué)參數(shù)列于表1。坡高1.5 m，坡比1∶1，坡長(zhǎng)24 m，沿長(zhǎng)度方向依次分為3個(gè)區(qū)域：無防護(hù)裸坡區(qū)域、土工袋護(hù)坡區(qū)及石籠護(hù)坡區(qū)，相鄰兩個(gè)區(qū)域間用擋板隔開。其中，無防護(hù)裸坡和石籠護(hù)坡作為對(duì)比試驗(yàn)。邊坡上方架置人工降雨裝置；坡腳設(shè)置混凝土襯砌排水渠，其一端與2.5 m ×1.5 cm ×1.5 cm（長(zhǎng)×寬×深）的蓄水池相連，另一端用混凝土墻封堵。為整平邊坡及便于觀察降雨條件下的泥沙沖刷量，在邊坡表層鋪設(shè)厚度為20 mm 的河砂（最大粒徑2 mm，滲透系數(shù)5×10-2cm/s），并在排水渠出口處設(shè)置濾網(wǎng)，用于收集泥沙。

表1 邊坡黏土的物理力學(xué)特性Tab.1 Physical/mechanical properties of the clay in the slope

2.1.2 土工袋和石籠制備

土工袋由編織袋裝填邊坡原位黏土制作而成。每袋裝土40 kg，壓實(shí)整形后的土工袋尺寸約為40 cm×40 cm×10 cm（長(zhǎng)×寬×高）。試驗(yàn)用土工袋織物的材料為聚丙烯（PP），面密度70 g/m2，經(jīng)、緯向抗拉強(qiáng)度不小于11.8 和5.6 kN/m，伸長(zhǎng)率不大于25%，袋體滲透系數(shù)3.2×10-2cm/s。

石籠由石籠網(wǎng)裝填河床砂礫石制作而成。石籠網(wǎng)為菱形格鐵絲網(wǎng)，面密度245 g/m2，網(wǎng)格尺寸9 cm×11 cm；填石料為河床砂礫石，平均粒徑12 cm，比重為2.72，表觀密度1 650 kg/m3。單個(gè)石籠的尺寸為40 cm×40 cm×10 cm（長(zhǎng)×寬×高），重45 kg。

土工袋護(hù)坡區(qū)由土工袋按照臺(tái)階狀垂直堆疊而成，石籠護(hù)坡區(qū)采用石籠貼坡排列鋪設(shè)而成，如圖1（b）所示。

2.1.3 人工降雨裝置

試驗(yàn)所用模擬降雨控制系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)，圖2為其原理圖，由自吸式汽油動(dòng)力水泵供水，動(dòng)態(tài)流量計(jì)測(cè)量流量；通過控制閥門開度和噴頭數(shù)量來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，其大小可通過調(diào)節(jié)主管和支管上的閥門調(diào)節(jié)；為保證人工降雨的均勻性，采用了低壓噴嘴，均勻分布在各支管上；為避免試驗(yàn)過程中由噴頭堵塞造成的降雨不均勻，在主管上安裝過濾器。為滿足試驗(yàn)所需降雨區(qū)域，降雨裝置支架每間隔25 cm 設(shè)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可通過調(diào)節(jié)支架的高度來調(diào)節(jié)降雨高度。

降雨試驗(yàn)前，進(jìn)行了一系列測(cè)試來檢驗(yàn)?zāi)M器的效果。降雨均勻度是衡量降雨均勻性的重要指標(biāo)，按照我國(guó)的降雨試驗(yàn)要求，降雨均勻度的指標(biāo)不能低于80%。通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，在施雨范圍內(nèi)用6個(gè)雨量筒收集測(cè)量雨水，將6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的降雨量按照公式1計(jì)算降雨均勻系數(shù)。

式中：k為均勻系數(shù)；xi為測(cè)點(diǎn)降雨強(qiáng)度，mm/min；為各測(cè)點(diǎn)平均降雨強(qiáng)度，mm/min；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，取6個(gè)。

結(jié)果表明，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于1.35 mm/min 時(shí)，本試驗(yàn)的降雨系統(tǒng)能夠達(dá)到80.27%的有效降雨均勻度。

為了能夠模擬降雨侵蝕坡面的特性，提高人工模擬自然降雨的效果，需要測(cè)試雨滴終速是否能滿足同等雨強(qiáng)條件下的自然降雨的雨滴終速。當(dāng)雨滴粒徑在3 mm 以下時(shí)，最接近自然降雨［24］，因此通過反復(fù)測(cè)量降雨強(qiáng)度為1.35 mm/min 時(shí)的雨滴粒徑［25］為0.9 mm，滿足要求。

Laws［26］根據(jù)觀測(cè)到的天然降雨的雨滴終速分析得到雨滴終速只與雨滴的粒徑有關(guān)，并給出公式：

式中：D為雨滴粒徑，mm；Vt′為自然降雨雨滴終速，m/s；

Park［27］等和吳長(zhǎng)文［28］等在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)人工降雨裝置內(nèi)的水流進(jìn)行受力分析得到人工降雨雨滴終速：

式中：H為降雨高度，取1 m。

根據(jù)式（2）、（3）公式計(jì)算可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度為1.35 mm/min時(shí)，D=0.9 mm，自然降雨雨滴終速為Vt′=3.26 m/s，人工降雨雨滴終速為Vt=2.99 m/s，模擬的降雨雨滴終速達(dá)到了自然雨滴終速的91%。徐向舟等人通過試驗(yàn)說明當(dāng)人工降雨雨滴終速達(dá)到自然降雨雨滴終速的90%以上，即可認(rèn)為該人工降雨裝置能夠模擬自然降雨過程。因此，本試驗(yàn)自制的降雨裝置符合標(biāo)準(zhǔn)，可以模擬人工降雨侵蝕過程。

2.1.4 試驗(yàn)步驟

降雨強(qiáng)度設(shè)置為在15±2 mm/min，單次降雨持續(xù)30 s，然后停止降雨記錄蓄水池水位，并收集沖刷的泥沙。詳細(xì)的試驗(yàn)步驟如下：

①記錄蓄水池初始水位h0（cm）。

②打開抽水泵開始人工降雨，保持30 s。

③關(guān)閉水泵停止降雨，并記錄流量計(jì)V1（L）的數(shù)據(jù)，待水溝的水全部流入池內(nèi)后，記錄池內(nèi)的水位h1（cm）。然后收集溝里的土壤，得到濕土重mwet和干土重mdry（kg）。這里，干土重被認(rèn)為是土壤侵蝕量。降雨量Rf（L）、地表徑流量Rs（L）和雨水入滲量Ri（L）分別由式（4）～（6）計(jì)算。

式中：ρw為水的密度，kg/m3；h1為第二次降雨初始水位，cm。

④打開抽水泵，進(jìn)行第二次人工降雨。重復(fù)上述步驟，直到土坡上幾乎沒有土壤被侵蝕。

分別對(duì)土工袋護(hù)坡、石籠護(hù)坡和無防護(hù)邊坡進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 雨水入滲量

降雨量應(yīng)等于雨水下滲量、地表徑流量、地下徑流量和蒸發(fā)量之和。因?yàn)榻涤隁v時(shí)較短，地下徑流量和蒸發(fā)量忽略不計(jì)。根據(jù)動(dòng)態(tài)流量計(jì)記錄的降雨量和蓄水池中流入的地表徑流量，可計(jì)算出雨水下滲量。圖4給出了3 種護(hù)坡形式下單位時(shí)間降雨量Rf、入滲量Ri及地表徑流量Rs隨降雨歷時(shí)（次數(shù)）的變化曲線?？梢钥闯觯涤瓿跗?，石籠護(hù)坡的入滲量最大，甚至超過了地表徑流量；土工袋護(hù)坡的入滲量最小，無防護(hù)砂土邊坡次之。隨著降雨的持續(xù)，3種護(hù)坡形式的入滲量逐漸減小，最終降雨基本全部轉(zhuǎn)化為地表徑流。這是由于降雨初期，邊坡土體含水率低，吸力梯度大，入滲量大；隨著降雨的繼續(xù)，土體趨于飽和，吸力梯度降低并趨于穩(wěn)定。

圖5為3 種護(hù)坡的入滲累積量。相比無防護(hù)裸坡，土工袋護(hù)坡入滲累積量減少40%～60%，而石籠邊坡入滲累積量增加了20%～40%。降雨初期，土工袋表面會(huì)對(duì)雨滴有消能作用，再加上土工袋在雨水的浸潤(rùn)下變得更加光滑，致使雨水沿著土工袋護(hù)坡表面流走。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，袋內(nèi)土體先達(dá)到飽和狀態(tài)，且下層袋子切斷了袋內(nèi)土與邊坡土層間的毛細(xì)管，飽和后的土工袋護(hù)坡整體形成了一層“不透水層”，阻隔了雨水的下滲作用。試驗(yàn)結(jié)束后土工袋中的黏土已經(jīng)飽和，而下面的黃沙仍未完全飽和也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。注意到圖4中土工袋護(hù)坡在第四次降雨時(shí)滲透量出現(xiàn)了一個(gè)突降，可能是因?yàn)榇藭r(shí)土工袋“不透水層”已經(jīng)形成。種種跡象表明，土工袋護(hù)坡能夠很好地?cái)r截雨水。而石籠護(hù)坡因?yàn)槭^間有縫隙，坡面徑流可從石頭縫隙中進(jìn)入邊坡表面，同時(shí)石籠的截留作用延長(zhǎng)了雨水在邊坡的存留時(shí)間，因而石籠護(hù)坡的入滲累積量高于無防護(hù)邊坡入滲累積量。

2.2.2 沖沙量

圖6為3 種護(hù)坡形式下沖沙量隨降雨歷時(shí)的變化曲線。與石籠護(hù)坡和無防護(hù)裸坡相比，土工袋護(hù)坡在降雨初期無沖刷量，峰值沖刷量時(shí)刻滯后，且峰值沖刷量也較??；在同等降雨條件下，土工袋護(hù)坡的沖刷總量遠(yuǎn)小于石籠護(hù)坡和無防護(hù)裸坡，僅為石籠護(hù)坡的1.1%，無防護(hù)邊坡的0.8%，如圖7所示。因?yàn)橥凉ごo(hù)坡的雨水下滲量較小，且雨水?dāng)y帶的能量已被土工袋消耗殆盡。另一方面，土工袋也起到了反濾的作用，阻擋了土顆粒的流失。石籠護(hù)坡相比裸露邊坡，因其消能和對(duì)泥沙的攔截作用，起到一定的防沖刷效果，但效果相對(duì)有限。因?yàn)槭\間存在較大的空隙成為泥沙輸送的天然通道。

2.2.3 邊坡沖刷特征

圖8為土工袋護(hù)坡、石籠護(hù)坡及無防護(hù)裸坡降雨沖刷后邊坡侵蝕形態(tài)。土工袋護(hù)坡表層少量黃沙流失，主要集中在土工袋與土工袋交接處，如圖8（a）所示；而無防護(hù)坡邊坡的表層黃沙幾乎沖刷殆盡［圖8（b）］，石籠護(hù)坡僅剩表層薄薄的一層［圖8（c）］。顯然土工袋護(hù)坡具有較強(qiáng)的抗雨水沖刷能力。由于本試驗(yàn)中土工袋采用直排堆疊（不是交錯(cuò)堆疊），因此在兩列土工袋交接處存在一條間隙，出現(xiàn)了明顯的徑流通道和泥沙沖刷痕跡。而在土工袋與邊坡的接觸面，形成一個(gè)明顯的具有土工袋輪廓的臺(tái)階狀“凹槽”。由于土工袋的壓重和反濾作用，這些區(qū)域并沒有出現(xiàn)明顯的徑流通道，但是有明顯的反濾痕跡（土工袋與邊坡之間的空隙已被泥沙填滿）。圖8（d）為土工袋護(hù)坡在徑流沖刷下的泥沙堆積點(diǎn)，圖中坡腳處的3 個(gè)位置處有明顯的泥沙量，表明土工袋護(hù)坡的坡面侵蝕主要集中在土工袋與土工袋的接觸處。因此，采用土工袋交錯(cuò)堆疊的方式，會(huì)進(jìn)一步提高邊坡的抗沖刷能力。

3 土工袋護(hù)坡降雨抗沖刷機(jī)理分析

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，土工袋護(hù)坡具有較好的抗沖刷效果。通過分析，土工袋的抗沖刷機(jī)理可以歸結(jié)為以下4個(gè)方面：

（1）壓坡作用。土工袋組合體類似邊坡上的覆蓋層，土袋自重產(chǎn)生的壓力使斜坡的土壤更為致密，提高了抗剪強(qiáng)度，同時(shí)降低了土壤的滲透系數(shù)。吸收雨水后，土工袋的重量增加，覆蓋作用更加明顯。

（2）消能作用。雨滴的動(dòng)能會(huì)將土壤濺入溝渠，并破壞斜坡表面的土壤結(jié)構(gòu)。土工袋保護(hù)斜坡不受雨滴的直接影響，并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散掉。

（3）阻水作用。首先，土工袋的表面是良好的排水帷幕，在土袋的表面上形成水膜時(shí)，土工袋對(duì)水的摩擦力比土壤表面要??；其次，當(dāng)袋中的土壤變得飽和時(shí)，雨水很難再滲入袋中；同時(shí)，土工袋中的水也很難滲入邊坡土壤中，因?yàn)轱柡屯寥篮头秋柡屯寥乐g的毛細(xì)管移液管被編織袋切斷。土工袋變成了“不透水層”，進(jìn)一步防止了雨水滲入邊坡。

（4）反濾作用。即使雨水滲過土工袋，最終開始侵蝕和沖刷土壤，土工袋可以起到“反濾層”的作用攔截流失的土壤。

相比之下，石籠護(hù)坡也具有一定的壓坡作用和消能作用，但石籠既不能攔截雨水的排出，也不能有效地過濾侵蝕的土壤，這是其抗沖刷效果不如土工袋護(hù)坡的主要原因。

4 結(jié) 論

為了研究土工袋護(hù)坡的抗沖刷效果，進(jìn)行了大型人工降雨沖刷試驗(yàn)。對(duì)比分析了土工袋護(hù)坡和無防護(hù)邊坡及石籠護(hù)坡的降雨入滲量和泥沙沖刷量。結(jié)論如下：

（1）土工袋護(hù)坡能夠減少雨水下滲量，并且有效減少邊坡的土質(zhì)流失量。相比無防護(hù)邊坡，土工袋護(hù)坡的泥沙沖刷量減少約99%。

（2）土工袋護(hù)坡的坡面侵蝕主要集中在兩列土工袋的間隙處；土工袋與邊坡接觸處無明顯徑流通道，但有反濾痕跡。交錯(cuò)布設(shè)土工袋可減少袋子接觸處的沖刷。

（3）土工袋的防沖刷機(jī)理可歸結(jié)為壓坡作用、消能作用、阻水作用和反濾作用4個(gè)方面。其中壓坡作用可提高土體抗剪強(qiáng)度；消能作用能消散雨水?dāng)y帶的能量；隔水作用表現(xiàn)為形成“不透水層”減少雨水下滲；反濾作用表現(xiàn)為攔截流失的土顆粒。

以上試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析表明土工袋護(hù)坡在降雨條件下具有良好的抗沖刷性能。接下來需要進(jìn)一步探究影響土工袋護(hù)坡抗沖刷能力的因素。 □