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        陜南秦巴山區(qū)PP織物袋筑坎梯田田坎穩(wěn)定性分析

        2012-02-05 12:20:16李光錄柳詩(shī)眾鄧民興周茂玲
        中國(guó)水土保持 2012年12期
        關(guān)鍵詞:田坎計(jì)算公式梯田

        高 霞,李光錄,柳詩(shī)眾,鄧民興,周茂玲

        (1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100;2.陜西省水土保持局,陜西西安710004;3.洋縣水土保持工作站,陜西洋縣723300)

        陜南秦巴山區(qū)土坎梯田垮坎現(xiàn)象非常嚴(yán)重。為了解決這個(gè)問(wèn)題,陜西省水土保持局曾多次組織專家開展調(diào)研,采取了一系列預(yù)防梯田垮坎的措施,如修建塑料編織袋坎梯田、石坎梯田和混凝土預(yù)制件筑坎梯田等[1],但往往由于材料易風(fēng)化、建設(shè)成本高、石料短缺、開山取石易造成新的水土流失或形成新的安全隱患等,沒能得到大面積的普及和推廣[2-3]。

        聚丙烯復(fù)合材料織物袋簡(jiǎn)稱PP 織物袋,具有抗紫外線、耐風(fēng)化的特點(diǎn),將其用于坡改梯梯田筑坎能提高工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、有效解決垮坎問(wèn)題,經(jīng)陜南秦巴山區(qū)實(shí)地驗(yàn)證,具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景[4-5]。依據(jù)陜南秦巴山區(qū)土壤特征,對(duì)PP 織物袋田坎穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析,希望能為PP 織物袋筑坎技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論支撐。

        1 垮坎原因分析

        陜南秦巴山區(qū)的黃褐土山地梯田容易發(fā)生垮坎,尤其是黃泥巴土梯田垮坎現(xiàn)象最為嚴(yán)重,一般當(dāng)年修的梯田在翌年雨季中就有30%~40%的田坎出現(xiàn)崩塌或滑塌。通常,垮坎以坎中上部淺表層崩塌和滑塌為主要形式,尤其是在坡面中下部和坡度大的地方比較嚴(yán)重。

        黃褐土全剖面呈黃褐色或褐棕色,表層疏松,為團(tuán)?;驁F(tuán)塊狀結(jié)構(gòu),心土層黏化作用明顯,黏粒(<0.002 mm)含量為40%左右,物理性黏粒(<0.01 mm)含量為50%~65%。由于心土層黏粒含量高、脹縮性強(qiáng),遇水后土粒膨脹,容易引起孔隙堵塞,降低了土壤的透水性,在雨季常發(fā)生土體滯水,不僅增加了土體壓力,而且為地表徑流在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件,從而導(dǎo)致梯田垮坎現(xiàn)象的發(fā)生。

        2 PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計(jì)算

        2.1 計(jì)算模型

        PP 織物袋筑坎是將織物袋橫向單行錯(cuò)位碼放形成田坎,田坎穩(wěn)定主要依靠自身重力,故其穩(wěn)定性可依據(jù)重力式擋土墻進(jìn)行計(jì)算。圖1 給出了單寬PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計(jì)算模型,圖中:θ 為坎背與水平面夾角,(°);α 為坎背與豎直線夾角,(°);β為填土表面與水平面夾角,(°),當(dāng)坎后填土水平時(shí)β =0;d 為田坎頂寬,m;H 為坎高,m。

        圖1 PP 織物袋田坎穩(wěn)定性計(jì)算模型

        2.2 主動(dòng)土壓力計(jì)算

        重力式擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算多依據(jù)經(jīng)典庫(kù)侖土壓力理論和朗肯土壓力理論,其中朗肯土壓力理論只適用于墻背光滑、墻后填土表面水平的情況;庫(kù)侖土壓力理論則要求填土為理想的散粒體,即黏聚力為零的無(wú)黏性土。PP 織物袋田坎的實(shí)際情況是田坎坎背仰斜、坎后填土為黏性土,這與上述理論的適用條件存在較大差異。為計(jì)算其穩(wěn)定性,本研究采用蔡偉銘等編寫的《土力學(xué)與基礎(chǔ)工程》中擋土墻墻后填土為黏性土的穩(wěn)定性計(jì)算方法,把黏聚力作為邊界面上的周圍壓力,其中一部分轉(zhuǎn)化為側(cè)向土壓力,另一部分轉(zhuǎn)化為豎向壓力,即坎后填土表面的均布荷載(q=C·cotφ),通過(guò)疊加計(jì)算PP 織物袋田坎的主動(dòng)土壓力[6]。PP 織物袋田坎土壓力強(qiáng)度分布示意見圖2。圖中:C 為土壤黏聚力,kN/m2;φ 為填土內(nèi)摩擦角,(°);EA為主動(dòng)土壓力,kN/m;ET為主動(dòng)土壓力的切向分量,kN/m;EN為主動(dòng)土壓力的法向分量,kN/m。

        圖2 PP 織物袋田坎土壓力分布示意

        (1)頂部土壓力強(qiáng)度PA的計(jì)算公式為

        其中:

        式中:δ 為填土與坎背之間的摩擦角,(°),當(dāng)坎背粗糙、排水良好時(shí),δ[6];Ka為庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù);其余參數(shù)意義同上。

        (2)底部土壓力強(qiáng)度PB的計(jì)算公式為

        式中:γ 為土壤容重,kN/m3;其余符號(hào)意義同上。

        (3)總土壓力E 的計(jì)算公式為

        (4)主動(dòng)土壓力EA的計(jì)算公式為

        其中:ET=Esinδ,EN=

        (5)主動(dòng)土壓力與田坎的偏斜角δ'的計(jì)算公式為

        (6)作用點(diǎn)位置h(距坎底高度)的計(jì)算公式為

        2.3 穩(wěn)定性分析與計(jì)算

        (1)PP 織物袋田坎抗滑穩(wěn)定性計(jì)算。PP 織物袋田坎抗滑穩(wěn)定性應(yīng)滿足下列要求:

        式中:Ex、Ey分別為主動(dòng)土壓力在水平方向、垂直方向的分量,Ex=EAcos(δ' +α),Ey=EAsin(δ' +α),kN/m;μ 為基底摩擦系數(shù),由試驗(yàn)確定,具體取值見表1;W 為田坎自重,W=dHγ;其余符號(hào)意義同上。

        (2)PP 織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算。PP 織物袋田坎抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)滿足下列要求:

        式中:a、b、h 分別為W、Ex、Ey對(duì)坎趾M 點(diǎn)的力臂,m;其余符號(hào)意義同上。

        表1 PP 織物袋田坎與不同基底摩擦系數(shù)參考值

        2.4 結(jié)果分析

        在陜南黑山鎮(zhèn)取原狀土,由直剪試驗(yàn)測(cè)得C =2.67 kPa、φ=16°、γ=15.6 kN/m3。PP 織物袋田坎頂寬d=0.4 m,假定不同的田坎坎高及田坎坡度,代入式(7)、(8),計(jì)算得到Kc、Kq值見表2。

        表2 PP 織物袋筑坎梯田田坎穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

        由表2 知:①當(dāng)θ≥75°、H≤1.6 m,65°≤θ <75°、H≤1.8 m,θ <65°、H≤2 m 時(shí),Kc、Kq均滿足穩(wěn)定要求。②相同坡度的田坎,隨著坎高的增加,Kc、Kq逐漸減小。③相同坎高的田坎,隨著坡度的增加,Kc、Kq逐漸減小。④當(dāng)Kc滿足穩(wěn)定要求時(shí),Kq也會(huì)滿足要求,但當(dāng)Kc不滿足穩(wěn)定要求時(shí),Kq的情況不一定,可能滿足穩(wěn)定要求,也可能不滿足。如θ=70°、H =2 m 時(shí),Kc=1.07 <1.3 不滿足抗滑穩(wěn)定要求,而Kq=2.58 >1.5 滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。

        綜上所述,在修建PP 織物袋筑坎梯田時(shí),應(yīng)依據(jù)田坎坡度選擇適宜的田坎高度,以保證田坎的穩(wěn)定性。田坎坡度越大,適宜的坎高越低,反之則越高。具體來(lái)說(shuō),θ≥75°時(shí),坎高應(yīng)不高于1.6 m;65°≤θ <75°時(shí),坎高應(yīng)不高于1.8 m,θ <65°時(shí),適宜的坎高應(yīng)在2 m 以下。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        作為一種新的梯田筑坎材料,PP織物袋筑坎技術(shù)用于坡改梯工程建設(shè),對(duì)于提高工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、有效解決梯田垮坎問(wèn)題具有重要意義。以陜南秦巴山區(qū)為研究區(qū),分析了PP 織物袋筑坎梯田田坎坎坡、坎高與穩(wěn)定性之間的關(guān)系,得到了不同坎坡對(duì)應(yīng)的適宜坎高,為PP 織物袋梯田筑坎技術(shù)在陜南秦巴山區(qū)及其他地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供了理論依據(jù)。

        (西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院白振峰、李想、劉鵬和張鵬鑫同學(xué)參與了基底摩擦系數(shù)的測(cè)定工作,在此表示感謝!)

        [1]朱建強(qiáng).陜南土坎梯地垮坎的原因分析及防治對(duì)策[J].水土保持通報(bào),1994,14(6):44-47.

        [2]朱建強(qiáng),李靖.陜南西部土坎梯地建設(shè)研究[J].水土保持通報(bào),1998,18(2):19-24.

        [3]朱建強(qiáng),李靖.陜南膨脹土分布區(qū)土坎梯地建設(shè)探討[J].中國(guó)水土保持,1998(12):34-36.

        [4]李光錄,柳詩(shī)眾,鄧民興,等.PP 織物袋梯田筑坎技術(shù)在陜南秦巴山區(qū)的應(yīng)用[J].中國(guó)水土保持,2011(11):29-30.

        [5]李光錄,柳詩(shī)眾,鄧民興,等.陜南秦巴山區(qū)PP 織物袋梯田筑坎結(jié)構(gòu)和坎型研究[J].中國(guó)水土保持,2012(9):44-45.

        [6]蔡偉銘,胡中雄.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1991:138-176.

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