張 力，王紅雨，王小東，周 波

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏水務投資集團有限公司，銀川 750002)

0 引 言

寧夏引(揚)黃灌區(qū)已建農田排水溝道受土壤質地、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)農田水利配套設施建設和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[1-3]。地質勘查資料顯示，沿黃河兩岸近代沖洪積、河湖積等沉積物構成河套平原的主體。沖積、湖積物以粉質、淤泥質粉細砂為主，間夾黏性土。引黃灌區(qū)地面以下埋深約1.5～2.5 m范圍內普遍分布有流砂層，農田排水溝道滑塌嚴重地段土質多為黏質粉細砂土。

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

目前，土工袋裝技術在土木、水利、港口、道路交通等領域的大型工程中應用較多，而在農業(yè)排水系統(tǒng)的溝道治理等小型工程方面的應用研究鮮有報道[4-7]。因此，探索采用土工袋裝技術砌護農田排水溝道邊坡構建穩(wěn)固的農業(yè)灌排系統(tǒng)，具有重要的研究價值與實際應用前景。

文中詳細介紹了在寧夏青銅峽灌區(qū)采用土工袋砌護農田排水溝試驗段的設計施工、原型監(jiān)測試驗布置以及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，并與傳統(tǒng)的草土柳樁護坡技術進行了比較，以期為土工袋新技術在農田排水溝道固坡的推廣應用提供基本依據(jù)。

1 土工袋砌護農田排水溝道邊坡穩(wěn)定性的原型監(jiān)測試驗

1.1 試驗區(qū)概況

土工袋砌護農田排水溝邊坡的原型監(jiān)測試驗段位于寧夏青銅峽市邵剛鎮(zhèn)東方紅村營橋三隊第三排水溝。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，東至惠農渠，溝道水流走向為東西走向，試驗區(qū)位于黃河Ⅱ級階地上，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，局部有沖積粉細砂層，下部為砂礫、卵礫石層。其位置如圖1所示。土工袋砌護段長100 m，選取砌護段中間部位進行原型監(jiān)測試驗，溝道南北兩處測點相對應。

圖1 試驗段位置圖Fig.1 Location map of the test section

圖2 土工袋砌護試驗段Fig.2 Geotechnical protective bag test section

1.2 試驗區(qū)土工袋的設計與施工

土工袋砌護段的設計與施工，首先是對袋材的選擇，通過進行梯度對比試驗，選取白色人革基布作為土工袋砌護段所需袋材。其次土工袋袋內填料的選擇秉著“就地取材”的原則，袋內裝填土為溝道邊坡的開挖原土，并以當?shù)爻Ｒ姷牡静菖c土混合作為排水溝護坡基質。土工袋砌護段完工后現(xiàn)場如圖2所示，砌護設計如圖3所示。

圖3 木樁支擋基礎袋裝砌護設計圖(單位：mm)Fig.3 Design drawing of the foundation bag of wooden pile foundation

1.3 原型監(jiān)測試驗的布置

在土工袋砌護段選取一個斷面進行原型監(jiān)測試驗。采用WYJ型振弦式多點位移計[8]對土工袋砌護段邊坡內部位移進行監(jiān)測，在監(jiān)測斷面處南北邊坡相同位置各布設一個監(jiān)測孔，每個孔設置4個位移計測點，間隔30 cm，分別監(jiān)測不同時期邊坡內部距砌護面上部為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型振弦式土壓力計測定，每個監(jiān)測孔在不同位置處布設4支土壓力計，以此測定邊坡砌護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]進行監(jiān)測，研究土工袋砌護下農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)測位置與多點位移計相對應。

采用PL-KY03型振弦式孔隙水壓力計對孔隙水壓力進行監(jiān)測，南北邊坡在監(jiān)測孔120 cm處各布置一支孔隙水壓力計。為了判斷溝道水和邊坡地下水之間的關系，采用定制的不銹鋼水位尺對溝道水位進行測定。在溝道邊坡監(jiān)測斷面內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對排水溝道邊坡監(jiān)測斷面地下水位進行監(jiān)測。土工袋邊坡原型監(jiān)測試驗儀器布置方式如圖4、圖5所示。

圖4 監(jiān)測儀器位置示意圖(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，在埋設土壓力計時，應注意監(jiān)測斷面的地質條件，如該工程中在120 cm處，有流砂層的存在，故在安裝土壓力計時需采用簡易固定裝置使土壓力計光面一側緊貼砌護體背面。在布置位移計時，對于不同深度的排水溝道邊坡應定制不同長度的位移探頭，且一定要將位移探頭牢牢地固定在位移傳感器內。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與分析

對土工袋砌護段進行邊坡監(jiān)測所選的數(shù)據(jù)為2016年11月20日至2017年11月15日期間所測數(shù)據(jù)。監(jiān)測計劃為15 d/次，但也根據(jù)當?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縮短監(jiān)測周期，旨在監(jiān)測特殊環(huán)境時邊坡的變化。土壓力、邊坡內部位移、孔隙水壓力這三者數(shù)據(jù)讀取使用頻率讀數(shù)表進行讀取，之后通過相關公式轉換為所需數(shù)據(jù)值。

2.1 土工袋護坡南北測點邊坡土壓力變化情況

監(jiān)測期土工袋南北坡各測點坡體土壓力變化如圖6、圖7所示。隨著深度增加土壓力強度相應增加，在90 cm處土壓力達到最大值，但在120 cm處土壓力強度保持穩(wěn)定，變化趨勢起伏不大。由此推斷，在邊坡50～100 cm內各點土壓力增加較快，這個位置是溝道邊坡附近地下水位變化及溝內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性質發(fā)生改變，土體的抗剪強度減小，邊坡在該位置處可能發(fā)生滑塌，通過對邊坡土壓力監(jiān)測值進行分析與判斷，可以將其作為土工袋防滑塌砌護設計的重要依據(jù)。

作為“胚胎生物化學之父”的李約瑟博士(Joseph Needham，1900～1995)怎么會從生物化學的研究，轉向中國古代科技史的研究呢？原來，1937年劍橋大學來了三位攻讀博士學位的中國留學生——沈詩章、魯桂珍和王應睞。他們的到來改變了李約瑟的生活軌跡，使他將后半生獻給了對中國古代科學與文明的研究，撰寫了多卷本巨著《中國的科學與文明》，充分顯示了他對中國古代技術成就的景仰。李約瑟回顧三位中國學生對他的影響：“其一，他們激勵我學習他們的語言；其二，他們提出了這樣一個問題——為何當代科學只是發(fā)源于歐洲？”[1]

圖6 土工袋北側不同位置土壓力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 土工袋護坡南北測點邊坡孔隙水壓力變化情況

監(jiān)測期土工袋南北邊坡孔隙水壓力測點變化規(guī)律見圖8。當?shù)叵滤簧仙?，浸潤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?，導致邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變。但經(jīng)過一年的監(jiān)測，由于土工袋具有濾水保土性能，且土工袋砌護方式下的邊坡孔隙水壓力數(shù)據(jù)變化并不明顯，說明不會因為邊坡受到地下水滲流作用，使袋體內土顆粒發(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 土工袋護坡南北測點邊坡內部位移變化情況

監(jiān)測期土工袋砌護南北坡各測點的內部位移變化如圖9、圖10所示。當邊坡受溝道水流沖刷和滲流作用影響時，坡內會產生潛在的滑移面，且易從坡腳處發(fā)生滑塌。但以土工袋為砌護方式的農田排水溝道邊坡，邊坡內部位移變化較小，且在坡腳處設置有土工袋裝砂礫石的壓坡抗滑體，能有效固坡防塌，同時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，邊坡內部受滲流作用的影響也相應減小。

圖9 土工袋北側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 土工袋護坡南北測點邊坡含水率變化情況

監(jiān)測期內土工袋砌護南北坡測點不同位置含水率變化如圖11、圖12。由邊坡砌護面上部豎直向下，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)測數(shù)據(jù)對比分析，這個位置受地下水位動態(tài)變化和溝道長期積水的影響，接近飽和狀態(tài)。排水溝坡腳處較高的含水率，會引起土體力學性質發(fā)生變化，影響土體的抗剪強度，但一年多的觀測顯示土工袋砌護的坡腳處未發(fā)生滑移現(xiàn)象，說明土工袋壓坡效果好且坡腳處袋內填充的砂礫料有較好的透水性，在農田排水溝道承泄地下水的滲流過程中能有效消散滲透壓力。

圖11 監(jiān)測期土工袋砌護北坡測點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 土工袋南坡測點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)草土柳樁護坡效果的對比

為對比分析土工袋與傳統(tǒng)草土柳樁護坡效果的差別，課題組在距土工袋砌護的同一條排水溝道上游約200 m處，相同時期采用草土柳樁治理的溝段上，也布置了監(jiān)測斷面。選取溝道南坡同期監(jiān)測的內部位移數(shù)據(jù)如圖13～16所示，外觀情景見圖17和18。從圖中可知，草土木樁內部位移變化量遠大于土工袋內部位移變化，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)測期間所拍外觀圖也可知，土工袋砌護方式下的邊坡外觀完整美觀，無明顯滑塌跡象，而草土木樁砌護下的邊坡坡腳處局部滑塌明顯。筆者認為有以下原因：

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，僅對溝坡表土起一定約束作用，整體性較差。

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

(3)雖然土工袋砌護和草土柳樁護坡均為柔性護坡方式，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，產品使用年限可達8～10 a，具有較強的加筋固土作用。而草土柳樁護坡靠草束固土，受環(huán)境影響，草束極易被腐蝕(爛)軟化，長期穩(wěn)定性較差。

因此，農田排水溝道在地下水滲流潛蝕、溝內明流沖刷、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期穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于草土柳樁護坡。當然，相較于土工袋的設計與施工程序，傳統(tǒng)的草土柳樁護坡在寧夏引黃灌區(qū)有一定的群眾基礎，施工工藝簡單，當?shù)厥┕り犖榧夹g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 土工袋砌護農田排水溝道質量控制

土工袋砌護農田排水溝道應重點控制鋪砌結構型式、土工袋鋪設方式和壓實效果3個環(huán)節(jié)。土工袋鋪砌結構型式應與農田排水溝道地質條件相結合，如該工程區(qū)域地層分布以粉質黏土為主，下部多為流沙層，故采用木樁支擋土工袋基礎層，從而保證基礎層的穩(wěn)定；若排水溝道地質條件良好，則無需打樁?？紤]到袋體的尺寸及鋪設方式會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，應對土工袋整體結構滲透系數(shù)進行試驗研究，通過確定合理的滲透系數(shù)，選擇合適的土工袋尺寸及鋪設方式。在該工程中土工袋尺寸為70 cm×35 cm×15 cm，鋪設方式采用錯縫搭接。施工期間應嚴格控制坡面的平整度，逐層鋪設并在初平之后采用小型振動平板夯碾壓，整個土工袋砌筑過程以及層與層之間銜接位置，應通過測量放線進行控制。

3 結 論

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

(2)監(jiān)測試驗中應根據(jù)具體條件合理布置儀器設備并注意檢查儀器線頭是否接觸良好，以防因接觸不良導致無法獲得相應數(shù)據(jù)。此外，還要不定期地使用萬用電表對儀器的運行狀況進行檢查。

(3)通過對土工袋砌護段邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力、土壓力、邊坡內部位移等數(shù)據(jù)變化較小，數(shù)據(jù)趨勢基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明在以邊坡開挖土為填料的土工袋組合砌護體，可以滿足農田排水溝道邊坡穩(wěn)定要求，同時也減少了開挖過程中的棄土量，充分保護了水土資源。

(4)土工袋砌護試驗段運行一年多的監(jiān)測數(shù)據(jù)與外部觀測都表明，土工袋不但可以控制邊坡土體浸水后的膨脹變形，而且可以避免其因為失去水分而發(fā)生貫穿性裂縫。尤其在季凍區(qū)，凍融作用對溝道邊坡砌護工程的穩(wěn)定性影響較大，但經(jīng)過一個凍融期的觀察，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生的融沉變形過大而發(fā)生的局部滑塌現(xiàn)象，達到了固坡防滑塌的作用。

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