李進(jìn)林, 韋 杰, 賀秀斌
(1.中國科學(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],通過分割坡長、降低坡面坡度,埂坎能改變坡面水文過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,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個重要參數(shù)[13]。陳萬鈴等[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80°為限。張宏等[15]指出鈣質(zhì)紫色土坎高不宜超過2.0 m,外邊坡80°,中性紫色土坎高不宜超過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)潛在滑動面整體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時的平均強(qiáng)度折減系數(shù)(也稱為強(qiáng)度儲備系數(shù)),可理解為土體抗剪強(qiáng)度沿潛在滑動面的積分與剪應(yīng)力沿潛在滑動面的積分之比,也就是沿潛在滑動面阻滑力和滑動力的比值[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,簡化Bishop法所給出的圓弧滑動面安全系數(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)算相對簡便等優(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,超過了65%[23]。三峽庫區(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,以便為三峽庫區(qū)乃至長江上游紫色土區(qū)坡耕地整治等工程中土坎建造提供依據(jù)。
試驗(yàn)土壤樣品采集自重慶市萬州區(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)。每個采樣點(diǎn)分上、中和下3層采集土壤樣品。采樣時,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。
用馬爾文MS2000激光粒度儀測定土壤的顆粒組成。直剪試驗(yàn)測試原狀土抗剪強(qiáng)度具有操作簡便、耗時短、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.
考慮到三峽庫區(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]。
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)沒有顯著性差異(P<0.05),說明計(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%。
2.2.1 土坎穩(wěn)定性系數(shù)與高度 土坎外邊坡坡度一定時,隨著高度增加,穩(wěn)定性系數(shù)呈非線性降低趨勢(圖1),但降低幅度逐漸減小。高度從0.8 m增加到1.0 m時,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,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,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,隨著外邊坡坡度變陡,穩(wěn)定性系數(shù)總體呈降低趨勢,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°的過程中,穩(wěn)定性系數(shù)變化不明顯,而從70°增加到80°時,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,穩(wěn)定性系數(shù)分別增加4.96%和3.92%;從60°增加到70°時,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,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個影響因素的概率P均<0.001,表明高度和外邊坡坡度對土坎穩(wěn)定性的影響極為顯著。二次項(xiàng)h2和s22個影響因素的概率P分別為0.016和0.028,均>0.01,但<0.05,表明二者對土坎穩(wěn)定性影響相對較顯著。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)定性對規(guī)格的響應(yīng)面Fig.3 Response surface of soil bund stability to scale
圖4 土坎潛在滑動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)動剪切力最大,分別為0.579和0.419 kN。B3基底法向力和運(yùn)動剪應(yīng)切力最小,分別為0.055和0.114 kN。各土坎潛在滑動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)動剪切力。這也說明所設(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。整體來看,土坎規(guī)格對潛在滑動面土體條塊受力的影響沒有明顯規(guī)律。這可能是因?yàn)橥量惨?guī)格不同時,潛在滑動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)也會不存在明顯的變化規(guī)律。
隨著土坎潛在滑動面上土條基底運(yùn)動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(圖5)。這主要是因?yàn)楣】餐寥揽辜魪?qiáng)度一定時,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)法向力的變化趨勢不明顯。這可能是法向力是通過間接作用對土坎穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,還依賴于潛在滑裂面位置、深度等因素。
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。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)對穩(wěn)定性的影響不顯著。極端降雨過程容易導(dǎo)致裸露的土坎邊坡劇烈侵蝕,最終可能塌陷破壞[26]。生物利用能對土坎起一定的保護(hù)作用,比如,三峽庫區(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土坎的侵蝕,還能通過植物根系的“加筋”作用能夠提高土坎穩(wěn)定性[27]。然而,部分作物種植時需“挖坑”點(diǎn)播、收獲時?!斑B根拔起”,這些傳統(tǒng)的耕作習(xí)慣也會對土坎穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
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,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)格土坎比例相對較小[23]。這可能是因?yàn)槿龒{庫區(qū)現(xiàn)有坡耕地多為陡坡耕地,不宜修建高度相對較高、外邊坡坡度相對較陡的土坎。當(dāng)土坎高為1.0~1.2 m時,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)格土坎在三峽庫區(qū)坡耕地現(xiàn)存土坎中的比例相對較高[23]。當(dāng)土坎高約0.8 m時,外邊坡70°左右較為合適(圖2),這類規(guī)格土坎在三峽庫區(qū)坡耕地現(xiàn)存土坎中的比例最高,可能是同時兼顧到了穩(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。
1) 土坎外邊坡坡度一定時,穩(wěn)定性系數(shù)隨高度增加呈非線性衰減;高度一定時,穩(wěn)定性系數(shù)隨外邊坡坡度變陡總體呈降低趨勢。總體來看,高度和外邊坡坡度對土坎穩(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),土坎潛在滑動面最不穩(wěn)定的土體條塊基底抗剪力均大于運(yùn)動剪切力。土坎穩(wěn)定性系數(shù)隨著運(yùn)動剪切力和右側(cè)剪切力的增加呈降低趨勢,而基底法向力和右側(cè)法向力變化對土坎穩(wěn)定性系數(shù)沒有明顯影響。
3) 結(jié)合紫色土坎的穩(wěn)定性特征、三峽庫區(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。