張 棟

(陜西省涇惠渠灌溉中心，陜西 咸陽(yáng) 713800)

1 研究背景

排水溝道是灌區(qū)農(nóng)田泄洪、排水的重要系統(tǒng)，其功能發(fā)揮是保證灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要的基礎(chǔ)[1]。在我國(guó)的北方寒區(qū)，干濕和凍融循環(huán)會(huì)對(duì)灌區(qū)排水溝道的穩(wěn)定性造成顯著影響，特別是凍融循環(huán)作用下的溝道岸坡崩坍破壞，會(huì)造成其排水和行洪能力大幅降低，嚴(yán)重影響其功能的有效發(fā)揮。因此，對(duì)北方寒區(qū)的灌區(qū)而言，必須要重視排水溝道建設(shè)，對(duì)其采取科學(xué)有效的砌護(hù)加固措施，提高其使用年限，保證其排水功能的正常發(fā)揮[2]。針對(duì)排水溝道的固坡技術(shù)有很多，目前最常用的是柳樁草護(hù)坡(木樁草土護(hù)坡)、干砌石護(hù)坡、賓格石籠護(hù)坡、漿砌石護(hù)坡，以及土工袋護(hù)坡等幾種[3-4]，這些固坡技術(shù)方案各有優(yōu)劣，同時(shí)也有不同的工程適用條件。因此，選擇合適的固坡技術(shù)具有十分重要的工程意義和價(jià)值。某灌區(qū)地勢(shì)低洼，夏季多短時(shí)強(qiáng)降雨，是洪澇災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。由于灌區(qū)的排水溝道建成多年且沒(méi)有有效維護(hù)，岸坡破壞和淤積情況比較嚴(yán)重?；诖?，計(jì)劃對(duì)主要的排水溝道進(jìn)行清淤和砌護(hù)，提高其排水能力。以此次整治工程為背景，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)4種不同的砌護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比研究，為寒區(qū)凍融條件下的排水溝道砌護(hù)工程建設(shè)提供支持。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)段

研究中選擇灌區(qū)的2#排水溝道作為試驗(yàn)區(qū)，該段溝道大致為東西走向，長(zhǎng)度約800 m，損毀淤積情況比較嚴(yán)重。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)的表層主要是灌淤土，厚度為60～80 cm，以下為輕壤和中壤土，厚度為80～200 cm，其下部為厚度不等的流沙層，是造成溝道岸坡崩坍破壞的重要誘因。

2.2 試驗(yàn)方案

研究過(guò)程中結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的實(shí)際情況、排水溝道的砌護(hù)要求以及工程成本的可承擔(dān)性，選擇四種護(hù)坡方式進(jìn)行試驗(yàn)，分別為木樁草土護(hù)坡、干砌石護(hù)坡、賓格石籠護(hù)坡以及土工袋護(hù)坡。每種護(hù)坡方式設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為20 m的試驗(yàn)段，整個(gè)試驗(yàn)段的長(zhǎng)度為80 m，具體的試驗(yàn)方案和參數(shù)如下。

方案1：木樁草土護(hù)坡。該方案使用的材料為木樁、竹片以及稻草。在施工過(guò)程中，首先在開(kāi)挖疏浚完畢的溝道底部打入長(zhǎng)1.8 m的木樁，其間距設(shè)計(jì)為30 cm，木樁和岸坡坡腳的距離為50 cm。將竹片截為長(zhǎng)度60 cm的小段，并鋪設(shè)在木樁頂部以下50cm的部位，其搭接長(zhǎng)度為15 cm。將稻草捆成長(zhǎng)50 cm、寬30 cm的把，作為砌護(hù)結(jié)構(gòu)的墊層[5]。

方案2：干砌石護(hù)坡。該方案的主要材料是片石。在施工過(guò)程中，首先按照1∶2的坡度整治好排水溝道，并在岸坡上鋪設(shè)厚度為20 cm的素土墊層，然后在整治好的排水溝道岸坡上鋪設(shè)一層土工布，以起到反濾作用。然后利用片石對(duì)岸坡進(jìn)行砌護(hù)。為了提高砌護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在砌護(hù)完成的岸坡坡腳部位設(shè)置石籠大腳，規(guī)格為50 cm×100 cm×100 cm[6]。

方案3：格賓石籠護(hù)坡。該護(hù)坡方案的工程設(shè)計(jì)與干砌石護(hù)坡類(lèi)似，不同的是利用格賓石籠代替片石[7]。

方案4：土工袋護(hù)坡。該方案使用的材料為木樁、竹片以及土工袋。在施工過(guò)程中，首先在開(kāi)挖疏浚完畢的溝道底部打入長(zhǎng)2.0 m的木樁，其間距設(shè)計(jì)為40 cm，木樁和岸坡坡腳的距離為50 cm。將竹片截為長(zhǎng)度60 cm的小段，并鋪設(shè)在木樁頂部以下50 cm的部位，其搭接長(zhǎng)度為15 cm。在木樁后鋪砌寬度70 cm、高度15 cm的3層土工袋，形成木樁支擋土工袋基礎(chǔ)。在鋪設(shè)完成之后，利用素土填筑土工袋和岸坡之間的孔隙并夯實(shí)，相鄰的土工袋之間利用聯(lián)結(jié)扣進(jìn)行搭接[8]。

2.3 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了對(duì)比不同砌護(hù)方案的砌護(hù)效果，在試驗(yàn)段施工完畢之后進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器為位移計(jì)。利用監(jiān)測(cè)結(jié)果，判斷試驗(yàn)段的穩(wěn)定性以及位移變形的特點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，各試驗(yàn)段的北坡和南坡同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面選擇各個(gè)方案試驗(yàn)段的中部。在位移計(jì)安裝過(guò)程中，首先需要在各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的砌護(hù)面上豎直打孔。在每個(gè)孔內(nèi)距離溝道底部40 cm和120 cm兩個(gè)部位安裝兩個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)。為了了解凍融環(huán)境下邊坡位移的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)時(shí)段為2019年11月20日—2021年2月13日，歷時(shí)480 d，中間經(jīng)歷兩個(gè)凍融期。在試驗(yàn)期間每30 d觀察記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 北坡位移變化對(duì)比分析

試驗(yàn)中根據(jù)排水溝道北坡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出40 cm和120 cm兩個(gè)不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位移變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖可知，在所有四種不同的砌護(hù)方式下，位移量均呈現(xiàn)出波動(dòng)增大的變化趨勢(shì)，且位移量明顯增大的時(shí)段均為冬季。由此可見(jiàn)，凍融作用是位移量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。從兩個(gè)不同點(diǎn)位的位移量試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，120 cm部位的位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯偏大，這說(shuō)明砌護(hù)結(jié)構(gòu)越靠近地表，其受凍融作用的影響就越大。從不同砌護(hù)方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，位移變化最小的為土工袋砌護(hù)方案，而其余三種方案的位移量不僅波動(dòng)性較大，試驗(yàn)后期的位移量也顯著增大。究其原因，主要是這三種方案缺乏足夠的抗凍融能力，因此在凍融作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)劣化現(xiàn)象。而土工袋本身受到其特殊性能的影響，可以對(duì)土體產(chǎn)生比較明顯的約束作用，使砌護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到提升，因此加固作用更好。

圖1 北坡40 cm部位位移量變化曲線(xiàn)

圖2 北坡120 cm部位位移量變化曲線(xiàn)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得不同砌護(hù)方案下北坡的位移變形均值，結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，方案4，也就是土工袋砌護(hù)方案的位移量明顯偏小，其余3種方案的位移量比較接近且相對(duì)偏大。從具體的數(shù)值來(lái)看，方案4的40 cm測(cè)點(diǎn)部位位移量均值為2.53 mm，較方案1、方案2和方案3 分別減小了約47.5%、42.0%和49.1%；120 cm 測(cè)點(diǎn)部位位移量均值為9.39 mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約43.1%、31.0%和31.0%。由此可見(jiàn)，土工袋砌護(hù)方案對(duì)控制變形的效果更好。

表1 不同方案北坡變形量均值 mm

3.2 南坡位移變化對(duì)比分析

試驗(yàn)中根據(jù)排水溝道南坡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出40 cm和120 cm兩個(gè)不同高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位移變化曲線(xiàn)，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖可知，在所有四種不同的砌護(hù)方式下，其位移量的變化特征與北坡基本相同，均呈現(xiàn)出波動(dòng)增大的變化趨勢(shì)，且位移量明顯增大的時(shí)段均為冬季。從不同砌護(hù)方案的位移量試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，位移變化最小的為土工袋砌護(hù)方案，而其余三種方案的位移量不僅波動(dòng)性較大，試驗(yàn)后期的位移量也顯著增大。造成上述變化特點(diǎn)的原因與北坡基本相同。

圖3 南坡40 cm部位位移量變化曲線(xiàn)

圖4 南坡120 cm部位位移量變化曲線(xiàn)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得不同砌護(hù)方案下南坡的位移變形均值，結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，方案4，也就是土工袋砌護(hù)方案的位移量明顯偏小，其余3種方案的位移量比較接近且相對(duì)偏大。從具體的數(shù)值來(lái)看，方案4的40 cm測(cè)點(diǎn)部位位移量均值為2.25 mm，較方案1、方案2和方案3 分別減小了約48.6%、42.2%和50.2%；120 cm 測(cè)點(diǎn)部位位移量均值為8.87 mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約47.8%、41.5%和49.4%。由此可見(jiàn)，土工袋砌護(hù)方案對(duì)控制變形的效果更好。

表2 不同方案南坡變形量均值 mm

4 結(jié) 論

土工袋砌護(hù)與其他各種排水溝道砌護(hù)技術(shù)方案相比，可以有效控制凍融環(huán)境下的砌護(hù)結(jié)構(gòu)變形，砌護(hù)效果良好，可以有效解決寒區(qū)凍融環(huán)境下的排水溝道岸坡崩坍破壞問(wèn)題。另一方面，與傳統(tǒng)的襯砌混凝土結(jié)構(gòu)相比，土工袋砌護(hù)具有典型的柔性砌護(hù)特點(diǎn)，可以保證結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性。同時(shí)，土工袋還具有良好的透水不透漿性能，可以有效避免滲透和管涌破壞。在土工袋內(nèi)部充填棄土之后，會(huì)增加張力并反作用于土體，對(duì)邊坡的土體具有良好的約束作用。此外，新型土工袋具有良好的抗化學(xué)腐蝕、防紫外線(xiàn)性能，可正常使用10年以上，具有較好的耐久性。因此，土工袋砌護(hù)農(nóng)田排水溝道具有良好的工程效果，可以在排水溝道中推廣應(yīng)用。