陕南秦巴山区PP织物袋筑坎梯田田坎稳定性分析

高 霞，李光录，柳诗众，邓民兴，周茂玲

(1．西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2．陕西省水土保持局，陕西西安710004;3．洋县水土保持工作站，陕西洋县723300)

陕南秦巴山区土坎梯田垮坎现象非常严重。为了解决这个问题，陕西省水土保持局曾多次组织专家开展调研，采取了一系列预防梯田垮坎的措施，如修建塑料编织袋坎梯田、石坎梯田和混凝土预制件筑坎梯田等［1］，但往往由于材料易风化、建设成本高、石料短缺、开山取石易造成新的水土流失或形成新的安全隐患等，没能得到大面积的普及和推广［2－3］。

聚丙烯复合材料织物袋简称PP 织物袋，具有抗紫外线、耐风化的特点，将其用于坡改梯梯田筑坎能提高工程质量、加快建设速度、有效解决垮坎问题，经陕南秦巴山区实地验证，具有广阔的应用和推广前景［4－5］。依据陕南秦巴山区土壤特征，对PP 织物袋田坎稳定性进行计算和分析，希望能为PP 织物袋筑坎技术的应用推广提供理论支撑。

1 垮坎原因分析

陕南秦巴山区的黄褐土山地梯田容易发生垮坎，尤其是黄泥巴土梯田垮坎现象最为严重，一般当年修的梯田在翌年雨季中就有30%～40%的田坎出现崩塌或滑塌。通常，垮坎以坎中上部浅表层崩塌和滑塌为主要形式，尤其是在坡面中下部和坡度大的地方比较严重。

黄褐土全剖面呈黄褐色或褐棕色，表层疏松，为团粒或团块状结构，心土层黏化作用明显，黏粒(＜0．002 mm)含量为40%左右，物理性黏粒(＜0．01 mm)含量为50%～65%。由于心土层黏粒含量高、胀缩性强，遇水后土粒膨胀，容易引起孔隙堵塞，降低了土壤的透水性，在雨季常发生土体滞水，不仅增加了土体压力，而且为地表径流在极短时间内出现创造了有利条件，从而导致梯田垮坎现象的发生。

2 PP 织物袋田坎稳定性计算

2．1 计算模型

PP 织物袋筑坎是将织物袋横向单行错位码放形成田坎，田坎稳定主要依靠自身重力，故其稳定性可依据重力式挡土墙进行计算。图1 给出了单宽PP 织物袋田坎稳定性计算模型，图中:θ 为坎背与水平面夹角，(°);α 为坎背与竖直线夹角，(°);β为填土表面与水平面夹角，(°)，当坎后填土水平时β =0;d 为田坎顶宽，m;H 为坎高，m。

图1 PP 织物袋田坎稳定性计算模型

2．2 主动土压力计算

重力式挡土墙稳定性计算多依据经典库仑土压力理论和朗肯土压力理论，其中朗肯土压力理论只适用于墙背光滑、墙后填土表面水平的情况;库仑土压力理论则要求填土为理想的散粒体，即黏聚力为零的无黏性土。PP 织物袋田坎的实际情况是田坎坎背仰斜、坎后填土为黏性土，这与上述理论的适用条件存在较大差异。为计算其稳定性，本研究采用蔡伟铭等编写的《土力学与基础工程》中挡土墙墙后填土为黏性土的稳定性计算方法，把黏聚力作为边界面上的周围压力，其中一部分转化为侧向土压力，另一部分转化为竖向压力，即坎后填土表面的均布荷载(q=C·cotφ)，通过叠加计算PP 织物袋田坎的主动土压力［6］。PP 织物袋田坎土压力强度分布示意见图2。图中:C 为土壤黏聚力，kN/m2;φ 为填土内摩擦角，(°);EA为主动土压力，kN/m;ET为主动土压力的切向分量，kN/m;EN为主动土压力的法向分量，kN/m。

图2 PP 织物袋田坎土压力分布示意

(1)顶部土压力强度PA的计算公式为

其中:

式中:δ 为填土与坎背之间的摩擦角，(°)，当坎背粗糙、排水良好时，δ［6］;Ka为库仑主动土压力系数;其余参数意义同上。

(2)底部土压力强度PB的计算公式为

式中:γ 为土壤容重，kN/m3;其余符号意义同上。

(3)总土压力E 的计算公式为

(4)主动土压力EA的计算公式为

其中:ET=Esinδ，EN=

(5)主动土压力与田坎的偏斜角δ'的计算公式为

(6)作用点位置h(距坎底高度)的计算公式为

2．3 稳定性分析与计算

(1)PP 织物袋田坎抗滑稳定性计算。PP 织物袋田坎抗滑稳定性应满足下列要求:

式中:Ex、Ey分别为主动土压力在水平方向、垂直方向的分量，Ex=EAcos(δ' +α)，Ey=EAsin(δ' +α)，kN/m;μ 为基底摩擦系数，由试验确定，具体取值见表1;W 为田坎自重，W=dHγ;其余符号意义同上。

(2)PP 织物袋田坎抗倾覆稳定性计算。PP 织物袋田坎抗倾覆稳定性应满足下列要求:

式中:a、b、h 分别为W、Ex、Ey对坎趾M 点的力臂，m;其余符号意义同上。

表1 PP 织物袋田坎与不同基底摩擦系数参考值

2．4 结果分析

在陕南黑山镇取原状土，由直剪试验测得C =2．67 kPa、φ=16°、γ=15．6 kN/m3。PP 织物袋田坎顶宽d=0．4 m，假定不同的田坎坎高及田坎坡度，代入式(7)、(8)，计算得到Kc、Kq值见表2。

表2 PP 织物袋筑坎梯田田坎稳定性计算结果

由表2 知:①当θ≥75°、H≤1．6 m，65°≤θ ＜75°、H≤1．8 m，θ ＜65°、H≤2 m 时，Kc、Kq均满足稳定要求。②相同坡度的田坎，随着坎高的增加，Kc、Kq逐渐减小。③相同坎高的田坎，随着坡度的增加，Kc、Kq逐渐减小。④当Kc满足稳定要求时，Kq也会满足要求，但当Kc不满足稳定要求时，Kq的情况不一定，可能满足稳定要求，也可能不满足。如θ=70°、H =2 m 时，Kc=1．07 ＜1．3 不满足抗滑稳定要求，而Kq=2．58 ＞1．5 满足抗倾覆稳定要求。

综上所述，在修建PP 织物袋筑坎梯田时，应依据田坎坡度选择适宜的田坎高度，以保证田坎的稳定性。田坎坡度越大，适宜的坎高越低，反之则越高。具体来说，θ≥75°时，坎高应不高于1．6 m;65°≤θ ＜75°时，坎高应不高于1．8 m，θ ＜65°时，适宜的坎高应在2 m 以下。

3 结 语

作为一种新的梯田筑坎材料，PP织物袋筑坎技术用于坡改梯工程建设，对于提高工程质量、加快建设速度、有效解决梯田垮坎问题具有重要意义。以陕南秦巴山区为研究区，分析了PP 织物袋筑坎梯田田坎坎坡、坎高与稳定性之间的关系，得到了不同坎坡对应的适宜坎高，为PP 织物袋梯田筑坎技术在陕南秦巴山区及其他地区的应用和推广提供了理论依据。

(西北农林科技大学资源环境学院白振峰、李想、刘鹏和张鹏鑫同学参与了基底摩擦系数的测定工作，在此表示感谢!)

［1］朱建强．陕南土坎梯地垮坎的原因分析及防治对策［J］．水土保持通报，1994，14(6):44－47．

［2］朱建强，李靖．陕南西部土坎梯地建设研究［J］．水土保持通报，1998，18(2):19－24．

［3］朱建强，李靖．陕南膨胀土分布区土坎梯地建设探讨［J］．中国水土保持，1998(12):34－36．

［4］李光录，柳诗众，邓民兴，等．PP 织物袋梯田筑坎技术在陕南秦巴山区的应用［J］．中国水土保持，2011(11):29－30．

［5］李光录，柳诗众，邓民兴，等．陕南秦巴山区PP 织物袋梯田筑坎结构和坎型研究［J］．中国水土保持，2012(9):44－45．

［6］蔡伟铭，胡中雄．土力学与基础工程［M］．北京:中国建筑工业出版社，1991:138－176．