土工袋砌护农田排水沟道固坡效果监测

张 力，王红雨，王小东，周 波

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏水务投资集团有限公司，银川 750002)

0 引 言

宁夏引(扬)黄灌区已建农田排水沟道受土壤质地、地层条件以及地下水位高、干湿与冻融交替循环作用等影响，排水沟滑塌破坏成为制约宁夏引黄灌区农田水利配套设施建设和农业可持续发展的瓶颈之一[1-3]。地质勘查资料显示，沿黄河两岸近代冲洪积、河湖积等沉积物构成河套平原的主体。冲积、湖积物以粉质、淤泥质粉细砂为主，间夹黏性土。引黄灌区地面以下埋深约1.5～2.5 m范围内普遍分布有流砂层，农田排水沟道滑塌严重地段土质多为黏质粉细砂土。

灌区农田排水沟道虽然采取了相应的治理措施，例如目前普遍使用的草土木桩护坡、干砌石护坡等技术，一般运行2-3年之后，便会发生局部滑移、塌坡等破坏。另外，采用干砌石护坡、块石铅丝笼格宾护坡技术，还存在工程造价较高、石材匮乏的弊端。

目前，土工袋装技术在土木、水利、港口、道路交通等领域的大型工程中应用较多，而在农业排水系统的沟道治理等小型工程方面的应用研究鲜有报道[4-7]。因此，探索采用土工袋装技术砌护农田排水沟道边坡构建稳固的农业灌排系统，具有重要的研究价值与实际应用前景。

文中详细介绍了在宁夏青铜峡灌区采用土工袋砌护农田排水沟试验段的设计施工、原型监测试验布置以及监测数据分析，并与传统的草土柳桩护坡技术进行了比较，以期为土工袋新技术在农田排水沟道固坡的推广应用提供基本依据。

1 土工袋砌护农田排水沟道边坡稳定性的原型监测试验

1.1 试验区概况

土工袋砌护农田排水沟边坡的原型监测试验段位于宁夏青铜峡市邵刚镇东方红村营桥三队第三排水沟。其位于青铜峡市区以北，属于邵刚镇辖区，该区域北起果子渠，南至王渠，西靠汉延渠，东至惠农渠，沟道水流走向为东西走向，试验区位于黄河Ⅱ级阶地上，主要以全新统冲积相湖积组成。全新统冲积相岩性表层为2～6 m壤土、砂壤土，局部有冲积粉细砂层，下部为砂砾、卵砾石层。其位置如图1所示。土工袋砌护段长100 m，选取砌护段中间部位进行原型监测试验，沟道南北两处测点相对应。

图1 试验段位置图Fig.1 Location map of the test section

图2 土工袋砌护试验段Fig.2 Geotechnical protective bag test section

1.2 试验区土工袋的设计与施工

土工袋砌护段的设计与施工，首先是对袋材的选择，通过进行梯度对比试验，选取白色人革基布作为土工袋砌护段所需袋材。其次土工袋袋内填料的选择秉着“就地取材”的原则，袋内装填土为沟道边坡的开挖原土，并以当地常见的稻草与土混合作为排水沟护坡基质。土工袋砌护段完工后现场如图2所示，砌护设计如图3所示。

图3 木桩支挡基础袋装砌护设计图(单位：mm)Fig.3 Design drawing of the foundation bag of wooden pile foundation

1.3 原型监测试验的布置

在土工袋砌护段选取一个断面进行原型监测试验。采用WYJ型振弦式多点位移计[8]对土工袋砌护段边坡内部位移进行监测，在监测断面处南北边坡相同位置各布设一个监测孔，每个孔设置4个位移计测点，间隔30 cm，分别监测不同时期边坡内部距砌护面上部为30、60、90、120 cm处的不同深度的变形情况。

边坡土压力采用PL-TY25型振弦式土压力计测定，每个监测孔在不同位置处布设4支土压力计，以此测定边坡砌护面不同位置所受的坡体压重值。边坡土壤含水率采用TDR仪[9]进行监测，研究土工袋砌护下农田排水沟边坡在受到外界环境影响下的土体水分迁移变化规律，边坡土压力和边坡含水率的监测位置与多点位移计相对应。

采用PL-KY03型振弦式孔隙水压力计对孔隙水压力进行监测，南北边坡在监测孔120 cm处各布置一支孔隙水压力计。为了判断沟道水和边坡地下水之间的关系，采用定制的不锈钢水位尺对沟道水位进行测定。在沟道边坡监测断面内选择合适位置打入由PVC工程塑料制成的水位管，之后再使用钢尺水位计对排水沟道边坡监测断面地下水位进行监测。土工袋边坡原型监测试验仪器布置方式如图4、图5所示。

图4 监测仪器位置示意图(单位：mm)Fig.4 Monitor the location of the instrument

图5 地下水位管布置示意图Fig.5 Diagram of underground water level tube layout

此外，在埋设土压力计时，应注意监测断面的地质条件，如该工程中在120 cm处，有流砂层的存在，故在安装土压力计时需采用简易固定装置使土压力计光面一侧紧贴砌护体背面。在布置位移计时，对于不同深度的排水沟道边坡应定制不同长度的位移探头，且一定要将位移探头牢牢地固定在位移传感器内。

2 监测数据整理与分析

对土工袋砌护段进行边坡监测所选的数据为2016年11月20日至2017年11月15日期间所测数据。监测计划为15 d/次，但也根据当地环境变化而增加或缩短周期，例如暴雨期或灌溉期等会缩短监测周期，旨在监测特殊环境时边坡的变化。土压力、边坡内部位移、孔隙水压力这三者数据读取使用频率读数表进行读取，之后通过相关公式转换为所需数据值。

2.1 土工袋护坡南北测点边坡土压力变化情况

监测期土工袋南北坡各测点坡体土压力变化如图6、图7所示。随着深度增加土压力强度相应增加，在90 cm处土压力达到最大值，但在120 cm处土压力强度保持稳定，变化趋势起伏不大。由此推断，在边坡50～100 cm内各点土压力增加较快，这个位置是沟道边坡附近地下水位变化及沟内承泄的水位变化比较频繁的范围，水的作用致使边坡土体力学性质发生改变，土体的抗剪强度减小，边坡在该位置处可能发生滑塌，通过对边坡土压力监测值进行分析与判断，可以将其作为土工袋防滑塌砌护设计的重要依据。

作为“胚胎生物化学之父”的李约瑟博士(Joseph Needham，1900～1995)怎么会从生物化学的研究，转向中国古代科技史的研究呢？原来，1937年剑桥大学来了三位攻读博士学位的中国留学生——沈诗章、鲁桂珍和王应睐。他们的到来改变了李约瑟的生活轨迹，使他将后半生献给了对中国古代科学与文明的研究，撰写了多卷本巨著《中国的科学与文明》，充分显示了他对中国古代技术成就的景仰。李约瑟回顾三位中国学生对他的影响：“其一，他们激励我学习他们的语言；其二，他们提出了这样一个问题——为何当代科学只是发源于欧洲？”[1]

图6 土工袋北侧不同位置土压力Fig.6 Soil pressure at different positions on the north side of geotextiles

图7 土工袋南侧不同位置土压力Fig.7 Soil pressure of different positions on the south side of geotextiles

2.2 土工袋护坡南北测点边坡孔隙水压力变化情况

监测期土工袋南北边坡孔隙水压力测点变化规律见图8。当地下水位上升，浸润线以下边坡土体受到孔隙水压力作用，土体的天然重度变为浮重度，导致边坡稳定性发生改变。但经过一年的监测，由于土工袋具有滤水保土性能，且土工袋砌护方式下的边坡孔隙水压力数据变化并不明显，说明不会因为边坡受到地下水渗流作用，使袋体内土颗粒发生迁移从而影响土工袋组合体的稳定性。

图8 土工袋南北两侧孔隙水压力变化Fig.8 Changes of pore water pressure on the north and south of geotextiles

2.3 土工袋护坡南北测点边坡内部位移变化情况

监测期土工袋砌护南北坡各测点的内部位移变化如图9、图10所示。当边坡受沟道水流冲刷和渗流作用影响时，坡内会产生潜在的滑移面，且易从坡脚处发生滑塌。但以土工袋为砌护方式的农田排水沟道边坡，边坡内部位移变化较小，且在坡脚处设置有土工袋装砂砾石的压坡抗滑体，能有效固坡防塌，同时也减缓了坡脚处受沟道水流的冲刷作用，加之土工袋具有良好的透水性，边坡内部受渗流作用的影响也相应减小。

图9 土工袋北侧不同位置位移变化量Fig.9 Displacement variation of the north side of geotextiles

图10 土工袋南侧不同位置位移变化量Fig.10 Displacement variation of different positions on the south side of geotextiles

2.4 土工袋护坡南北测点边坡含水率变化情况

监测期内土工袋砌护南北坡测点不同位置含水率变化如图11、图12。由边坡砌护面上部竖直向下，边坡不同土层深度的土壤体积含水率随着深度的增加而增加。边坡土壤体积含水率在120 cm处最大，与地下水位埋深监测数据对比分析，这个位置受地下水位动态变化和沟道长期积水的影响，接近饱和状态。排水沟坡脚处较高的含水率，会引起土体力学性质发生变化，影响土体的抗剪强度，但一年多的观测显示土工袋砌护的坡脚处未发生滑移现象，说明土工袋压坡效果好且坡脚处袋内填充的砂砾料有较好的透水性，在农田排水沟道承泄地下水的渗流过程中能有效消散渗透压力。

图11 监测期土工袋砌护北坡测点不同位置含水率变化图Fig.11 The variation of water content at different position of the geotextile in the monitoring period

图12 土工袋南坡测点不同位置含水率变化图Fig.12 Water content variation of the south slope of the geotextiles

2.5 土工袋与传统草土柳桩护坡效果的对比

为对比分析土工袋与传统草土柳桩护坡效果的差别，课题组在距土工袋砌护的同一条排水沟道上游约200 m处，相同时期采用草土柳桩治理的沟段上，也布置了监测断面。选取沟道南坡同期监测的内部位移数据如图13～16所示，外观情景见图17和18。从图中可知，草土木桩内部位移变化量远大于土工袋内部位移变化，尤其在30、90、120 cm处草土木桩位移变化量明显大于土工袋。另外，从土工袋与草土木桩监测期间所拍外观图也可知，土工袋砌护方式下的边坡外观完整美观，无明显滑塌迹象，而草土木桩砌护下的边坡坡脚处局部滑塌明显。笔者认为有以下原因：

图13 草土木桩与土工袋30 cm处位移变化Fig.13 Displacement variation between the soil and geotextiles at 30 cm

图14 草土木桩与土工袋60 cm处位移变化Fig.14 Displacement variation between the soil and geotextiles at 60 cm

(1)土工袋袋体尺寸大，袋与袋之间采用联结扣连接，整体性能好。而传统的草土柳桩坡面用草束固土，仅对沟坡表土起一定约束作用，整体性较差。

(2)设计与施工时，土工袋在沟道坡脚处进行了加固处理，袋内填充砂砾料增加了压坡效果和透水保土性能。而草土柳桩护坡在坡脚处只有柳桩护底，抑制渗透变形的发生与发展的作用有限。

(3)虽然土工袋砌护和草土柳桩护坡均为柔性护坡方式，但土工袋的袋材为土工新材料，防紫外线、抗腐蚀以及张拉性能好，产品使用年限可达8～10 a，具有较强的加筋固土作用。而草土柳桩护坡靠草束固土，受环境影响，草束极易被腐蚀(烂)软化，长期稳定性较差。

因此，农田排水沟道在地下水渗流潜蚀、沟内明流冲刷、降雨径流、蒸发以及干湿与冻融的交替作用下，土工袋的固坡效果和长期稳定性要明显优于草土柳桩护坡。当然，相较于土工袋的设计与施工程序，传统的草土柳桩护坡在宁夏引黄灌区有一定的群众基础，施工工艺简单，当地施工队伍技术娴熟，方便快捷。

图15 草土木桩与土工袋90 cm处位移变化Fig.15 Displacement variation between the soil and geotextiles at 90 cm

图16 草土木桩与土工袋120 cm处位移变化Fig.16 Displacement variation between the soil and geotextiles at 120 cm

图17 土工袋外观图Fig.17 Appearance of geotextile bags

图18 草土木桩外观图Fig.18 Appearance of geotextile bags

2.6 土工袋砌护农田排水沟道质量控制

土工袋砌护农田排水沟道应重点控制铺砌结构型式、土工袋铺设方式和压实效果3个环节。土工袋铺砌结构型式应与农田排水沟道地质条件相结合，如该工程区域地层分布以粉质黏土为主，下部多为流沙层，故采用木桩支挡土工袋基础层，从而保证基础层的稳定；若排水沟道地质条件良好，则无需打桩。考虑到袋体的尺寸及铺设方式会影响到边坡的渗透系数，从而影响边坡的稳定性，故在施工前，应对土工袋整体结构渗透系数进行试验研究，通过确定合理的渗透系数，选择合适的土工袋尺寸及铺设方式。在该工程中土工袋尺寸为70 cm×35 cm×15 cm，铺设方式采用错缝搭接。施工期间应严格控制坡面的平整度，逐层铺设并在初平之后采用小型振动平板夯碾压，整个土工袋砌筑过程以及层与层之间衔接位置，应通过测量放线进行控制。

3 结 论

(1)针对沟道试验段区域地层分布以粉质黏土为主，下部多为流砂层的地质条件，为了增加土工袋组合体的稳定性，采用逐层错缝铺设，坡脚辅以袋装砂砾石压坡及柳桩穿过流砂层抗滑的固坡方式是可行的，监测数据表明，土工袋固坡达到预期效果。

(2)监测试验中应根据具体条件合理布置仪器设备并注意检查仪器线头是否接触良好，以防因接触不良导致无法获得相应数据。此外，还要不定期地使用万用电表对仪器的运行状况进行检查。

(3)通过对土工袋砌护段边坡监测数据分析发现，孔隙水压力、土压力、边坡内部位移等数据变化较小，数据趋势基本处于稳定状态，说明在以边坡开挖土为填料的土工袋组合砌护体，可以满足农田排水沟道边坡稳定要求，同时也减少了开挖过程中的弃土量，充分保护了水土资源。

(4)土工袋砌护试验段运行一年多的监测数据与外部观测都表明，土工袋不但可以控制边坡土体浸水后的膨胀变形，而且可以避免其因为失去水分而发生贯穿性裂缝。尤其在季冻区，冻融作用对沟道边坡砌护工程的稳定性影响较大，但经过一个冻融期的观察，由于土工袋的抗拉伸能力及其约束散体土颗粒的作用，能有效地防止因土体冻融产生的融沉变形过大而发生的局部滑塌现象，达到了固坡防滑塌的作用。

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