北方寒区灌区不同排水沟道固坡方案砌护效果试验研究

张 栋

(陕西省泾惠渠灌溉中心，陕西 咸阳 713800)

1 研究背景

排水沟道是灌区农田泄洪、排水的重要系统，其功能发挥是保证灌区农业生产的重要的基础[1]。在我国的北方寒区，干湿和冻融循环会对灌区排水沟道的稳定性造成显著影响，特别是冻融循环作用下的沟道岸坡崩坍破坏，会造成其排水和行洪能力大幅降低，严重影响其功能的有效发挥。因此，对北方寒区的灌区而言，必须要重视排水沟道建设，对其采取科学有效的砌护加固措施，提高其使用年限，保证其排水功能的正常发挥[2]。针对排水沟道的固坡技术有很多，目前最常用的是柳桩草护坡(木桩草土护坡)、干砌石护坡、宾格石笼护坡、浆砌石护坡，以及土工袋护坡等几种[3-4]，这些固坡技术方案各有优劣，同时也有不同的工程适用条件。因此，选择合适的固坡技术具有十分重要的工程意义和价值。某灌区地势低洼，夏季多短时强降雨，是洪涝灾害的多发区。由于灌区的排水沟道建成多年且没有有效维护，岸坡破坏和淤积情况比较严重。基于此，计划对主要的排水沟道进行清淤和砌护，提高其排水能力。以此次整治工程为背景，利用现场试验的方式对4种不同的砌护技术方案进行对比研究，为寒区冻融条件下的排水沟道砌护工程建设提供支持。

2 试验方案

2.1 试验段

研究中选择灌区的2#排水沟道作为试验区，该段沟道大致为东西走向，长度约800 m，损毁淤积情况比较严重。试验现场地质调查发现，试验区的表层主要是灌淤土，厚度为60～80 cm，以下为轻壤和中壤土，厚度为80～200 cm，其下部为厚度不等的流沙层，是造成沟道岸坡崩坍破坏的重要诱因。

2.2 试验方案

研究过程中结合试验区的实际情况、排水沟道的砌护要求以及工程成本的可承担性，选择四种护坡方式进行试验，分别为木桩草土护坡、干砌石护坡、宾格石笼护坡以及土工袋护坡。每种护坡方式设计长度为20 m的试验段，整个试验段的长度为80 m，具体的试验方案和参数如下。

方案1：木桩草土护坡。该方案使用的材料为木桩、竹片以及稻草。在施工过程中，首先在开挖疏浚完毕的沟道底部打入长1.8 m的木桩，其间距设计为30 cm，木桩和岸坡坡脚的距离为50 cm。将竹片截为长度60 cm的小段，并铺设在木桩顶部以下50cm的部位，其搭接长度为15 cm。将稻草捆成长50 cm、宽30 cm的把，作为砌护结构的垫层[5]。

方案2：干砌石护坡。该方案的主要材料是片石。在施工过程中，首先按照1∶2的坡度整治好排水沟道，并在岸坡上铺设厚度为20 cm的素土垫层，然后在整治好的排水沟道岸坡上铺设一层土工布，以起到反滤作用。然后利用片石对岸坡进行砌护。为了提高砌护结构的稳定性，在砌护完成的岸坡坡脚部位设置石笼大脚，规格为50 cm×100 cm×100 cm[6]。

方案3：格宾石笼护坡。该护坡方案的工程设计与干砌石护坡类似，不同的是利用格宾石笼代替片石[7]。

方案4：土工袋护坡。该方案使用的材料为木桩、竹片以及土工袋。在施工过程中，首先在开挖疏浚完毕的沟道底部打入长2.0 m的木桩，其间距设计为40 cm，木桩和岸坡坡脚的距离为50 cm。将竹片截为长度60 cm的小段，并铺设在木桩顶部以下50 cm的部位，其搭接长度为15 cm。在木桩后铺砌宽度70 cm、高度15 cm的3层土工袋，形成木桩支挡土工袋基础。在铺设完成之后，利用素土填筑土工袋和岸坡之间的孔隙并夯实，相邻的土工袋之间利用联结扣进行搭接[8]。

2.3 监测试验

为了对比不同砌护方案的砌护效果，在试验段施工完毕之后进行位移监测，监测仪器为位移计。利用监测结果，判断试验段的稳定性以及位移变形的特点。在监测过程中，各试验段的北坡和南坡同时进行监测，监测断面选择各个方案试验段的中部。在位移计安装过程中，首先需要在各个监测断面的砌护面上竖直打孔。在每个孔内距离沟道底部40 cm和120 cm两个部位安装两个多点位移计。为了了解冻融环境下边坡位移的特点，监测时段为2019年11月20日—2021年2月13日，历时480 d，中间经历两个冻融期。在试验期间每30 d观察记录一次试验数据。

3 监测结果与分析

3.1 北坡位移变化对比分析

试验中根据排水沟道北坡的试验数据，绘制出40 cm和120 cm两个不同高度监测点位的位移变化曲线，结果如图1和图2所示。由图可知，在所有四种不同的砌护方式下，位移量均呈现出波动增大的变化趋势，且位移量明显增大的时段均为冬季。由此可见，冻融作用是位移量变化的主要驱动因素。从两个不同点位的位移量试验数据来看，120 cm部位的位移量监测结果明显偏大，这说明砌护结构越靠近地表，其受冻融作用的影响就越大。从不同砌护方案的试验数据来看，位移变化最小的为土工袋砌护方案，而其余三种方案的位移量不仅波动性较大，试验后期的位移量也显著增大。究其原因，主要是这三种方案缺乏足够的抗冻融能力，因此在冻融作用下会产生明显的结构劣化现象。而土工袋本身受到其特殊性能的影响，可以对土体产生比较明显的约束作用，使砌护结构的整体稳定性得到提升，因此加固作用更好。

图1 北坡40 cm部位位移量变化曲线

图2 北坡120 cm部位位移量变化曲线

根据试验数据，计算获得不同砌护方案下北坡的位移变形均值，结果如表1所示。由计算结果可知，方案4，也就是土工袋砌护方案的位移量明显偏小，其余3种方案的位移量比较接近且相对偏大。从具体的数值来看，方案4的40 cm测点部位位移量均值为2.53 mm，较方案1、方案2和方案3 分别减小了约47.5%、42.0%和49.1%；120 cm 测点部位位移量均值为9.39 mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约43.1%、31.0%和31.0%。由此可见，土工袋砌护方案对控制变形的效果更好。

表1 不同方案北坡变形量均值 mm

3.2 南坡位移变化对比分析

试验中根据排水沟道南坡的试验数据，绘制出40 cm和120 cm两个不同高度监测点位的位移变化曲线，结果如图3和图4所示。由图可知，在所有四种不同的砌护方式下，其位移量的变化特征与北坡基本相同，均呈现出波动增大的变化趋势，且位移量明显增大的时段均为冬季。从不同砌护方案的位移量试验数据来看，位移变化最小的为土工袋砌护方案，而其余三种方案的位移量不仅波动性较大，试验后期的位移量也显著增大。造成上述变化特点的原因与北坡基本相同。

图3 南坡40 cm部位位移量变化曲线

图4 南坡120 cm部位位移量变化曲线

根据试验数据，计算获得不同砌护方案下南坡的位移变形均值，结果如表2所示。由计算结果可知，方案4，也就是土工袋砌护方案的位移量明显偏小，其余3种方案的位移量比较接近且相对偏大。从具体的数值来看，方案4的40 cm测点部位位移量均值为2.25 mm，较方案1、方案2和方案3 分别减小了约48.6%、42.2%和50.2%；120 cm 测点部位位移量均值为8.87 mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约47.8%、41.5%和49.4%。由此可见，土工袋砌护方案对控制变形的效果更好。

表2 不同方案南坡变形量均值 mm

4 结 论

土工袋砌护与其他各种排水沟道砌护技术方案相比，可以有效控制冻融环境下的砌护结构变形，砌护效果良好，可以有效解决寒区冻融环境下的排水沟道岸坡崩坍破坏问题。另一方面，与传统的衬砌混凝土结构相比，土工袋砌护具有典型的柔性砌护特点，可以保证结构本身的稳定性。同时，土工袋还具有良好的透水不透浆性能，可以有效避免渗透和管涌破坏。在土工袋内部充填弃土之后，会增加张力并反作用于土体，对边坡的土体具有良好的约束作用。此外，新型土工袋具有良好的抗化学腐蚀、防紫外线性能，可正常使用10年以上，具有较好的耐久性。因此，土工袋砌护农田排水沟道具有良好的工程效果，可以在排水沟道中推广应用。