北方寒区浑北灌区排水沟道护坡方式砌护效果对比研究

郝美玲

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，辽宁 新民 110300)

1 研究背景

排水沟道是灌区农田灌排系统的重要组成部分，具有农田排水、泄洪、排涝，保证农作物正常生长的重要作用[1]。对于北方寒区的灌区而言，受到土壤地质环境以及干湿冻融循环等诸多因素的影响，排水沟道的崩塌破坏已经成为制约灌区农业发展的重要因素。因此，对灌区排水沟道边坡采取合理的治理和加固措施，对提高排水沟道的使用年限，促进农业增产丰收具有十分重要的意义[2]。目前，灌区的排水沟道边坡固坡方案主要由柳桩草护坡、干砌石护坡、宾格石笼护坡、浆砌石护坡以及土工袋护坡等[3]组成。对上述护坡方式在冻融条件下的砌护效果进行评价，无疑具有重要的工程实用价值。浑北灌区是辽宁省北部地区浑河流域的重要灌区，由于地处辽河中下游平原，地势低洼，因此是辽宁省洪涝灾害的重灾区，由于各种原因，灌区排水沟道已经多年没有清淤治理，排水能力不能达到设计标准。基于此，灌区积极申请和筹集资金，进行田间排水沟道的整治工作。此次研究以灌区排水沟道整治工程为背景，通过试验研究的方式对寒区排水沟道不同砌护方式的砌护效果进行对比研究，以期为灌区排水沟道整治工程提供有益的经验借鉴。

2 试验方案

2.1 试验段

研究中选择的排水沟道试验段位于灌区唐三家子村境内，为东西走向，地貌特点为洪积平原，土壤类型主要为灌淤土。灌淤土的厚度一般在80cm左右，土壤的质地多为中壤土或轻壤土，表层存在轻度的水土流失现象，但并不严重。在试验段地面以下150～300cm的范围内分布有厚度不等的流沙层。沟道的边坡受到砂层以及干湿冻融交替循环作用的影响，排水沟道的边坡经常会发生局部的坍塌和滑移破坏。

2.2 试验方案

针对试验段的实际情况以及施工材料和工程成本，研究中选择柳桩草护坡、干砌石护坡、宾格石笼护坡以及土工袋护坡等四种不同的护坡方式进行试验研究。其中，每种护坡方式的砌护长度为20m，试验段总长度为80m。每种砌护方案具体参数设计如下：

方案1：木桩草土护坡。该方案主要以木桩、竹片以及稻草为原料对排水沟道的边坡进行砌护。沿着排水沟道的水流方向，在距离沟道坡脚50cm的部位设置长度为1.8m的木桩，其间隔为30cm，在木桩顶部以下50cm的部位铺设长60cm的竹片，然后将稻草捆成长、宽分别为50cm和30cm的捆，并将其作为垫层[4]。

方案2：干砌石护坡。在排水沟道的两侧采用厚度为40cm的片石干砌体，坡度设置为1 ∶2。在砌体的背部铺设一层土工布作为反滤，土工布下为厚度20cm的素土垫层。在坡脚的部位设置两层规格为50cm×100cm×100cm的土工格栅石笼大脚基础，提高砌护结构的稳定性[5]。

方案3：格宾石笼护坡。在沟道两侧设置厚度为30cm的格宾石垫砌护，在其背部设置一层土工布作为反滤，在坡脚的部位设置两层规格为50cm×100cm×100cm的铅丝笼块石基础，提高整个砌护结构的稳定性[6-7]。

方案4：土工袋护坡。在排水沟道顺水方向距离坡脚0.7m的部位，打入间隔为40cm、长度为2.0m的木桩，紧贴木桩顶铺设长度为60cm的竹片，在木桩后铺砌宽度70cm、高度15cm的3层土工袋，形成木桩支挡土工袋基础。在上部采用错缝搭接的土工袋砌护，袋子之间保持4～8cm的间隙，在铺设完成之后用素土填充并夯实。在土工袋之间利用特定的联结扣搭接。

2.3 监测试验

研究中对不同试验段进行原型监测，沟道南北两侧的监测位置相对应，监测所使用的试验仪器和监测内容基本相同[8]。为了判断边坡的稳定性以及滑动变形的特点，需要对边坡内部进行位移监测。具体方法为：在不同方案砌护面的上层竖直打孔设置多点位移计，每个孔内设置2个监测点，分别监测底部竖直向上40cm和120cm部位的竖向变形。对于每种砌护方案，选择位于中间部位的典型断面进行监测，监测的对比期从2019年11月20日开始经历两个冬季冻融期，历时480天，每30天统计一次，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

试验中对北坡不同高度的位移数据进行统计，并绘制出如图1和图2所示的不同高度位移变化曲线。由图可知，不同砌护方式下，北坡的位移量随着时间的推移呈现出不断波动增大的变化特点，同时冬季冻融时段的位移量明显偏大，说明冻融作用对位移量的影响是比较明显的。另一方面，120cm部位测点的位移量明显大于40cm部位测点。这说明靠近地表部位的冻融影响更为明显。从不同砌护方案的对比来看，方案4，也就是土工袋砌护方案的位移变化相对比较稳定，而其余三种方案的后期变形量有显著的增大，特别是格宾石笼护坡方案，在第二年冬季冻融季节，其位移量存在显著增大，说明护坡本身的长期稳定性较差。究其原因，主要是其余三种方案抗冻融性能不足，随着试验时间的推移，结构本身也会产生比较明显的劣化作用。土工袋本身存在一定的张力，可以对边坡土体产生比较明显的约束作用，随着时间的推移，沟道的边坡土体在土工袋荷载的作用下，压缩固结程度不断提升，因此整体稳定性会不断提高，可以起到更好的边坡加固作用。

图1 北坡40cm部位位移量变化曲线

图2 北坡120cm部位位移量变化曲线

根据试验数据，计算获取如表1所列的排水沟道北坡不同方案下的位移变形量均值。由表中的结果可以看出，方案1、方案2和方案3的位移量均值相对比较接近，方案4的位移量均值明显偏小。在40cm测点部位，方案4的位移量均值为2.64mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约46.5%、40.9%和48.0%；在120cm测点部位，方案4的位移量均值为9.50mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约42.8%、30.7%和30.7%。由此可见，采用土工袋护坡可以有效抑制排水沟道的边坡位移变形，相较于其他三种方案有明显的优势。

表1 不同方案北坡变形量均值

3.2 南坡位移变化对比分析

试验中对南坡不同高度监测点的位移数据进行统计，并绘制出如图3和图4所示的不同高度沟道岸坡位移变化曲线。由图可知，不同砌护方式下，南坡的位移量随着时间变化的特征与北坡基本相同，呈现出随时间的推移而波动增大的变化特点，同时冬季冻融时段的位移量明显偏大，说明冻融作用对位移量的影响是比较明显的。另一方面，120cm部位测点的位移量明显大于40cm部位测点。从不同砌护方案的对比来看，方案4，也就是土工袋砌护方案的位移变化相对比较稳定，而其余三种方案的后期变形量有显著的增大，说明护坡本身的长期稳定性较差。造成上述变化特点的原因与北坡基本相同，这里不再赘述。

图3 南坡40cm部位位移量变化曲线

图4 南坡120cm部位位移量变化曲线

根据试验数据，计算获取如表2所列的排水沟道南坡不同方案下的位移变形量均值。由表中的结果可以看出，方案1、方案2和方案3的位移量均值相对比较接近，方案4的位移量均值明显偏小。在40cm测点部位，方案4的位移量均值为2.36mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约47.44%、41.0%和49.0%；在120cm测点部位，方案4的位移量均值为8.98mm，较方案1、方案2和方案3分别减小了约47.5%、41.2%和49.1%。由此可见，采用土工袋护坡可以有效抑制排水沟道的边坡位移变形，相较于其他三种方案有明显的优势。

表2 不同方案南坡变形量均值

4 结 论

从试验结果来看，土工袋砌护作为一种新型排水沟道固坡模式，可以产生良好的砌护效果，能够有效治理灌区农田排水沟道岸坡滑塌的难题。具体来看，新型土工袋砌护体具有柔性挡土墙的特点，具有良好的稳定性。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。在土坡内部充填弃土之后，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和防紫外线性能，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。