碳酸盐碱土排水沟溶陷破坏防治试验研究

张嘉静,高金花,张洪远,孙方成,许永德

(1.长春工程学院 水利与环境工程学院,长春 130012;2.吉林省水土工程安全与灾害防治工程实验室,长春 130012;3.吉林省松原灌区工程建设有限公司,吉林 松原 138000)

0 引言

吉林西部是世界三大盐碱地之一,也是东北地区苏打盐碱化最严重的地区,是我国粮食主产区,其拥有的多处大型灌区,对保证农业生产用水、扩大和改善灌区灌溉面积等承担着极为重要的责任。然而灌区盐碱土渠系的水土流失及溶陷破坏问题日益严重,成为制约吉林西部粮食生产及农业的可持续发展的瓶颈[1]。长期以来,许多学者围绕盐碱土渠道的护坡治理作了大量的系列研究。郑波等[2]总结出了截渗导流疏干、植树袋桩加固、复坡宽堤减压的综合固坡措施,并表明其结论中的4项措施须限定在一定的边坡系数下才能经济有效地发挥作用。郭怀成[3]总结了宁夏在沟道塌坡治理方面提出的一些防塌措施,如适用于治理中轻度塌坡的埋设波纹管排水固坡技术、适用于治理重度塌坡的砂袋桩与波纹管排水联合固坡技术、干砌石护坡与土工布反滤固坡以及柳桩麦草护坡等治理塌坡的措施。梁彦信[4]研究了框架式预制构件衬护排水渠,表明该项技术能有效防止冻胀、避免边坡坍塌,但仍有细节需进一步研究。王波[5]采用了柳桩加固盐碱地排水渠边坡的方法,其能很好地起到排水洗盐的作用。YU等[6]研究了在土壤表面应用阴离子聚丙烯酰胺(PAM)的方法,将干PAM与石膏混合使用,可以有效地减少侵蚀。SHE等[7]研究发现秸秆覆盖土壤能够增加地表粗糙度和降低径流速度,从而控制侵蚀。

无论是采用物理技术还是采用化学技术对盐渍土边坡进行保护,学者们都进行了深入的研究,但对吉林西部的碳酸盐碱土渠道护坡溶陷破坏治理问题的研究还不多见。本文基于课题组自主研发的碳酸盐渍土土壤固化技术,针对盐渍渠系边坡破坏问题,在松原灌区盐碱土试验站进行了试验研究,为碳酸盐土渠道的溶陷防治提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

松原灌区位于吉林省西部,作为国务院确定的172项重大水利工程之一,是吉林省增产百亿斤商品粮能力建设的重点项目和西部土地整理工程的主要项目区。灌区地貌类型为平原地貌,气候类型属温带季风气候,多年平均降水量为412.4～422.3 mm,多年平均气温为4.4～6.0 ℃,多年平均风速为3.4～3.8 m/s。松原灌区工程设计灌溉面积为19万hm2,灌区内土壤以苏打盐渍土(俗称盐碱土)为主,盐渍土区面积占灌区总灌溉面积的75%,其中重度盐碱土区面积占灌区总灌溉面积的30%。本试验站(E123°49′11.49″和N44°44′2.84″,见图1)位于松原灌区的中位,地形较为平坦,土壤属于重度盐渍土区,土壤以重度苏打草甸碱土为主。

图1 松原灌区试验站位置示意图

1.2 试验段选择

松原盐碱土试验站占地面积55 hm2,站内设计1条进水支渠,10条进水斗渠,11条排水斗沟,1条排水支沟,排水斗沟比降为1∶250～1∶200,边坡为1∶1.5,底宽0.8 m,斗沟长490 m左右。根据现场调研,灌区内溶陷破坏形式主要有溶蚀空洞型、与混凝土结构物结合部位溶蚀塌陷型及排水沟主要坡面溶蚀冲沟型,其中渠道坡面溶陷破坏得最多、最严重,是亟待解决的问题。本次试验主要针对排水沟坡面溶陷进行研究,通过对现场破坏情况的考察,选择最具代表性的排水支沟下游段南面单面其中4段作为试验段,总长共214 m。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案设计

结合盐碱土破坏改良的相关研究[8-10]及盐碱土灌区以往经验[11-12],本次选择了盐碱土地区常用的石灰掺土拌制压实法、磷石膏拌土压实法以及本课题组研究的固化剂拌土整体铺筑压实法,进行3种方法的对比试验。试验设计以材料掺量、压实厚度、含水率为变化因素,设计不同的水平进行组合。具体为:根据项目组前期的固化试验结果[13],结合排水沟的工程规范要求,以固化材料试验强度最优为依据,固化剂段设计三因素三水平试验方案(表1),石灰和磷石膏段设计根据经验采取三因素二水平试验方案(表2)。

1.3.2 试验段构建

本次试验研究选择的4段试验段,第1～3段为3种固化剂掺量的固化剂拌土整体铺筑压实,共154 m;第4段由磷石膏段和石灰段掺土拌制压实2部分组成,共60 m。其中固化剂段包括10个单元段,磷石膏段和石灰段各包括2个单元段。

表1 固化剂水平因素

表2 石灰、磷石膏水平因素

整体修筑断面去除腐殖土层,开挖40 cm深土层置于堤顶,铺平后均匀搅拌并破碎大块土体,现场检验含水率,在符合各试验段含水率要求后,分段各加入一定比例的固化材料,均匀搅拌3～4次后整体铺筑。磷石膏段和石灰段掺土拌制压实按常规施工方法进行施工。

1.3.3 测定指标与数据处理

本次研究试验段已于2019年8月完工,并在松原灌区试验站排水沟原型边坡中进行了2个水文年的周期安全监测,其中利用微型气象站和“知物云平台”进行雨情监测、温湿变化监测、边坡工况实时监测等。通过对护砌后表面冲刷程度、开裂程度、是否塌陷等指标进行分析,以确定最优的修复方案。

2 结果与分析

2.1 降雨对不同材料的冲蚀分析

试验段完成后,2019年各月累计降雨量如图2所示,7月—8月雨水最多,其中7月份全月40%为降雨天气,8月份全月50%为降雨天气,如图3所示。

图2 2019年各月累计降雨量示意图

图3 2019年7月—8月份日累计降雨量示意图

经过一个雨季降雨、过水冲刷后,不同方案的雨后冲蚀效果如图4～5所示。石灰段(图4)可见冲蚀严重,已经形成纵深的贯通性的冲蚀沟,并露出底层坡面,溶陷已发生;磷石膏段(图5)冲蚀现象明显,有细小的贯通充实沟,未到底层坡面,有一定的防溶陷作用。坡面有草本植物生长,适用于盐碱土生态护坡的处理。固化剂固化部分对比如图6～7所示,因施工拌和不均匀,有几处被冲掉边坡表面,其他部分表面有麻点、蜂窝,但整体效果依然很好,没有明显的裂缝和冲沟,防溶陷效果显著。

图4 石灰段雨后效果图

图5 磷石膏段雨后效果图

经过2个水文年试验段的监测数据见表3。针对同样的外界条件,采用控制变量法,选择了固化剂段、磷石膏段、石灰段中其他自变量统一的单元段,进行降雨对材料冲刷侵蚀的分析:当固化剂体积掺拌量为5%、压实厚度为10 cm时,固化剂段冲蚀度为1.35%,磷石膏段冲蚀度为23.5%,石灰段冲蚀度为48.7%,磷石膏段比固化剂段的冲蚀度增加了22.15%,约为固化剂段冲蚀度的17倍,石灰段比固化剂段的冲蚀度增加了47.35%,约为固化剂段冲蚀度的36倍。当固化剂体积掺拌量为10%、压实厚度为10 cm时,固化剂段冲蚀度为1.95%,磷石膏段冲蚀度为40.0%,石灰段冲蚀度为50.0%,磷石膏段比固化剂段的冲蚀度增加了38.05%,约为固化剂段冲蚀度的21倍,石灰段经固化剂段的冲蚀度增加了48.05%,约为固化剂段冲蚀度的26倍。结果表明:固化剂固化效果最好,固化后边坡稳定,抗冲蚀性能增强,磷石膏固化效果其次,石灰固化效果最差。

图6 固化剂段冲蚀前效果图

图7 固化剂段冲蚀后效果图

表3 固化剂、磷石膏、石灰各段冲蚀度对比

2.2 固化剂段不同配比冲蚀分析

2.2.1 固化剂体积掺拌量对边坡的冲蚀分析

采取控制变量法,选择对掺拌后垫层、面层含水率,压实厚度等变量处于同一水平,固化剂体积掺拌量不同水平的单元段进行研究分析:1个水文年监测后,2019年固化剂段测冲蚀程度数据见表4,经分析可知,固化剂体积掺拌量为5%和10%时,冲蚀度为4%;固化剂体积掺拌量为7.5%时,冲蚀度为3%。2个水文年监测后,在第1个水文年监测数据的基础上,2020年固化剂段测冲蚀程度数据见表4,经分析可知,固化剂体积掺拌量为5%时,冲蚀度为1.35%;固化剂体积掺拌量为10%时,冲蚀度为1.95%;固化剂体积掺拌量为7.5%时,冲蚀度为0.37%。前述的监测数据皆表明,当固化剂体积掺拌量为7.5%时,冲蚀程度最低,防溶陷效果最优。经2个水文年的监测并进行数据分析对比发现,该结论与在方案选择时,固化强度最优为7.5%掺量的情况相吻合。

表4 固化剂段材料掺量与冲蚀度对比

2.2.2 同一断面下掺拌后的垫层、面层含水率对边坡的冲蚀分析

松原灌区内土壤属于季冻区土壤,反复的冻融循环会引起土壤水分的迁移,改变了土体中的水分分布规律,进而对其工程性能产生一定的影响。土壤在冻结和消融过程中,水分和盐分要经历2次迁移,易造成盐分聚集而诱发地表的次生盐渍化发育[14-15]。多次冻融后,盐碱地构筑物的冲蚀损伤程度也随之严重。土壤中的水分既是盐分的溶剂,也是盐分运移的载体,因此在冻融过程中的水分因素在盐碱地排水沟溶陷破坏方面有着重要的影响,本节将针对垫层、面层含水率为考虑因素进行分析。

垫层和面层的含水率对冲蚀率的影响,以最优固化剂配比7.5%的方案为分析对象,压实厚度为10 cm的单元段,在现场施工时,第2段、第5段、第1段掺拌后的垫层、面层含水率分别为12.46%、12.64%,13.30%、13.24%,14.38%、14.40%。经过1个水文年后,该段垫层、面层含水率与冲蚀程度之间的关系如图8所示。发现掺拌后垫层、面层含水率与冲蚀率的增减趋势相同:当含水率满足试验方案中的13%～15%时,随着掺拌后垫层、面层含水率的增加,冲蚀率稳定在3%左右;当含水率<13%时,冲蚀率呈现负增长趋势。表明使用固化技术时,垫层、面层含水率是施工中的重要指标。

图8 掺拌后垫层、面层含水率与冲蚀度对比图

3 结论

本文针对吉林西部碳酸盐碱土排水沟的溶陷破坏问题,设计了3种防治方案,采取室外现场试验与理论相结合的研究方法进行了试验研究,得出结论:

1)综合分析护砌后表面冲刷程度、开裂程度、塌陷等因素,防溶陷破坏效果为固化剂法>磷石膏法>石灰法;

2)在固化技术方案中,固化剂体积掺拌量为7.5%时,冲蚀程度最低,防溶陷效果最优;

3)使用固化技术时,施工掺拌后垫层含水率和面层含水率是重要参数,垫层含水率和面层含水率与冲蚀率都呈负相关,最优控制范围为13%～15%。