降雨條件下土工袋護坡抗沖刷試驗研究

黃 波，吳 平，萬燎榕，張呈斌

（1.河海大學設計研究院，南京210000；2.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，南昌330029；3.河海大學水利水電學院，南京210098）

在我國的季風氣候區，裸露的邊坡，如人工切坡、河堤和路堤等，在雨季降雨強度較大時容易發生滑坡、泥石流等地質災害［1］。邊坡破壞的主要原因是大量的雨水在短時間內滲入邊坡，在土壤中產生較高的孔隙水壓力，導致土的抗剪強度降低［2］。此外，雨水下落時的沖擊力會破壞土坡表面的土壤結構；當降雨速率超過土壤雨水的入滲速度，坡面會形成地表徑流，帶走表層土顆粒，引起水土流失［3］。

為了加固邊坡并攔截雨水的滲透，工程師和研究人員提出了基于不同土工材料的護坡技術，例如采用碎石、石籠、混凝土砌塊、混凝土樁、土釘、土工織物和植物根系加固等［4-8］。各種護坡對邊坡的保護作用主要體現在兩個方面：一是攔截雨水，避免雨水對土壤的直接沖刷，并加速排水，比如碎石護坡、漿砌塊石護坡、石籠護坡等；二是加固土體，提高土體的抗剪強度，比如混凝土框隔田石護坡等。長期以來，碎石和塊石由于施工方便和技術簡單，一直是護坡工程的主要材料。但當工程現場缺少石料，則需要異地運輸，增加建設成本。為了充分利用當地材料，近年來Matsuoka 等［9］提出了一種用土工袋加固邊坡的新方法。

土工袋，俗稱“軟石頭”，最初用于防御洪水，現已廣泛應用于各種巖土工程，例如地基加固、膨脹土和淤泥的處理、擋土墻和海岸防浪墻等［10–18］。土工袋有諸多優點：可以充分利用原位土壤、生態土工袋不影響表層植被的生長、具有較高的抗壓強度［9，19］。Fan等［20］通過模型試驗證明在土工袋擋土墻中，土工袋通過自重和袋體之間的摩擦來保持穩定；Liu 等［12］發現土工袋的壓坡作用有利于邊坡的穩定性，并將其應用于南水北調中線工程河道邊坡膨脹土處理工程中，取得了良好的效果［13］；土袋對斜坡的加固已得到廣泛證實，但其抗侵蝕能力尚未得到有效評估。

本文通過砂土邊坡、石籠護坡、土工袋護坡三種護坡形式的現場原位試驗，分析土工袋護坡在不同降雨歷時下的沖沙量和入滲量。最終根據試驗總結了土工袋護坡的抗沖作用機理，為進一步研究土工袋護坡抗沖刷性能及土工袋護坡的推廣使用提供參考。

1 土工袋護坡可行性分析

Matsuoka 與劉斯宏［22］等人的研究表明，在假設土工袋內土體的內摩擦角?不變的情況下，根據摩爾-庫倫強度破壞準則，當袋內土體處于極限破壞狀態時，土工袋相比單獨土體增加了一個附加黏聚力cT，而cT主要受袋內土體自身強度、編織袋的特性以及外力影響。試驗表明普通的土工袋的極限抗壓強度能夠到達1 MPa 以上［21］，這為土工袋用于邊坡防護提供了強度保障。

土工袋采用臺階式布置，主要依靠于自重及上部荷載產生的層間摩擦力來維持穩定。國內外學者對土工袋層間摩擦性能做了許多研究。如Matsuoka［22］等通過模型試驗研究了不同袋內材料和不同堆砌條件下的土工袋摩擦性能；陳笑林等［23］通過試驗模擬，發現上層土工袋在平動過程中，受袋間摩擦作用力的作用，袋體層間移動時緊貼的一面的拉力會增大。土工袋堆積體的穩定主要與袋子的上部荷載、編織袋本身的摩擦系數、土工袋的堆積方式有關，編織袋本身的摩擦系數越大、選擇最優的堆積方式，能夠極大地提高土工袋堆積體的穩定性。

大量的試驗和數值模擬表明土工袋具有一定的耐久性和單體強度，土工袋組合體在自重和外力作用下能夠保持穩定性，因此土工袋能夠應用于護坡工程。

2 土工袋護坡降雨沖刷試驗

2.1 試驗方案與步驟

2.1.1 試驗場地

試驗在河海大學189 試驗基地進行，邊坡示意圖如圖1。試驗區邊坡為碾壓砂土邊坡，坡內土體為天然黏土，其物理力學參數列于表1。坡高1.5 m，坡比1∶1，坡長24 m，沿長度方向依次分為3個區域：無防護裸坡區域、土工袋護坡區及石籠護坡區，相鄰兩個區域間用擋板隔開。其中，無防護裸坡和石籠護坡作為對比試驗。邊坡上方架置人工降雨裝置；坡腳設置混凝土襯砌排水渠，其一端與2.5 m ×1.5 cm ×1.5 cm（長×寬×深）的蓄水池相連，另一端用混凝土墻封堵。為整平邊坡及便于觀察降雨條件下的泥沙沖刷量，在邊坡表層鋪設厚度為20 mm 的河砂（最大粒徑2 mm，滲透系數5×10-2cm/s），并在排水渠出口處設置濾網，用于收集泥沙。

表1 邊坡黏土的物理力學特性Tab.1 Physical/mechanical properties of the clay in the slope

2.1.2 土工袋和石籠制備

土工袋由編織袋裝填邊坡原位黏土制作而成。每袋裝土40 kg，壓實整形后的土工袋尺寸約為40 cm×40 cm×10 cm（長×寬×高）。試驗用土工袋織物的材料為聚丙烯（PP），面密度70 g/m2，經、緯向抗拉強度不小于11.8 和5.6 kN/m，伸長率不大于25%，袋體滲透系數3.2×10-2cm/s。

石籠由石籠網裝填河床砂礫石制作而成。石籠網為菱形格鐵絲網，面密度245 g/m2，網格尺寸9 cm×11 cm；填石料為河床砂礫石，平均粒徑12 cm，比重為2.72，表觀密度1 650 kg/m3。單個石籠的尺寸為40 cm×40 cm×10 cm（長×寬×高），重45 kg。

土工袋護坡區由土工袋按照臺階狀垂直堆疊而成，石籠護坡區采用石籠貼坡排列鋪設而成，如圖1（b）所示。

2.1.3 人工降雨裝置

試驗所用模擬降雨控制系統為自主設計，圖2為其原理圖，由自吸式汽油動力水泵供水，動態流量計測量流量；通過控制閥門開度和噴頭數量來調節降雨強度，其大小可通過調節主管和支管上的閥門調節；為保證人工降雨的均勻性，采用了低壓噴嘴，均勻分布在各支管上；為避免試驗過程中由噴頭堵塞造成的降雨不均勻，在主管上安裝過濾器。為滿足試驗所需降雨區域，降雨裝置支架每間隔25 cm 設有一個節點，可通過調節支架的高度來調節降雨高度。

降雨試驗前，進行了一系列測試來檢驗模擬器的效果。降雨均勻度是衡量降雨均勻性的重要指標，按照我國的降雨試驗要求，降雨均勻度的指標不能低于80%。通過改變閥門的開度來調節降雨強度，在施雨范圍內用6個雨量筒收集測量雨水，將6個測量點的降雨量按照公式1計算降雨均勻系數。

式中：k為均勻系數；xi為測點降雨強度，mm/min；為各測點平均降雨強度，mm/min；n為測點個數，取6個。

結果表明，當降雨強度大于1.35 mm/min 時，本試驗的降雨系統能夠達到80.27%的有效降雨均勻度。

為了能夠模擬降雨侵蝕坡面的特性，提高人工模擬自然降雨的效果，需要測試雨滴終速是否能滿足同等雨強條件下的自然降雨的雨滴終速。當雨滴粒徑在3 mm 以下時，最接近自然降雨［24］，因此通過反復測量降雨強度為1.35 mm/min 時的雨滴粒徑［25］為0.9 mm，滿足要求。

Laws［26］根據觀測到的天然降雨的雨滴終速分析得到雨滴終速只與雨滴的粒徑有關，并給出公式：

式中：D為雨滴粒徑，mm；Vt′為自然降雨雨滴終速，m/s；

Park［27］等和吳長文［28］等在此基礎上，通過對人工降雨裝置內的水流進行受力分析得到人工降雨雨滴終速：

式中：H為降雨高度，取1 m。

根據式（2）、（3）公式計算可知，當降雨強度為1.35 mm/min時，D=0.9 mm，自然降雨雨滴終速為Vt′=3.26 m/s，人工降雨雨滴終速為Vt=2.99 m/s，模擬的降雨雨滴終速達到了自然雨滴終速的91%。徐向舟等人通過試驗說明當人工降雨雨滴終速達到自然降雨雨滴終速的90%以上，即可認為該人工降雨裝置能夠模擬自然降雨過程。因此，本試驗自制的降雨裝置符合標準，可以模擬人工降雨侵蝕過程。

2.1.4 試驗步驟

降雨強度設置為在15±2 mm/min，單次降雨持續30 s，然后停止降雨記錄蓄水池水位，并收集沖刷的泥沙。詳細的試驗步驟如下：

①記錄蓄水池初始水位h0（cm）。

②打開抽水泵開始人工降雨，保持30 s。

③關閉水泵停止降雨，并記錄流量計V1（L）的數據，待水溝的水全部流入池內后，記錄池內的水位h1（cm）。然后收集溝里的土壤，得到濕土重mwet和干土重mdry（kg）。這里，干土重被認為是土壤侵蝕量。降雨量Rf（L）、地表徑流量Rs（L）和雨水入滲量Ri（L）分別由式（4）～（6）計算。

式中：ρw為水的密度，kg/m3；h1為第二次降雨初始水位，cm。

④打開抽水泵，進行第二次人工降雨。重復上述步驟，直到土坡上幾乎沒有土壤被侵蝕。

分別對土工袋護坡、石籠護坡和無防護邊坡進行試驗，試驗現場照片如圖3所示。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 雨水入滲量

降雨量應等于雨水下滲量、地表徑流量、地下徑流量和蒸發量之和。因為降雨歷時較短，地下徑流量和蒸發量忽略不計。根據動態流量計記錄的降雨量和蓄水池中流入的地表徑流量，可計算出雨水下滲量。圖4給出了3 種護坡形式下單位時間降雨量Rf、入滲量Ri及地表徑流量Rs隨降雨歷時（次數）的變化曲線。可以看出，降雨初期，石籠護坡的入滲量最大，甚至超過了地表徑流量；土工袋護坡的入滲量最小，無防護砂土邊坡次之。隨著降雨的持續，3種護坡形式的入滲量逐漸減小，最終降雨基本全部轉化為地表徑流。這是由于降雨初期，邊坡土體含水率低，吸力梯度大，入滲量大；隨著降雨的繼續，土體趨于飽和，吸力梯度降低并趨于穩定。

圖5為3 種護坡的入滲累積量。相比無防護裸坡，土工袋護坡入滲累積量減少40%～60%，而石籠邊坡入滲累積量增加了20%～40%。降雨初期，土工袋表面會對雨滴有消能作用，再加上土工袋在雨水的浸潤下變得更加光滑，致使雨水沿著土工袋護坡表面流走。隨著降雨的持續進行，袋內土體先達到飽和狀態，且下層袋子切斷了袋內土與邊坡土層間的毛細管，飽和后的土工袋護坡整體形成了一層“不透水層”，阻隔了雨水的下滲作用。試驗結束后土工袋中的黏土已經飽和，而下面的黃沙仍未完全飽和也驗證了這一點。注意到圖4中土工袋護坡在第四次降雨時滲透量出現了一個突降，可能是因為此時土工袋“不透水層”已經形成。種種跡象表明，土工袋護坡能夠很好地攔截雨水。而石籠護坡因為石頭間有縫隙，坡面徑流可從石頭縫隙中進入邊坡表面，同時石籠的截留作用延長了雨水在邊坡的存留時間，因而石籠護坡的入滲累積量高于無防護邊坡入滲累積量。

2.2.2 沖沙量

圖6為3 種護坡形式下沖沙量隨降雨歷時的變化曲線。與石籠護坡和無防護裸坡相比，土工袋護坡在降雨初期無沖刷量，峰值沖刷量時刻滯后，且峰值沖刷量也較小；在同等降雨條件下，土工袋護坡的沖刷總量遠小于石籠護坡和無防護裸坡，僅為石籠護坡的1.1%，無防護邊坡的0.8%，如圖7所示。因為土工袋護坡的雨水下滲量較小，且雨水攜帶的能量已被土工袋消耗殆盡。另一方面，土工袋也起到了反濾的作用，阻擋了土顆粒的流失。石籠護坡相比裸露邊坡，因其消能和對泥沙的攔截作用，起到一定的防沖刷效果，但效果相對有限。因為石籠間存在較大的空隙成為泥沙輸送的天然通道。

2.2.3 邊坡沖刷特征

圖8為土工袋護坡、石籠護坡及無防護裸坡降雨沖刷后邊坡侵蝕形態。土工袋護坡表層少量黃沙流失，主要集中在土工袋與土工袋交接處，如圖8（a）所示；而無防護坡邊坡的表層黃沙幾乎沖刷殆盡［圖8（b）］，石籠護坡僅剩表層薄薄的一層［圖8（c）］。顯然土工袋護坡具有較強的抗雨水沖刷能力。由于本試驗中土工袋采用直排堆疊（不是交錯堆疊），因此在兩列土工袋交接處存在一條間隙，出現了明顯的徑流通道和泥沙沖刷痕跡。而在土工袋與邊坡的接觸面，形成一個明顯的具有土工袋輪廓的臺階狀“凹槽”。由于土工袋的壓重和反濾作用，這些區域并沒有出現明顯的徑流通道，但是有明顯的反濾痕跡（土工袋與邊坡之間的空隙已被泥沙填滿）。圖8（d）為土工袋護坡在徑流沖刷下的泥沙堆積點，圖中坡腳處的3 個位置處有明顯的泥沙量，表明土工袋護坡的坡面侵蝕主要集中在土工袋與土工袋的接觸處。因此，采用土工袋交錯堆疊的方式，會進一步提高邊坡的抗沖刷能力。

3 土工袋護坡降雨抗沖刷機理分析

以上試驗結果表明，土工袋護坡具有較好的抗沖刷效果。通過分析，土工袋的抗沖刷機理可以歸結為以下4個方面：

（1）壓坡作用。土工袋組合體類似邊坡上的覆蓋層，土袋自重產生的壓力使斜坡的土壤更為致密，提高了抗剪強度，同時降低了土壤的滲透系數。吸收雨水后，土工袋的重量增加，覆蓋作用更加明顯。

（2）消能作用。雨滴的動能會將土壤濺入溝渠，并破壞斜坡表面的土壤結構。土工袋保護斜坡不受雨滴的直接影響，并將動能轉化為內能耗散掉。

（3）阻水作用。首先，土工袋的表面是良好的排水帷幕，在土袋的表面上形成水膜時，土工袋對水的摩擦力比土壤表面要小；其次，當袋中的土壤變得飽和時，雨水很難再滲入袋中；同時，土工袋中的水也很難滲入邊坡土壤中，因為飽和土壤和非飽和土壤之間的毛細管移液管被編織袋切斷。土工袋變成了“不透水層”，進一步防止了雨水滲入邊坡。

（4）反濾作用。即使雨水滲過土工袋，最終開始侵蝕和沖刷土壤，土工袋可以起到“反濾層”的作用攔截流失的土壤。

相比之下，石籠護坡也具有一定的壓坡作用和消能作用，但石籠既不能攔截雨水的排出，也不能有效地過濾侵蝕的土壤，這是其抗沖刷效果不如土工袋護坡的主要原因。

4 結 論

為了研究土工袋護坡的抗沖刷效果，進行了大型人工降雨沖刷試驗。對比分析了土工袋護坡和無防護邊坡及石籠護坡的降雨入滲量和泥沙沖刷量。結論如下：

（1）土工袋護坡能夠減少雨水下滲量，并且有效減少邊坡的土質流失量。相比無防護邊坡，土工袋護坡的泥沙沖刷量減少約99%。

（2）土工袋護坡的坡面侵蝕主要集中在兩列土工袋的間隙處；土工袋與邊坡接觸處無明顯徑流通道，但有反濾痕跡。交錯布設土工袋可減少袋子接觸處的沖刷。

（3）土工袋的防沖刷機理可歸結為壓坡作用、消能作用、阻水作用和反濾作用4個方面。其中壓坡作用可提高土體抗剪強度；消能作用能消散雨水攜帶的能量；隔水作用表現為形成“不透水層”減少雨水下滲；反濾作用表現為攔截流失的土顆粒。

以上試驗結果和機理分析表明土工袋護坡在降雨條件下具有良好的抗沖刷性能。接下來需要進一步探究影響土工袋護坡抗沖刷能力的因素。 □