北方寒區(qū)渾北灌區(qū)排水溝道護坡方式砌護效果對比研究

郝美玲

(遼寧澤龍水利實業(yè)有限責任公司，遼寧 新民 110300)

1 研究背景

排水溝道是灌區(qū)農(nóng)田灌排系統(tǒng)的重要組成部分，具有農(nóng)田排水、泄洪、排澇，保證農(nóng)作物正常生長的重要作用[1]。對于北方寒區(qū)的灌區(qū)而言，受到土壤地質(zhì)環(huán)境以及干濕凍融循環(huán)等諸多因素的影響，排水溝道的崩塌破壞已經(jīng)成為制約灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，對灌區(qū)排水溝道邊坡采取合理的治理和加固措施，對提高排水溝道的使用年限，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收具有十分重要的意義[2]。目前，灌區(qū)的排水溝道邊坡固坡方案主要由柳樁草護坡、干砌石護坡、賓格石籠護坡、漿砌石護坡以及土工袋護坡等[3]組成。對上述護坡方式在凍融條件下的砌護效果進行評價，無疑具有重要的工程實用價值。渾北灌區(qū)是遼寧省北部地區(qū)渾河流域的重要灌區(qū)，由于地處遼河中下游平原，地勢低洼，因此是遼寧省洪澇災害的重災區(qū)，由于各種原因，灌區(qū)排水溝道已經(jīng)多年沒有清淤治理，排水能力不能達到設計標準。基于此，灌區(qū)積極申請和籌集資金，進行田間排水溝道的整治工作。此次研究以灌區(qū)排水溝道整治工程為背景，通過試驗研究的方式對寒區(qū)排水溝道不同砌護方式的砌護效果進行對比研究，以期為灌區(qū)排水溝道整治工程提供有益的經(jīng)驗借鑒。

2 試驗方案

2.1 試驗段

研究中選擇的排水溝道試驗段位于灌區(qū)唐三家子村境內(nèi)，為東西走向，地貌特點為洪積平原，土壤類型主要為灌淤土。灌淤土的厚度一般在80cm左右，土壤的質(zhì)地多為中壤土或輕壤土，表層存在輕度的水土流失現(xiàn)象，但并不嚴重。在試驗段地面以下150～300cm的范圍內(nèi)分布有厚度不等的流沙層。溝道的邊坡受到砂層以及干濕凍融交替循環(huán)作用的影響，排水溝道的邊坡經(jīng)常會發(fā)生局部的坍塌和滑移破壞。

2.2 試驗方案

針對試驗段的實際情況以及施工材料和工程成本，研究中選擇柳樁草護坡、干砌石護坡、賓格石籠護坡以及土工袋護坡等四種不同的護坡方式進行試驗研究。其中，每種護坡方式的砌護長度為20m，試驗段總長度為80m。每種砌護方案具體參數(shù)設計如下：

方案1：木樁草土護坡。該方案主要以木樁、竹片以及稻草為原料對排水溝道的邊坡進行砌護。沿著排水溝道的水流方向，在距離溝道坡腳50cm的部位設置長度為1.8m的木樁，其間隔為30cm，在木樁頂部以下50cm的部位鋪設長60cm的竹片，然后將稻草捆成長、寬分別為50cm和30cm的捆，并將其作為墊層[4]。

方案2：干砌石護坡。在排水溝道的兩側(cè)采用厚度為40cm的片石干砌體，坡度設置為1 ∶2。在砌體的背部鋪設一層土工布作為反濾，土工布下為厚度20cm的素土墊層。在坡腳的部位設置兩層規(guī)格為50cm×100cm×100cm的土工格柵石籠大腳基礎，提高砌護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。

方案3：格賓石籠護坡。在溝道兩側(cè)設置厚度為30cm的格賓石墊砌護，在其背部設置一層土工布作為反濾，在坡腳的部位設置兩層規(guī)格為50cm×100cm×100cm的鉛絲籠塊石基礎，提高整個砌護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6-7]。

方案4：土工袋護坡。在排水溝道順水方向距離坡腳0.7m的部位，打入間隔為40cm、長度為2.0m的木樁，緊貼木樁頂鋪設長度為60cm的竹片，在木樁后鋪砌寬度70cm、高度15cm的3層土工袋，形成木樁支擋土工袋基礎。在上部采用錯縫搭接的土工袋砌護，袋子之間保持4～8cm的間隙，在鋪設完成之后用素土填充并夯實。在土工袋之間利用特定的聯(lián)結(jié)扣搭接。

2.3 監(jiān)測試驗

研究中對不同試驗段進行原型監(jiān)測，溝道南北兩側(cè)的監(jiān)測位置相對應，監(jiān)測所使用的試驗儀器和監(jiān)測內(nèi)容基本相同[8]。為了判斷邊坡的穩(wěn)定性以及滑動變形的特點，需要對邊坡內(nèi)部進行位移監(jiān)測。具體方法為：在不同方案砌護面的上層豎直打孔設置多點位移計，每個孔內(nèi)設置2個監(jiān)測點，分別監(jiān)測底部豎直向上40cm和120cm部位的豎向變形。對于每種砌護方案，選擇位于中間部位的典型斷面進行監(jiān)測，監(jiān)測的對比期從2019年11月20日開始經(jīng)歷兩個冬季凍融期，歷時480天，每30天統(tǒng)計一次，記錄一次試驗數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 北坡位移變化對比分析

試驗中對北坡不同高度的位移數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并繪制出如圖1和圖2所示的不同高度位移變化曲線。由圖可知，不同砌護方式下，北坡的位移量隨著時間的推移呈現(xiàn)出不斷波動增大的變化特點，同時冬季凍融時段的位移量明顯偏大，說明凍融作用對位移量的影響是比較明顯的。另一方面，120cm部位測點的位移量明顯大于40cm部位測點。這說明靠近地表部位的凍融影響更為明顯。從不同砌護方案的對比來看，方案4，也就是土工袋砌護方案的位移變化相對比較穩(wěn)定，而其余三種方案的后期變形量有顯著的增大，特別是格賓石籠護坡方案，在第二年冬季凍融季節(jié)，其位移量存在顯著增大，說明護坡本身的長期穩(wěn)定性較差。究其原因，主要是其余三種方案抗凍融性能不足，隨著試驗時間的推移，結(jié)構(gòu)本身也會產(chǎn)生比較明顯的劣化作用。土工袋本身存在一定的張力，可以對邊坡土體產(chǎn)生比較明顯的約束作用，隨著時間的推移，溝道的邊坡土體在土工袋荷載的作用下，壓縮固結(jié)程度不斷提升，因此整體穩(wěn)定性會不斷提高，可以起到更好的邊坡加固作用。

圖1 北坡40cm部位位移量變化曲線

圖2 北坡120cm部位位移量變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算獲取如表1所列的排水溝道北坡不同方案下的位移變形量均值。由表中的結(jié)果可以看出，方案1、方案2和方案3的位移量均值相對比較接近，方案4的位移量均值明顯偏小。在40cm測點部位，方案4的位移量均值為2.64mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約46.5%、40.9%和48.0%；在120cm測點部位，方案4的位移量均值為9.50mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約42.8%、30.7%和30.7%。由此可見，采用土工袋護坡可以有效抑制排水溝道的邊坡位移變形，相較于其他三種方案有明顯的優(yōu)勢。

表1 不同方案北坡變形量均值

3.2 南坡位移變化對比分析

試驗中對南坡不同高度監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并繪制出如圖3和圖4所示的不同高度溝道岸坡位移變化曲線。由圖可知，不同砌護方式下，南坡的位移量隨著時間變化的特征與北坡基本相同，呈現(xiàn)出隨時間的推移而波動增大的變化特點，同時冬季凍融時段的位移量明顯偏大，說明凍融作用對位移量的影響是比較明顯的。另一方面，120cm部位測點的位移量明顯大于40cm部位測點。從不同砌護方案的對比來看，方案4，也就是土工袋砌護方案的位移變化相對比較穩(wěn)定，而其余三種方案的后期變形量有顯著的增大，說明護坡本身的長期穩(wěn)定性較差。造成上述變化特點的原因與北坡基本相同，這里不再贅述。

圖3 南坡40cm部位位移量變化曲線

圖4 南坡120cm部位位移量變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，計算獲取如表2所列的排水溝道南坡不同方案下的位移變形量均值。由表中的結(jié)果可以看出，方案1、方案2和方案3的位移量均值相對比較接近，方案4的位移量均值明顯偏小。在40cm測點部位，方案4的位移量均值為2.36mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約47.44%、41.0%和49.0%；在120cm測點部位，方案4的位移量均值為8.98mm，較方案1、方案2和方案3分別減小了約47.5%、41.2%和49.1%。由此可見，采用土工袋護坡可以有效抑制排水溝道的邊坡位移變形，相較于其他三種方案有明顯的優(yōu)勢。

表2 不同方案南坡變形量均值

4 結(jié) 論

從試驗結(jié)果來看，土工袋砌護作為一種新型排水溝道固坡模式，可以產(chǎn)生良好的砌護效果，能夠有效治理灌區(qū)農(nóng)田排水溝道岸坡滑塌的難題。具體來看，新型土工袋砌護體具有柔性擋土墻的特點，具有良好的穩(wěn)定性。同時，土工袋還具有良好的透水不透漿性能，可以有效避免滲透和管涌破壞。在土坡內(nèi)部充填棄土之后，會增加張力并反作用于土體，對邊坡的土體具有良好的約束作用。此外，新型土工袋具有良好的抗化學腐蝕和防紫外線性能，可正常使用10年以上，具有較好的耐久性。因此，土工袋砌護農(nóng)田排水溝道具有良好的工程效果，可以在排水溝道中推廣應用。