基于集对法的土工袋砌护农田排水沟道边坡稳定性评价

2020-08-21柴鹏翔王红雨马利军姚自凯麦文慧

中国农村水利水电 2020年8期

柴鹏翔，王红雨,2，马利军，姚自凯，李星，麦文慧

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学教育部节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

0 引言

宁夏引黄灌区农田排水沟道受干湿、冻融循环作用以及运行管理不当等影响[1,2]，易产生滑塌破坏，制约了宁夏引黄灌区农田水利的可持续发展。为提高农田排水沟道稳定性，针对干、支、斗沟采取了相应的放缓边坡、设置复式断面、草土木桩护坡等工程治理措施[2]，但是一般投入使用2～3 a之后，便会发生局部滑塌等破坏。

土工袋加固技术在大型工程中应用研究较多，刘斯宏等[3-5]对土工袋技术在地基加固、挡墙提防、淤泥处理以及雨水回收利用方面的应用进行了分析；李卓等[6,7]等对土工袋砌护季节性冻土地区冻融循环影响进行了研究；刘建伟[8]探索和总结了土工袋处理膨胀土渠道边坡施工膨胀土处理；张力[9]对比农田排水沟道边坡稳定监测数据，分析了土工袋砌护与草土木桩护坡方法的固坡效果；陆立国、朱思远、张海晨等[10-12]对宁夏引黄灌区渠道砌护破坏原因与防治措施进行了研究。但是，土工袋在农田排水沟道治理方面应用的研究目前处于监测阶段，采用具体的数学分析方法判断沟道边坡是否稳定的问题还有待进一步研究。

集对法作为处理系统不确定性问题的分析方法，可较完整的分析和处理各种因素以及它们之间的联系与转化，从而能够对系统进行全面的综合评价。曹文贵等[13]根据风险因素的不确定性，建立山岭隧道塌方风险评价模型；王文圣等[14]建立了自然灾害风险评价指标体系和评价标准；张明媛等[15]分析了联系度中差异度系数的取值方法，并建立了城市灾害综合风险评价模型；钟登华等[16]基于集对分析联系度的可展性，将其改进为多元联系数。本文在宁夏青铜峡灌区土工袋砌护农田排水沟试验段的原型监测结果的基础上，采用集对分析法对土工袋砌护固坡方式下的农田排水沟道稳定性进行评价，为土工袋加固技术在农田排水沟道固坡的推广应用提供基本依据。

1 试验概况以及监测方案

原型监测试验段位于宁夏青铜峡市邵刚镇东方红村，属于黄河Ⅱ级阶地，主要以全新统冲积相组成[9]。土工袋砌护试验段长100 m，见图1，选取试验段中间横截面进行原型监测试验，监测项目、监测仪器的选取以及监测位置，见表1。监测方案为每半个月采集数据一次，此次监测数据分析选取2018年的监测数据进行研究。

图1 土工袋砌护固坡效果监测试验段Fig.1 The test section for monitoring the effect of solibags protecting slope

表1 监测项目、监测仪器的选取以及监测位置Tab.1 Monitoring items, selection of monitoring instruments and monitoring location

2 监测数据分析

2.1 土工袋砌护沟道监测断面各测点内部位移状况

土工袋砌护排水沟道的内部位移监测结果如图2所示，监测位置处边坡内部位移较小。边坡受渗流作用影响，坡内会产生潜在滑移面，且滑塌大多发生在坡脚处。采用土工袋砌护方式的农田排水沟道，边坡内部位移变化较小，且在坡脚处设置有土工袋装砂砾石的压坡抗滑体，能有效固坡防塌。

图2 南北各测点内部位移变化Fig.2 The internal displacement change of the north and south measuring points

2.2 监测断面上各测点土压力、孔隙水压力分布规律

土工袋砌护排水沟道边坡土压力监测结果如图3所示。埋深小于90 cm时，随着埋深增大，土压力随之增大。90 cm埋深处是沟道边坡地下水位变化变化比较频繁的范围，孔隙水压力的作用致使土体的抗剪强度减小，边坡在该位置处可能产生滑塌。120 cm埋深处土压力小于90 cm处土压力且保持稳定，根据地质资料显示以及埋设监测仪器时发现，120 cm埋深处为流沙层，土压力变化较小。

图3 南北坡各测点土压力变化Fig.3 Variation of earth pressure at different measuring points on the north and south slopes

土工袋边坡孔隙水压力监测结果变化规律见图4，孔隙水压力变化较小。土工袋的滤水保土性能使边坡孔隙水压力趋于稳定。土工袋砌护农田排水沟道南北两侧边坡土压力与孔隙水压力变化幅度不大，土体的有效应力变化范围较小，农田排水沟道边坡处于相对稳定的状态。

图4 南北坡孔隙水压力变化Fig.4 Variation of pore water pressure on the north and south slope

监测数据反映出土工袋砌护模式良好的固坡效果，但是排水沟道稳定性的影响因素十分复杂，为了更好地说明土工袋组合砌护排水沟道的稳定性，在监测试验的基础上考虑多种因素，采用集对法对此进行进一步分析评价。

3 集对分析法评价土工袋砌护沟道边坡稳定性

农田排水沟道稳定性评价是一项系统工程，需要统筹兼顾多项指标。由于指标影响因素具有很多不确定性，导致客观评价稳定性具有一定的难度。本文采用系统工程中的集对分析法评价土工袋砌护农田排水沟道稳定性。

3.1 集对分析理论

集对分析理论[17]于1989年由我国学者赵克勤提出，将确定与不确定视作一个系统。建立具有联系的两个集合集对H=(A,B)，并通过联系度μ对集对中两集合的特性从同、异、反3方面进行描述[18]

(1)

式中：μ为集对的联系度；i为差异不确定系数，i∈[-1,1]；j为对立度系数，j=-1；N为集对特性总数，N=S+F+P，S为集对中公有特性数，P为集对中对立特性数，F为集对中差异特性数；a,b,c分别为同一度、差异度、对立度，a+b+c=1。

传统集对分析法中集对势Shi的计算公式存在分母等于零的情况，有一定的局限性，本文采用文献[19]提出的改进后的计算方法。根据集对势的取值判断系统的发展趋势。

3.2 集对模型的构建

令不同安全评价指标的评分集合为Q，稳定评价标准等级集合为X，建立集对H=(Q,X)，构造子系统的样本值xij与排水沟道评价等级k之间的联系度μk。指标权重的大小影响评价结果的客观性，为了减小专家评分的主观因素影响，用区间数表示专家判断，建立不确定型判断矩阵，通过其相似性和差异性[20]确定专家置信度，进一步计算指标的综合权重，计算过程参考文献[21]。由以上计算得出排水沟道安全评价指标权重向量W，进一步计算综合联系度A=W·μ，从而得出集对势，确定判断系统所处的安全等级。

本站使用的CHS-10型侧滑检验台，是交通部汽车保修机械厂产品。本检测台用于前轮定位的综合检验。当汽车低速驶过检验台时，通过测定车轮作用在测试设备上的侧向力，来判断前轮定位参数是否正确。它以轮胎每公里的侧滑米数来表示。

3.3 评价结果分析与讨论

根据地质勘查资料显示，沿黄河两岸近代冲洪积、河湖积等沉积物构成宁夏引黄灌区的主体，冲积、湖积物以间夹黏性土的粉质、淤泥质粉细砂为主，地面以下埋深约1.5～2.5m范围内普遍分布有流沙层，农田排水沟道坍塌严重地段土质多为粉质黏土[9]，工程施工难度较大。影响农田排水沟道稳定性的原因较多，地下水位高、土壤稳定性差，降雨冲刷、冻胀作用等因素导致沟道边坡内部土压力、孔隙水压力、内部位移产生不稳定的较大幅度变化，会导致沟道边坡产生不同程度的坍塌。另一方面，土工袋砌护模式主要依靠土工袋自重产生的摩擦力保护沟道边坡稳定，因此袋材质量以及土工袋搭接质量对固坡效果影响较大。此外，宁夏引黄灌区土壤盐渍化严重，地下水中富含盐分，排水沟道运行过程中可能会对土工袋袋材产生侵蚀作用[22,23]，故边坡稳定性的影响因素还应该包括土工袋砌护的工程质量、沟道边坡的坡度、土工袋的袋材质量、土工袋的搭接质量、地下水的含盐量以及土工袋受侵蚀程度等。

参考张国栋等[24]将水库大坝的安全风险严重程度进行分级定性定量的描述方法，对土工袋砌护的排水沟道边坡稳定性根据影响因素进行分级。邀请专家根据监测数据、现场状况以及实践经验依据表2对沟道边坡稳定影响指标进行评分。专家评分均值见表3。

表2 农田排水沟道稳定分级及其定性定量描述Tab.2 The stability classification and qualitative and quantitative description of the safety of farmland ditches

表3 农田排水沟道稳定性评价指标得分均值Tab.3 The average score of stability evaluation index of farmland ditches

计算联系度矩阵：

μ=(a+bi+cj)j×k=

计算各项评价指标综合权重，见表4。

表4 稳定性评价指标综合权重Tab.4 Comprehensive weight of stability evaluation index

计算评价指标权重向量：

W=[ω1,ω2,…,ω9]=

0.111 5, 0.105 4, 0.108 0, 0.114 8]

计算排水沟道稳定性评价综合联系度矩阵：

计算集对势向量：

N=[1.740 0, 2.588 6, 2.279 4, 1.408 9, 0.9503]

其中Shimax=2.588 6，根据最大集对势原则结合表2，说明该排水沟道稳定评价等级为B(Ⅱ)型，处于基本稳定状态。

4 土工袋砌护沟道固坡效果分析与建议

4.1 土工袋砌护与传统草土木桩护坡效果对比

课题组在位于宁夏青铜峡市邵刚镇东方红村农田排水沟道上同时设置了土工袋砌护试验段和草土木桩护坡试验段，图5为草土木桩护坡试验段的现状。与图1的土工袋砌护固坡效果监测试验段相比较可以看出，土工袋砌护边坡段的沟道运行状况良好，无明显坍塌迹象，但是草土木桩护坡段的沟道坍塌明显。采用集对分析法对草土木桩护坡边坡稳定性进行评价，同样选取内部土压力、孔隙水压力、内部位移、工程质量、坡度作为评分指标，并且根据草土木桩的护坡机理[25]选取木桩的间距、木桩的直径和入土深度、草土层的间距、地下水位等指标，其中地下水位过高会加快草土结构中草层的腐烂速度，不利于边坡稳定。采取类似的分级方法、评分标准和计算步骤，得出草土木桩护坡边坡稳定的最大集对势为3.816 4，大于土工袋砌护模式下的集对势2.588 6。虽然草土木桩护坡下边坡处于基本稳定状态，但是与不稳定状态的临界值相当接近，失稳隐患较大。可以得出土工袋砌护固坡效果优于草土木桩护坡。

图5 草土木桩护坡效果试验段Fig.5 The test section of slope protection effect of Grass-soil-pile

4.2 土工袋砌护排水沟道施工中注意事项

土工袋砌护边坡的沟道整体运行状况良好，但是个别土工袋由于抗滑力不足，导致产生滑移现象，对边坡长期稳定造成隐患。因此相似的工程中应选取摩擦系数较高的土工袋，并且在施工过程中注意土工袋的搭接质量问题，建议采用“鑫三角”系统的铺设方式见图6，并且布设连接扣增强稳定性[26]；每层土工袋铺设完成后，应进行多次循环夯压土工袋呈扁平状，增加接触面积，提高抗滑力，会使土工袋砌护的固坡效果更加良好。