降雨条件下土工袋护坡抗冲刷试验研究

2021-05-31万燎榕张呈斌

中国农村水利水电 2021年5期

黄波，吴平，万燎榕，张呈斌

（1.河海大学设计研究院，南京210000；2.中铁水利水电规划设计集团有限公司，南昌330029；3.河海大学水利水电学院，南京210098）

在我国的季风气候区，裸露的边坡，如人工切坡、河堤和路堤等，在雨季降雨强度较大时容易发生滑坡、泥石流等地质灾害［1］。边坡破坏的主要原因是大量的雨水在短时间内渗入边坡，在土壤中产生较高的孔隙水压力，导致土的抗剪强度降低［2］。此外，雨水下落时的冲击力会破坏土坡表面的土壤结构；当降雨速率超过土壤雨水的入渗速度，坡面会形成地表径流，带走表层土颗粒，引起水土流失［3］。

为了加固边坡并拦截雨水的渗透，工程师和研究人员提出了基于不同土工材料的护坡技术，例如采用碎石、石笼、混凝土砌块、混凝土桩、土钉、土工织物和植物根系加固等［4-8］。各种护坡对边坡的保护作用主要体现在两个方面：一是拦截雨水，避免雨水对土壤的直接冲刷，并加速排水，比如碎石护坡、浆砌块石护坡、石笼护坡等；二是加固土体，提高土体的抗剪强度，比如混凝土框隔田石护坡等。长期以来，碎石和块石由于施工方便和技术简单，一直是护坡工程的主要材料。但当工程现场缺少石料，则需要异地运输，增加建设成本。为了充分利用当地材料，近年来Matsuoka 等［9］提出了一种用土工袋加固边坡的新方法。

土工袋，俗称“软石头”，最初用于防御洪水，现已广泛应用于各种岩土工程，例如地基加固、膨胀土和淤泥的处理、挡土墙和海岸防浪墙等［10–18］。土工袋有诸多优点：可以充分利用原位土壤、生态土工袋不影响表层植被的生长、具有较高的抗压强度［9，19］。Fan等［20］通过模型试验证明在土工袋挡土墙中，土工袋通过自重和袋体之间的摩擦来保持稳定；Liu 等［12］发现土工袋的压坡作用有利于边坡的稳定性，并将其应用于南水北调中线工程河道边坡膨胀土处理工程中，取得了良好的效果［13］；土袋对斜坡的加固已得到广泛证实，但其抗侵蚀能力尚未得到有效评估。

本文通过砂土边坡、石笼护坡、土工袋护坡三种护坡形式的现场原位试验，分析土工袋护坡在不同降雨历时下的冲沙量和入渗量。最终根据试验总结了土工袋护坡的抗冲作用机理，为进一步研究土工袋护坡抗冲刷性能及土工袋护坡的推广使用提供参考。

1 土工袋护坡可行性分析

Matsuoka 与刘斯宏［22］等人的研究表明，在假设土工袋内土体的内摩擦角ϕ不变的情况下，根据摩尔-库伦强度破坏准则，当袋内土体处于极限破坏状态时，土工袋相比单独土体增加了一个附加黏聚力cT，而cT主要受袋内土体自身强度、编织袋的特性以及外力影响。试验表明普通的土工袋的极限抗压强度能够到达1 MPa 以上［21］，这为土工袋用于边坡防护提供了强度保障。

土工袋采用台阶式布置，主要依靠于自重及上部荷载产生的层间摩擦力来维持稳定。国内外学者对土工袋层间摩擦性能做了许多研究。如Matsuoka［22］等通过模型试验研究了不同袋内材料和不同堆砌条件下的土工袋摩擦性能；陈笑林等［23］通过试验模拟，发现上层土工袋在平动过程中，受袋间摩擦作用力的作用，袋体层间移动时紧贴的一面的拉力会增大。土工袋堆积体的稳定主要与袋子的上部荷载、编织袋本身的摩擦系数、土工袋的堆积方式有关，编织袋本身的摩擦系数越大、选择最优的堆积方式，能够极大地提高土工袋堆积体的稳定性。

大量的试验和数值模拟表明土工袋具有一定的耐久性和单体强度，土工袋组合体在自重和外力作用下能够保持稳定性，因此土工袋能够应用于护坡工程。

2 土工袋护坡降雨冲刷试验

2.1 试验方案与步骤

2.1.1 试验场地

试验在河海大学189 试验基地进行，边坡示意图如图1。试验区边坡为碾压砂土边坡，坡内土体为天然黏土，其物理力学参数列于表1。坡高1.5 m，坡比1∶1，坡长24 m，沿长度方向依次分为3个区域：无防护裸坡区域、土工袋护坡区及石笼护坡区，相邻两个区域间用挡板隔开。其中，无防护裸坡和石笼护坡作为对比试验。边坡上方架置人工降雨装置；坡脚设置混凝土衬砌排水渠，其一端与2.5 m ×1.5 cm ×1.5 cm（长×宽×深）的蓄水池相连，另一端用混凝土墙封堵。为整平边坡及便于观察降雨条件下的泥沙冲刷量，在边坡表层铺设厚度为20 mm 的河砂（最大粒径2 mm，渗透系数5×10-2cm/s），并在排水渠出口处设置滤网，用于收集泥沙。

表1 边坡黏土的物理力学特性Tab.1 Physical/mechanical properties of the clay in the slope

2.1.2 土工袋和石笼制备

土工袋由编织袋装填边坡原位黏土制作而成。每袋装土40 kg，压实整形后的土工袋尺寸约为40 cm×40 cm×10 cm（长×宽×高）。试验用土工袋织物的材料为聚丙烯（PP），面密度70 g/m2，经、纬向抗拉强度不小于11.8 和5.6 kN/m，伸长率不大于25%，袋体渗透系数3.2×10-2cm/s。

石笼由石笼网装填河床砂砾石制作而成。石笼网为菱形格铁丝网，面密度245 g/m2，网格尺寸9 cm×11 cm；填石料为河床砂砾石，平均粒径12 cm，比重为2.72，表观密度1 650 kg/m3。单个石笼的尺寸为40 cm×40 cm×10 cm（长×宽×高），重45 kg。

土工袋护坡区由土工袋按照台阶状垂直堆叠而成，石笼护坡区采用石笼贴坡排列铺设而成，如图1（b）所示。

2.1.3 人工降雨装置

试验所用模拟降雨控制系统为自主设计，图2为其原理图，由自吸式汽油动力水泵供水，动态流量计测量流量；通过控制阀门开度和喷头数量来调节降雨强度，其大小可通过调节主管和支管上的阀门调节；为保证人工降雨的均匀性，采用了低压喷嘴，均匀分布在各支管上；为避免试验过程中由喷头堵塞造成的降雨不均匀，在主管上安装过滤器。为满足试验所需降雨区域，降雨装置支架每间隔25 cm 设有一个节点，可通过调节支架的高度来调节降雨高度。

降雨试验前，进行了一系列测试来检验模拟器的效果。降雨均匀度是衡量降雨均匀性的重要指标，按照我国的降雨试验要求，降雨均匀度的指标不能低于80%。通过改变阀门的开度来调节降雨强度，在施雨范围内用6个雨量筒收集测量雨水，将6个测量点的降雨量按照公式1计算降雨均匀系数。

式中：k为均匀系数；xi为测点降雨强度，mm/min；为各测点平均降雨强度，mm/min；n为测点个数，取6个。

结果表明，当降雨强度大于1.35 mm/min 时，本试验的降雨系统能够达到80.27%的有效降雨均匀度。

为了能够模拟降雨侵蚀坡面的特性，提高人工模拟自然降雨的效果，需要测试雨滴终速是否能满足同等雨强条件下的自然降雨的雨滴终速。当雨滴粒径在3 mm 以下时，最接近自然降雨［24］，因此通过反复测量降雨强度为1.35 mm/min 时的雨滴粒径［25］为0.9 mm，满足要求。

Laws［26］根据观测到的天然降雨的雨滴终速分析得到雨滴终速只与雨滴的粒径有关，并给出公式：

式中：D为雨滴粒径，mm；Vt′为自然降雨雨滴终速，m/s；

Park［27］等和吴长文［28］等在此基础上，通过对人工降雨装置内的水流进行受力分析得到人工降雨雨滴终速：

式中：H为降雨高度，取1 m。

根据式（2）、（3）公式计算可知，当降雨强度为1.35 mm/min时，D=0.9 mm，自然降雨雨滴终速为Vt′=3.26 m/s，人工降雨雨滴终速为Vt=2.99 m/s，模拟的降雨雨滴终速达到了自然雨滴终速的91%。徐向舟等人通过试验说明当人工降雨雨滴终速达到自然降雨雨滴终速的90%以上，即可认为该人工降雨装置能够模拟自然降雨过程。因此，本试验自制的降雨装置符合标准，可以模拟人工降雨侵蚀过程。

2.1.4 试验步骤

降雨强度设置为在15±2 mm/min，单次降雨持续30 s，然后停止降雨记录蓄水池水位，并收集冲刷的泥沙。详细的试验步骤如下：

①记录蓄水池初始水位h0（cm）。

②打开抽水泵开始人工降雨，保持30 s。

③关闭水泵停止降雨，并记录流量计V1（L）的数据，待水沟的水全部流入池内后，记录池内的水位h1（cm）。然后收集沟里的土壤，得到湿土重mwet和干土重mdry（kg）。这里，干土重被认为是土壤侵蚀量。降雨量Rf（L）、地表径流量Rs（L）和雨水入渗量Ri（L）分别由式（4）～（6）计算。

式中：ρw为水的密度，kg/m3；h1为第二次降雨初始水位，cm。

④打开抽水泵，进行第二次人工降雨。重复上述步骤，直到土坡上几乎没有土壤被侵蚀。

分别对土工袋护坡、石笼护坡和无防护边坡进行试验，试验现场照片如图3所示。

2.2 试验结果分析

2.2.1 雨水入渗量

降雨量应等于雨水下渗量、地表径流量、地下径流量和蒸发量之和。因为降雨历时较短，地下径流量和蒸发量忽略不计。根据动态流量计记录的降雨量和蓄水池中流入的地表径流量，可计算出雨水下渗量。图4给出了3 种护坡形式下单位时间降雨量Rf、入渗量Ri及地表径流量Rs随降雨历时（次数）的变化曲线。可以看出，降雨初期，石笼护坡的入渗量最大，甚至超过了地表径流量；土工袋护坡的入渗量最小，无防护砂土边坡次之。随着降雨的持续，3种护坡形式的入渗量逐渐减小，最终降雨基本全部转化为地表径流。这是由于降雨初期，边坡土体含水率低，吸力梯度大，入渗量大；随着降雨的继续，土体趋于饱和，吸力梯度降低并趋于稳定。

图5为3 种护坡的入渗累积量。相比无防护裸坡，土工袋护坡入渗累积量减少40%～60%，而石笼边坡入渗累积量增加了20%～40%。降雨初期，土工袋表面会对雨滴有消能作用，再加上土工袋在雨水的浸润下变得更加光滑，致使雨水沿着土工袋护坡表面流走。随着降雨的持续进行，袋内土体先达到饱和状态，且下层袋子切断了袋内土与边坡土层间的毛细管，饱和后的土工袋护坡整体形成了一层“不透水层”，阻隔了雨水的下渗作用。试验结束后土工袋中的黏土已经饱和，而下面的黄沙仍未完全饱和也验证了这一点。注意到图4中土工袋护坡在第四次降雨时渗透量出现了一个突降，可能是因为此时土工袋“不透水层”已经形成。种种迹象表明，土工袋护坡能够很好地拦截雨水。而石笼护坡因为石头间有缝隙，坡面径流可从石头缝隙中进入边坡表面，同时石笼的截留作用延长了雨水在边坡的存留时间，因而石笼护坡的入渗累积量高于无防护边坡入渗累积量。

2.2.2 冲沙量

图6为3 种护坡形式下冲沙量随降雨历时的变化曲线。与石笼护坡和无防护裸坡相比，土工袋护坡在降雨初期无冲刷量，峰值冲刷量时刻滞后，且峰值冲刷量也较小；在同等降雨条件下，土工袋护坡的冲刷总量远小于石笼护坡和无防护裸坡，仅为石笼护坡的1.1%，无防护边坡的0.8%，如图7所示。因为土工袋护坡的雨水下渗量较小，且雨水携带的能量已被土工袋消耗殆尽。另一方面，土工袋也起到了反滤的作用，阻挡了土颗粒的流失。石笼护坡相比裸露边坡，因其消能和对泥沙的拦截作用，起到一定的防冲刷效果，但效果相对有限。因为石笼间存在较大的空隙成为泥沙输送的天然通道。

2.2.3 边坡冲刷特征

图8为土工袋护坡、石笼护坡及无防护裸坡降雨冲刷后边坡侵蚀形态。土工袋护坡表层少量黄沙流失，主要集中在土工袋与土工袋交接处，如图8（a）所示；而无防护坡边坡的表层黄沙几乎冲刷殆尽［图8（b）］，石笼护坡仅剩表层薄薄的一层［图8（c）］。显然土工袋护坡具有较强的抗雨水冲刷能力。由于本试验中土工袋采用直排堆叠（不是交错堆叠），因此在两列土工袋交接处存在一条间隙，出现了明显的径流通道和泥沙冲刷痕迹。而在土工袋与边坡的接触面，形成一个明显的具有土工袋轮廓的台阶状“凹槽”。由于土工袋的压重和反滤作用，这些区域并没有出现明显的径流通道，但是有明显的反滤痕迹（土工袋与边坡之间的空隙已被泥沙填满）。图8（d）为土工袋护坡在径流冲刷下的泥沙堆积点，图中坡脚处的3 个位置处有明显的泥沙量，表明土工袋护坡的坡面侵蚀主要集中在土工袋与土工袋的接触处。因此，采用土工袋交错堆叠的方式，会进一步提高边坡的抗冲刷能力。

3 土工袋护坡降雨抗冲刷机理分析

以上试验结果表明，土工袋护坡具有较好的抗冲刷效果。通过分析，土工袋的抗冲刷机理可以归结为以下4个方面：

（1）压坡作用。土工袋组合体类似边坡上的覆盖层，土袋自重产生的压力使斜坡的土壤更为致密，提高了抗剪强度，同时降低了土壤的渗透系数。吸收雨水后，土工袋的重量增加，覆盖作用更加明显。

（2）消能作用。雨滴的动能会将土壤溅入沟渠，并破坏斜坡表面的土壤结构。土工袋保护斜坡不受雨滴的直接影响，并将动能转化为内能耗散掉。

（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时，土工袋对水的摩擦力比土壤表面要小；其次，当袋中的土壤变得饱和时，雨水很难再渗入袋中；同时，土工袋中的水也很难渗入边坡土壤中，因为饱和土壤和非饱和土壤之间的毛细管移液管被编织袋切断。土工袋变成了“不透水层”，进一步防止了雨水渗入边坡。

（4）反滤作用。即使雨水渗过土工袋，最终开始侵蚀和冲刷土壤，土工袋可以起到“反滤层”的作用拦截流失的土壤。

相比之下，石笼护坡也具有一定的压坡作用和消能作用，但石笼既不能拦截雨水的排出，也不能有效地过滤侵蚀的土壤，这是其抗冲刷效果不如土工袋护坡的主要原因。