程圣東,杭朋磊,李 鵬,成玉婷,郭夢(mèng)京

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048)

陜西省南部地區(qū)，北倚秦嶺，南靠巴山，多屬土石山區(qū)，共有耕地74.5萬(wàn)hm2，其中坡耕地占81%[1]。由于土壤環(huán)境特殊，加之受氣候條件影響，降雨量多，時(shí)間長(zhǎng)，暴雨頻繁，導(dǎo)致該區(qū)域水土流失嚴(yán)重。為治理陜南土石山區(qū)坡耕地的水土流失，當(dāng)?shù)夭扇×烁脑炱赂?，建設(shè)水平梯田來(lái)預(yù)防水土流失[2-4]。

陜南土石山區(qū)每年實(shí)施坡改梯1.7～2.0萬(wàn)hm2，這些梯田是區(qū)域一項(xiàng)重要的水土保持措施，為當(dāng)?shù)卦黾蛹Z食產(chǎn)量和保證群眾生活溫飽發(fā)揮了重要作用[5-6]。但是，坡改梯的田坎大都是經(jīng)過(guò)人工夯實(shí)而成的，受田面的土壤特性、田坎材料特性、坡度和施工技術(shù)等自然因素以及不合理的人為活動(dòng)影響，梯田田坎垮塌現(xiàn)象較為嚴(yán)重，從而影響了流域坡面的穩(wěn)定性，不利于區(qū)域的水土流失治理。據(jù)調(diào)查，一般當(dāng)年修的土坎梯田在第二年雨季有30%～40%因垮坎而毀壞。為預(yù)防梯田垮坎，許多專家針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，如李光錄等[5]對(duì)PP織物袋在梯田田坎建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；高霞等[7]分析了PP 織物袋筑坎梯田田坎坎高、坎坡與穩(wěn)定性之間的關(guān)系；蔡強(qiáng)國(guó)等[8]提出了植物固土護(hù)坎等保護(hù)田坎的對(duì)策；伍斌[9]等認(rèn)為坡改梯中應(yīng)采用生物和工程技術(shù)處理相結(jié)合的方式控制田坎穩(wěn)定性，提高水土保持效應(yīng)。但是，以上研究主要針對(duì)梯田材料、坡改梯的設(shè)計(jì)及梯田保護(hù)，然而，在梯田設(shè)計(jì)前，針對(duì)區(qū)域地形條件、土壤性質(zhì)以及土層厚度等對(duì)梯田穩(wěn)定性的研究較少。為此，本文選取陜南地區(qū)典型小流域內(nèi)比較有代表性的土石山區(qū)梯田為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)查取樣、室內(nèi)試驗(yàn)和SLOPE軟件分析相結(jié)合的方法，研究坡耕地改建成梯田后坡面的整體穩(wěn)定性變化情況，分析梯田的土層厚度、田坎坡度以及田面寬度這3個(gè)因素對(duì)梯田坡面穩(wěn)定性的影響，以期為該區(qū)域梯田斷面布局提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

余姐河流域位于陜西省安康市漢濱區(qū)恒口鎮(zhèn)境內(nèi)，在東經(jīng)108°48′15″—108°48′42″，北緯32°44′55″—32°45′13″，占地面積0.141 km2[10]。流域地勢(shì)北邊高南邊低，呈條狀分布，海拔高程介于310.0～382.0 m，屬于南秦嶺低山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，皺褶強(qiáng)烈。流域土壤主要為母巖風(fēng)化的巖屑，夾雜以少量砂質(zhì)黏土構(gòu)成石碴土，地力相對(duì)瘠薄，土層厚度多小于70 cm。流域上游坡面陡，土層薄，坡面大于25°的近于60%，中下游坡面坡度相對(duì)較緩，5°～25°的約占55%，坡面坡度大于25°的約占40%左右，耕地以坡耕地為主。流域多年平均降水量850 mm，降水量年內(nèi)分配不均，雨季7—10月降水量占全年降水量的65%，枯水期11—3月降水量占全年降水量不足10%。土地利用類型坡耕地占24%、林地占31%、草地占28%、梯田占16%。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集 選取研究區(qū)域內(nèi)典型梯田樣地和對(duì)比坡耕地。在梯田中進(jìn)行土樣采集時(shí)，利用內(nèi)徑為60 mm、高度20 mm的環(huán)刀按照“Z”字形采集土壤原狀土，沿靠近上田坎、梯田對(duì)角線和靠近下田坎共布設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，其中在靠近下田坎處的填方土布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)。在坡耕地中進(jìn)行土樣采集時(shí)，分別沿坡耕地坡上、坡中和坡下各布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)。以上每個(gè)采樣點(diǎn)在進(jìn)行土壤樣品的采集時(shí)，均在3個(gè)土層深度(0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm)采集土壤原狀土并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.2.2 土的抗剪強(qiáng)度計(jì)算 采集的土壤樣品利用直剪儀進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度S(kPa)。依據(jù)庫(kù)侖公式計(jì)算土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角，計(jì)算公式如下：

S=C+σtanφ

(1)

式中：S為抗剪強(qiáng)度(kPa)；C為土壤黏聚力(kPa)；σ為試樣被破壞時(shí)的剪應(yīng)力(kPa)；φ為土壤內(nèi)摩擦角(°)。

1.2.3 穩(wěn)定性分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用SLOPE軟件中的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊(SLOPE/W)，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，建立模型進(jìn)行坡改梯的穩(wěn)定性計(jì)算分析[11-14]。該模型包含土層、梯田填方、土石混合層和基巖層四部分，其中基巖層為不透水層。由于坡改梯工程一般在5°～25°的坡耕地中進(jìn)行，尤以15°～25°的坡耕地為主[15-16]。因此，本文分別選取15°和25°的坡面分別建立坡耕地模型與梯田模型，對(duì)坡改梯前后坡面穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)，進(jìn)一步建立不同規(guī)格的梯田模型，討論不同土層厚度、不同梯田田坎坡度和不同梯田田面寬度對(duì)梯田坡面穩(wěn)定性的影響，以期為梯田斷面布局選擇提供依據(jù)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤抗剪強(qiáng)度

在計(jì)算梯田穩(wěn)定性時(shí)，必須先要得到梯田土的黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ這兩個(gè)參數(shù)值，因此，依據(jù)公式(1)計(jì)算不同條件下土壤抗剪強(qiáng)度，從表2中可以看出在含水量相同的條件下，土壤黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值隨著土壤干密度的增大而逐漸增大，在土壤干密度相同的條件下，土壤的的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值隨著土壤含水量的增大而減小。

表2 不同條件下土壤抗剪強(qiáng)度

2.2 坡改梯前后坡面的整體穩(wěn)定性

采用SLOPE 軟件建立坡度為15°和25°的坡耕地模型(圖1A、圖2A)與梯田模型(圖1B、圖2B)。在坡耕地模型中，由于研究區(qū)為薄層土石山區(qū)，平均有效土層厚度僅有0.5 m，因此，土層和土石混合層的土層厚度各取0.5 m，坡長(zhǎng)按照梯田修建的實(shí)際規(guī)格取30 m。依據(jù)選取梯田樣地實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，將梯田模型中梯田的田坎高設(shè)為1.8 m，田坎坡度設(shè)為60°，田面寬度設(shè)為9 m。兩個(gè)模型中抗剪強(qiáng)度參數(shù)設(shè)置依據(jù)土壤抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，具體詳見(jiàn)表3。

表3 模型抗剪強(qiáng)度參數(shù)設(shè)置

通過(guò)模型計(jì)算可以得出(圖1)，15°的坡耕地抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為11.454，最危險(xiǎn)滑移面主要在坡體中上部分，而梯田抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為6.262，最危險(xiǎn)滑移面要是在坡體部分。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，梯田的穩(wěn)定性是屬于土力學(xué)中的土坡穩(wěn)定問(wèn)題，梯田穩(wěn)定必須使抗滑力大于滑動(dòng)力，也就是說(shuō)要求穩(wěn)定安全系數(shù)大于1，一般設(shè)計(jì)中穩(wěn)定安全系數(shù)值采用1.2～1.5[17]。王棣等[18]認(rèn)為，當(dāng)主體梯田和輔助梯田穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.5時(shí)，滿足工程設(shè)計(jì)要求。從15°的坡耕地和梯田的整體穩(wěn)定性分析可以看出，其抗滑安全系數(shù)均大于1.5，表明當(dāng)坡度為15°時(shí)，修建梯田前后坡面整體比較穩(wěn)定。然而，修建梯田之后坡面的安全系數(shù)比坡耕地降低了45%，其穩(wěn)定性有所下降，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。因此，在15°的坡面上修建梯田是可行的[19]。

圖1坡度15°坡耕地和梯田整體穩(wěn)定性分析

坡度為25°時(shí)，坡耕地抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為6.823(圖2A)，最危險(xiǎn)滑移面主要集中在坡體部分，而梯田抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.871(圖2B)，最危險(xiǎn)滑移面主要是在坡體(圖2)。修建梯田之后坡面安全系數(shù)明顯下降，比坡耕地降低了73%，接近工程設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)，其穩(wěn)定性較差。從兩個(gè)坡面的計(jì)算結(jié)果可以看出，25°坡面的坡耕地與梯田其安全系數(shù)均低于15°坡面，并且在15°坡面修建梯田后其安全系數(shù)下降幅度小于25°的坡面，表明15°坡面修建梯田其穩(wěn)定性優(yōu)于25°坡面，更適合修建梯田。

圖2坡度25°坡耕地和梯田整體穩(wěn)定性分析

2.3 不同規(guī)格梯田的坡面穩(wěn)定性影響分析

為進(jìn)一步了解梯田不同土層厚度、不同田坎坡度和不同田面寬度對(duì)梯田坡面穩(wěn)定性的影響，分別建立不同規(guī)格的梯田模型進(jìn)行討論分析。

2.3.1 不同土層厚度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響 在15°的坡面上，選取田坎坡度為60°、田面寬度為9 m以及不同的土層厚度(0.4 m，0.5 m，1.0 m和1.5 m)建立梯田模型，分析不同土層厚度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出(圖3)，當(dāng)梯田土層厚度分別為0.4，0.5，1.0，和1.5 m時(shí)，坡面的安全系數(shù)分別為2.344，3.701，4.629，5.479；相對(duì)于0.4 m的土層厚度而言，0.5 m的土層其安全系數(shù)增加了58%，而1.0 m，1.5 m的土層其安全系數(shù)增加了62%和68%?？梢?jiàn)當(dāng)土層厚度超過(guò)1 m，隨著土層厚度的增加，坡面安全系數(shù)增加的幅度較小。因此，當(dāng)土層厚度超過(guò)1 m，其對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響較小。

圖3不同土層厚度梯田整體穩(wěn)定性

2.3.2 不同梯田田坎坡度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響 在15°的坡面上，選取土層厚度為0.5 m、田面寬度為9 m以及不同田坎坡度(60°，70°，80°和90°)建立梯田模型，分析不同田坎坡度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出(圖4)，田坎坡度為60°，70°，80°和90°的梯田安全系數(shù)分別為6.262，4.191，1.701，1.807，臨界滑移面逐漸朝坡腳下移。相對(duì)于60°的田坎坡度而言，70°的田坎坡度其安全系數(shù)降低了33%，80°和90°的安全系數(shù)分別降低了73%和71%。田坎坡度在60°～70°其安全系數(shù)下降幅度較小，隨著坡度增加其安全系數(shù)急劇下降。結(jié)果表明，田坎坡度對(duì)梯田的穩(wěn)定性影響較大，隨著坡度的增加梯田的穩(wěn)定性逐漸降低。這一結(jié)果與高霞等[7]的結(jié)論基本一致，其分析了6種田坎坡度(60°，65°，70°，75°，80°和85°)下梯田的穩(wěn)定性，認(rèn)為田坎高度一定時(shí)，隨著坡度的增加田坎抗滑穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性逐漸減小。因此，研究區(qū)在15°坡面修建梯田時(shí)，建議應(yīng)選擇較小的田坎坡度。

圖4不同田坎坡度梯田整體穩(wěn)定性分析

2.3.3 不同田面寬度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響 在15°的坡面上，選取土層厚度為0.5 m、田坎坡度為60°、以及不同田面寬度為(6 m，7 m，8 m和9 m)建立梯田模型，分析不同田面寬度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出(圖5)，當(dāng)梯田田面寬度分別為6 m，7 m，8 m和9 m時(shí)，坡面的安全系數(shù)分別為13.699，1.055，1.070，1.701。田面寬度為6 m時(shí)，坡面安全系數(shù)最高，穩(wěn)定性最好。

當(dāng)田面寬度為7 m，8 m和9 m時(shí)，坡面安全系數(shù)較田面寬度6 m分別降低了92%，92%和88%，隨著田面寬度的增加，坡面安全系數(shù)逐漸降低，且下降幅度較大。結(jié)果表明，田面寬度對(duì)梯田的穩(wěn)定性影響較大，研究區(qū)在15°坡面修建梯田時(shí)，應(yīng)選擇較小的田面寬度。

圖5不同田面寬度下梯田穩(wěn)定性分析

3 結(jié) 論

(1) 坡度為15°時(shí)，坡耕地坡面抗滑安全系數(shù)為11.454，修建梯田后坡面抗滑安全系數(shù)為6.262，比坡耕地降低了45%。坡度為25°時(shí)，修建梯田之后坡面安全系數(shù)(1.871)比坡耕地的安全系數(shù)(6.823)降低了73%。15°坡面修建梯田穩(wěn)定性優(yōu)于25°坡面，其抗滑安全系數(shù)較高。

(2) 在相同的坡長(zhǎng)和坡度下，坡面安全系數(shù)與土層厚度成正比。土層厚度對(duì)梯田穩(wěn)定性的影響較小，隨著土層厚度的增加，坡面安全系數(shù)逐漸增加；土層厚度超過(guò)1 m，坡面安全系數(shù)增加的幅度較小。

(3) 在相同的坡長(zhǎng)和坡度下，坡面安全系數(shù)與田坎坡度和田面寬度成反比。田坎坡度對(duì)梯田的穩(wěn)定性影響較大，隨著坡度的增加梯田的穩(wěn)定性逐漸降低；田坎坡度在60°～70°之間其安全系數(shù)下降幅度較小，隨著坡度增加其安全系數(shù)急劇下降，下降幅度高達(dá)73%。田面寬度對(duì)梯田的穩(wěn)定性影響較大，隨著坡度的增加梯田的穩(wěn)定性急劇降低，且下降幅度較大；田面寬度為7 m，8 m和9 m時(shí)，坡面安全系數(shù)較田面寬度6 m分別降低了92%，92%和88%。