柴鵬翔，王紅雨,2，馬利軍，姚自凱，李 星，麥文慧

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué)教育部節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝道受干濕、凍融循環(huán)作用以及運行管理不當?shù)扔绊慬1,2]，易產(chǎn)生滑塌破壞，制約了寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田水利的可持續(xù)發(fā)展。為提高農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性，針對干、支、斗溝采取了相應(yīng)的放緩邊坡、設(shè)置復(fù)式斷面、草土木樁護坡等工程治理措施[2]，但是一般投入使用2～3 a之后，便會發(fā)生局部滑塌等破壞。

土工袋加固技術(shù)在大型工程中應(yīng)用研究較多，劉斯宏等[3-5]對土工袋技術(shù)在地基加固、擋墻提防、淤泥處理以及雨水回收利用方面的應(yīng)用進行了分析；李卓等[6,7]等對土工袋砌護季節(jié)性凍土地區(qū)凍融循環(huán)影響進行了研究；劉建偉[8]探索和總結(jié)了土工袋處理膨脹土渠道邊坡施工膨脹土處理；張力[9]對比農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了土工袋砌護與草土木樁護坡方法的固坡效果；陸立國、朱思遠、張海晨等[10-12]對寧夏引黃灌區(qū)渠道砌護破壞原因與防治措施進行了研究。但是，土工袋在農(nóng)田排水溝道治理方面應(yīng)用的研究目前處于監(jiān)測階段，采用具體的數(shù)學(xué)分析方法判斷溝道邊坡是否穩(wěn)定的問題還有待進一步研究。

集對法作為處理系統(tǒng)不確定性問題的分析方法，可較完整的分析和處理各種因素以及它們之間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，從而能夠?qū)ο到y(tǒng)進行全面的綜合評價。曹文貴等[13]根據(jù)風(fēng)險因素的不確定性，建立山嶺隧道塌方風(fēng)險評價模型；王文圣等[14]建立了自然災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系和評價標準；張明媛等[15]分析了聯(lián)系度中差異度系數(shù)的取值方法，并建立了城市災(zāi)害綜合風(fēng)險評價模型；鐘登華等[16]基于集對分析聯(lián)系度的可展性，將其改進為多元聯(lián)系數(shù)。本文在寧夏青銅峽灌區(qū)土工袋砌護農(nóng)田排水溝試驗段的原型監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用集對分析法對土工袋砌護固坡方式下的農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性進行評價，為土工袋加固技術(shù)在農(nóng)田排水溝道固坡的推廣應(yīng)用提供基本依據(jù)。

1 試驗概況以及監(jiān)測方案

原型監(jiān)測試驗段位于寧夏青銅峽市邵剛鎮(zhèn)東方紅村，屬于黃河Ⅱ級階地，主要以全新統(tǒng)沖積相組成[9]。土工袋砌護試驗段長100 m，見圖1，選取試驗段中間橫截面進行原型監(jiān)測試驗，監(jiān)測項目、監(jiān)測儀器的選取以及監(jiān)測位置，見表1。監(jiān)測方案為每半個月采集數(shù)據(jù)一次，此次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析選取2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究。

圖1 土工袋砌護固坡效果監(jiān)測試驗段Fig.1 The test section for monitoring the effect of solibags protecting slope

表1 監(jiān)測項目、監(jiān)測儀器的選取以及監(jiān)測位置Tab.1 Monitoring items, selection of monitoring instruments and monitoring location

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 土工袋砌護溝道監(jiān)測斷面各測點內(nèi)部位移狀況

土工袋砌護排水溝道的內(nèi)部位移監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，監(jiān)測位置處邊坡內(nèi)部位移較小。邊坡受滲流作用影響，坡內(nèi)會產(chǎn)生潛在滑移面，且滑塌大多發(fā)生在坡腳處。采用土工袋砌護方式的農(nóng)田排水溝道，邊坡內(nèi)部位移變化較小，且在坡腳處設(shè)置有土工袋裝砂礫石的壓坡抗滑體，能有效固坡防塌。

圖2 南北各測點內(nèi)部位移變化Fig.2 The internal displacement change of the north and south measuring points

2.2 監(jiān)測斷面上各測點土壓力、孔隙水壓力分布規(guī)律

土工袋砌護排水溝道邊坡土壓力監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。埋深小于90 cm時，隨著埋深增大，土壓力隨之增大。90 cm埋深處是溝道邊坡地下水位變化變化比較頻繁的范圍，孔隙水壓力的作用致使土體的抗剪強度減小，邊坡在該位置處可能產(chǎn)生滑塌。120 cm埋深處土壓力小于90 cm處土壓力且保持穩(wěn)定，根據(jù)地質(zhì)資料顯示以及埋設(shè)監(jiān)測儀器時發(fā)現(xiàn)，120 cm埋深處為流沙層，土壓力變化較小。

圖3 南北坡各測點土壓力變化Fig.3 Variation of earth pressure at different measuring points on the north and south slopes

土工袋邊坡孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果變化規(guī)律見圖4，孔隙水壓力變化較小。土工袋的濾水保土性能使邊坡孔隙水壓力趨于穩(wěn)定。土工袋砌護農(nóng)田排水溝道南北兩側(cè)邊坡土壓力與孔隙水壓力變化幅度不大，土體的有效應(yīng)力變化范圍較小，農(nóng)田排水溝道邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 南北坡孔隙水壓力變化Fig.4 Variation of pore water pressure on the north and south slope

監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出土工袋砌護模式良好的固坡效果，但是排水溝道穩(wěn)定性的影響因素十分復(fù)雜，為了更好地說明土工袋組合砌護排水溝道的穩(wěn)定性，在監(jiān)測試驗的基礎(chǔ)上考慮多種因素，采用集對法對此進行進一步分析評價。

3 集對分析法評價土工袋砌護溝道邊坡穩(wěn)定性

農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性評價是一項系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌兼顧多項指標。由于指標影響因素具有很多不確定性，導(dǎo)致客觀評價穩(wěn)定性具有一定的難度。本文采用系統(tǒng)工程中的集對分析法評價土工袋砌護農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性。

3.1 集對分析理論

集對分析理論[17]于1989年由我國學(xué)者趙克勤提出，將確定與不確定視作一個系統(tǒng)。建立具有聯(lián)系的兩個集合集對H=(A,B)，并通過聯(lián)系度μ對集對中兩集合的特性從同、異、反3方面進行描述[18]

(1)

式中：μ為集對的聯(lián)系度；i為差異不確定系數(shù)，i∈[-1,1]；j為對立度系數(shù)，j=-1；N為集對特性總數(shù)，N=S+F+P，S為集對中公有特性數(shù)，P為集對中對立特性數(shù)，F(xiàn)為集對中差異特性數(shù)；a,b,c分別為同一度、差異度、對立度，a+b+c=1。

傳統(tǒng)集對分析法中集對勢Shi的計算公式存在分母等于零的情況，有一定的局限性，本文采用文獻[19]提出的改進后的計算方法。根據(jù)集對勢的取值判斷系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

3.2 集對模型的構(gòu)建

令不同安全評價指標的評分集合為Q，穩(wěn)定評價標準等級集合為X，建立集對H=(Q,X)，構(gòu)造子系統(tǒng)的樣本值xij與排水溝道評價等級k之間的聯(lián)系度μk。指標權(quán)重的大小影響評價結(jié)果的客觀性，為了減小專家評分的主觀因素影響，用區(qū)間數(shù)表示專家判斷，建立不確定型判斷矩陣，通過其相似性和差異性[20]確定專家置信度，進一步計算指標的綜合權(quán)重，計算過程參考文獻[21]。由以上計算得出排水溝道安全評價指標權(quán)重向量W，進一步計算綜合聯(lián)系度A=W·μ，從而得出集對勢，確定判斷系統(tǒng)所處的安全等級。

本站使用的CHS-10型側(cè)滑檢驗臺，是交通部汽車保修機械廠產(chǎn)品。本檢測臺用于前輪定位的綜合檢驗。當汽車低速駛過檢驗臺時，通過測定車輪作用在測試設(shè)備上的側(cè)向力，來判斷前輪定位參數(shù)是否正確。它以輪胎每公里的側(cè)滑米數(shù)來表示。

3.3 評價結(jié)果分析與討論

根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，沿黃河兩岸近代沖洪積、河湖積等沉積物構(gòu)成寧夏引黃灌區(qū)的主體，沖積、湖積物以間夾黏性土的粉質(zhì)、淤泥質(zhì)粉細砂為主，地面以下埋深約1.5～2.5m范圍內(nèi)普遍分布有流沙層，農(nóng)田排水溝道坍塌嚴重地段土質(zhì)多為粉質(zhì)黏土[9]，工程施工難度較大。影響農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性的原因較多，地下水位高、土壤穩(wěn)定性差，降雨沖刷、凍脹作用等因素導(dǎo)致溝道邊坡內(nèi)部土壓力、孔隙水壓力、內(nèi)部位移產(chǎn)生不穩(wěn)定的較大幅度變化，會導(dǎo)致溝道邊坡產(chǎn)生不同程度的坍塌。另一方面，土工袋砌護模式主要依靠土工袋自重產(chǎn)生的摩擦力保護溝道邊坡穩(wěn)定，因此袋材質(zhì)量以及土工袋搭接質(zhì)量對固坡效果影響較大。此外，寧夏引黃灌區(qū)土壤鹽漬化嚴重，地下水中富含鹽分，排水溝道運行過程中可能會對土工袋袋材產(chǎn)生侵蝕作用[22,23]，故邊坡穩(wěn)定性的影響因素還應(yīng)該包括土工袋砌護的工程質(zhì)量、溝道邊坡的坡度、土工袋的袋材質(zhì)量、土工袋的搭接質(zhì)量、地下水的含鹽量以及土工袋受侵蝕程度等。

參考張國棟等[24]將水庫大壩的安全風(fēng)險嚴重程度進行分級定性定量的描述方法，對土工袋砌護的排水溝道邊坡穩(wěn)定性根據(jù)影響因素進行分級。邀請專家根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場狀況以及實踐經(jīng)驗依據(jù)表2對溝道邊坡穩(wěn)定影響指標進行評分。專家評分均值見表3。

表2 農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定分級及其定性定量描述Tab.2 The stability classification and qualitative and quantitative description of the safety of farmland ditches

表3 農(nóng)田排水溝道穩(wěn)定性評價指標得分均值Tab.3 The average score of stability evaluation index of farmland ditches

計算聯(lián)系度矩陣：

μ=(a+bi+cj)j×k=

計算各項評價指標綜合權(quán)重，見表4。

表4 穩(wěn)定性評價指標綜合權(quán)重Tab.4 Comprehensive weight of stability evaluation index

計算評價指標權(quán)重向量：

W=[ω1,ω2,…,ω9]=

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

計算排水溝道穩(wěn)定性評價綜合聯(lián)系度矩陣：

計算集對勢向量：

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

其中Shimax=2.588 6，根據(jù)最大集對勢原則結(jié)合表2，說明該排水溝道穩(wěn)定評價等級為B(Ⅱ)型，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 土工袋砌護溝道固坡效果分析與建議

4.1 土工袋砌護與傳統(tǒng)草土木樁護坡效果對比

課題組在位于寧夏青銅峽市邵剛鎮(zhèn)東方紅村農(nóng)田排水溝道上同時設(shè)置了土工袋砌護試驗段和草土木樁護坡試驗段，圖5為草土木樁護坡試驗段的現(xiàn)狀。與圖1的土工袋砌護固坡效果監(jiān)測試驗段相比較可以看出，土工袋砌護邊坡段的溝道運行狀況良好，無明顯坍塌跡象，但是草土木樁護坡段的溝道坍塌明顯。采用集對分析法對草土木樁護坡邊坡穩(wěn)定性進行評價，同樣選取內(nèi)部土壓力、孔隙水壓力、內(nèi)部位移、工程質(zhì)量、坡度作為評分指標，并且根據(jù)草土木樁的護坡機理[25]選取木樁的間距、木樁的直徑和入土深度、草土層的間距、地下水位等指標，其中地下水位過高會加快草土結(jié)構(gòu)中草層的腐爛速度，不利于邊坡穩(wěn)定。采取類似的分級方法、評分標準和計算步驟，得出草土木樁護坡邊坡穩(wěn)定的最大集對勢為3.816 4，大于土工袋砌護模式下的集對勢2.588 6。雖然草土木樁護坡下邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是與不穩(wěn)定狀態(tài)的臨界值相當接近，失穩(wěn)隱患較大?？梢缘贸鐾凉ご鲎o固坡效果優(yōu)于草土木樁護坡。

圖5 草土木樁護坡效果試驗段Fig.5 The test section of slope protection effect of Grass-soil-pile

4.2 土工袋砌護排水溝道施工中注意事項

土工袋砌護邊坡的溝道整體運行狀況良好，但是個別土工袋由于抗滑力不足，導(dǎo)致產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，對邊坡長期穩(wěn)定造成隱患。因此相似的工程中應(yīng)選取摩擦系數(shù)較高的土工袋，并且在施工過程中注意土工袋的搭接質(zhì)量問題，建議采用“鑫三角”系統(tǒng)的鋪設(shè)方式見圖6，并且布設(shè)連接扣增強穩(wěn)定性[26]；每層土工袋鋪設(shè)完成后，應(yīng)進行多次循環(huán)夯壓土工袋呈扁平狀，增加接觸面積，提高抗滑力，會使土工袋砌護的固坡效果更加良好。

圖6 “鑫三角”基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of Xin-triangle

4.3 使用集對分析法評價邊坡穩(wěn)定的建議

集對分析法統(tǒng)籌兼顧多項評價指標，采用區(qū)間數(shù)理論確定綜合權(quán)重，減小了主觀因素對評價結(jié)果的影響。因此，采用集對分析法評價系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其中評價指標的確定、綜合權(quán)重的計算顯得十分重要。在分析過程中，需充分查閱資料，了解待評價體系的工作原理，選取合理的評價指標，進行綜合權(quán)重的計算，讓評價結(jié)果合理可靠。

5 結(jié) 論

(1)土工袋砌護農(nóng)田排水溝道邊坡監(jiān)測結(jié)果表明邊坡土體孔隙水壓力、土壓力及內(nèi)部位移變化較小，說明土工袋砌護農(nóng)田排水溝道邊坡效果較好，能夠滿足農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定的要求。

(2)采用集對分析法對農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性進行評價，結(jié)果顯示土工袋砌護農(nóng)田排水溝道邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與原型監(jiān)測結(jié)果保持一致，相對于草土木樁護坡更加穩(wěn)定。說明將集對分析法應(yīng)用于農(nóng)田排水溝道邊坡穩(wěn)定性評價中具有一定的適用性。

(3)集對分析法評價指標中包含了地下水的含鹽量和土工袋受侵蝕程度，僅僅作為評價依據(jù)。土工袋袋材受地下水中的鹽分侵蝕影響后，摩擦系數(shù)、拉伸性能等與溝道邊坡穩(wěn)定聯(lián)系較為密切的特性具體如何變化，將作為下一步研究的重點。

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