保水型土工袋保水性能影響因素試驗研究

張 鵬于士彥溫其正李欣欣何 露

(1.河海大學大禹學院，江蘇 南京210098；2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京210098；3.河海大學環境學院，江蘇 南京210098；4.河海大學水利水電學院，江蘇 南京210098)

0 引言

淡水資源短缺是全球面臨的嚴峻問題，特別在干旱地區，已成為制約城市綠地發展的重要因素。在街道綠化中，雖然已采取污水凈化等水資源再利用的措施，但仍不能滿足綠地增加的需要[1]。如何減少土壤水分的無效消耗，形成合理的緩釋過程，使珍貴的土壤水分能在較長時間內停留在土壤當中，為樹木生長提供充足的水分是當前急需解決的技術難題。

而保水型土工袋就是基于這一難題提出的解決方案。土工袋是指將土石料或工業廢渣等材料裝填至袋狀土工合成材料中，形成滿足工程要求的袋裝物。它是當前一種新的建筑材料，已廣泛應用與各個領域[2]。保水型土工袋是在土工袋原有性能的基礎上，將其向生態環保方面進行拓展的嘗試，具有廣闊的應用前景。

本文介紹了保水型土工袋的技術原理，在南京地區開展現場試驗工作，以保水型土工袋為研究對象，以土壤含水率變化為參照，從保水型土工袋的材料透水性差值、填埋深度及內部填充物三個方面對保水型土工袋的保水性能進行綜合研究，驗證保水型土工袋技術在綠地施工中的有效性，以期為推廣該項技術提供理論依據。

1 保水型土工袋技術原理

圖1 保水型土工袋實物圖Fig.1 The photo of water-holding soilbags

如圖1、圖2、圖3所示，保水型土工袋頂面用透水性土工布制作，側面及底面用具有一定強度、不透水性土工膜布制作。在綠地施工時，將現場開挖出來的土壤取部分裝入該保水型土工袋中，扎口后堆放在旁邊待用；根據種植植物的種類來確定開挖深度，開挖完成后將保水型土工袋安放進去，用機械或人工夯實，再回填上層土壤，種植植被。保水型土工袋制作簡單、節能環保、保水效果強，有利于綠化節約用水，可做到局部防洪，有助于在邊坡加固同時解決綠化防水方面的問題。

保水型土工袋保水的基本原理是，當雨水通過上層土壤滲入地下時，土工袋側面和底面不透水的土工膜布將其阻擋防止其繼續下滲，并將水存儲在土工袋中。由于毛細作用及蒸發作用，儲存的雨水逐漸上升，滿足上層植被的生長需要，有利于節約綠化用水。

圖2 保水型土工袋示意圖Fig.2 Schematic diagram of water-holding soilbags

圖3 保水系統Fig.3 Water-retention system

2 現場試驗

2.1 試驗材料

保水型土工袋試驗在南京市某小區內進行，開挖土為淤泥質粉質黏土，土壤基本性質如表1所示：

表1 試驗區土壤基本性質Tab.1 Basic properties of soil in test area

保水型土工袋由河海大學水工結構研究所研制，上層采用以聚丙烯為原材料的濾水型土工編織布，并含抗老化劑，側面及底面采用具有不同防滲效果的土工膜。攤鋪尺寸為75cm×55cm，土工袋成型后尺寸為60cm×40cm×15cm，編織袋質量100g/m2。

2.2 試驗方法

先進行三種單因素的試驗方案，如圖4所示。通過單因素試驗確定使保水型土工袋保水效果顯著的因素及其水平。再利用SPSS對試驗條件進行優化，根據相應的試驗表格進行試驗，分析各因素對土壤有效含水量增加量的影響程度，得到在一定水平范圍內保水效果顯著的組合。

圖4 保水型土工袋單因素試驗Fig.4 Single factor experiment of water-holding soilbags

2.2.1 土工袋鋪填方式

土工袋鋪設采用人工鋪填方式：在錯縫鋪設的前提下，土工袋之間應保留5～10cm的空隙，保證土工袋在壓實過程中有足夠的延伸空間；用開挖土進行填縫，并利用小型平板振動碾碾壓2遍，盡可能使3種方案中袋內填充物達到相同的壓實性[5]。

2.2.2 土工袋材料透水性對土壤保水性能的影響

將保水型土工袋側面及底面土工膜布分別設置為普通土工布、LDPE膜(低密度聚乙烯膜)、EVA膜（乙烯-醋酸乙烯共聚膜）、HDPE膜（高密度聚乙烯膜）4種處理，4種材料防滲性由低到高，具體相關性能見表2。每組保水型土工袋內分別裝入25kg的粘土，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至50cm深地下，澆足量水，每隔一周取上層土壤土樣測定含水率，并記錄數據的變化。每組設置3個試樣。

表2 土工膜性能參數Tab.2 Properties of soilbags coating

2.2.3 土工袋填埋深度對土壤保水性能的影響

將保水型土工袋的填埋深度設置為25cm、50cm、75cm共3組處理，每組3個試樣（土工袋材料參照2.2.2種保水效果顯著的材料）。每組保水型土工袋內分別裝入25kg的粘土，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至地下，澆足量水，每隔一月取上層土壤土樣測定含水率，并記錄數據的變化。每組設置3個試樣。

2.2.4 土工袋內部填充物對土壤保水性能的影響

查閱相關資料[3]將保水型土工袋的內部填充物設置為粘土、陶粒、砂土、砼碎塊共4組處理，填充物的相關性質見表3，每組3個試樣（土工袋材料參照2.2.2保水效果顯著的材料，填埋深度參照2.2.3中保水效果顯著的填埋深度）。每組保水型土工袋內分別裝入25kg的填充物，并碾壓均勻。將4組保水型土工袋填埋至地下，澆足量水，每隔一月取上層土壤土樣測定含水率，并記錄數據的變化。每組設置3個試樣。

表3 內部填充物基本性質Tab.3 Basic properties of infilling

2.2.5 土壤保水效果的計算方法

用烘干法測定出土壤含水率，參照《土工測試技術》中的試驗方法測出各組土壤含水率，再用各試驗組土壤含水率與自然條件下土壤含水率之差來衡量土工袋對于土壤的保水效果[4]。具體方法為，每隔一個月取上述3個試驗中土工袋上方距地表20cm深度處土樣及自然條件下距地表20cm深度處土樣各50g，用烘干法在溫度105℃下烘10小時后稱量試樣質量變化，測定土壤含水率，并記錄各組數據。

3 試驗結果與分析

3.1 保水型土工袋在土壤中保水性能的影響因素

3.1.1 土工袋材料透水性的影響

方案一所得試驗結果見圖5。隨著側面及底面土工膜布透水性的增強，土壤的含水率越高。當側面及底面為LDPE膜時，土工袋在土壤中的保水性能最優，土壤的含水率較對比提高了8.36%。采用EVA膜時保水效果稍弱，為3.09%。而采用普通土工布和HDPE膜作為側面及底面材料，反而會引起嚴重的反效果，土壤含水率分別下降7.75%和10.4%。其原因是采用LDPE膜的土工袋能夠有效的蓄積雨水，提升土壤濕度；同時由于LDPE膜具有一定的透水性能，保證了保水型土工袋下側土壤中的水分在毛細作用下上升不受到阻礙，使土壤中水分得到及時補充。

圖5 土工袋材料透水性的影響圖Fig.5 The effect of the material permeability

3.1.2 土工袋填埋深度的影響

方案二所得試驗結果見圖6。保水型土工袋材料選擇一致，填埋深度不同，則土壤的含水率變化顯著，其填埋深度越淺，土壤的含水率越高。填埋深度為25cm時，土壤含水率增加8.9%；而填埋為50cm和75cm時，土壤含水率分別增加4.0%和2.9%，保水效果降低明顯。其原因是土工袋將水分蓄積在袋內，隨著土工袋埋深的增加，其對表層土壤含水率的影響逐漸降低，但土工袋之上土壤總的含水量應相差不大。

圖6 土工袋填埋深度的影響圖Fig.6 The effect of the buried depth

3.1.3 土工袋內部填充物的影響

方案三所得試驗結果見圖7。保水型土工袋在內部填充物為陶粒時土壤含水率的增加量達13.03%，比采用粘土、砂土、碎砼塊時保水效果顯著，后三者誒的土壤含水率增加量分別9.15%、7.54%、5.27%，所以保水型土工袋在內部填充物為陶粒時保水效果明顯。其原因是當袋內填充物顆粒較為粗大時，顆粒間空隙大，儲水量大，隨著蒸發作用，水分上升，迅速提升上層土壤含水率；當袋內填充物為細顆粒時土壤對水的吸附作用較強，水分釋放緩慢，土壤含水率提升緩慢。

圖7 土工袋不同內部填充物的影響Fig.7 The effect of the infilling

表4 SPSS正交試驗結果Tab.4 The result of the SPSSorthogonal experiment design

3.2 SPSS正交試驗設計優化結果

單因素試驗表明，保水型土工袋材料透水性、填埋深度和內部填充物類型對其在土壤中保水性的影響均較為顯著，經過單因素初步優化，確定各因素的取用范圍。對3個因素編碼，內部填充物類型設4個水平，分別是陶粒（1）、粘土（2）和砂土（3）、砼碎塊（4）；側面和底面土工膜布設4個水平，分別是普通土工布(0)、LDPE膜（1）、EVA膜（2）、HDPE膜（3）；填埋深度設3個水平，分別是25cm、50cm和75cm。

按SPSS正交試驗設計出的方案進行優化試驗，所得的結果見表4。各因素的方差分析所得結果見表5。由三因素的Sig＜0.05可知，保水型土工袋的材料透水性、填埋深度和內部填充物類型的主效應都是高度顯著的。同時由方差分析中的F值可知，三者的交互作用并不顯著。由III型平方和比較可知，各因素對保水型土工袋保水效果的影響顯著性：材料透水性ffgt;內部填充物類型ffgt;填埋深度。

表5 單因素方差分析結果Tab.5 The result of one-way analysis of variance

從表6中我們可以清楚地看出每個因素的最佳水平為：側面和底面土工膜為LDPE膜，內部填充物類型為陶粒，填埋深度為25cm。按照上述組合進行試驗保水效果最好，當試驗進行到一個月時土壤含水率較自然條件下增加16.5%，后續時間雖有所下降，但也穩定在10%左右。其確為保水效果最佳的組合。

表6 SPSS優化分析結果Tab.6 The optimized analyzing result of SPSS

4 結論

（1）保水型土工袋保水效果與材料透水性、填埋深度和內部填充物類型等有關；當保水型土工袋以底側土工膜布類型為LDPE膜，內部填充物類型為陶粒，填埋深度為25cm的方案實施時保水效果最為顯著，一個月后土壤含水率增加達到16.5%，后續時間也穩定在10%左右。

（2）該試驗求得了保水型土工袋材料透水性、填埋深度和內部填充物類型與土壤含水率變化關系的模型。由模型可知，這三個因素均為影響保水性的顯著因素（Sig＜0.05），且三者的交互作用不顯著，可為生產上合理應用此種技術提供參考。

（3）保水型土工袋作為一項新的工程技術，需進一步開展在理論、施工工藝、質量檢測等方面的研究，尤其是需研發相應的施工機械，提高施工效率，盡早制訂相應的技術標準，以便推廣使用。另外該試驗是在南京地區實施，對于西部干旱、半干旱地區的適用情況也有待進一步研究。

致謝：

衷心感謝尊敬的指導老師劉斯宏教授在論文撰寫中給予的悉心指導和鼓勵，正是他悉心的指導、嚴謹的治學風格和孜孜不倦的教誨，給了筆者無窮的啟發和指引。

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