豫西南土坎水平梯田田坎穩定性分析

楊 柳, 郝仕龍， 范云鵬

(1.南陽市水土保持監督監測站, 河南 南陽 473000; 2.華北水利水電大學 資源與環境學院,鄭州 450045;3.南陽師范學院 南水北調中線水源區水安全河南省協同創新中心, 河南 南陽 473061； 4.南陽市水利局， 河南 南陽 473068)

河南省是我國第一糧食生產大省，2010年底，耕地面積為720.22萬hm2[1-3]，其中坡耕地面積為78.96萬hm2，坡改梯是我國開發利用坡地、發展農業生產的一種傳統方式[4-6]，也是我國坡耕地治理的一項重要工程措施[7-10]，對水土保持與糧食穩產增產方面發揮巨大的生態效益和社會效益[11-16]，建設至今，水平梯田已成為山地丘陵區面廣量大的基本農田，是水土保持、坡面、田間工程措施的主要組成部分[17-21]。梯田設計要求開挖土方工程量小、省工、土地利用率高、田坎穩定等。能最大限度滿足這些要求的梯田斷面，設計上稱為最優斷面[22]。

梯田的設計保證了梯田功能的實現和運行，傳統上由于工程的實施者為廣大的農民群眾，大多憑經驗進行設計施工，存在隨意性，因此修筑的梯田規格、質量不一，對農業生產的促進大打折扣[23]。近年來，學者針對梯田設計和修筑的問題，從各學科和技術方面闡述梯田設計思路與優化方案，取得了一定的成果，但在優化方案上，沒有形成統一的認識。究其原因，不同區域客觀條件和需要存在較大差異，從而造成梯田優化設計上的混亂和爭論。梯田田坎必須保持穩定，是梯田設計中最基本的要求，影響田坎穩定性的主要因素有田坎高度、外側坡度、土壤密實程度、土壤的內摩擦角、黏聚力、修筑方法和施工質量等[23]。一般田坎低，側坡緩，施工質量高，田坎穩定。反之，不利于穩定。但如果梯田修得過緩，使耕地凈面積減少，降低土地的利用率，打消農戶坡改梯的積極性，豫西南區域自然條件差異大，坡改梯優化方案也存在著較大的差異，長期以來，由于缺乏科學依據，坡改梯工程經驗性、隨意性較強，遠遠達不到優化設計的要求，本文從豫西南區域自然條件出發，在科學試驗的基礎上，分析豫西南坡改梯不同土壤類型及不同設計方案條件下的田坎穩定性，為該區域坡改梯工程方案設計提供參考。

1 研究區域概況

項目研究區位于黃河以南，大別山、桐柏山以北，鄭州、許昌西部，地理位置為110°20′—116°00′E，31°20′—35°10′N。包含豫西及豫南各市縣區，其中豫西主要包括洛陽市、平頂山市、山門峽市及鄭州市部分縣區，豫南主要包括許昌市、南陽市、駐馬店市及信陽市各縣區，研究區國土總面積為9.66萬km2，占全省國土總面積16.55萬km2的58.39%。，豫西南坡耕地總面積為68.88萬hm2，占全省坡耕地總面積的87.23%。梯田面積為25.02萬hm2。僅占全省耕地面積的3.5%，研究區域各縣區的地理位置及空間分布如下圖(圖1)。地形有包括山地、丘陵、崗地、盆地，海拔23.2～2 414 m，降雨量516～1 370 mm，土壤的地帶性主要包括暖溫帶落葉闊葉林干旱森林草原棕壤褐土地帶和北亞熱帶含常綠闊葉樹種的落葉闊葉林黃棕壤地帶，根據河南省土壤分類系統[24]，豫西南山地丘陵區土壤分布區土類主要有褐土、棕壤及黃棕壤三大土類，其中褐土類主要包括褐土、白面土、紅黏土、立黃土及油黃土5個土壤亞類，棕壤土類包括棕壤和棕黃土2個土壤亞類，黃棕壤土類包括黃棕壤、黃禢土和黃剛土3個土壤亞類。從土壤亞類的角度，豫西南坡耕地分布區土壤類型主要包括豫西丘陵立黃土、白面土及紅黏土亞類、豫西伏北山地棕壤亞類、豫西伏北低山丘陵褐土亞類、伏牛山南部山地丘陵黃剛土亞類及豫南大別山桐柏山山地丘陵黃棕壤亞類(圖2)。

圖1 研究區域

圖2 豫西南土壤類型分布

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗土樣分別為立黃土、棕壤土、褐土、黃剛土及黃棕壤，取土時間為2013年5月，土樣分別采自河南省陜縣、嵩縣、新密市、南召縣和商城縣。土樣取樣為各土壤類型區坡耕地分布區域，取土深度為1 m，土量為30 kg。對試樣進行基本的物性試驗，所得的物理性質指標見表1，施工過程中土壤含水率以12%～16%為宜[22-23]。

表1 土壤試樣的物理性質指標

2.2 試驗設計與計算方法

(1) 試驗設計。按試驗要求分別制取五個區域土壤重塑樣各一個，各進行一組固結不排水三軸剪切試驗。分別在100 kPa，200 kPa，300 kPa圍壓下進行。本次試驗采用北京華勘有限責任公司KTG全自動三軸儀，參照《巖土工程勘察規范(GB50021—2001(2009年版))》和《土工試驗方法標準(GB/T50266—99)》的規定進行試驗和結果與分析。

(2) 邊坡穩定性分析。理正系列軟件為一款常用的國產土木工程輔助設計計算軟件，本項目采用的是理正巖土中的邊坡穩定性分析系統。該軟件采用瑞典條分法、簡化Bishop法、JanBu法進行圓弧破裂面穩定計算，自動搜索最危險滑動面，并輸出最危險滑動面的邊坡穩定系數彩色云圖等參數。該軟件在邊坡穩定性分析領域得到了廣泛的應用。

3 結果與分析

3.1 土樣應力和抗剪強度

試驗結束后，利用計算機內自帶試驗處理軟件，將所得結果進行處理分析，得到總應力、抗剪強度指標ccu，φcu和有效應力、抗剪強度指標c′，φ′。試驗結果匯總(表2)。分兩種工況，第一種工況為日常工況條件下，在該工況條件下，土體含水量適中，土體在自重條件下固結已經完成，對應試樣的有效應力指標。暴雨工況條件下，此種工況條件下，土體含水量急劇增加達到飽和，土體沒有充分的時間排水固結，對應試樣的總粘聚力和總內摩擦角。兩種工況都采用固結不排水剪切強度來計算邊坡穩定性。表2為各土壤試樣在兩種工況條件下的粘聚力、內摩擦角取值。

表2 土壤試樣三軸固結不排水剪切試驗結果

根據不同土壤試樣三軸固結不排水剪切試驗結果，暴雨工況條件下，立黃土的土壤黏聚力要強于其他土壤類型，土壤內摩擦角也大于其他土壤類型，其次是黃剛土，棕壤、褐土和黃棕壤土壤黏聚力大小一致，內摩擦角褐土要稍大于棕壤和黃棕壤。日常工況條件下，立黃土也同樣具有較好的黏聚力，其次是褐土和黃剛土，棕壤的土壤黏聚力相對要差，土壤的內摩擦角相差不大，最大為立黃土，其土壤的內摩擦角為16.2°，最小為黃棕壤，其土壤的內摩擦角為14.1°。日常工況條件下，各土壤試樣土壤黏聚力要強于暴雨工況條件下土壤黏聚力，土壤內摩擦角也大于暴雨工況條件下內摩擦角，其中土壤黏聚力在不同工況條件下其強度相差尤為顯著，立黃土的土壤黏聚力在日常工況條件下為25 kPa，而在暴雨工況條件下其黏聚力下降至11 kPa，因此，立黃土在日常工況條件下的土壤黏聚力是暴雨工況條件下的2.27倍，而褐土的土壤黏聚力相差最為明顯，日常工況條件下的土壤黏聚力是暴雨工況條件下的3.29倍。

3.2 土坎梯田邊坡穩定性分析

采用理正軟件對土坎梯田進行邊坡穩定性分析。暴雨條件下，雨水入滲使得土體的飽和度更高，總壓力增大，強度降低，同時土體的排水條件較差，此時土坎梯田邊坡穩定性差，容易發生滑坡，因此本文采用固結不排水剪總應力指標，這將獲得土坎邊坡穩定性更高的設計參數[25-28]。取土坎的穩定安全系數K=1.3[29-30]。其中的田坎高度定為1 m，1.5 m，2 m，2.5 m四種樣式，外側坡角設為60°，65°，70°，75°四種樣式，分別進行土坎梯田的穩定性分析，得到的結果見表3—7。

表3 立黃土土坎梯田穩定安全系數

表4 黃剛土土坎梯田穩定安全系數

根據立黃土土坎梯田的穩定性分析結果(表3)，立黃土土坎梯田的穩定性較好，當田坎高度為2.5 m時，梯田地面最大坡角可設為75°，此時土坎梯田穩定性相對較好，Fs=1.473，滿足土坎梯田穩定性要求。根據黃剛土土坎梯田的穩定性分析結果(表4)，當田坎高度為2 m時，梯田地面最大坡角可設為75°，此時土坎梯田穩定性較好，當田坎高度達2.5 m時，梯田地面最大坡角不宜超過60°。

表5 棕壤土坎穩定安全系數

表6 褐土土坎穩定安全系數

表7 黃棕壤土坎穩定安全系數

根據棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田的穩定性分析結果(表5—7)，當田坎高度小于等于1.5 m時，土坎梯田地面坡角為75°時，土坎梯田邊坡穩定性較好，當田坎高度達2 m時，土坎坡角不宜超過65°，當田坎高度超過2.5 m時，四種設定土坎坡角均處于不穩定狀態。說明棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田的穩定性較類似。

試驗結果表明，立黃土土坎梯田邊坡穩定性最好，在各種梯田斷面設計條件下，其土坎邊坡都具有較強的穩定性，其次是黃剛土，當土坎梯田高度為2.5 m時，梯田地面最大邊坡角不宜超過60°。當土坎梯田高度小于2.5 m時，在梯田各種坡角條件下，其土坎邊坡穩定性較好，棕壤、褐土和黃棕土壤土土坎梯田具有類似的穩定性特征，當田坎高度達2 m時，土坎邊坡角不宜超過65°。從分布區域來看，立黃土主要分布在豫西北三門峽、洛陽(偃師縣、宜陽縣及孟津縣)及鄭州西郊(滎陽、登封市和鞏義市)，由緩崗過渡到殘塬階地而止于丘陵與紅黏土帶相連，黃剛土主要分布在大別山北坡與淮河干流之間，西部在伏牛山南坡與南陽盆地交接處的丘陵地區。棕壤主要分布在太行山區、伏牛山北坡以及伏牛山南坡較高山地，就行政區劃而言，主要分布在盧氏、欒川、靈寶、嵩縣、魯山、洛寧、汝陽、登封、南召、西峽、內鄉縣較高山地，褐土主要分布于伏牛山北坡與太行山地淺山丘陵地區，黃棕壤主要分布范圍大體上在大別、桐柏地丘陵壟崗地區，呈一狹長地帶分布，就行政區劃而言，主要分布在駐馬店地區的泌陽、確山、南陽地區的淅川、西峽、內鄉、鎮平、南召、方城、桐柏、唐河等縣及信陽地區的信陽、羅山、潢川、光山、新縣、商城、固始等縣大部分地區。

4 結 論

(1) 日常工況下，各參試土樣中，在土壤的黏聚力方面，立黃土的黏聚力最強，達到25 kPa，褐土、黃剛土、黃棕壤及棕壤的黏聚力強度依次下降，棕壤的黏聚力強度為13 kPa，在土壤的內摩擦角方面，立黃土的內摩擦角最大，達到16.2°，棕壤、黃剛土、褐土及黃棕壤的內摩擦角依次下降，其中黃棕壤的內摩擦角為14.1°。在暴雨工況下，各參試土樣的黏聚力強度有較大的降低，在這種工況條件下，立黃土的黏聚力也最強，達到11 kPa，其次是黃剛土為8 kPa，棕壤、褐土及黃棕壤的黏聚力一致，為7 kPa，各參試土樣的內摩擦角與日常工況條件總體相差不大。

(2) 在暴雨工況下，采用固結不排水總應力指標，分析基于不同田坎高度及邊坡角度的水平梯田穩定性，可以為土坎水平梯田安全運行提供可靠保證，試驗表明在相同工況下，梯田邊坡角度越大，田坎越高，土坎的穩定安全系數越小。5種參試土樣中，在相同的土坎梯田設計樣式中，立黃土土坎梯田邊坡穩定性最高，其次是黃剛土，棕壤、褐土，黃棕土壤土坎梯田邊坡穩定性相對較低，這說明在上述相同條件下，立黃土抗剪強度最大，黃剛土次之，棕壤、褐土，黃棕壤的抗剪強度相對較弱。

參考文獻:

[1] 李茂.河南省耕地和糧食灰色關聯分析[J].地理科學進展,2002,21(2):163-172.

[2] 范磊,王來剛,程永政,等.河南省土地利用變化遙感監測[J].安徽農業科學,2009,37(28):13722-13724.

[3] 張志國.改革開放以業河南省耕地面積波動分析[J].中國農學通報,2011,27(14):257-261.

[4] 王道龍,畢于運.我國西部生態脆弱帶坡耕地水土流失及坡地梯化[J].中國人口·資源與環境,2002,12(5):88-90.

[5] 歐陽昉.坡改梯是西部貧困山區脫貧致富的有效途徑[J].中國農業資源與區劃,2006,27(6):27-29.

[6] 熊康寧,李晉,龍明忠.典型喀斯特石漠化治理區水土流失特征與關鍵問題[J].地理學報,2012,67(7):878-888.

[7] 高海東,李占斌,李鵬,等.梯田建設和淤地壩淤積對土壤侵蝕影響的定量分析[J].地理學報,2012,67(5):599-608.

[8] 張巖,楊松,李鎮,等.陜北黃土區水平條帶整地措施對切溝發育的影響[J].農業工程學報,2015,31(7):125-130.

[9] 張國華,謝崇寶,皮曉宇,等.不同措施紅壤坡地與梯田土地生產潛力[J].山地學報,2015,33(3):88-293.

[10] 陳良.低山丘陵區水土保持治理與生態環境效應[J].長江流域資源與環境,2004,13(4):370-374.

[11] 胡望舒,洪渾,周侃,等.黃土丘陵區水平梯田與農民收入的關系及原因:以寧夏回族自治區固原市為例[J].干旱區地理,2013,36(3):536-544.

[12] 胡建民,胡欣,左長清.紅壤坡地坡改梯水土保持效應分析[J].水土保持研究,2005,12(4):271-273.

[13] 陳述文,鄧煒,邱金根.不同坡改梯方式的生態環境效應研究[J].安徽農業科學,2008,36(19):8251-8254.

[14] 張彥軍,郭勝利,南雅芳,等.水土流失治理措施對小流域土壤有機碳和全氮的影響[J].生態學報,2012,32(18):5777-5785.

[15] 薛萐,劉國彬,張超,等.黃土高原丘陵區坡改梯后的土壤質量效應[J].農業工程學報,2011,27(4):310-316.

[16] 劉曉燕,王富貴,楊勝天,等.黃土丘陵溝壑區水平梯田減沙作用研究[J].水利學報,2014,45(7):793-800.

[17] 趙護兵,劉國彬,吳瑞俊.黃土的丘陵區不同類型農地的養分循環平衡特征[J].農業工程學報,2008,22(1):58-64.

[18] 王璦玲,趙庚星,王瑞燕,等.區域土地整理生態環境評價及時空配置[J].應用生態學報,2006,17(8):1481-1484.

[19] 王金滿,白中科,宿梅雙.山地丘陵區坡式梯田土地整治工程量快速測算方法[J].中國土地科學,2013,27(1):78-83.

[20] 趙玉領,蘇強,吳克寧,等.河南嵩縣土地整理的數量質量潛力[J].農業工程學報,2008,24(9):73-78.

[21] 劉寧,鄖文聚,雷廷武.丘陵地區梯田土方量的快速計算方法及應用[J].農業工程學報,2007,23(4):47-51.

[22] 潘起來,牛曉君.土坎水平梯田最優斷面設計[J].青海大學學報:自然科學版,2005,23(2):22-24.

[23] 馬良瑞,梅再美.梯田斷面設計與優化研究[J].貴州科學,2012,30(2):45-48.

[24] 克循.河南土壤[M].鄭州:河南人民出版社,1979.

[25] 郭瑩,王躍新.原狀與重塑粉土固結不排水剪切特性的對比試驗[J].水利學報,2011,42(1):68-75.

[26] 張海霞,陳勇,秦幫民.三軸不固結不排水剪的試驗方法[J].水利水電科技進展,2007,27(3):30-34.

[27] 沈揚,張明舉,閆俊.圓弧滑動法中總應力法和有效應力法適用性辨析[J].河南大學學報:自然科學版,2011,39(5):517-522.

[28] 張軍艦,左紅偉,徐永.對多級加荷三軸固結不排水剪切試驗應用的探討[J].煙臺大學學報:自然科學與工程版,2006,19(1):58-62.

[29] 張道兵,王軍,劉忠桓.土質邊坡的安全系數求解[J].湘潭師范學報:自然科學版,2004,26(2):37-39.

[30] 王相國,王洪剛,王偉.丘陵區梯田優化設計研究[J].水土保持研究,2001,8(3):125-127.