基于集對法的土工袋砌護農田排水溝道邊坡穩定性評價

柴鵬翔，王紅雨,2，馬利軍，姚自凱，李 星，麥文慧

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏大學教育部節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

0 引 言

寧夏引黃灌區農田排水溝道受干濕、凍融循環作用以及運行管理不當等影響[1,2]，易產生滑塌破壞，制約了寧夏引黃灌區農田水利的可持續發展。為提高農田排水溝道穩定性，針對干、支、斗溝采取了相應的放緩邊坡、設置復式斷面、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，便會發生局部滑塌等破壞。

土工袋加固技術在大型工程中應用研究較多，劉斯宏等[3-5]對土工袋技術在地基加固、擋墻提防、淤泥處理以及雨水回收利用方面的應用進行了分析；李卓等[6,7]等對土工袋砌護季節性凍土地區凍融循環影響進行了研究；劉建偉[8]探索和總結了土工袋處理膨脹土渠道邊坡施工膨脹土處理；張力[9]對比農田排水溝道邊坡穩定監測數據，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，土工袋在農田排水溝道治理方面應用的研究目前處于監測階段，采用具體的數學分析方法判斷溝道邊坡是否穩定的問題還有待進一步研究。

集對法作為處理系統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系與轉化，從而能夠對系統進行全面的綜合評價。曹文貴等[13]根據風險因素的不確定性，建立山嶺隧道塌方風險評價模型；王文圣等[14]建立了自然災害風險評價指標體系和評價標準；張明媛等[15]分析了聯系度中差異度系數的取值方法，并建立了城市災害綜合風險評價模型；鐘登華等[16]基于集對分析聯系度的可展性，將其改進為多元聯系數。本文在寧夏青銅峽灌區土工袋砌護農田排水溝試驗段的原型監測結果的基礎上，采用集對分析法對土工袋砌護固坡方式下的農田排水溝道穩定性進行評價，為土工袋加固技術在農田排水溝道固坡的推廣應用提供基本依據。

1 試驗概況以及監測方案

原型監測試驗段位于寧夏青銅峽市邵剛鎮東方紅村，屬于黃河Ⅱ級階地，主要以全新統沖積相組成[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測試驗，監測項目、監測儀器的選取以及監測位置，見表1。監測方案為每半個月采集數據一次，此次監測數據分析選取2018年的監測數據進行研究。

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

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

2 監測數據分析

2.1 土工袋砌護溝道監測斷面各測點內部位移狀況

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

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

2.2 監測斷面上各測點土壓力、孔隙水壓力分布規律

土工袋砌護排水溝道邊坡土壓力監測結果如圖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生滑塌。120 cm埋深處土壓力小于90 cm處土壓力且保持穩定，根據地質資料顯示以及埋設監測儀器時發現，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測結果變化規律見圖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定。土工袋砌護農田排水溝道南北兩側邊坡土壓力與孔隙水壓力變化幅度不大，土體的有效應力變化范圍較小，農田排水溝道邊坡處于相對穩定的狀態。

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

監測數據反映出土工袋砌護模式良好的固坡效果，但是排水溝道穩定性的影響因素十分復雜，為了更好地說明土工袋組合砌護排水溝道的穩定性，在監測試驗的基礎上考慮多種因素，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定性

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

3.1 集對分析理論

集對分析理論[17]于1989年由我國學者趙克勤提出，將確定與不確定視作一個系統。建立具有聯系的兩個集合集對H=(A,B)，并通過聯系度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為集對的聯系度；i為差異不確定系數，i∈[-1,1]；j為對立度系數，j=-1；N為集對特性總數，N=S+F+P，S為集對中公有特性數，P為集對中對立特性數，F為集對中差異特性數；a,b,c分別為同一度、差異度、對立度，a+b+c=1。

傳統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。根據集對勢的取值判斷系統的發展趨勢。

3.2 集對模型的構建

令不同安全評價指標的評分集合為Q，穩定評價標準等級集合為X，建立集對H=(Q,X)，構造子系統的樣本值xij與排水溝道評價等級k之間的聯系度μk。指標權重的大小影響評價結果的客觀性，為了減小專家評分的主觀因素影響，用區間數表示專家判斷，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重向量W，進一步計算綜合聯系度A=W·μ，從而得出集對勢，確定判斷系統所處的安全等級。

本站使用的CHS-10型側滑檢驗臺，是交通部汽車保修機械廠產品。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備上的側向力，來判斷前輪定位參數是否正確。它以輪胎每公里的側滑米數來表示。

3.3 評價結果分析與討論

根據地質勘查資料顯示，沿黃河兩岸近代沖洪積、河湖積等沉積物構成寧夏引黃灌區的主體，沖積、湖積物以間夾黏性土的粉質、淤泥質粉細砂為主，地面以下埋深約1.5～2.5m范圍內普遍分布有流沙層，農田排水溝道坍塌嚴重地段土質多為粉質黏土[9]，工程施工難度較大。影響農田排水溝道穩定性的原因較多，地下水位高、土壤穩定性差，降雨沖刷、凍脹作用等因素導致溝道邊坡內部土壓力、孔隙水壓力、內部位移產生不穩定的較大幅度變化，會導致溝道邊坡產生不同程度的坍塌。另一方面，土工袋砌護模式主要依靠土工袋自重產生的摩擦力保護溝道邊坡穩定，因此袋材質量以及土工袋搭接質量對固坡效果影響較大。此外，寧夏引黃灌區土壤鹽漬化嚴重，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生侵蝕作用[22,23]，故邊坡穩定性的影響因素還應該包括土工袋砌護的工程質量、溝道邊坡的坡度、土工袋的袋材質量、土工袋的搭接質量、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定性根據影響因素進行分級。邀請專家根據監測數據、現場狀況以及實踐經驗依據表2對溝道邊坡穩定影響指標進行評分。專家評分均值見表3。

表2 農田排水溝道穩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 農田排水溝道穩定性評價指標得分均值Tab.3 The average score of stability evaluation index of farmland ditches

計算聯系度矩陣：

μ=(a+bi+cj)j×k=

計算各項評價指標綜合權重，見表4。

表4 穩定性評價指標綜合權重Tab.4 Comprehensive weight of stability evaluation index

計算評價指標權重向量：

W=[ω1,ω2,…,ω9]=

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

計算排水溝道穩定性評價綜合聯系度矩陣：

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，根據最大集對勢原則結合表2，說明該排水溝道穩定評價等級為B(Ⅱ)型，處于基本穩定狀態。

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東方紅村農田排水溝道上同時設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狀。與圖1的土工袋砌護固坡效果監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定性進行評價，同樣選取內部土壓力、孔隙水壓力、內部位移、工程質量、坡度作為評分指標，并且根據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構中草層的腐爛速度，不利于邊坡穩定。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定狀態，但是與不穩定狀態的臨界值相當接近，失穩隱患較大。可以得出土工袋砌護固坡效果優于草土木樁護坡。

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，導致產生滑移現象，對邊坡長期穩定造成隱患。因此相似的工程中應選取摩擦系數較高的土工袋，并且在施工過程中注意土工袋的搭接質量問題，建議采用“鑫三角”系統的鋪設方式見圖6，并且布設連接扣增強穩定性[26]；每層土工袋鋪設完成后，應進行多次循環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”基本結構Fig.6 Basic structure of Xin-triangle

4.3 使用集對分析法評價邊坡穩定的建議

集對分析法統籌兼顧多項評價指標，采用區間數理論確定綜合權重，減小了主觀因素對評價結果的影響。因此，采用集對分析法評價系統的發展趨勢，其中評價指標的確定、綜合權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，進行綜合權重的計算，讓評價結果合理可靠。

5 結 論

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

(2)采用集對分析法對農田排水溝道邊坡穩定性進行評價，結果顯示土工袋砌護農田排水溝道邊坡處于基本穩定狀態，與原型監測結果保持一致，相對于草土木樁護坡更加穩定。說明將集對分析法應用于農田排水溝道邊坡穩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。土工袋袋材受地下水中的鹽分侵蝕影響后，摩擦系數、拉伸性能等與溝道邊坡穩定聯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。

□