张 鹏1 于士彦2 温其正2 李欣欣3 何 露4
(1.河海大学大禹学院，江苏 南京 210098；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；
3.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；4.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)
【摘 要】介绍了保水型土工袋的基本构造、基本原理及应用前景。通过三种单因素现场试验以及SPSS正交试验设计法研究了影响保水型土工袋在土壤中保水性能的三个因素：材料透水性差值、填埋深度及内部填充物。结果表明，三者对保水型土工袋的保水性能影响均达到高度显著水平（Sig<0.05），且三者的交互作用不显著。另外对保水型土工袋保水效果的影响程度：材料透水性差值>内部填充物类型>填埋深度。当保水型土工袋以底侧土工膜布类型为LDPE膜，内部填充物类型为陶粒，填埋深度为25cm的方案填埋在植被下侧时保水效果最为显著，一个月后土壤含水率增加16.5%，后续时间也稳定在10%左右。
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关键词 保水型土工袋；土壤含水率；保水性能
作者简介：张鹏（1993—），男，河海大学大禹学院土木工程专业，研究方向为再生混凝土、土工袋、钢结构。
于士彦，男，河海大学土木与交通学院土木工程专业，研究方向为岩石力学与工程。
0 引言
淡水资源短缺是全球面临的严峻问题，特别在干旱地区，已成为制约城市绿地发展的重要因素。在街道绿化中，虽然已采取污水净化等水资源再利用的措施，但仍不能满足绿地增加的需要[1]。如何减少土壤水分的无效消耗，形成合理的缓释过程，使珍贵的土壤水分能在较长时间内停留在土壤当中，为树木生长提供充足的水分是当前急需解决的技术难题。
而保水型土工袋就是基于这一难题提出的解决方案。土工袋是指将土石料或工业废渣等材料装填至袋状土工合成材料中，形成满足工程要求的袋装物。它是当前一种新的建筑材料，已广泛应用与各个领域[2]。保水型土工袋是在土工袋原有性能的基础上，将其向生态环保方面进行拓展的尝试，具有广阔的应用前景。
本文介绍了保水型土工袋的技术原理，在南京地区开展现场试验工作，以保水型土工袋为研究对象，以土壤含水率变化为参照，从保水型土工袋的材料透水性差值、填埋深度及内部填充物三个方面对保水型土工袋的保水性能进行综合研究，验证保水型土工袋技术在绿地施工中的有效性，以期为推广该项技术提供理论依据。
1 保水型土工袋技术原理
如图1、图2、图3所示，保水型土工袋顶面用透水性土工布制作，侧面及底面用具有一定强度、不透水性土工膜布制作。在绿地施工时，将现场开挖出来的土壤取部分装入该保水型土工袋中，扎口后堆放在旁边待用；根据种植植物的种类来确定开挖深度，开挖完成后将保水型土工袋安放进去，用机械或人工夯实，再回填上层土壤，种植植被。保水型土工袋制作简单、节能环保、保水效果强，有利于绿化节约用水，可做到局部防洪，有助于在边坡加固同时解决绿化防水方面的问题。
保水型土工袋保水的基本原理是，当雨水通过上层土壤渗入地下时，土工袋侧面和底面不透水的土工膜布将其阻挡防止其继续下渗，并将水存储在土工袋中。由于毛细作用及蒸发作用，储存的雨水逐渐上升，满足上层植被的生长需要，有利于节约绿化用水。
2 现场试验
2.1 试验材料
保水型土工袋试验在南京市某小区内进行，开挖土为淤泥质粉质黏土，土壤基本性质如表1所示：
保水型土工袋由河海大学水工结构研究所研制，上层采用以聚丙烯为原材料的滤水型土工编织布，并含抗老化剂，侧面及底面采用具有不同防渗效果的土工膜。摊铺尺寸为75cm×55cm，土工袋成型后尺寸为60cm×40cm×15cm，编织袋质量100g/m2。
2.2 试验方法
先进行三种单因素的试验方案，如图4所示。通过单因素试验确定使保水型土工袋保水效果显著的因素及其水平。再利用SPSS对试验条件进行优化，根据相应的试验表格进行试验，分析各因素对土壤有效含水量增加量的影响程度，得到在一定水平范围内保水效果显著的组合。
2.2.1 土工袋铺填方式
土工袋铺设采用人工铺填方式：在错缝铺设的前提下，土工袋之间应保留5～10cm的空隙，保证土工袋在压实过程中有足够的延伸空间；用开挖土进行填缝，并利用小型平板振动碾碾压2遍，尽可能使3种方案中袋内填充物达到相同的压实性[5]。
2.2.2 土工袋材料透水性对土壤保水性能的影响
将保水型土工袋侧面及底面土工膜布分别设置为普通土工布、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种处理，4种材料防渗性由低到高，具体相关性能见表2。每组保水型土工袋内分别装入25kg的粘土，并碾压均匀。将4组保水型土工袋填埋至50cm深地下，浇足量水，每隔一周取上层土壤土样测定含水率，并记录数据的变化。每组设置3个试样。
2.2.3 土工袋填埋深度对土壤保水性能的影响
将保水型土工袋的填埋深度设置为25cm、50cm、75cm共3组处理，每组3个试样（土工袋材料参照2.2.2种保水效果显著的材料）。每组保水型土工袋内分别装入25kg的粘土，并碾压均匀。将4组保水型土工袋填埋至地下，浇足量水，每隔一月取上层土壤土样测定含水率，并记录数据的变化。每组设置3个试样。
2.2.4 土工袋内部填充物对土壤保水性能的影响
查阅相关资料[3]将保水型土工袋的内部填充物设置为粘土、陶粒、砂土、砼碎块共4组处理，填充物的相关性质见表3，每组3个试样（土工袋材料参照2.2.2保水效果显著的材料，填埋深度参照2.2.3中保水效果显著的填埋深度）。每组保水型土工袋内分别装入25kg的填充物，并碾压均匀。将4组保水型土工袋填埋至地下，浇足量水，每隔一月取上层土壤土样测定含水率，并记录数据的变化。每组设置3个试样。
2.2.5 土壤保水效果的计算方法
用烘干法测定出土壤含水率，参照《土工测试技术》中的试验方法测出各组土壤含水率，再用各试验组土壤含水率与自然条件下土壤含水率之差来衡量土工袋对于土壤的保水效果[4]。具体方法为，每隔一个月取上述3个试验中土工袋上方距地表20cm深度处土样及自然条件下距地表20cm深度处土样各50g，用烘干法在温度105℃下烘10小时后称量试样质量变化，测定土壤含水率，并记录各组数据。
3 试验结果与分析
3.1 保水型土工袋在土壤中保水性能的影响因素
3.1.1 土工袋材料透水性的影响
方案一所得试验结果见图5。随着侧面及底面土工膜布透水性的增强，土壤的含水率越高。当侧面及底面为LDPE膜时，土工袋在土壤中的保水性能最优，土壤的含水率较对比提高了8.36%。采用EVA膜时保水效果稍弱，为3.09%。而采用普通土工布和HDPE膜作为侧面及底面材料，反而会引起严重的反效果，土壤含水率分别下降7.75%和10.4%。其原因是采用LDPE膜的土工袋能够有效的蓄积雨水，提升土壤湿度；同时由于LDPE膜具有一定的透水性能，保证了保水型土工袋下侧土壤中的水分在毛细作用下上升不受到阻碍，使土壤中水分得到及时补充。
3.1.2 土工袋填埋深度的影响
方案二所得试验结果见图6。保水型土工袋材料选择一致，填埋深度不同，则土壤的含水率变化显著，其填埋深度越浅，土壤的含水率越高。填埋深度为25cm时，土壤含水率增加8.9%；而填埋为50cm和75cm时，土壤含水率分别增加4.0%和2.9%，保水效果降低明显。其原因是土工袋将水分蓄积在袋内，随着土工袋埋深的增加，其对表层土壤含水率的影响逐渐降低，但土工袋之上土壤总的含水量应相差不大。
3.1.3 土工袋内部填充物的影响
方案三所得试验结果见图7。保水型土工袋在内部填充物为陶粒时土壤含水率的增加量达13.03%，比采用粘土、砂土、碎砼块时保水效果显著，后三者诶的土壤含水率增加量分别9.15%、7.54%、5.27%，所以保水型土工袋在内部填充物为陶粒时保水效果明显。其原因是当袋内填充物颗粒较为粗大时，颗粒间空隙大，储水量大，随着蒸发作用，水分上升，迅速提升上层土壤含水率；当袋内填充物为细颗粒时土壤对水的吸附作用较强，水分释放缓慢，土壤含水率提升缓慢。
3.2 SPSS正交试验设计优化结果
单因素试验表明，保水型土工袋材料透水性、填埋深度和内部填充物类型对其在土壤中保水性的影响均较为显著，经过单因素初步优化，确定各因素的取用范围。对3个因素编码，内部填充物类型设4个水平，分别是陶粒（1）、粘土（2）和砂土（3）、砼碎块（4）；侧面和底面土工膜布设4个水平，分别是普通土工布(0)、LDPE膜（1）、EVA膜（2）、HDPE膜（3）；填埋深度设3个水平，分别是25cm、50cm和75cm。
按SPSS正交试验设计出的方案进行优化试验，所得的结果见表4。各因素的方差分析所得结果见表5。由三因素的Sig<0.05可知，保水型土工袋的材料透水性、填埋深度和内部填充物类型的主效应都是高度显著的。同时由方差分析中的F值可知，三者的交互作用并不显著。由III型平方和比较可知，各因素对保水型土工袋保水效果的影响显著性：材料透水性>内部填充物类型>填埋深度。
从表6中我们可以清楚地看出每个因素的最佳水平为：侧面和底面土工膜为LDPE膜，内部填充物类型为陶粒，填埋深度为25cm。按照上述组合进行试验保水效果最好，当试验进行到一个月时土壤含水率较自然条件下增加16.5%，后续时间虽有所下降，但也稳定在10%左右。其确为保水效果最佳的组合。
4 结论
（1）保水型土工袋保水效果与材料透水性、填埋深度和内部填充物类型等有关；当保水型土工袋以底侧土工膜布类型为LDPE膜，内部填充物类型为陶粒，填埋深度为25cm的方案实施时保水效果最为显著，一个月后土壤含水率增加达到16.5%，后续时间也稳定在10%左右。
（2）该试验求得了保水型土工袋材料透水性、填埋深度和内部填充物类型与土壤含水率变化关系的模型。由模型可知，这三个因素均为影响保水性的显著因素（Sig<0.05），且三者的交互作用不显著，可为生产上合理应用此种技术提供参考。
（3）保水型土工袋作为一项新的工程技术，需进一步开展在理论、施工工艺、质量检测等方面的研究，尤其是需研发相应的施工机械，提高施工效率，尽早制订相应的技术标准，以便推广使用。另外该试验是在南京地区实施，对于西部干旱、半干旱地区的适用情况也有待进一步研究。
致谢：
衷心感谢尊敬的指导老师刘斯宏教授在论文撰写中给予的悉心指导和鼓励，正是他悉心的指导、严谨的治学风格和孜孜不倦的教诲，给了笔者无穷的启发和指引。
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［责任编辑：刘展］