【论文精选】基于边坡稳定的黄土梯田优化设计学术资讯

来源：中国水土保持科学

梯田既是一项水土保持工程措施，也是一项改善农业生产条件的重要措施，是人类创造的一种十分重要的土地资源。在我国梯田建设中，以黄土高原梯田分布面积最广，截至2015年底，仅水平梯田面积已达345.25万hm2。由于黄土梯田可以有效提高土壤墒情，增加粮食产量，减少水土流失，所以成为黄土丘陵地区坡耕地水土流失治理中，采用最广泛、最重要的水土保持工程措施。黄土梯田的合理设计保证了梯田功能的实现和运行，但是由于梯田的实施者多为农民群众，仅凭经验进行设计施工，随意性较强。因此，修筑的梯田规格、质量不一，不仅没有发挥出梯田对农业生产的促进作用；反而由于设计的不尽合理，加之在全球气候变化导致极端暴雨事件频发的背景下，使得梯田滑坡灾害时有发生。因此，研究如何在保证边坡稳定的前提下，合理设计黄土梯田断面，对于我国黄土丘陵地区农业发展和生态安全具有重要的理论和实践意义。

虽然目前对降雨边坡稳定性的研究较多，但是专门针对降雨条件下黄土梯田边坡稳定的文献较少，且大部分集中在降雨强度和历时、土壤强度参数(黏聚力、摩擦角、变形模量等)等对稳定性的影响，少有分析梯田设计参数对安全系数影响的研究；即使有些文献涉及到，也是在无降雨的条件下研究梯田设计参数对安全系数的影响，这与梯田滑坡主要发生在降雨期间的实际情况明显不符；而且，现有研究都没有给出降雨条件下梯田设计参数如何影响安全系数(即敏感性分析)，也没有给出梯田稳定性的优化设计方案。

因此，笔者在实地调研、室内土工试验的基础上获取了黄土梯田的断面和土力学参数, 并在此基础上采用ABAQUS建立降雨条件下的黄土梯田稳定性分析有限元仿真模型。利用该模型计算水平梯田、隔坡梯田、原始边坡(对照)在不同降雨条件下的安全系数并进行多因素协方差分析; 利用正交试验设计和计算田坎坡度、地面坡度、田面宽度3个水平梯田设计参数的极差, 并结合灰色关联法对极差进行2次改正。

梯田模型示意图

研究结果表明:

1)降雨条件下，影响黄土梯田稳定性的主要因素排序为:降雨历时>地面坡度>降雨入渗强度>梯田类型, 水平梯田和隔坡梯田的稳定性显著高于原始边坡, 但水平梯田和隔坡梯田的稳定性差异不显著;

2)3个设计参数对安全系数的敏感性排序为:地面坡度(0.081)>田面宽度(0.007)>田坎坡度(0.001);

3)在该文的设计参数水平下, 梯田优化设计方案为:地面坡度18°、田坎坡度65°、田面宽度9m。

综上：降雨是影响黄土梯田稳定性的重要因素, 在降雨条件下进行水平梯田设计, 地面坡度越小越好, 而田面宽度和田坎坡度的取值要进行极差分析后才能确定最佳组合; 在无法改变地面坡度时, 要特别注意田面宽度的设计, 才能使黄土梯田更加稳定。

研究结果可为黄土梯田的优化设计提供参考。

本研究由宁夏自然科学基金"宁南山区坡改梯水土保持工程对黄土边坡稳定性的影响"(2019AAC03047)；2019年大学生创新创业训练计划项目"降雨入渗下的宁南山区黄土梯田稳定性及优化设计研究"(2019107490009)共同资助。

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《中国水土保持科学》是由中国科学技术协会主管，中国水土保持学会主办的综合性学术期刊。2003年创刊，双月刊，公开发行，2004年成为中国科技核心期刊，2011年入选中国科学引文数据库（CSCD），2015年入编《中文核心期刊要目总览》2014年版（即第七版）。

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