复合型生态护坡植生层降雨渗流试验研究

王溪平

(建平县水土保持局，辽宁 朝阳 122400)

复合型生态护坡植生层降雨渗流试验研究

王溪平

(建平县水土保持局，辽宁 朝阳 122400)

水利工程建设中对岩土体的开挖和堆填会破坏原有植被覆盖层。现有生态护坡一般关注边坡的深层稳定性，对于植生层稳定性的研究还不多见。本文基于国内外研究现状，对复合型生态护坡植生层进行了现场降雨模拟试验，探究了降雨前后各边坡不同位置植生层和土工网的土体含水量，并分析了含水量的变化规律，为今后的研究奠定了基础。研究表明：岩质边坡植生层含水量容易达到饱和状态，降雨结束后，边坡顶部含水量下降显著，边坡底部含水量较大，不利于护坡植物生长。

复合型生态护坡；植生层；降雨；渗流试验；土工网

我国发生滑坡、泥石流、水土流失等自然灾害较为频繁[1]。目前，对岩质边坡和高陡边坡一般采用工程防护措施，包括喷锚混凝土护坡、框格护坡、六角空心砖护坡等[2-3]。这些措施加固效果明显，但会增加整体工程造价，其施工工艺繁琐，不利于植被生长。随着工程使用年限增加，工程防护自然风化，后期存在安全隐患。研究表明，植被覆盖率以及松散堆积物数量是导致滑坡和泥石流的主要因素，因此，对边坡工程进行植被恢复是水利工程中的重要问题。对于岩质边坡和高陡边坡，以往多采用多层种植攀爬植物或喷播草本植物，但是此类植被难以形成独立的生态系统，后期维护成本高。坡面植生土体的稳定性直接关系到植被的生长水平。本文主要采用土工网垫喷播植生技术对大凌河两岸岩质边坡进行生态防护。

土壤中含水量的分布将直接影响植被的繁茂程度，土壤中的富水层将直接影响植被根系在植生层的分布。自然降水对植生层有着重要影响，降雨会导致植生层出现变形，严重时可能出现失稳，水流还会冲刷植生层表面造成养分流失。但是，降水渗入土体后还可为植被补充生长所需的水分。现有生态护坡一般只关注边坡的深层稳定性，对于植生层稳定性的研究还不多见。本文对复合型生态护坡植生层进行了现场降雨模拟，探究了降雨前后各边坡不同位置植生层和土工网的土体含水量，并分析了含水量的变化规律，为今后复合型生态护坡植生层设计提供参考。

1 植生层降雨入渗机理分析

降水渗入植生层的稳定问题主要与饱和—非饱和状态下的渗流规律有关。鉴于植生层土体较薄，雨水渗流将导致土体强度下降，水分将排挤土壤孔隙中的空气，直到形成饱和状态下的连续渗流。雨水渗入植生层过程主要包括饱和带、过渡带、传导层、湿润层。随着降水的持续，传导层逐渐到达岩石表面并形成富水层，当富水层与饱和带汇合后，整个植生层土体都将达到饱和状态，此时土体强度达到最小值，随时有发生滑坡的危险(植生层降雨入渗机理见图1)。植生层入渗的影响因素包括表面植被、土体结构、土体含水量、坡度、土工网垫类型、环境因素等。水是植生层植被生长的必要元素，因此雨水在植生层内的迁移规律关系到植被的生长状态。

图1 植生层降雨入渗机理

2 试验方案设计

锚杆-土工网垫喷播技术的影响因素主要有岩体种类、坡度、表面风化程度、植生层参数、土工网类型、植被类型、植被密度等。结合现有研究成果，采用控制变量法进行正交试验，取坡度、植被密度、土工网类型作为本次试验的变量，在大凌河两岸建立锚杆-土工网垫，并进行喷播[4]。正交试验组合见表1。

表1 现场正交试验布置

正交试验设计中，坡度分取45°、60°、70°，三维土工网取EM2、EM3、EM5。EM2单位面积平均质量为220g/m2，平均厚度10mm，层数为2层；EM3单位面积平均质量为260g/m2，平均厚度12mm，层数为3层；EM5单位面积平均质量为430g/m2，平均厚度16mm，层数为5层。结合建平县生态环境，选取高羊茅和白三叶作为护坡植被。为使植被能形成稳定的生态系统，草籽采用混拌方式，每平方米设计了3种不同的配合比：高羊茅25g+白三叶2g、高羊茅30g+白三叶4g、高羊茅35g+白三叶6g。高羊茅25g+白三叶2g表示植生密度稀疏，高羊茅30g+白三叶4g表示植生密度适中，高羊茅35g+白三叶6g表示植生密度繁茂。

利用自制喷淋设备模拟自然降水，通过试验结果分析植生层不同位置含水量的迁移规律。降水试验需要在植被龄期达到3个月后开展，试验植被的株高不小于25cm。本次试验中模拟暴雨降雨强度，每小时降雨量为40mm，喷淋头喷水速度为10m/s，喷水时间为15min，降雨面积100m2，总喷水量1m3。

依次对不同方案的坡体进行喷淋。喷淋设备安装在边坡顶部位置，水流向上喷出模仿雨滴自由下落过程，保证降水均匀撒在边坡表面。完成试验后对现场数据进行采集，用取土刀取边坡顶部、中部、底部植生层的土体。保证不同方案取土样深度相同，将样品放入已称重的铝盒，并进行编号。测量0h、24h、48h后不同方案边坡顶部、中部、底部植生层的土体参数作为试验结果。

3 结果与分析

3.1 试验结果

根据试验结果可分析植被密度、坡度、土工网型号对降雨后植生层水量迁移的影响(不同试验方案下0h、24h、48h后的土体参数见表2)。

表2 降雨结束后各位置含水量 单位： %

由表2中0h后的试验数据可知，不同试验方案下植生层表面坡顶、坡中、坡底含水量都接近80%；不同试验方案下土工网垫含水量差异较大，坡底位置土体含水量显著高于坡顶位置。随着时间的推移，在没有后续补水的前提下，不同位置处的土体含水量均呈现下降趋势，鉴于影响因素较为复杂，含水量下降幅度有显著差异。

3.2 坡度对植生层表面含水量的影响

取不同方案下降水后24h各位置含水量为研究对象，绘制相同植被密度下的表面含水量分布图(见图2)。

图2 不同坡度下植生层表面含水量分布

研究结果表明：当植被密度相同时，随着坡度的增加，坡顶和坡中的植生层表面含水量增加，坡底植生层表面含水量降低。究其原因，降水24h后，土体中的雨水在自重作用下向坡底迁移，坡度越大，渗流压力越大，坡顶水分迁移速度越快，坡底植生层不断吸收来自坡顶和坡中的水分，因此，坡底含水量变化幅度最小。

3.3 植被密度对植生层表面含水量的影响

取不同方案下降水后24h各位置含水量为研究对象，绘制相同坡度下的表面含水量分布图(见图3)。图中，A密度代表高羊茅25g+白三叶2g，B密度代表高羊茅30g+白三叶4g，C密度代表高羊茅35g+白三叶6g。

研究结果表明：当坡度相同时，随着植被密度的增加，坡顶、坡中、坡底的植生层表面含水量均降低。高羊茅25g+白三叶2g植被覆盖下的含水量变化最大，其余两种植被密度含水量变化类似。随着坡度的增加，坡顶和坡中的表面含水量变化较为显著，说明坡度是影响植生层表面含水量的主要因素。

图3 不同植被密度下植生层表面含水量分布

4 结 论

以岩质边坡植生层土体为研究对象，分析了降雨下植生层土体水分迁移规律。通过试验对复合型生态护坡植生层进行了现场降雨模拟，探究了降雨前后各边坡不同位置植生层和土工网的土体含水量。研究表明：岩质边坡植生层含水量容易达到饱和状态；降雨结束后，植生层表面坡顶、坡中、坡底含水量都接近80%，土工网垫含水量差异较大；边坡底部含水量较大，不利于护坡植物生长；随着坡度的增加，坡顶和坡中的表面含水量变化较为显著，坡度是影响植生层表面含水量的主要因素。

[1] 熊保根. 生态混凝土护坡在水利工程中的应用[J]. 水利规划与设计, 2016(10):23-25.

[2] 彭世炉. 提高混凝土抗冲磨性能技术措施在福鼎桑园水库下游护坦、护坡工程中的应用[J]. 中国水能及电气化, 2013(7):5-7.

[3] 李云洲. 模袋混凝土护坡在淮河入江水道工程中的应用[J]. 水利建设与管理, 2015(9):17-21.

Rainfall Seepage Experimental Study of Compound Ecological Slope Protection Vegetation Growth Layer

WANG Xiping

(JianpingCountyWaterandSoilConservationBureau,Chaoyang122400,China)

Excavation and landfill during water conservancy project construction would damage the original vegetation cover. Existing ecological slope protection generally focuses on stability at the deep level of the slope. Studies on stability of vegetation growth layer are scarce. Based on domestic and overseas study status quo, this article carries out on-spot rainfall simulation test on compound ecological slope protection vegetation growth layer, probes into soil mass water content in vegetation growth layer and geonet in different areas in each slope before and after rainfall and analyses changing rules of water content. It roots foundation for follow-up studies. Studies reveal that water content in vegetation growth layer at the rock slope tends to reach saturated mode. After rainfall, the peak of this slope shows evident drop of water content and high water content at the bottom. It is not conductive to growth of plants at the protection slope.

compound ecological slope protection; vegetation growth layer; rainfall; seepage test; geonet

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.016

TV861

A

1673-8241(2017)04- 0061- 04